物质流分析方法在固体废物管理领域的应用综述

张莉，张彬，李丽平，赵嘉

(生态环境部环境与经济政策研究中心，北京 100029)

现代的固体废物管理包含多重目标，包括保护健康和环境、保障资源、无害化处理等[1]。近年来，在不同的目标指引下，我国固体废物以及循环经济相关管理政策密集出台，如审议通过新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，进一步明确了“固体废物污染环境防治坚持减量化、资源化和无害化的原则”，开展“无废城市”建设试点、城市矿产示范基地建设，推行生活垃圾分类制度等。管理环节覆盖固体废物全周期，体现了对于固体废物管理系统性和科学性的更高要求。

1 物质流分析方法

物质流分析是一种以物质守恒为基本原理，定量评估具有时空边界的经济—环境系统中物质的存量与流量，从而追踪物质在该系统中流动的源、路径和汇的研究方法[1]，它可以有效地刻画物质代谢系统反馈，支持资源循环利用和再生相关政策的制定[2]。

广义的物质流分析主要有两种形式：一种是针对既定系统内的综合流，关注物质的总量与结构，称为宏观经济系统物质流分析(EW-MFA)，主要框架如图1所示，物质对象可包含生物质、化石能源、金属矿、非金属矿等；另一种物质流分析则是针对既定系统内的某一特定物质流(如有机物、金属元素和营养元素等)，称为元素流分析(SFA)，实际应用中不仅限于元素流，也可以是特定的产品流、物质流等[2-5]。产品层面的物质流研究有助于理解固废管理系统的运行情况，便于构建利益相关方、政府、固废处理企业之间的联系，从而服务于处置产能规划、技术选择、资源回收潜力等相关决策；而物质层面的物质流研究可以更直观展示有价值或有害物质在转化、运输、储存等过程中的相关信息，帮助决策者识别出废弃物的资源潜力或健康、环境风险[6]。

图1 宏观经济系统物质流账户范围(转译自文献[7])

从系统范围来说，固体废物领域的物质流分析可分为企业废弃物、部门废弃物、区域废弃物、国家废弃物、全球废弃物等层次[4]。园区层面的废物流分析强调不同工业企业之间的废物交换与利用，区域层面的废物流分析偏向于研究系统内各主体的协同，国家、全球层面的废物流分析则可以从宏观的视角分析区域间的资源、废弃物流动情况。

世界资源研究所(WRI)在其报告《物质流账户：制定环境政策的一个工具》中提出，物质流不仅可用于政府设定战略目标，还能追踪环境政策执行的有效性。在固体废物管理领域，部分发达国家和地区已将物质流分析作为政策制定的基础工具，比如，过去30年，欧洲固体废物管理政策的工作重点从城区废物清除向物质流的综合管理方面转变，目的是最大限度地减少废物的产生，以及尽可能提高废物再利用的潜力[8]。美国环保局也基于物质流方法分析城市固体废弃物的管理情况，并每年发布评估报告，以提升物质可持续管理水平[9]。日本为构建循环型社会采取的3R政策框架也是建立在物质流分析的基础上，3R即减量化(reduce)，再利用(reuse)和再循环(recycle)[10]。由此可见，物质流分析已在实践中作为固废管理的有效工具，可以推动固体废物综合管理体系的建立与完善。

2 物质流分析方法在固体废物管理领域的应用综述

结合我国已出台的各类固体废物管理相关政策文件要求，可以将我国的固体废物管理目标大致概括为：源头减量、资源化利用和环境影响最小化。

2.1 回溯固体废物产生源头，精准推动绿色生产和生活方式

物质流分析涉及物质从开采、制造、消费到废物处理处置等全过程的流动情况[11]，基于废物回收利用与处置的逆向流分析可以为上游制造和消费过程的管理决策提供方向，有助于产品设计向更易于回收利用或处理处置的方向发展(如产品的再生设计、无害化设计、绿色设计、生态设计等)，还有助于识别出消费环节的重点产废单位，采取有针对性的减量化消费措施。

尤其值得注意的是，王钻清在进行追问时，直接关注的是我们人类的生存和卑鄙堕落的人性，以至创世的存在。他的诗歌上至天空、宇宙、下至大地和海洋，其开阔的思维和宏大的想象空间，在当代诗坛上可说是独树一帜，极具辨识度的。但无论怎样海阔天空，精骛八极，心游万仞，王钻清的“大时空诗”，却始终能够巧妙地处理好诗歌写作的宏大与细微的关系。其最终的落脚点，依然要回到人类的生存现状和对时间未来的思考：

从生产环节来看，欧洲的固体废物管理制度经历了从市政部门、立法者或行政区单方面主导，发展为国家层面、商品生产者、零售业多方共同参与的体系，其中最重要的制度内容就是生产者责任延伸，彻底改变其固体废物管理的经济本质[8]。物质流分析常被用于电子废物、废电池等生产者责任延伸制的研究中[12-13]。Kim Hyunhee等基于韩国不同类型废电池的物质流，发现生产者责任延伸制(EPR)仅对于主要种类废电池回收利用具有促进作用，因此提出应扩大EPR中强制包含的废电池种类范围，同时，基于废电池物质流中回收环节存在的短板，提出应从零售商、经销商角度拓展回收渠道[13]。

从消费环节来看，物质流分析通过追踪城市消费环节的环境影响可以确定减量消费的具体方向。A．Lavers Westin等利用物质流分析与生命周期评价方法，基于44类71种典型产品的消费数据，分析发现电子产品是环境影响最显著的产品类别，应优先采取措施控制其环境影响[14]。

此外，针对特定行业的元素流分析，可以从生产消费系统整体出发，寻求元素最合理的管理方式。比如Huijun Wu等通过刻画农作物生产—消费系统中的磷元素流动情况，发现畜禽养殖业的磷元素流失最显著，且城市消费与农作物种植系统的磷使用效率较低，因而提出平衡化学肥料与有机肥料使用、调整牲畜饮食结构、加强牲畜粪便处置设施建设等措施建议，以促进磷元素可持续管理。

2.2 衡量固废回收利用水平，保障重要资源可持续供给

不同的固体废物具有不同的再生资源利用价值，比如废金属、废玻璃等可以重新恢复其使用价值，废纸、废塑料等可以在一定程度上替代原生资源，还有些固体废物可以经过处理后变为燃料油或石油气、直接燃烧发电、用于建材领域等[15]。

固体废物“变废为宝”可以发挥巨大的资源和能源利用价值，缓解资源和能源供给压力，而当前我国固体废物资源利用效率还有待提升。比如，当前我国包装类废弃物消耗量快速上升，但由于分布广、重量轻、附加值低、利用成本高等原因，难以形成完整的再生资源回收利用产业链。此外，大量低值再生资源混入生活垃圾，加大了后端回收分拣难度，能进入回收利用环节的只是少量，多数作为普通垃圾进行焚烧或填埋处置，以废玻璃为例，我国居民端废玻璃的回收率不足10%[16]。

物质流分析可以在系统资源利用效率评估、重要资源替代潜力预判、资源化利用路径选择等方面加以应用，为科学有效促进固体废物资源化利用提供方向。

2.2.1 系统资源利用效率评估

基于物质流分析方法，以整个系统内的物质通量作为研究对象，根据实际需要设定固体废物管理相关指标和目标，可以从宏观角度分析固体废物管理系统的有效性及改进方向。比如，Stanisavljevic等(2015)为比较和评估小城市不同固体废物管理情景的成效，设定了温室气体排放、回收利用率、填埋量、质量流量、可生物降解的废物填埋量、水体氮排放量、能源消耗量和生产量、投资和运营成本8个指标开展评估[17]。Muchangos等(2017)通过追踪固体废物的未知去向流，判断当前固体废物管理系统中的非法倾倒情况并提出改进方向[18]。

近年来，基于物质流分析方法探索循环经济评价体系的研究越来越多，出现了一系列有关废弃物循环利用效率的指标，常见的如循环利用率指标、最终处置量指标等[19]。部分中国学者基于物质流分析提出我国循环经济评价指标体系。平卫英(2011)选取物质平均使用周期、再生利用物质总量、工业固体废弃物处置利用率、“三废”综合利用产值占国内生产总值比重等指标来评估经济系统的物质循环利用情况，作为循环经济评价体系的一个重要组成部分[20]。徐福军等(2011)从区域角度提出包含废弃物排放减量化、资源回收与循环再利用、废弃物无害化处理与处置等指标的框架，并下设废弃物排放强度、农村秸秆/工业废弃物/畜禽养殖粪便/农用地膜/农业秸秆等综合利用率、城镇生活垃圾无害化处理率、农用塑料薄膜回收率等具体分指标，对于不同类别固体废物管理的不同环节均予以考虑[21]。

2.2.2 重要资源替代潜力预判

当前的存量可以反映未来的废物产生量[22]，物质流分析利用该思路可分析未来固体废物的资源替代潜力。Müller(2006)提出的动态模型如今常被用来预测资源需求和废物产生情况，其基本假设是，人口和生活方式通过改变存量来影响未来的资源需求和废物产生情况[23]。

近年来基于物质流的存量预测研究越来越多，尤其是针对战略性材料(如金属元素)[24]，包括废旧汽车中铝、铜、铁等金属资源[25-26]，废弃电子电器产品中二次资源等[27-28]。战略性资源的存量研究对于我国极为重要，比如多年积累的铝消费在报废后形成的废铝资源在未来铝供应中发挥怎样的作用，是否需要大量进口铝土矿和氧化铝来弥补等问题，都需要基于国家层面的铝物质流分析和大跨度的存量研究来深入探索[29]。

除金属元素外，工业固体废物的资源化利用也是学者关注的重点。王红(2015)将中国的大宗工业废弃物如尾矿、煤矸石等作为资源综合利用的重点，替代砂石、石灰石等一次非金属矿产资源，研究发现中国的资源综合利用总量增加但综合利用率仍很低，面临严峻的资源与环境压力[30]。Sanabria等(2018)基于全球废物和废水流的情况，预测了全球废物和废水行业到2050年的最大能源回收量，提出废物和废水管理机制的改进方向[31]。此外，随着不可再生资源的枯竭，许多“新”元素的未来供给情况引发关注。比如，磷元素是农作物生长发育的基本营养元素之一，磷矿的枯竭将威胁农业生产，而当前的废物流中含有大量可以利用的磷元素，比如污水厂污泥、焚烧飞灰等[32-33]。利用物质流分析预判新兴资源化利用方式的资源替代潜力，并提前利用好当前的固体废物，对于减轻未来的资源供给压力意义重大。

2.2.3 固体废物资源化利用路径选择

固体废物处理处置的技术水平及经济性是影响其回收利用的重要因素，利用物质流分析比较不同固废利用情景下的经济成本(如基础设施建设、人员保障)、技术可行性以及环境风险等，对于进行回收利用或处理的最佳技术选择以及规划新的废物处理设施具有重要作用。

Stanisavljevic等(2015)通过比较在达到环境目标的前提下，不同固体废物管理模式的经济可行性，为小规模城市固体废物相关基础设施建设、产能布局等提出方向建议[17]。栾晓玉等(2020)通过构建聚乙烯、聚丙烯等主要类别塑料的物质流框架，核算不同类型废塑料的产生来源及利用处置情况，为不同类型塑料的管理路径选择提供方向[36]。物质流分析常用于技术的环境与经济效益比较分析中，如通过比较环境影响来选择焚烧炉或机械生物处理设施；将可燃废弃物作为可替代能源，通过能量回收用于水泥旋窑，大大减少水泥行业生产成本[1]。刘满芝等(2020)通过物质流分析构建我国废纸回收系统，并建立经济效益、环境效益以及综合效益函数，对影响废纸回收的规范回收率、非规范回收废纸接受率、分配率等参数进行灵敏度分析，为有针对性地提升废纸回收效益提供方向[37]。

物质流分析可以描绘出不同经济部门的物质流动情况，因而可以与经济模型相结合，评估固废管理政策的经济影响[34]，如将实物型投入产出分析与物质流分析相结合，构建轮胎产业尺度的物质流，分析不同的废旧轮胎回收利用情景下的产业影响[35]。

2.3 追踪固体废物环境风险因子，促进环境政策协同增效

我国是世界上人口最多、产生固体废物量最大的国家，每年新增固体废物100亿吨左右，历史堆存总量高达600亿吨～700亿吨。固体废物产生强度高、利用不充分，部分城市“垃圾围城”问题十分突出，与人民日益增长的优美生态环境需要还有较大差距(1)http：//www．mee．gov．cn/home/ztbd/2020/wfcsjssdgz/dcsj/wfcszcwj/201903/t20190329＿697832．shtml。因此需要明确固体废物对环境与健康的影响，引导全社会减少固体废物产生，采取有效的技术手段处理处置固体废物。

部分国内外学者从产业尺度和空间尺度出发，应用物质流分析追踪固体废物沿生命周期和国际贸易流动的环境影响。Turner等(2016)从城市尺度模拟提升餐厨垃圾收集、垃圾焚烧、回收利用等不同政策情景下，废物流对于温室气体排放的影响[39]。Yano等(2014)基于报废汽车的物质流分析有毒物质铅的动态流动情况[40]。在国际贸易层面，部分研究利用物质流方法追踪二手电子产品国际贸易对进口国的负面环境影响[41]，分析中国的“洋垃圾”禁令对固体废物的新进口地区东南亚的环境影响[42]，等等。

此外，在利用物质流分析评估环境影响的研究中，物质流分析常与生命周期评价(LCA，Life Cycle Assessment)相结合，或与生态及人类健康影响评估等方法相结合，通过引入环境影响指标，进行固体废物全链条管理的环境影响评估，从而使各类物质流动的环境影响指标化，为物质减量化相关的环境政策提供决策支持[43-45]。

3 结论与展望

3.1 结论

受日益增长的废物量、新的技术手段、不同利益相关方等因素驱动，先进的废物管理成为经济发展的一个新兴分支[46]。发达国家在固体废物管理方面早已融入物质流分析的理念，有效识别出固体废物管理体系的不足，选取最具成本效益的管理体系来满足既定目标，并且不断评估和优化管理体系。20世纪90年代起，国内外学者广泛应用物质流分析方法开展固体废物管理领域的相关研究，为我国提升固体废物管理水平带来借鉴意义：

第一，物质流分析有助于推动形成固体废物综合管理的“闭环”模式。物质流分析可以刻画从上游产品生产到固体废物产生、回收、利用、处置等环节的流向和流量变化，以及不同“流”之间的交互影响，识别出固体废物代谢过程中不合理的过程与节点，从政策、技术、配套设施等方面有针对性地对其进行改善，有效实现固体废物源头减量、资源化利用、无害化处置等。其中，物质流账户是固体废物领域物质流分析方法应用和发展的基础，需加快完善固体废物的认定标准与统计方法。

第二，物质流分析可以为绿色生产和消费相关政策制定提供指引。采用固体废物导向的逆向流分析，追溯上游生产和消费环节与废物流的关联情况，精准识别固体废物产生量较高的行业和消费品，尤其是不易回收利用的废弃产品，有针对性地优先采取清洁生产、可回收设计、减量化消费等措施。

第三，物质流分析有助于充分发掘固体废物的资源替代潜力。基于固体废物流量与存量的动态评估，分析固体废物再生利用的发展潜力并判断面临的瓶颈要素，有针对性地采取政策激励、技术研发、配套设施建设、信息化服务等方面措施，可以提升固体废物资源化利用率，缓解当前或未来的资源供给压力。

第四，物质流分析可以作为环境政策制定的工具，识别出最有效的政策干预手段。通过物质流分析追溯环境问题的源头，从而针对同源问题采取协同增效的措施，针对重点环节采取成本有效的管理手段。固体废物物质流账户的信息公开一定程度上还能促进公众支持绿色消费、设施新建等，减少政策实施的公众阻力。

3.2 物质流分析在固体废物管理领域的应用展望

物质流分析从实物角度构建社会经济系统可持续发展的量化评估体系，为固体废物管理提供了系统、科学的手段。尽管如此，物质流分析在固体废物管理领域尚有一些技术与应用问题需要突破，主要在于以下方面：

第一，物质流分析与其他方法工具结合的问题。单一的物质流分析方法侧重系统中物质输入、输出量的分析，而缺乏对于物质流隐含的直接环境影响，以及系统内部经济活动中间接的物质流动与环境影响等要素的刻画。为了使物质流分析能够体现固体废物管理系统的综合影响和效益，物质流分析方法还应进一步结合投入产出分析、生命周期评价、环境风险评价等方法工具，结合我国环境影响、生产投入等相关系数，形成符合我国实际的混合应用模型，服务于我国固体废物管理决策。

第二，驱动因素识别与动态预测问题。从时间跨度来说，物质流分析侧重历史和现状的描述，虽已有一些构建动态模型进行趋势预测方面的探索，但其对于物质存量驱动因素的判别较为单一。对于我国来说，需要加强对物质流动驱动因素的识别与机理分析，如产业政策、资源禀赋、消费需求等，提升预判研究的精准性。

第三，数据可获得性与应用范围问题。从系统层次来说，目前受地区物质进出统计不完善或企业数据保密特性等因素制约，中小尺度物质流研究往往受限于数据可获得性。因此，结合我国园区循环化发展的实际应用需求，应加快完善产业园区企业内、企业间和区域内等中小尺度的固体废物数据收集与监测系统，为中小尺度经济系统内固体废物的物质流分析提供基础。