城市生活垃圾填埋场的碳资源利用与“负碳”转型

生活垃圾填埋场不仅是全球第三大甲烷温室气体排放源，更是城市重要的碳资源储存场所，具有较大的碳减排潜力。本研究构建了填埋场有机碳的 “固-液-气”三相耦合转化模型 ，对346个中国城市的填埋场碳存量进行了测算评估。研究表明，我国填埋场历史碳存量高达5亿吨，其中 有机碳约占城市绿地的20%，化石碳能量通过转化可供应城市约1年的用电需求 。情景分析的结果表明，综合使用填埋处置减量、填埋气收集和填埋场修复治理等干预措施，到2030年可实现我国生活垃圾填埋场的“负碳”转型，其中填埋场存量有机碳开采利用的贡献率占52.3%。本研究可以改变人们对垃圾填埋场的“负面”认知，为生活垃圾 填埋场碳减排乃至碳中和提供了可行的技术-政策路径。

过去20年间，中国填埋场累积输入的有机碳和化石碳达到5.4亿吨，其中76%进入了卫生填埋场，而24%则进入了简易垃圾堆场。这些碳输入中，约6.4%以填埋气的形式（如甲烷和二氧化碳）释放到大气中，约0.3%进入水处理系统或水环境中，剩余93.3%作为碳存量储存在填埋场中，主要以腐殖土（占55%）、塑料和橡胶（占31%）、纺织物（占3.6%）、废木竹（占3.4%）等形式存在（图2）。

图2 我国填埋场的累积有机碳存量（2001-2020年）

从2001年至2020年，填埋场的累积碳存量年从0.18亿吨上升到5.06亿吨，增长了近28.8倍。简易垃圾堆场处置量在2012年达到顶峰后逐步减少，卫生填埋场处置量呈线性增长趋势。我国城市生活垃圾填埋场的空间分布特征与“胡焕庸线”基本一致。胡焕庸线以东城市的填埋场碳存量显著高于西部地区，分别为4.1亿吨和0.9亿吨。我国31个省会城市的填埋场碳存量占全国总量的36.2%，其中北上广深四个经济发达城市占总量的12.7%（图3）。

图3 我国填埋场累积有机碳存量的空间分布

本文提出三项指标来评估填埋场碳资源存量的资源环境效应，包括 腐殖土有机碳的利用潜力、化石碳能源利用潜力、城市甲烷排放贡献度 （图4）。

首先，填埋场中有机碳含量丰富的腐殖土可作为土壤改良剂用于城市绿化。全国城市垃圾填埋场的有机碳存量占城市绿地有机碳存量的20%（四分位区间为9%-24%），东北地区最高可达39%，主要因为气温低有机碳降解缓慢。

其次，填埋场中可燃化石碳成分（如塑料、橡胶、纺织物和木材）具有较大的能源化利用潜力。超过81.5%的城市可通过转化填埋场化石碳存量为居民提供1年以上的电力需求，东北和西北部分城市甚至可以可到4年。

最后，填埋场碳存量将带来持续的甲烷排放。填埋场排放贡献占城市甲烷总排放量的3.9%。在华南地区温湿度和厨余垃圾产量高的城市，填埋场甚至可贡献约60%的城市甲烷排放。

图4 我国各地理分区下填埋场有机碳存量的资源环境效应

为探讨填埋场的碳存量变化与碳减排效果，针对碳存量的主要形式及其环境效应，本研究基于填埋场碳资源利用与碳减排措施实施的难易程度，设定了四种情景： “现状情景”、“提高甲烷收集率情景”、“最小化填埋情景”、“填埋场修复治理情景” 。在“现状”和“提高甲烷收集率”情景下，填埋场的碳存量在2025年和2030年分别达到6.15亿吨和7.27亿吨，增长幅度分别为16.9%和38.2%。而在“最小化填埋”情景下，通过实施“十四五”规划中的目标（如将填埋率降至12%，并提升垃圾焚烧和生物处理比例），填埋场的碳存量增长会显著减缓，仅年均增加2.2%（图5）。

图5 中国填埋场累积有机碳存量的情景分析（2001至2030年）

“填埋场修复”情景则是唯一可能实现“负碳转型”的情景。 通过好氧稳定化、填埋场开采与存量资源利用等技术手段，考虑到甲烷减排和资源利用的“碳足迹”抵扣，预计到2030年填埋场碳排放可降至-0.57亿吨CO ₂ eq/年。碳减排效果主要通过塑料、橡胶、纺织物和木材等化石碳的能量转化、腐殖土资源化替代化肥实现（图6）。

图6 中国填埋场累积温室气体减排的情景分析（2001至2030年）

本文进而研究了获得上述碳减排效益的经济可行性。我国生活垃圾填埋场修复治理的总成本估算约为5千亿元，但同时也能带来电力、肥料等潜在收益，净成本测算约为1.3千亿元（图7）。此外，考虑到土地复垦利用和填埋场周边地价升值等潜在增益， 生活垃圾填埋场修复治理是经济可行的“负碳转型”模式。

图7 填埋场修复治理情景的成本效益分析