基于動態物質流的建筑垃圾減量化與資源化分析——以湖南省為例

鄭兆昱,鄧 鵬,2*,黃 靚,陳宇亮,陽 棟

基于動態物質流的建筑垃圾減量化與資源化分析——以湖南省為例

鄭兆昱1,鄧 鵬1,2*,黃 靚1,陳宇亮3,陽 棟4

(1.湖南大學土木工程學院,湖南 長沙 410082；2.湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082；3.湖南省交通科學研究院有限公司,湖南 長沙 410015；4.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004)

為了促進建筑垃圾減量化與資源化,以湖南省為例,建立了結合經濟與碳減排效益的動態物質流分析框架,定量分析了不同建筑壽命(短、中、長)及城市發展情景下湖南省(1990～2060年)建筑垃圾產生量及其組分的變化規律,并測算了不同資源化路線下碳排放量和生產成本,探索建筑垃圾高效資源化利用路線.研究結果表明:湖南省未來建筑垃圾產生量還將保持高速增長,2020～2060年建筑垃圾累計產量將達到11.6～50億t,年建筑垃圾產量達到0.45～2億t,其中,可利用的廢磚瓦、廢混凝土塊等占比達到87%.同時利用再生骨料代替天然的礫石和砂,能減少19.8%的碳排放.

建筑垃圾；資源化利用；動態物質流分析；碳排放；生產成本

在過去的幾十年時間里,我國出現了前所未有的快速城市化,常住人口城市化率從1978年的18.57%迅速上升到了2020年末的63.89%[1].雖然我國成為了亞洲乃至全球城市化進程最快的國家之一,但根據國際經驗,在城市化水平達到70%之前,城市化水平還會快速增長,隨之產生的巨量建筑垃圾將給城市環境帶來了巨大壓力[2].研究表明,我國建筑垃圾年均產生量為15.5億～24億t,約占城市垃圾的30%～40%[3-4],產生的建筑垃圾必須進行回收與處置,以提高資源化利用效率并減輕環境污染.分析建筑垃圾的產量變化規律和資源化利用潛力是相關領域非常關心的問題.

我國絕大多數地區沒有建筑垃圾的統計數據[5].在缺乏直接數據的情況下,學術界多采用動態物質流分析(DMFA)方法分析建筑垃圾未來的物質流動與貯存[6].如Müller[7]建立了一個DMFA模型,并將該模型用于預測1900年至2100年荷蘭建筑垃圾的產生.該模型也進一步在中國[8-9]、挪威[10-11]、德國[12]、智利[13]、美國[14]等國家廣泛得到應用.從國內外相關研究來看,對于建筑垃圾的研究一般停留在建筑垃圾的源頭減量化上[15],很少考慮到將建筑垃圾制備再生產品后的經濟、環境效益[16-17].王地春等[18]通過生命周期評價理論(LCA)對廢舊黏土磚資源化利用的環境收益進行了分析,但只是針對廢舊黏土磚,研究范圍較小.王波[19]和朱海濱[20]基于LCA對深圳市塘朗山建筑垃圾產業園的建筑廢棄物資源化項目的環境效益進行了測算,但僅是個案研究,不具有普適性.劉勇超[21]基于LCA對建筑固體廢棄物再生利用的環境影響與經濟效益進行定量分析,但研究所用部分數據來源于假設或參考國外相關數據庫,對評價結果有一定影響.Zhang等[22]以重慶市為例,通過物質流分析(MFA)和LCA,評價了不同建筑垃圾資源化利用路徑的環境效益,但僅是靜態分析,沒有對整個建筑垃圾資源化利用進行動態的系統分析.國外學者對建筑垃圾的再利用和資源化的研究也從未停止,Dahlbo等[23]采用MFA和LCA方法評估了芬蘭一個通用的建筑垃圾管理系統的環境、成本績效,但缺乏關于建筑垃圾的處理、產出數量以及處理過程的成本的相關數據. Rodríguez等[24]和Cuenca-Moyano等[25]使用LCA分析了以建筑垃圾為原料制備建筑材料對環境的影響,但也只是從環境效益的角度,沒有考慮到產品的成本效益.因此,十分有必要建立建筑垃圾的全面分析模型來填補研究上的空白,從而為政府提供建筑垃圾減量化與資源化的合理、可行性建議.

本研究基于Müller[7]開發的庫存驅動DMFA模型,建立了考慮經濟與碳減排效益的建筑垃圾動態物質流模型.以湖南省為例,對湖南省過去30年的建筑垃圾產量進行了評估,并預測在不同發展情景下2060年的建筑垃圾產量及其成分的變化規律.同時,結合經濟成本與碳排放評價,分析了不同再生產品的碳減排與經濟效益,形成再生產品的綜合評價方法,為湖南省下一步相關政策制定、資源化利用路線選擇等提供指導.

1 研究方法與數據來源

本研究建立的結合經濟與碳減排效益的動態物質流分析模型,將建筑垃圾減量化與資源化作為一個動態的系統來考慮,包括了建筑垃圾的產生階段、分選處置階段、資源化利用階段,同時在資源化利用階段引入經濟和碳排放評估模型,具體如圖1所示.

圖1 結合經濟與碳減排效益的動態物質流分析模型

1.1 模型范圍定義

本文為建立的分析模型定義了空間、時間、材料等基本變量.

①空間

本文選取湖南省作為研究的地理空間邊界.截至2021年,湖南省總面積21.18萬km2,常住人口為6622萬人.僅2019年,湖南全省14個市州的建筑垃圾產生總量就約有3400萬t(不含工程渣土),但資源化利用率只有15%左右[26].

②時間

本文的重點是對未來建筑垃圾減量化與資源化利用的解析,早期較低的數據對建筑垃圾產生量影響較小,同時考慮到我國碳達峰碳中和的時間節點,所以選取1990～2060年作為研究的時間邊界.

③材料

本文所考慮建筑垃圾為建筑在施工和拆除活動中產生的工程垃圾和拆除垃圾.

1.2 計算模型

1.2.1 建筑垃圾產量分析模型 該模型以新建建筑面積和施工面積作為未來建筑垃圾產量預測的主要驅動因素.其中,施工面積用來直接計算工程垃圾,式(1);新建建筑面積用來估算拆除面積,進而計算拆除垃圾量,式(2)～(4);

式中:WS為第年產生的工程垃圾量,t;S為第年的建筑施工面積,m2;g為單位施工面積的工程垃圾產生量基數,t/104m2.

拆除面積的計算是通過生存函數建立的[27-28],通過對大量的文獻調研,本文選取正態分布函數來擬合建筑壽命曲線[7,29-31],從而獲得拆除面積并計算拆除垃圾量[32].見下式:

式中:()為建筑物的壽命分布函數,代表在第年建成的建筑物在第年被拆除概率;為建筑物的平均壽命,為正態分布標準差,取0.3[2,33];D為建筑物在第年的拆除面積,m2;N為第年的新建建筑面積,m2;0為1990年.WD為第年產生的拆除垃圾量,t;mc為單位面積拆除垃圾產生量基數,t/104m2.

1.2.2 建筑垃圾產量分析模型驗證 通過政府及相關文獻的統計數據,利用建筑垃圾產量分析模型,計算出湖南省建筑垃圾的動態結果并驗證[22,34-36].采用相對誤差作為模型精確度檢驗指標,根據目前建筑垃圾管控現狀,檢驗指標小于0.3,即認為該模型的預測結果有效[15,37].

1.2.3 經濟與碳排放評估模型 該模型是基于建筑垃圾資源化利用階段構建的,通過計算原材料生產運輸階段、再生產品加工階段的成本與碳排放,來評估資源化利用過程中的經濟與碳減排效益.為了比較不同資源化利用路線的經濟、碳減排效益,本模型的功能單位定義為生產一噸的再生產品.計算方法見下文:

①碳排放

式(5)中:為再生產品碳排放總量,kg CO2-eq/t;sc為原材料在生產階段碳排放量,kg CO2-eq/t;ys為原材料運輸階段碳排放量,kg CO2-eq/t;jg為再生產品加工制造階段碳排放量,kg CO2-eq/t.

式(6)～(7)中:為原材料種類;M為原材料的使用量,t;F為原材料的排放因子,kg CO2-eq/t.D為原材料平均運輸距離,km;T為運輸工具碳排放因子,kg CO2-eq/(t·km).

公式中的參數及其數據來源如表1所示.

表1 參數值及數據源

②生產成本

式(8)中:為再生產品生產成本,元/t;yl為所用原料價格,元/t;ys為原料運輸階段費用,元/t;jg為再生產品加工制造階段的能源、人工、折舊等費用,元/t.

1.3 未來建筑垃圾演變趨勢的情景設置

未來建筑垃圾產量主要受建筑壽命和城市發展速度的影響,本研究結合上述兩大影響因素分別設置了短、中、長3種建筑壽命和4種發展情景,來分析至2060年湖南省建筑垃圾的產生量.

1.3.1 建筑壽命周期 我國一般建筑的設計使用年限為50年[42],但目前住宅建筑壽命普遍低于設計壽命[37].調查顯示現有城市建筑平均實際壽命僅為30～40年[43-44].在此基礎上,設定短、中、長壽命周期,具體如表2所示.

表2 建筑壽命設置(年)

注:2020年前的建筑壽命周期取湖南省城市建筑平均壽命(30年).

1.3.2 發展情景 本研究通過歷年新建建筑面積和施工面積的變化規律來評估湖南省的城市發展情況,如圖2.

圖2 新建建筑面積與施工面積

為了說明湖南省未來的發展情景.本文定義一個變量,即新建建筑面積的環比發展速度,式(9).并計算了1990～2020年的Z值.

式中:為第年新建建筑面積,m2.

從圖3中的新建建筑面積環比發展速度可以看出,在過去的十幾年間,發展速度總體呈現下降趨勢.同時,過去5年(2015～2020年)里,發展速度進入穩定狀態,呈現平緩的下降趨勢,這與湖南省城鎮化率增長放緩以及全省實施的城鎮棚戶區和城鄉危房改造及配套基礎設施建設工作進入掃尾工作密切相關.

在未來城鎮化率趨于穩定的情況下,建筑業的發展將不再會出現指數級增長.因此,本研究使用了不同斜率的對數函數來模擬值從2020～2060年的4種情景下可能的變化.

圖3 新建建筑面積環比發展速度

情景1是環比發展速度逐漸下降到1%的情況,保證了開發多年后建筑面積不出現指數級增長[45],情景4是最低發展速度,假設新建建筑面積在2025年左右就出現下降.這些情景反映了未來湖南省內建設項目總建筑面積將繼續上升一段時間,但發展速度將持續下降,如圖4.

圖4 新建建筑面積(1990～2060年)

圖5 新建建筑面積與施工面積的擬合關系

同時,根據1990～2020年湖南省新建建筑面積與施工面積的擬合關系,詳情見圖5.得到4種情景下的施工面積變化趨勢,見圖6.

圖6 施工面積(1990～2060)

1.4 數據來源

本研究中,歷史數據主要來自《湖南省統計年鑒》、《長沙市統計年鑒》及相關文獻與調研報告.式(1)和式(4)中的部分參數設置以《湖南省建筑垃圾資源化利用發展規劃(2020～2030)》中的規定[46],采用的單位面積拆除垃圾產生量基數為8000(t/104m2),單位施工面積的工程垃圾產生量基數為400(t/ 104m2).再生產品的碳排放系數計算方法源于《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366-2019)[38];碳排放及生產成本數據源于中國生命周期基礎數據庫(CLCD)及湖南省再生產品制造生產企業調研結果.

2 結果與討論

2.1 建筑垃圾產量分析模型的精確度檢驗

通過采用建筑垃圾產量分析模型,可得到湖南省建筑垃圾產量的動態變化結果,并將預測數據與統計數據進行比較.

由圖7可知,2010年之前的預測值要低于統計值,這可能是因為本研究的拆除活動是從1990年開始考慮,導致1990年前的建筑拆除時產生的建筑垃圾未考慮進來.但總體來看,預測值與統計值之間的平均誤差為0.16,小于檢驗指標,模型具有較高的可靠性,可以利用該模型進行后續的建筑垃圾產量的預測.

圖7 模型驗證分析

2.2 2020年湖南省建筑固廢物質流分布

圖8 湖南省建筑固廢物質流分布(2020年)

選取2020年為研究年份,研究了建筑固廢(包括工程垃圾、拆除垃圾、裝修垃圾和工程棄土)在產生階段、分選處置階段、加工階段、使用階段的物質流動情況,見圖8.目前,湖南省尚未引進房屋建筑改進技術,因此,在未來很長一段時間內,建筑垃圾的各組分比例不會有太大的變化.本研究采用2020年數據來初步估算建筑垃圾的.

2.3 湖南省建筑垃圾產量:1990～2060年

通過表2中設置的建筑壽命參數計算得到建筑垃圾產量數據.圖9顯示了建筑垃圾在3種壽命、4種發展情景下的產生量.盡管不同壽命、發展情景下的建筑垃圾產生量存在顯著差別,但其變化規律大多呈現先增長后降低的單峰型變化.同時,未來建筑垃圾產生量還將保持高速增長,在不同的建筑壽命周期和發展情景下,2020～2060年湖南省建筑垃圾累計產量將達到11.6～50億t,約為當前建筑垃圾累計產量的3.9～16.7倍,年建筑垃圾產量達到0.45～2億t,建筑垃圾處理壓力將進一步增大.

圖9 不同情景下建筑垃圾產生量

2.3.1 建筑壽命周期 由圖9可見,在未來的十幾年里,湖南省將面臨建筑垃圾數量的快速增長,尤其是在建筑壽命周期較短的情況下,隨著低質量的住宅被拆除,這種趨勢將會持續到2050年左右.相對建筑處于短壽命周期的情況,在中壽命周期和長壽命周期的情況下,建筑垃圾的產量會減少.以情景1為例,在研究時間范圍內,中壽命周期和長壽命周期下的建筑垃圾產生量在2020年迅速增長并于2045年前后分別達峰至1.14億t/年和1.09億t/年,隨后下降至2060年的0.95億t/年和0.65億t/年,而短壽命周期下的建筑垃圾產量在研究范圍內未達峰,其最大值為2.04億t,是中、長壽命周期下的1.8倍、1.9倍.可見延長建筑使用壽命可以有效減少建筑垃圾產生量,減少對資源環境的沖擊.

2.3.2 發展情景 建設發展速度的變化同樣會影響建筑垃圾的產量.在研究的時間范圍內,情景4下建筑垃圾產量在2056年達到峰值(1.58億t),情景1下建筑垃圾產量最大值為2.04億t,較情景4增加了30%.同時,在情景1下每年仍有大量新建建筑,建筑垃圾產生量的達峰時間將推遲到2060年以后,達峰值也會進一步增加,將給湖南省帶來“額外”的資源環境壓力.

2.4 建筑垃圾組成

在分選處置階段,建筑垃圾中的不同成分被分選出來,進行直接回收、資源化利用或填埋.

本文選定發展情景1的建筑背景,分析湖南省建筑垃圾組分,如圖10所示.建筑垃圾中廢磚瓦、廢混凝土塊都是占比最大的組分,總占比達87%,也是建筑垃圾資源化利用的主要部分.其次是木材和金屬,分別占比4%～6%和5%～7%,其余的占比1%.從長遠看,建筑垃圾是一種穩定的二次資源,其可資源化利用的數量相當可觀,建筑垃圾中的廢磚瓦、廢混凝土塊可生產再生骨料、再生混凝土、再生路基路面材料等新型綠色建材[26,47-48].大部分廢金屬經簡單加工處理即可循環利用,如建筑鋼筋、鋁合金等[49-50].廢木材可重復使用或堆肥.

2.5 建筑垃圾資源化利用率情景分析

目前,湖南省建筑垃圾資源化利用率約15%,其中長沙市最高約為40%[26].資源化雖然較前幾年有了一定的提升,但仍遠低于歐美國家的90%和日韓的95%[51-52],距離河南省60%的資源化綜合利用率也有較大差距.可以說,相較于巨大的建筑垃圾產生量,建筑垃圾資源化利用的行業空間遠遠還未發揮,進一步提升資源化利用率是工作的重點.

本研究設置到2060年建筑垃圾資源化利用率達到歐美國家的標準,即90%為高資源化利用率情景,到2060年建筑垃圾資源化利用率為河南省當前資源化利用率作為中資源化利用情景,到2060年建筑垃圾資源化利用率為40%(當前長沙市資源化利用率)為低資源化利用情景.本節選定建筑壽命為30年、發展情景1的建筑背景,則未來建筑垃圾每年資源化利用量和填埋量如圖11和圖12.

圖11 不同資源化利用情景下建筑垃圾的利用量預測

圖12 不同資源化利用情景下建筑垃圾填埋量預測

在高、中、低資源化利用情景下,2060年建筑垃圾資源化利用量分別為1.84、1.23、0.82億t,未來40年累計資源化利用量26.17、19.47、1.46億t,高、中資源化利用率下的累計資源化利用量比低資源化利用情景高出了124%和50%.

未資源化利用的建筑垃圾大多采用了填埋的處理方式,在高、中、低資源化利用情景下,建筑垃圾的峰值填埋量分別為0.83、1.03、1.26億t,達到峰值的時間分別為2045、2049、2055年.因此,提高建筑垃圾資源化利用率可以顯著提升資源效率,降低建筑垃圾的峰值填埋量,同時縮短到達峰值填埋量的時間,減輕建筑垃圾占地和污染造成的環境壓力.

2.6 再生產品成本與碳減排分析

建筑垃圾資源化利用過程中帶來的經濟、碳減排效益是驅動現階段資源化利用行為的重要因素.通過經濟成本與碳排放評估模型,得到再生骨料、全再生混凝土(C30)、全再生水穩層的成本及碳排放,如下表3所示.

表3 再生產品成本效益及碳排放

注:akg CO2-eq/t;b元/t; "--"表示成本包含在上一階段,此處不作統計.

由表3可見,再生骨料在生產全過程中包括原材料、運輸、生產三個階段:①根據LCA評估準則,再生骨料生產所用的原材料(建筑垃圾)為低價值廢棄物,評估時應忽略上游產生過程.因此,原材料階段的碳排放和成本均記為0;②根據調研結果,建筑垃圾的轉運是由產生單位承擔的,因此,運輸階段的成本不計入生產企業的生產成本中;③建筑垃圾的組分復雜,篩分、水選、破碎等設備耗能大且價格昂貴,設備折舊費用不低,因此碳排放和成本主要集中在生產階段.對于全再生混凝土和全再生水穩層,碳排放和成本則集中在原材料階段,結合表1中的參數值可看出,其中很大一部分是由水泥貢獻的.

為了更直觀反映再生產品的碳減排能力,本研究將其與天然產品進行對比,如表4.可以看出,再生產品均具有顯著的碳減排效益,僅用再生骨料代替天然的礫石、砂就能減少19.8%的碳排放.因此,大力推行建筑垃圾資源化利用有望成為促進建筑業實現碳減排的有力推手.

表4 再生產品碳減排能力

3 結論

3.1 在未來幾十年時間里,湖南省將面臨著巨大的建筑垃圾處置壓力.在短壽命周期下建筑垃圾的峰值產量是中、長壽命周期下的1.8倍、1.9倍,且最高發展速度下的峰值產量較最低發展速度增加了30%,這就說明建筑延壽和尋求可持續城市建設發展將是大幅減少建筑垃圾產生的重要手段.

3.2 除了實行建筑垃圾減量化,資源化利用也是一種解決建筑垃圾問題的重要方式.建筑垃圾中的廢棄混凝土塊和廢磚瓦(87%)、廢木材(4%～6%)、廢金屬(5%～7%)均可用于資源化二次利用,是一種數量可觀的穩定資源.如果建筑垃圾的資源化利用率能夠達到90%,則到2060年建筑垃圾利用量達到1.84億t,未來40年累計利用量為26.17億t,比低利用情景高出了124%,這將大大減少潛在的負面環境影響.

3.3 不同資源化利用路線下的再生產品均具有較好的經濟和碳減排效益.使用再生骨料代替天然礫石、砂可減少19.8%的碳排放;全再生水穩層在生產制造階段的碳排放可減少22.5%,而全再生混凝土(C30)更是可以節約47.9%的碳排放.目前國內再生產品的質量標準與施工技術規范相對不太完善,因此,應當盡快形成完整的再生產品的材料、施工、驗收、維護等標準和規范體系,同時,發揮政府的主導作用,打造“產、學、研”深度融合的創新平臺,共同加大技術研發力度并積極推廣再生產品的使用.

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Reduction and resource recycle analysis on construction and demolition waste based on dynamic material flow—Take Hunan Province as an example.

ZHENG Zhao-yu1, DENG Peng1,2*HUANG Liang1, CHEN Yu-liang3, YANG Dong4

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Ministry of Education, Changsha 410082, China；3.Hunan Communication Research Institute Co., Ltd, Changsha 410015, China；4.China Construction Fifth Engineering Division Co., Ltd, Changsha 410004, China)., 2023,43(2)：702～711

To promote the reduction and recycling of construction and demolition waste (C&D Waste), taking Hunan Province as an example, a dynamic material flow analysis framework combining economic benefits and carbon emission was established. The law of C&D Waste generation and its components, concerning different building life cycles (short, medium, long) and development scenarios from 1990 to 2060, was quantitatively analyzed. Moreover, carbon emissions and production costs under different recycling routes were measured to explore an efficient recycling route. The results indicate that the production of C&D Waste in Hunan Province will continue to grow rapidly in the future. From 2020 to 2060, the cumulative production of C&D Waste will reach 1.16～5billion tons, and the annual production of C&D Waste will reach 0.45～2 billion tons, among which the recycled components such as waste bricks and waste concrete blocks can account for 87%. Meanwhile, replacing natural gravel and sand with recycled aggregates can reduce carbon emissions by 19.8%.

construction and demolition waste；resource utilization；dynamic material flow analysis；carbon emission;production costs

X705

A

1000-6923(2023)02-0702-11

鄭兆昱(1999-),男,福建莆田人,湖南大學碩士研究生,主要從事固廢資源化利用相關研究.

2022-07-01

國家重點研發計劃(2019YFC1904701);長沙市杰出創新青年培養計劃(kq2107010)

* 責任作者, 副教授, dengpeng@hnu.edu.cn