城市生活垃圾循环利用系统物质代谢框架的构建

高会苗，戴铁军

（北京工业大学循环经济研究院，北京 100124）

城市生活垃圾循环利用系统物质代谢框架的构建

高会苗，戴铁军

（北京工业大学循环经济研究院，北京 100124）

讨论了传统的物质流分析（MFA）方法用于城市生活垃圾代谢分析的适用性及不足之处，在此基础上结合城市生活垃圾的处理流程，对传统的MFA框架进行了改进，构建了适合城市生活垃圾代谢分析的框架，并对新框架的3个模块进行了详细的说明，建立了相应的评价指标体系并给出了应用实例。城市生活垃圾循环利用系统物质代谢分析框架能够清楚地描述生活垃圾进入经济系统后的具体流向和流量，为描述城市生活垃圾的代谢情况提供了定性及定量化的分析工具。

城市生活垃圾；物质代谢分析；物质流分析；框架；指标

近年来，我国城市化进程加速发展，人口数量迅猛增长，随之而来的是废弃物的大量增加。国家统计数据显示，1990年我国城市生活垃圾清运量为0.67亿t，2000年为1.18亿t，2010年则增长到1.58亿t，垃圾产量增长迅速。目前我国城市生活垃圾累积堆存量已经达到70亿t[1]，占地面积5.33 hm2，且以平均每年4.8%的速度持续扩大。预计，到2030年我国城市生活垃圾产量将达到4.09亿t，2050年达到5.28亿t[2]。随着可利用资源的日趋减少以及环境问题的加剧，人们的环保意识逐渐增强，各大中城市开始重视生活垃圾处理问题，在垃圾的分类回收和处理处置方面制定了一系列减量化措施，但实施效果并不乐观。

在对城市生活垃圾问题研究的理论和方法上，国内学者主要从垃圾处置方式的选择与评价、垃圾收费制度的设计、垃圾收费模式的选择、垃圾的产量预测、垃圾中转站选址优化，以及对国外生活垃圾管理现状[3-5]、处置方式[6-9]的介绍等方面进行了广泛的研究，并取得了一定的成果。但从循环经济的视角和系统论的观点来看，这些成果还显得思路狭窄、研究方法过于单一，缺少对城市生活垃圾处置系统的整体规划与评价研究。物质代谢思想为系统地研究城市生活垃圾的具体流向和流量提供了理论指导，而物质流分析作为其主要的分析工具，为研究工作提供了方法上的有力支持。以城市生活垃圾循环利用系统为研究对象，采用改进的物质流分析模型对城市生活垃圾的产生、排放、回收、再循环、再利用、最终处置等一系列流动过程进行分析，定性及定量化地描述废弃资源的再利用水平，可用于分析如何选择废弃物循环利用路径以实现经济效益和环境效益的双赢，为生活垃圾的管理者提供决策依据。

1 物质代谢分析方法

从生态学的角度来看，城市发展的资源环境问题可以归结为城市物质代谢在时间或者空间上的错位或缺失[10]。因此，对于城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）循环利用系统中垃圾回收、利用及处理处置的研究，可以从物质代谢的角度入手，深入的探讨城市生态环境与垃圾的产生、垃圾的管理及垃圾处理处置等相互间的作用关系。

物质代谢分析需借助一定的方法才得以开展，经研究发现，物质流分析（Material Flow Analysis,MFA）能够对特定时间和空间下系统中物质的流动及储存予以评价，揭示物质在特定区域内的流动特性和转换率[11]，这种特征促使其在物质代谢分析中得以广泛应用，它为物质代谢研究的开展提供了有力的方法支持。

2 M FA方法用于MSW代谢分析的适用性

MFA的主要任务是理清进入经济系统的物质流的变化以及它们之间的相互关系，分析物质的使用总量和使用强度，控制有毒有害物质的投入和流向。目的是从中找到节省自然资源、改善环境的途径，以推动系统向可持续发展的方向转化，物质流分析遵循物质守恒定律。与之类似，MSW循环利用系统物质代谢分析的任务是弄清各种垃圾在产生、回收、再利用、处理处置环节流向和流量的变化以及它们之间的相互影响，分析垃圾的资源化水平。目的是从中发现垃圾管理和处置方式的不合理之处并有针对性地对其进行改善，以提高垃圾的回收及资源化利用率，减少填埋量，从而节约自然资源和能源，减少环境污染。

总体看来，二者的研究思路以及所遵循的原则是相同的。但由于具体的研究对象及研究目的不一样，将传统的MFA框架用于垃圾代谢的分析还存在一些不适用的地方，其差异主要体现在以下两个方面。

2.1 研究的侧重点不同

传统的MFA偏重于研究系统边界上物质的输入、输出及其背后的隐藏流，关注的是原料的开采量、转化率、产品的输出量以及系统内的经济活动带来的环境污染。试图通过分析发现系统经济活动存在的不合理之处，并针对不足，采用改变原料、改进工艺流程、使用先进的技术和设备及改善管理等方法，达到提高资源和能源的利用效率，减少污染物的产生和排放的目的。但是对于城市生活垃圾代谢的研究，若仅单纯讨论垃圾的输入与输出总量的问题显得意义不大。原因在于城市生活垃圾的产量为不可控因素，不是希望减少系统内垃圾的投入量就能减少的，随着城市化进程加快，城市人口的增加以及人们生活水平的提高，城市生活垃圾的产生总量必然增加。相对于自然资源，它是目前唯一增长的资源，且成分复杂，成分不同的垃圾其再利用的方式也会有很大差别，因此，除了关注垃圾的产生量，更应该关注它的组成，对系统投入端垃圾的种类及量应有更加细致的描述。垃圾是放错地方的资源，若垃圾的分类、回收处理方法得当，可凭借先进的技术和设备将其转变成产品，继续为人们服务或创造价值，在一定程度上可以减少自然资源和能源开采，这对社会的可持续发展具有重意义。从资源化的结果来看，大部分纸、塑料、金属及玻璃类废弃物均可回收再利用，餐厨垃圾可做堆肥处置，再利用难度较大的可燃垃圾可做焚烧处理，产生的能量可用于发电，最后没有任何价值利用的垃圾只能选择填埋处置。垃圾代谢研究的最终目的就是要提高垃圾的资源化水平，减少垃圾的最终填埋量，将对环境的不利影响降到最小，因此，对生活垃圾代谢的研究应更侧重于垃圾产生后的回收、循环、再利用、资源化处理的过程，故循环利用系统部分还需要进一步细化。相应的，用于表征其回收、循环、再利用及资源化效率的分析指标及计算也需重新设定。

2.2 研究的基础条件不同

MFA的基本观点是人类活动所产生的环境影响某种程度上取决于进入经济系统的物质数量以及从经济系统排入环境的废弃物的数量[12]，因此多偏重于研究国家、区域或企业层面上原料的开采及转化效率，以及废弃物的排放情况。研究对象的起点通常是从自然界开采或者进口的物质，由于这类物质经济价值比较高，人们对其具体的流量和流向有较为完善的统计，且已形成比较成熟的分析框架和指标体系，对于某一种物质、元素或某一经济系统的研究都比较适用。而城市生活垃圾的处理及利用过程属于逆向物流过程，对城市生活垃圾循环利用系统研究的起点是被使用后废弃的物质。由于废弃物产生源广，种类繁多，流通渠道混乱，加之我国对废弃物再生利用的重视程度不够，导致对废弃物的产生量以及资源化利用量等方面的数据缺乏权威而详实的统计，传统的MFA框架和分析指标已不能满足对其代谢过程的分析，因此，需对其进行改进，以适应垃圾代谢分析的需要。

3 MSW循环利用系统物质代谢模型的建立

3.1 研究范围界定

进行MFA时，首先应界定研究系统的系统边界，一般来说物质流分析的系统边界由地理边界和逻辑边界两部分组成[13]。

地理边界的界定。国家层面的MFA研究一般选择国界线作为地理边界，而对于城市层面的研究，由于研究目的不同而存在多种选择方案，如以市级行政边界为依据或只考虑市区范围，或是选择并不连续的地区。但无论采用何种地理边界，均需给出明确的说明，本研究的系统边界是指人们进行生活活动的城市市区。

逻辑边界的界定。对本研究来说，根据研究目的，仅考虑对研究结果产生影响的物质——城市生活垃圾。按照《城市垃圾产生源分类及垃圾排放》CJ/ T3033—1996标准，城市垃圾按产生源可以分为九类：居民生活垃圾、清扫垃圾、商业垃圾、工业单位垃圾、事业单位垃圾、交通运输垃圾、建筑垃圾、医疗卫生垃圾和其他垃圾 本研究所指的城市生活垃圾既不局限于居民生活垃圾，也不是泛指城市垃圾，具体包括城市垃圾中七类，即居民生活垃圾、清扫垃圾、商业垃圾、工业单位垃圾、事业单位垃圾和交通运输垃圾，建筑垃圾和医疗卫生垃圾不包括在城市生活垃圾范围内。

3.2 城市生活垃圾的处理流程

对城市生活垃圾代谢情况进行分析，应对垃圾的处理流程有全面的了解，掌握垃圾的具体流向。一般来说，商品在完成它的使用价值之后便成为废弃物，这些废弃物中部分经济价值较高的会被当成废品出售，进入到回收环节，而其他经济价值较低或不具有经济价值的则被人们丢弃成为垃圾。垃圾是放错了地方的资源，也是目前总量唯一增长的资源，对不同性质的垃圾若采取适当的处置方式，对社会来说是一种弥足珍贵的财富。然而，由于生活垃圾的来源广泛、成分复杂，且不同性质的垃圾往往混合在一起，给后续的处置过程带来了极大的困难，不利于资源化处理。从处理流程来看，垃圾分类越早，对其进行再利用的步骤就越少，其再利用价值越高，对环境造成的污染也越小，图1是对城市生活垃圾处理流程的概括。

3.3 MSW循环利用系统代谢框架的建立

根据研究对象构建合理的分析框架和指标体系，是采用物质流分析方法进行物质代谢研究的重要前提，传统的物质流分析框架包括物质投入端、经济系统和物质输出端三大部分。

其中，物质投入端包含了输入系统的所有物质，包括由本国自然环境中开采的各种原料，国内隐藏流，以及从其他国家和地区进口的成品、半成品和原料；经济系统连接着物质投入端和物质输出端，是影响两端物质流量的重要枢纽，它是物质流分析框架的核心部分；物质输出端则主要包括国内加工产出物质、出口物质和国内隐藏流。根据研究对象的变化，结合上述城市生活垃圾的处理流程，对传统的MFA框架进行改进，得到垃圾循环利用系统的物质代谢框架，如图2。

图2 城市生活垃圾循环利用系统物质代谢框架

城市生活垃圾循环利用系统的物质代谢框架由三大模块构成，分别为系统投入端、循环利用系统和系统输出端。系统投入端描述的是城市生活垃圾产生总量，由厨余垃圾、废纸、废塑料、废玻璃、废金属及其他（废织物、木质废弃物、渣土）组成。再生利用系统描述生活垃圾的具体流量和流向，包括生活垃圾的一次分拣回收量、分选回收量、堆肥量、再利用量、再循环量等。一次分拣回收量是指垃圾进入垃圾桶之前，被有偿回收的量；清运量是指被环卫人员收集的垃圾量；无害化处理量包括在垃圾中转站分选出来的可回收利用量、用于堆肥的垃圾量、最终处置的垃圾量；再利用量是指基本不改变旧制品的原貌，仅对其进行适当清洁或修整等简单工序后经过性能检测合格，直接回用的量；再循环量是指经过破碎、回炉等专门工艺加工形成再生原材料，用于替代传统形式的原生材料的量。系统输出端则记录了再生产品和再生能量的输出流量和流向。按城市生活垃圾的原料来看，城市生活垃圾主要由厨余垃圾、废纸、废玻璃、废金属等组成，因此，系统输出端主要表征再生纸、再生玻璃、再生金属、再生能量、肥料的输出量。

3.4 分析指标设定

根据研究目的设置合适的指标体系，是进行物质流分析的重要任务。从已有的研究成果可以看出，物质流分析中常用的指标主要有三大类：投入指标、消耗指标和产出指标[15]。投入指标反映的是物质投入端国内资源的开采及进口情况，主要包括直接物质投入量、物质总需求量和国内物质消耗量；消耗指标反映了经济系统内物质的消耗及库存情况，主要包括物质总消耗量、库存净增加量；产出指标则反映了物质输出端产品的输出及废弃物的排放情况，主要包括国内制造产出量、国内物质总产出量。此外，还有一些表征经济或人口增长与资源、能源消耗的关系的指标以及环境效率的指标。

根据本文研究目的，城市生活垃圾循环利用系统物质代谢的研究重点关注的是输入系统的垃圾回收、循环利用、资源化的能力及潜力。相对于前端垃圾的输入与终端再生产品输出，此部分具有很强的可操作性。结合现有城市生活垃圾统计体系建立合适的测算指标，以表征城市生活垃圾资源化潜力的变化，为评价城市生态系统可持续发展能力提供参考。表1列出了用于城市生活垃圾代谢分析所设定的指标。

表1 垃圾代谢指标

3.5 应用举例

根据构建的MSW代谢框架及分析指标，对北京市2006年的城市生活垃圾各个流向的数据进行统计和测算，绘制出北京市2006年城市生活垃圾循环利用系统物质代谢分析图，如图3。

图3 2006年北京市城市生活垃圾循环利用系统物质代谢分析

如图3所示，2006年北京市城市生活垃圾产量为748.9万t，其中一次回收量为163.8万t，占垃圾产生总量的21.9%，其余将近80%的垃圾被丢弃，由环卫部门清运。被清运垃圾中餐厨垃圾量为395.5万t，所占比重最大，为67.6%，但是却仅有19.6万t的餐厨垃圾用于堆肥处理，剩余的375.9万t则与其他垃圾混合收集，最后被填埋处置。从成分上来看，厨余垃圾主要为有机物质，堆肥潜力大，如果从一开始就将厨余垃圾与其他生活垃分开收集，单独处理，堆肥率将大大提高，同时避免了与其他垃圾的交叉污染，有利于其他垃圾的分拣处置，有助于其他垃圾的资源化再利用，从而减少垃圾的最终填埋处理量。

废玻璃、废金属由于回收价值比较高，大部分未被混合丢弃，而是直接进入回收渠道，因此在清运的垃圾中所占比例很小，分别为1.76%和0.27%；部分塑料类和纸类的生活垃圾由于经济价值比较低，大部分被混合丢弃，所占比重分别达到12.7%和11.1%；另外还有6.57%的废织物、渣土等其他垃圾。从图3中可以看出，被清运的垃圾中，用于无害化处理（包括焚烧、堆肥和填埋）的垃圾量占85%，另有15%的垃圾被二次回收，在进行无害化处理的垃圾中，被焚烧处理的不到2%，作为堆肥原料的也仅为3.94%，近94%的垃圾被填埋处置，填埋量为468.3万t。

从整体来看，投入再生利用系统的垃圾总量为251.2万t，垃圾循环利用率为33%。这主要是因为我国历来就有收旧利废的传统，受废品回收市场和拾荒者的影响，绝大部分废旧物资在进入清运渠道之前已经得到了回收，使部分价值高的废品得以回收利用。与国外一些垃圾回收率较高国家和地区相比，北京市垃圾回收水平不是太低，可以说，绝大多数价值稍高的废旧物资得到了回收，只有一些价值很低、回收成本高的废品才真正进入排放渠道。因此，在制定所谓的回收率目标时，不能仅把注意力放在排放清运的那部分垃圾上，对清运的垃圾采取合理的无害化处置方式才是需要关注的重点。目前，国外发达国家的生活垃圾除了被回收利用外，大部分以焚烧和堆肥的形式得以资源化利用，其中，德国、瑞典、新加坡、丹麦等国家的垃圾填埋率均在5%以下，相比之下，北京垃圾的填埋量占垃圾清运量的近94%，垃圾无害化处理方式不合理才是造成北京市垃圾围城问题的直接原因，而其根源则是垃圾源头分类不当，导致大量混合收集的垃圾达不到焚烧和堆肥处置的要求，最终只能填埋处置。

由于本研究重点关注的是生活垃圾的源头及处理过程减量化问题，反映到分析指标上则主要为生活垃圾的产生量、回收量及回收率、循环再利用量及再利用率，以及垃圾的堆肥、焚烧、填埋的量及比例。而对于再生产品输出量，对研究垃圾减量化问题意义不大，加之统计数据的缺失，因此对系统输出端产品的输出量未作详细说明。

4 结论

根据物质流分析的基本思路和原则，介绍了MFA方法用于MSW代谢分析的适用性，并指出传统MFA分析用于城市生活代谢分析的不足。结合城市生活垃圾的处理流程及研究目的，对传统的MFA框架及指标体系进行改进，构建了适用于城市生活垃圾代谢分析的框架及分析指标，并给出应用实例。所建立的城市生活垃圾代谢分析框架和指标体系可用于评价城市生活垃圾的回收、再利用水平及其资源化潜力，可为生活垃圾的管理决策者在进行垃圾管理系统的规划、管理方面提供决策依据。

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M etabolism framework on recycling system construction ofmunicipal solid waste

GAO Huimiao，DAITiejun
（Institute of Recycling Economy,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China）

The paper discussed the shortages of traditional M aterial Flow Analysis w hen it is used to analyze the M unicipal Solid W aste (MSW)m etabolism.Com bined w ith the MSW disposal process,the fram e and indexes of the traditional MFA w ere im proved,and a new fram ew ork w as built w hich w as suitable for the MSW m etabolism analysis. The three parts of the new fram ew ork w ere described in detail,and the new index system w as also given.Lastly,an application exam ple w as given.The MSW m etabolism fram ew ork can show the flow directions and flow quantities of MSW clearly in the econom ic system,and provide qualitative and quantitative analysis tools for describing the m etabolism of MSW.

m unicipal solid w aste;m aterialm etabolic analysis;m aterial flow analysis;fram ew ork,index

2014－03－17）

X799.3

A

1674-0912（2014）04-0009-06

北京市重点学科“资源、环境及循环经济”（033000541213004）

高会苗（1987-），女，河北保定人，硕士，研究方向：废物管理与废物经济。