2017, Vol. 13 
2. 中国环境科学研究院，北京 100012;
3. 波兹南经济大学，波兰 61-875;
4. 中国气象局国家气候中心，北京 100081
城市矿产，是对城市废弃资源进行规模化及产业化开发利用的一种形象比喻，是指工业化和城镇化过程中，产生和蕴藏于废旧机电设备、家电、电子产品、电线电缆、汽车、通讯工具、金属和塑料包装物等废料中，可循环利用的钢铁、有色金属、贵金属、塑料、橡胶等资源[1]。随着技术和经济的发展，城市矿产及其开发得到了进一步发展。Peter等[2]指出，城市矿产的开发对象不仅是材料，还应包含能源的循环利用。城市矿产开发逐渐成为一种变废为宝、化害为利的友好型环境发展思路，不仅成为缓解资源瓶颈约束、减轻环境污染的有效途径，同时也是发展循环经济、实现可持续发展的重要内容。
经过工业革命以来300多年的开采和利用，全球80%可工业化利用的矿产资源已经从地下转移到地上，以垃圾的形式堆积在我们周围，总量已达数千亿吨，并以每年100亿t以上的速度增长[3]。面对这些被人们忽视的具有开发潜力的巨大资源，国内外不少专家学者对此进行了研究。20世纪60年代Jane[4]的城市矿产设想到1985年杨显万等[5]提出城市矿产概念，人们对城市矿产的理解也逐渐发展，更加综合和全面。
全球气候变化是人类最关心的环境问题之一，温室气体减排是应对气候变化工作的热点。中国政府始终关注应对气候变化的相关问题，持续增加应对气候变化的无悔行动。目前针对化石燃料燃烧、工业生产过程、农林领域、居民生活和机动车等温室气体排放的研究已不少[6-7]，但是对全国范围资源回收利用所带来的温室气体排放的定量评估研究不足。国内外也有不少学者做了一些与城市矿产开发对温室气体减排工作相关的研究。研究表明，2010年美国回收利用800万t金属，直接减少温室气体的排放共计2600万t，相当于500多万辆汽车在公路上行驶一年产生的温室气体量，其减排作用是显而易见的[8]。van Berkel等[9]对日本从1997年开始的生态城镇项目经行了全面的评估，分析了其围绕工业和城市矿产开发采取一系列措施的动机、目的和成果。Dong等[10]以日本生态城镇中的川崎为案例用生命周期的方法综合分析其碳减排效果，计算并对比川崎在实行城市矿产开发和未实行时的碳排放量，发现碳排放效率提高了13.77%。Geng等[11]评估日本川崎的废纸、废塑料和有机废物的回收利用，发现减少了69 kt CO2排放和8 kt焚烧灰。Hashimoto等[12]对日本川崎的一家水泥公司通过4种不同资源利用情景分析了城市矿产开发的巨大潜力，其每年可减排CO2 43000 t。研究表明，在今后一段时间内我国垃圾处理方式仍以填埋和堆放为主[13]，加大城市矿产开发的直接效益就是减少了垃圾的产生量，并且还将这些所谓的垃圾又重新变为可以使用的原材料，大大减少了天然原材料的开采和加工，对温室气体减排意义重大。目前国内大多数学者对城市矿产的研究主要集中于城市矿产的回收利用技术和国外经验与做法的借鉴，而本文关注的是城市矿产开发对温室气体减排的影响，主要是城市固体废弃物的回收利用所产生的废弃物填埋量减少和原材料替代带来的环境效益。当前我国城市矿产开发主要以再生资源产业发展为重要方向，本文以十二五期间①我国再生资源回收量最大的3类(废钢铁、废纸和废塑料)为研究对象，参考并借鉴《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[14]提供的CH4、CO2排放量计算方法，估算了这3类城市矿产回收所带来的CH4、CO2减排量，进而分析城市矿产开发对温室气体减排的影响。
① 鉴于2015年统计资料还未发布，本次统计不包括2015年。
1 资料和方法 1.1 资料分析本文收集了《再生资源行业分析报告》[15](2011—2014年)中我国再生资源的回收和利用数据，通过分析发现，自2010年我国提出开展城市矿产示范基地建设以来，我国再生资源回收实现了稳固发展。2010年和2011年回收总量分别为164.618 Mt和160.67 Mt，2013年则出现较大提升，回收总量达到233.127 Mt，截至2014年底，我国废钢铁、废有色金属、废塑料、废轮胎、废纸、废弃电器电子产品、报废汽车、报废船舶、废玻璃、废电池等十大类再生资源回收总量约为2.45亿t，同比增长5.0%。并且自2014年起，中小型钢铁企业回收的废钢铁、铸造和锻造行业使用的废钢铁数量也被纳入统计范围，数据统计更加完善。我国十二五期间再生资源回收情况见图 1，2013年废钢铁的回收量是2012年的1.8倍，2014年基本保持这个水平。而废纸和废塑料的回收量4年都保持相对稳定，废纸每年的回收量为44 Mt左右，废塑料为16 Mt左右。废钢铁、废纸和废塑料占据了回收的绝大部分，三者合计所占的比例2011—2014年分别为89.9%、90.1%、89.3%和88.4%。2014年废钢铁回收量、废纸回收量和废塑料回收量分别占回收总量的62.2%、18.0%和8.2%，这3项废弃物的回收占据了可再生资源回收总量的88.4%。而我国目前城市矿产开发主要以再生资源回收利用为方向，因此废钢铁、废纸和废塑料的回收情况基本可以代表我国城市矿产开发的现状和发展趋势。
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图 1 十二五期间中国再生资源回收情况 Figure 1 Recovery of renewable resources in China in the Twelfth Five-Year Plan period |
IPCC温室气体编制指南作为一种国家层面温室气体排放量化方法在国际上已普遍使用[7, 16-17]，该指南给出的计算各行各业温室气体排放的基本原理和方法同样也适用于区域和企业层面。本文在使用该方法时所采用的排放因子和参数大部分参考《中国2008年温室气体清单研究》中的推荐值，更符合中国的实际情况，其中有些参数在国内并无本地化，因此计算结果可能存在一定的偏差。相较于生命周期评价、经济效益分析等方法对于大区域的评估还需要更详细的数据，目前在国内获取全面的国家或私营工厂的运行数据比较困难。故本文采用了IPCC推荐的方法，并且将计算结果与其他计算方法进行了比较，以期得出更完善、可靠的评估结果。
(1) 废纸回收产生的温室气体减排计算方法
废纸回收引起的温室气体减排量为木材生产同等回收量的纸的温室气体排放量与回收废纸制浆生产纸产生的温室气体排放量的差值，再加上减少木材消耗和减少废纸填埋的温室气体排放量，其中木材生产同等回收量的纸和废纸制浆产生的温室气体排放量参考中国造纸行业典型产品生命周期分析的清单计算方法。不管是原木浆生产纸还是回收废纸浆生产纸，生产1 kg浆和生产1 kg不同纸在抄纸阶段排放的温室气体量是一样的，故木材生产同等回收量的纸与回收废纸制浆生产纸排放的温室气体量的差值即为每千克不同纸浆生产排放的温室气体量的差值[18]。假设生产同等回收量的纸全部由木浆生产，并取CH4的全球增温潜势为21[19]计算，生产1 kg木浆相对于废纸回收浆减排-431.1 g CO2-eq，可见废纸生产纸相对于木材生产纸并不减少温室气体排放量，反而增加了温室气体排放。木材消耗产生的温室气体主要由林木种植管理和木材固碳的差值决定，其中林木种植管理的温室气体减排量为负值，主要是机器、电力和人工等的间接排放，木材固碳的温室气体减排量为正值，为林木生物量增长所形成的CO2吸收。
废纸填埋处理产生的CH4排放量计算利用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[14]推荐的方法2，即一阶衰减(FOD)方法。废纸焚烧处理产生的CO2是生物成因的排放，不纳入国家排放总量计算。我国废纸每年的填埋处理量以其占废纸回收量的31.44%计算得出，其中以其他方式处理的废弃物按浅层填埋处理，占废纸回收量的3.21%计算[18]。
(2) 废钢铁回收产生的温室气体减排计算方法
本研究中废钢铁回收引起的温室气体减排量定义为生产同等回收量的钢铁所产生的温室气体量与废钢铁回收再生产为粗钢所排放的温室气体量的差值。鉴于我国钢铁生产企业温室气体排放核算的工作刚刚起步，提供的数据并不完善和准确，本文参考国际钢铁协会(World Steel Association)2003—2014年发布的吨钢温室气体排放量[20]。世界钢铁企业吨钢CO2排放量为1.8 t CO2左右。由于国内钢铁企业生产技术的进步和国家政策的要求，张春霞等[21]的研究表明中国钢铁企业生产1 t粗钢的CO2直接排放量由1991年的3.29 t下降到2008年的约1.92 t，并且根据中国工程院[22]的研究结果表明，中国钢铁工业的CO2排放中能源(燃料)消耗排放的CO2量约占钢铁工业CO2排放总量的95 %以上，与世界平均水平保持一致。本文使用的是适合中国实际情况的值，为1.9 t CO2/t粗钢。
在国家温室气体清单中，钢铁生产过程温室气体清单包括钢铁工业生产炼钢降碳过程和电炉炼钢电极消耗的CO2排放(工业生产过程部分报告)，而钢铁生产过程中化石燃料燃烧等能源活动排放的CO2、还原剂导致的CO2排放和溶剂高温分解的CO2排放等在能源部门报告，本研究的计算仅考虑工业生产过程。假设回收的废钢铁为生铁量计算，其生产为粗钢过程的CO2排放量计算根据《中国2008年温室气体清单研究》[23]中的方法进行计算，即生铁炼钢的过程中排放的CO2和电极消耗产生的CO2两部分。
(3) 废塑料回收产生的温室气体减排计算方法
我国目前在废旧塑料的处理上采用的主要方式还是最原始的填埋方式，另外，焚烧处理也得到了各个地方政府的大力支持，正在快速发展[24]。因此，废塑料回收引起的温室气体减排量仅以减少等量废塑料的填埋和焚烧产生的温室气体量进行估算，而废塑料的填埋过程有机碳难降解，产生的温室气体量可忽略。废塑料焚烧产生的CH4和N2O由于国内排放因子难以确定和数据不全等因素，国内暂无计算。故废塑料回收引起的温室气体减排量的计算根据《中国2008年温室气体清单研究》[23]中废弃物焚烧处理产生的CO2的方法进行计算。
1.2.2 排放因子及参数选择(1) 废纸替代和填埋
用木材生产同等回收量的纸排放的温室气体量与回收废纸制浆生产纸产生的温室气体量的差值按生产1 kg废纸回收浆相对于木浆排放431.1 g CO2-eq计算；中国林木种植管理中生产1 kg干圆木的温室气体排放量取150.8 g CO2-eq[25]；根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[14]可得生产1 kg干圆木的林木种植阶段可固定温室气体1.6892 kg CO2-eq；废纸回收减少的废纸填埋处理CH4排放量所需要的排放因子包括：甲烷修正因子(MCF)、垃圾中可降解有机碳含量(DOC，以C计，Gg)、可降解有机碳所占比例(DOCf)、甲烷在垃圾填埋气体中的比例(F)、甲烷回收利用量(R)、氧化因子(OX)、半衰期(t1/2)和甲烷产生率(K)。考虑到我国生活垃圾处理的实际情况，参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[14]，并结合《中国2008年温室气体清单研究》[23]确定t1/2=2.3、K=0.3、R=0，DOC含量占废纸量的44%，DOCf=0.6、F=0.6，管理-厌氧型的处理MCF=1，OX=0.1。收集的废纸处理方式中有3.21%以其他方式处理，本次计算将其以未管理的浅填埋进行估算，其MCF=0.4，OX=0。具体见表 1。
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表 1 废纸填埋甲烷排放因子及参数选择 Table 1 Waste paper landfilling methane emission factor and parameter selection |
(2) 废钢铁
生产同等回收量的钢铁所产生的温室气体量按生产1 t粗钢的温室气体排放量为1.9 t CO2计算；废钢铁回收再生产为粗钢所排放的温室气体量所需的排放因子根据《中国2008年温室气体清单研究》[23]确定：生铁含碳率为4.1%，钢含碳率为0.2426%，电炉钢消耗电极产生的CO2排放因子为0.00883 t CO2/t电炉钢。
(3) 废塑料焚烧
废塑料回收减少的废塑料因焚烧产生的CO2所需要的排放因子包括：废弃物中的碳含量比例(CCW)、废弃物中的矿物碳含量比例(FCF)和废弃物焚烧炉的完全燃放效率(EF)。根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[14]和《中国2008年温室气体清单研究》[23]的推荐值，废塑料的CCW=0.75，FCF=1，EF=0.95。
2 结果与分析 2.1 温室气体减排情况基于我国统计资料计算的2011—2014年我国废钢铁、废纸和废塑料回收产生的CO2和CH4减排量见表 2，2011—2014年我国废钢铁回收、废纸回收和废塑料回收引起巨大的温室气体减排量。2014年废钢铁回收、废纸回收和废塑料回收引起的CO2减排量分别为8.908 Mt CO2-eq，233.579 Mt CO2-eq和7.125 Mt CO2-eq，较2011年分别增长了67.36%，1.66%和48.15%。其中废纸减排量最大，平均每年减排232.773 Mt CO2-eq。此外由于废纸回收导致填埋量减少，4年累计减排CH4为1.124 Mt，即23.604 Mt CO2-eq。
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表 2 2011—2014年我国废钢铁、废纸和废塑料回收减排CO2和CH4量 Table 2 CO2 and CH4 emission reduction from recovery of iron and steel scraps, waste paper and waste plastics in China in 2011-2014 |
由于废纸制浆过程温室气体的间接排放量较大，是木浆生产排放温室气体的4.68倍，因此2011—2014年纸浆生产过程的减排量为-60.751 Mt CO2-eq。但是由废纸制浆生产纸减少了木材的使用量，增加碳汇991.842 Mt CO2-eq。故废纸的回收有利于温室气体的减排，但是该计算值是基于假设全部纸浆由木材制成，实际生产情况是由木浆、废纸浆和其他浆共同生产的，因此该计算值高于实际值。
十二五期间，仅废钢铁、废纸和废塑料这3项废弃物的回收就减排1005.159 Mt CO2-eq。其中废纸的回收减排量最大，为954.695 Mt CO2-eq，回收减排效率也最高，为5.42 t CO2-eq/t废纸，高于Dong等[10]使用LCA计算日本川崎废纸回收效率值(4.40 t CO2-eq/t废纸)，但本文估算值考虑了废纸填埋产生的CH4排放，故回收带来的效益更大。由于全国范围废塑料回收后的用途多样且无法具体确定以及统计数据不全，计算低估了废塑料回收引起的温室气体减排量，回收效率为0.36 t CO2-eq/ t废塑料，远小于Chen等[26]对中国沈阳废塑料回收评估值(1.66 kg CO2-eq/kg废塑料)。废钢铁回收减排效率为0.15 t CO2-eq/t废生铁，与《中国2008年温室气体清单研究》[23]中的值0.14 t CO2-eq/t钢铁相近。
2.2 不确定性分析排放量估算过程中的不确定性，根据IPCC提供的误差传播方法进行计算[27]。参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中缺省值和相关参数的不确定估值，废钢铁炼钢、废纸填埋和废塑料焚烧的不确定性估值见表 3。根据公式计算得到废钢铁炼钢产生CO2排放计算的百分比不确定性为34%，废纸填埋产生CH4排放计算的百分比不确定性为29%，废塑料焚烧产生CO2排放计算的百分比不确定性为43%，基于误差传递方法计算得出总的不确定性为21%。该不确定性值仅是本次数据的不确定性，由于计算方法的简化等造成的方法不确定性可能较大。
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表 3 温室气体排放计算的不确定性 Table 3 Uncertainties of calculating GHG emissions |
2011—2014年我国废弃物回收总量保持增长态势，2014年达244.706 Mt，是2011年的2.7倍。期间我国主要城市矿产开发的再生资源累计回收量为803.275 Mt。其中废钢铁、废纸和废塑料的回收量最大，分别为478.100 Mt，176. 150 Mt和63.162 Mt。
废钢铁、废纸和废塑料回收引起的温室气体减排量分别为27.962 Mt CO2-eq，954.695 Mt CO2-eq和22.502 Mt CO2-eq，合计1005.159 Mt CO2-eq。其中废纸回收减少的温室气体排放量最大。
废钢铁、废纸和废塑料回收减排效率分别为0.15 t CO2-eq/t废生铁，5.42 t CO2-eq/t废纸和0.36 t CO2-eq/t废塑料，其中废纸的回收减排效率最高，废塑料由于回收资料获取不全导致回收减排效率被低估。
对于实现在《巴黎协定》中碳减排的承诺，加大我国城市矿产的开发和利用对于我国温室气体排放控制策略来说将是又一重要手段。本文分析结果显示，我国城市矿产开发带来的温室气体减排效益巨大，但是我国目前的城市矿产开发还处于初级阶段，可提升空间巨大。我国的发展现状存在以下不足。
(1) 我国废弃物产生量大，回收不够充分，且主要是针对废钢铁、废纸和废塑料的回收，例如电子产品和一些有色金属回收很少。
(2) 废弃物的产生、回收环节并未有完整的统计资料记录，这不利于今后城市矿产的分析与研究。
(3) 废纸回收产生的温室气体减排潜力巨大，应作为温室气体控制的重点关注对象。我国每年的纸消耗量巨大，废纸产生量也大，将废纸作为资源回收利用能产生环境和经济双重效益。然而，我国目前废纸回收制浆率仅为43.8%，填埋率为43.31%，还有很大的进步空间。
鉴于本文是初次对城市矿产中温室气体排放方面的计算研究，活动水平数据和排放因子参数获取较为困难，故本次研究不是很全面，没有涵盖整个城市矿产内容，后续会进行更深入的研究。
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