文献阅读 | 循环废物管理系统将减少全球温室气体和空气污染物排放
题目
Potential for future reductions of global GHG and air pollutants from circular waste management systems
作者
Adriana Gómez-Sanabria, Gregor Kiesewetter, Zbigniew Klimont, Wolfgang Schoepp & Helmut Haberl
期刊
Nature Communications
时间
2022年1月
一作
单位
Pollution Management Research Group, Energy, Climate and Environment Program, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria
Institute of Social Ecology, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria
链接
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27624-7
研究背景
由于人口和经济的增长以及生产和消费模式的变化，全球每年产生城市固体废物的数量都在增长。据估计，2015年产生了1.9亿吨的城市生活垃圾，预计在2050年将会达到约3.5亿吨，其中高收入国家年均产生垃圾多于低收入国家，以全球人口的16%产生34%的城市生活垃圾。如果没有设施来处理大量的城市固体废物，将会造成各种环境和健康影响。高收入国家可以通过部署政策和工具来应对不断增加的城市生活垃圾量，包括欧盟的“废弃物框架指令”、“垃圾填埋场指令”、“包装和包装废弃物指令”，日本的3R战略和美国的资源保护和回收法案。然而，仅侧重于增加再利用和再循环的措施对减少废物产生的影响微乎其微，即日本和荷兰等国家已发布措施减少城市固体废物的产生，但仍未能减少其年均产生的城市固体废物。
相比之下，低收入国家往往缺乏适当的废弃物管理体系，可能是由于资金短缺、规划不善、法律执行不力以及缺乏技术和专业知识等。高收入国家将资源密集型生产和废物出口或外包给低收入国家，加剧其废物管理系统不足造成的环境问题。通常，露天焚烧、乱扔垃圾和管理不善的垃圾填埋场是低收入国家处置废物的主要方式：露天焚烧废物会释放有毒污染物和温室气体；乱扔的垃圾会危害野生动物和生态系统，尤其是海洋生物，全球海洋垃圾目前被认为是海洋污染的最大来源之一；垃圾填埋场中有机物的分解可能导致甲烷的释放，进而加剧温室效应。
关于废弃物的研究集中在评估废弃物与资源利用、气候变化、空气和水污染之间的联系。已有研究发现，全球生产的城市生活垃圾中只有大约13%被回收、5.5%被堆肥化；到2040年，当实施循环管理系统后，废物和废水对全球一次能源的相对贡献可能会从2%增加到9%，每年提供64 EJ；垃圾填埋场对全球人为CH4排放量的贡献约为15%，此外城市生活垃圾的露天焚烧是颗粒物和大气污染物排放的重要贡献源。然而，全面评估和提供证据证明实施城市循环固体废物管理系统所产生的潜在环境协同效益的研究仍缺乏。目前还没有全球性的分析来考虑城市和农村环境之间的差异，来评估城市生活垃圾的产生、组成、管理和相关的环境负担在未来可能发生的变化。
本文基于全球评估方法，分析目前和未来的城市和农村地区的城市生活垃圾的产生和组成、相关的温室气体和空气污染物的排放。本文的全球模型使用五个社会经济路径（SSP）和符合国际能源署《2018年世界经济展望》中未来宏观经济和人口路径的情景，针对未来每个社会经济路径，都制定了两种不同的设想方案，即“CLE”（当前控制力度）和“MFR”（最大技术可行性），以表征城市循环废物管理系统的实施程度。
研究发现
2050年城市固体废物产生趋势
不同情景未来的城市生活垃圾量存在显着差异（图1）。由于经济增长缓慢和地区之间的不平等，SSP3和 SSP4的城市生活垃圾产生量最低。低收入地区较低的购买力减少了耐用和非耐用商品的购买，从而减少了城市生活垃圾的产生。相比之下，随着收入和城市化率的急剧上升，SSP5预计将出现城市生活垃圾产生量最高的情况，预计2050年将产生4296 Tg/yr的城市生活垃圾。而在以可持续发展为导向的情景下，如SSP1，2050年的城市生活垃圾发电量预计将比 SSP5低10%；当进一步采取减少食物及塑料废物的措施，可能在2050年把城市固体废物的产生量，较SSP5多减少20%。
城市地区目前占全球生活垃圾产生量的70%。到2050年，城市地区预计将产生80%的生活垃圾，而农村地区的比例预计将下降到20%，这意味着农村地区的人均生活垃圾和年度垃圾预计将比城市地区低50%，可能由于其购买力较小。然而，在高收入国家，城市和农村地区之间的差异会随着时间的推移而缩小。
图1. 全球城市固体废物总量和人均产生量：a. 全球城市固体废物产生总量；b. 全球人均生活垃圾产生量；c. 全球城市人均发电量；d. 全球农村人均发电量
图2展示选定区域城市和农村地区的人均生活垃圾，北美、欧洲、俄罗斯和大洋洲的城市和农村地区的人均垃圾产生率一直保持最高水平。到2050年，北美城市地区预计每年平均产生1008（1017-1082）kg/cap/yr的生活垃圾，而农村地区每年将产生806（814-864）kg/cap/yr的生活垃圾，比欧盟28国高约35%，比大洋洲高45%。此外，SSP5情景的中国城市和农村人均和年度生活垃圾产生量将比2015年增加31%至36%，由于中国预计在未来10年实现更强劲的经济增长。同等情景下，到2050年印度城市和农村地区的人均生活垃圾预计将分别比中国减少16%至25%。所有情景下，非洲的城市固体废物产生量最低：预计到2050年，非洲城市地区每年平均产生生活垃圾355（254-389）kg/cap/yr，农村地区每年平均生活垃圾155（118-188）kg/cap/yr。
图2. 城市和农村地区的城市固体废物产生率
然而，每年产生最多城市生活垃圾的地区收集率最低、城市生活垃圾管理系统最差。非洲、印度、 SASIA 和中国的平均垃圾收集率约为50%至60%，其中城市地区的收集率约为70%，农村地区约为40%。结果表明，2015年，全球43%城市生活垃圾被收集，其中13%在填埋场被压实或覆盖但不符合环境标准，21%被运输到非管理的填埋场，或者直接在垃圾场或转运站公开焚烧（9%）。其余29%被收集到的垃圾或者被弃置在卫生填埋场（10%），或者被在有空气污染控制措施的设备下焚烧（7%）、被回收（7%）、被堆肥或厌氧消化（4%），这种情况大多发生在高收入国家。据估计，未收集的部分，约20%是散落的城市生活垃圾，最终到达下水道的可能性很高，10%被公开焚烧的。
图3. 2015年城市固体废物管理
尽管大多数国家立法禁止露天焚烧城市垃圾，但是全球产生的城市垃圾中约有16%被露天焚烧，在2010年和2015年分别达到380 Tg/年和394 Tg/年。在城市地区，约60%的城市生活垃圾焚烧发生在转运站或倾倒场，即在农村地区，估计约80%的焚烧发生在未收集部分，这是因为农村地区往往缺乏适当的城市生活垃圾管理系统，因此未收集的废物通常被倾倒、分散或露天焚烧。
如果现行的城市生活垃圾管理战略持续到未来，弃置在垃圾场和露天焚烧的城市生活垃圾的预期数量将随着城市生活垃圾数量的增加而成比例增加。相比之下，在全球实施城市循环生活垃圾管理系统（MFR）的理想情况下，到2050年几乎可以避免所有的垃圾倾倒和露天焚烧，从而降低与现行管理做法导致的环境和健康负担。城市循环固体废物管理系统包括限制城市固体废物的堆填、提高物料回收率、技术改进，以及实施行为措施，例如减少产生食物和塑料废弃物。
人为空气污染物排放
2015年全球甲烷人为排放量估计为344 Tg/年，其中8%来自城市生活垃圾处理。如果目前的城市固体废物管理将延续到未来，那么甲烷的平均排放量将比2015年的排放量增加71%（49-55 Tg CH4），为2050年450 Tg/年的全球甲烷人为排放量贡献13%。在目前的管理策略下，中国和北美是主要的CH4排放区，2015年平均为4.9 Tg CH4/yr（4.5-5.2 Tg CH4/yr），其次是拉丁美洲 (3.7 Tg CH4/yr)和南亚地区 (2.8 Tg CH4/yr)。如果目前的情况持续到2050年，那么印度、中东、非洲和南亚将面临城市生活垃圾CH4排放量的最高增长，与2015年水平相比增长约60%。这些地区甲烷排放量的预期上升是由于城市生活垃圾产生量的增加，叠加合适的城市生活垃圾管理系统缺乏。
当前堆放在垃圾填埋场的废物所产生的CH4排放将在未来几年产生，因为这取决于有机物质的可降解性。城市生活垃圾的产生量、组成和早期采取的政策措施在历年 CH4排放趋势上有显著差异。在一个实施城市循环生活垃圾管理系统情景下，以可持续性为导向的情景（SSP1 _ MFR）可以在2030年之前实现最大的垃圾倾倒，比基准减少91%，是由于采取了减少城市固体废物的措施、迅速推行厌氧消化处理有机废物以及建立了与源头分隔的城市固体废物收集系统，以增加物料的循环再造。在以可持续性为导向的设想方案中，到2035年之前几乎完全消除废物倾倒。不过，在国家之间和内部存在严重不平等，采取措施的速度相对较慢，因此从倾倒场转移城市生活垃圾需要更多的时间，导致更高的CH4排放量。除SSP1 _ MFR情景2030年甲烷排放量将减少4%以外，其他 MFR 情景与相应的CLE情景相比，都将增加约1-2%。到2050年，SSP1 _ MFR情景的甲烷排放量预计将比基准减少88%，即仍有187 Tg CO2eq/年的甲烷在2050年排放。其他情景预计会释放更多的CH4，例如SSP3 _ MFR和SSP5 _ MFR将在2050年分别排放之前排放663 Tg CO2eq/年和310 Tg CO2eq/年。
图4. 基准和减缓情景下的全球甲烷排放量：a. 倾倒场内的城市固体废物；b. 甲烷排放量；c. CH4减排潜力
2015年全球生活垃圾燃烧排放了150 Tg/年的二氧化碳。北美垃圾所产生的CO2最多（28 Tg/yr CO2），其次是南亚（24 Tg/yr CO2）、大洋洲（19 Tg/yr CO2）、非洲（19 Tg/yr CO2）和中国（18 Tg/yr CO2）。但是，地区的排放源差异很大，在北美和大洋洲，主要的排放源是城市生活垃圾焚烧，其余国家的排放主要来自露天焚烧城市生活垃圾。基准情景的二氧化碳排放量可能随着焚烧的城市生活垃圾数量成比例增加，导致2050年从SSP3的242 Tg/yr到 SSP5的308 Tg/yr。城市生活垃圾的回收利用减少垃圾焚烧的重要环节，通过采取这一措施，再叠加SSP1 _ MFR情景中减少塑料垃圾产生的相关措施，2050年的二氧化碳排放量与相应的基线相比最多减少了26%；而其他SSP路径中的MFR情景都使得二氧化碳排放量增加20-25%。
图5. 全球城市固体废物在露天焚烧和燃烧的排放：a. 全球城市生活垃圾露天焚烧和焚烧的数量；b. 在CLE和MFR情景下的相关排放；c. 未来情景中露天焚烧和焚烧的城市生活垃圾
编辑：张思露
排版：张思露
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