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Urban ecological metalbolism of municipal solid waste:a review

城市生活垃圾代谢的研究进展



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(41201579);国家“十二五冶科技支撑计划课题资助项目(2012BAC13B04)
收稿日期:2013鄄05鄄02; 摇 摇 修订日期:2013鄄09鄄17
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: cbzhou@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201305020897
周传斌, 徐琬莹, 曹爱新.城市生活垃圾代谢的研究进展.生态学报,2014,34(1):33鄄40.
Zhou C B, Xu W Y, Cao A X.Urban ecological metalbolism of municipal solid waste: a review.Acta Ecologica Sinica,2014,34(1):33鄄40.
城市生活垃圾代谢的研究进展
周传斌*, 徐琬莹, 曹爱新
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京摇 100085)
摘要:城市代谢是导致城市发展、能量生产和废物排放的社会、经济和技术过程的总和。 生活垃圾管理系统是一类典型的、具备
社会、经济、自然要素的复杂系统,它不仅同管理体制、技术水平和居民素质有关,也贯穿生产、消费、流通、还原过程,更和水体、
土壤、大气、生物、矿产等自然环境紧密联系。 综述了近年来基于城市生态系统代谢思路,在生活垃圾碳、重金属、营养元素和能
量的城市代谢等方面的研究进展,分析了未来该领域研究需重点关注的方向。 生活垃圾在城市生态系统中的能量流动、物质循
环、代谢效率等方面的研究,可为生活垃圾管理系统的评价、规划、工程、管理研究提供科学基础。
关键词:生活垃圾;城市代谢;碳排放;重金属
Urban ecological metalbolism of municipal solid waste: a review
ZHOU Chuanbin*, XU Wanying, CAO Aixin
State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
Abstract: Urban ecological metabolism is the sum of society, economy and technology during the city development, energy
production and waste emissions. Municipal solid waste management was a typical complex system combines social鄄economic鄄
natural factors. Municipal solid waste management was effected by managing mechanism, technical level and environmental
conscious of inhabitants. Municipal solid waste run through the urban metabolism processes of production, consumption,
logistics and recycling, and even more, waste has a close relationship of natural environmental such as water body, soil,
air, biology and mines. In this paper, we reviewed the literatures about municipal solid waste emission, transfer, and dump
of carbon, heavy metal, energy and nutrients in the framework of urban ecological metabolism, and gave the important
researching directions and contents in this area. Main findings were: 1) Carbon metabolism of municipal solid waste was
important in the researches of urban carbon cycle, current researches were focus on the carbon emission regulation of waste
treatment, comparison studies on carbon emission between different cities, carbon emission and transfer inside the cities,
carbon detecting and accounting of solid waste and waste management for low carbon emissions. 2) Heavy metal metabolism
was paid attentions by researchers, current researches were focus on the inputs and outputs of heavy metals through urban
metabolism, source analysis of heavy metals in different municipal solid wastes, transferring and migrating of different heavy
metals through different treating and disposing processes, migrating of heavy metal in soil鄄plant system brought from waste
compost, and impacts to heavy metal metabolism by different collection separating and transporting system. 3) Nutrients and
energy metabolism of municipal solid waste were reported less than carbon and heavy metals. Inputs, output and the balance
of typical nutrients, such us nitrogen and phosphorus, were studied, and nutrients metabolism from municipal solid waste
were important substrate flows in the process of urban metabolism. Energy indicators such as emergy and exergy were
introduced to analyze the systemic metabolism efficiency of different municipal solid waste treatment and mangement
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systems. Based on the review of current researches, some important researching areas has been putting forward: 1)
metabolism of municipal solid waste based on the rural鄄urban geographic and season differences, these researches could
promote the progress on researching geography鄄ecology processes of urban ecological systems; 2) producing, transferring
and fate models of carbon, heavy metals, nutrients and energy metabolism, and typical Chinese parameters for accounting
and simulating the urban metabolism of municipal solid waste, these researches could promote the systemic and comparing
studies of different waste metabolism systems; 3) experimental researches on key processes for carbon, heavy metals,
nutrients and energy metabolism of municipal solid waste, for example, the deposit, transfer and emission processes of
carbon cycle through collecting, separating, transporting and treating of municipal solid waste; and the quantitative studies
on the heavy metals transferring processes impacting by different waste components, environmental temperature, pH value.
The researches of energy transfer, material cycling and metabolism efficiency of municipal solid waste managing system
could give scientific basis of assessment, planning, engineering and management of urban municipal solid waste
management systems.
Key Words: municipal solid waste; urban metabolism; carbon emission; heavy metals
摇 摇 “城市代谢冶的概念最早由Wolman于 1965年提
出,Kennedy进一步将城市代谢定义为“导致城市发
展、能量生产和废物排放的社会、经济和技术过程的
总和冶。 生活垃圾管理系统是一类典型的、具备社
会、经济、自然要素的复杂系统,它不仅同管理体制、
技术水平和居民素质有关,也贯穿生产、消费、流通、
还原过程,更和水体、土壤、大气、生物、矿产等自然
环境紧密联系。 生活垃圾的直接和间接代谢产物成
为影响城市生态系统健康的重要因素,成为影响地
表水、地下水、大气、土壤的污染源[1]。 近年来,基于
城市生态系统代谢的思路,碳、重金属、能量和营养
元素的生态代谢研究逐步成为生活垃圾研究领域的
前沿议题;生活垃圾在城市生态系统中的能量流动、
物质循环、代谢效率等方面的研究,也可为生活垃圾
管理系统的评价、规划、工程、管理研究提供科学
基础。
1摇 生活垃圾的碳代谢
1.1摇 城市生活垃圾的碳排放量及其生态学意义
城市生活垃圾作为影响全球气候变化的重要碳
源,近年来受到越来越多的关注。 生活垃圾运输、焚
烧、堆肥、发酵和填埋处理都会产生 CH4和 CO2排
放[2],其中垃圾填埋排放的甲烷占人类活动引起的
排放量的 12%,是全球第三大甲烷排放源[3鄄4]。
IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change),明
确的将废弃物作为温室气体核查五大专题之一[5],
而同生活垃圾相关的国际碳交易也是非常活跃的清
洁发展机制项目 CDM(Clean Development Mechanism)
项目类型。 我国每年生活垃圾处理过程将形成甲烷
排放超过 600万 t,总碳排放约 1.5亿 t[6]。
随着全球气候变化问题受到越来越广泛的关
注,城市碳循环的研究也正在逐步深入,如城市碳循
环模拟[7鄄8]、城市扩展和地类变化的碳循环[9]、城市
碳管理[10]等方面。 全球碳计划(GCP, Global Carbon
Plan)于 2005 年发起了城市与区域碳管理研究计
划,该计划对推动城市碳过程的研究起到了重要作
用。 在城市生态系统中,碳以食物、能源、产品等物
质形态输入,经过各种转化过程,一部分储存在城市
生态系统碳库中,一部分以产品的形态输出,另一部
分以废气、废水和固体废弃物的形式输出[11]。 生活
垃圾处理和处置的碳排放是城市足迹区水平和垂直
碳通量的重要部分[12]。 城市生活垃圾的碳排放过
程及其空间环境效益研究正在成为城市系统地理—
生态过程研究领域的前沿议题[13]。
1.2摇 城市生活垃圾处理和处置环节的碳排放规律
由于生活垃圾填埋场被认为是最为重要的甲烷
排放源,因此关于生活垃圾碳排放问题最早集中在
垃圾填埋场的温室气体释放。 研究表明,垃圾组成、
含水量、可利用养分、温度和 pH 值均是影响甲烷产
生的重要因素[14]。 填埋场释放甲烷是长期过程,填
埋场封场后甲烷释放速率在逐步增长达到峰值后会
呈现出下降趋势,覆盖土壤中的甲烷和二氧化碳浓
度会随着封场年数的增加而减少[15]。 减少原生生
物垃圾填埋量、采用填埋覆盖土壤的碳扑捉技术和
43 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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进行好氧、半好氧填埋技术的改进都可以削减填埋
场的碳排放[16鄄17]。 生活垃圾焚烧及其它垃圾热转化
技术也是生活垃圾碳减排技术探讨的重要问题。 由
于各城市生活垃圾焚烧发电效率和本地基准的燃煤
发电参照值(EF)的不同,生活垃圾焚烧最终是碳源
还是碳汇仍然是个不确定的问题。 由于我国垃圾含
水率高、热值相对较低,对比研究表明我国的垃圾焚
烧基本应该归为城市碳源[18]。 而欧洲的研究表明,
单纯的垃圾焚烧是碳源,而采用机械鄄生物预处理的
垃圾焚烧发电可认为是城市的碳汇[19]。
1.3摇 城市生活垃圾管理系统的碳排放及其不同技
术碳排放的比较
城市生活垃圾的收集、运输以及终端处理技术
的决策等管理措施都会影响到垃圾的碳排放过程。
Calabr侔等人研究了意大利生活垃圾分类收集不同
情景下的碳排放,认为分类收集方式可以有效的削
减碳排放并将垃圾焚烧发电厂变成城市碳汇[20]。
Couth等人总结了非洲国家废弃物低碳管理措施,也
认为有机垃圾的源分类收集是非洲实现垃圾碳减排
的关键[21]。 Bastin等人研究了英国两个小城镇垃圾
收运系统后发现,垃圾集中收运处理的碳排放分别
是分散收运处理碳排放的 1.8和 5.5 倍,垃圾运输车
辆的能源选择也是影响碳排放的关键因子[22]。 生
活垃圾碳排放也经常用于终端处理技术的选择研究
上。 Khoo等人采用生命周期分析方法研究了新加
坡有机垃圾的处理技术的碳排放,认为厌氧发酵是
生命周期碳排放较小的处理技术[23]。 韩树丽等人
研究了研究了我国填埋、焚烧、堆肥等技术的温室气
体排放,认为多技术关联的综合处理是较好的减碳
方式[24]。
1.4摇 城市尺度生活垃圾的碳循环规律以及低碳管
理方法研究
碳排放分析被用于城市之间的生活垃圾管理系
统的比较,以借鉴垃圾低碳管理城市的经验。 M俟hle
等人比较了英国和德国城市生活垃圾管理系统的碳
排放,研究表明,英国垃圾管理系统的碳排放是德国
的 5 倍,其主要原因是德国的垃圾管理系统更强调
资源回收和能源再生[25]。 台北的研究也表明资源
回收是最好的减碳措施,而缺乏有效管理的厨余垃
圾发酵是垃圾碳排放的重要来源[26]。 赵胜男研究
省域的有机废弃物资源化利用策略,并分析了各类
废弃物的减碳潜力[27]。 罗婷文等人研究了海口市
的垃圾管理系统后发现,海口每人每天生活垃圾的
碳输出量为 0.326 kg,其中 31%左右的碳在填埋方式
下转化成 CH4、CO2和渗沥水中的有机物排放,而
69%左右的碳被长期固定[11]。 北京、苏州、天津等地
的研究案例表明,我国生活垃圾处理的全生命周期
碳排放强度在 650—2372 kg CO2 eq / t,远低于欧洲发
达国家的水平(德国 34 kg CO2 eq / t 和英国 175kg
CO2 eq / t) [25]。 潘玲阳等人最早关注了生活垃圾碳
循环的城乡梯度问题,并分别以北京市和厦门市集
美区为研究案例分析了城市中心区、郊区和农村等
不同住区类型的垃圾碳排放特征,并提出了针对性
的管理措施建议[28鄄29]。
1.5摇 生活垃圾碳排放实地测定和核算分析的方法
学研究
城市生活垃圾碳排放的测定主要是在填埋场地
表土壤布置温室气体监测点位,实测通过断面的温
室气体的浓度[15]。 IPCC 的垃圾处理技术碳排放模
型和生命周期碳排放分析是常用的生活垃圾碳排放
核算模型,而采用 LCA(Life Cycle Analysis)分析的
碳排放数据更为可靠,而 IPCC忽略了部分间接的碳
排放[30],但是两类模型都需要本地数据的支撑,否
则将不能获得比较精确的碳排放数据。 Kumar 等人
分析了填埋场碳排放实测数据和 IPCC 模型、FOD
(First鄄Order Decay)模型和 MTM(Modified Triangular
Method)模型之间的差异,研究发现核算模型之间以
及模型和实测数据之间均存在较大的差异,采用工
业元素分析获得的初始碳含量、化石碳含量和生物
碳含量等参数均是进行精确模型分析的必要
参数[31]。
2摇 生活垃圾的重金属代谢
2.1摇 生活垃圾的重金属代谢量及其生态学意义
随着重金属污染问题越来越受到重视,也逐渐
有学者开展了城市重金属的代谢研究,主要关注的
热点在于重金属在城市中的储存和以垃圾为载体的
排放[32]。 S觟rme 等人研究了瑞典 Stockholm 的重金
属城市代谢后发现,通过垃圾代谢的重金属占城市
总输入量的 15%—45%[33]。 城市生活垃圾产生量巨
大、成分复杂,生活垃圾中电池、灯管、电器、纸张、油
漆、油墨、染料、灰尘以及源自食物链富集的食物均
53摇 1期 摇 摇 摇 周传斌摇 等:城市生活垃圾代谢的研究进展 摇
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是生活垃圾中重金属污染的来源[34]。 城市生活垃
圾中的累积的重金属对人类健康影响的风险巨大。
例如,广东贵屿儿童铅中毒事件就与垃圾处理有关。
生活垃圾收集和处理的从业人员长期接触重金属污
染的垃圾和渗滤液也可能会对健康带来威胁。
城市生活垃圾中的重金属分散在家庭和社区产
生源头各类组分中,并在社区收集、转运和多级处理
中不断混合和迁移,在垃圾处理的终端环节呈现出
高浓度富集的特征。 填埋场作为生活垃圾的最终处
置地,垃圾堆体中往往具有高于土壤背景值数倍到
数十倍的重金属[35]。 没有防渗措施的简易垃圾填
埋场周边的地下水中能检出高浓度的重金属[36]。
生活垃圾焚烧过程中以铅为代表的重金属在粒径小
于 1 滋m的飞灰颗粒物中高度富集了 50%—80%,是
重点防控的危险废弃物之一[37]。 有机垃圾堆肥和
机械鄄生物处理技术,也因为从混合垃圾中分选出的
堆肥原料中含有超出农用标准允许的重金属限值范
围,而导致技术的推广和应用受限[38鄄40]。 生活垃圾
中含有高浓度重金属的组分本来是有限的若干种,
正是由于生活垃圾收运和处理过程中的重金属物理
破碎、混合、化学反应和生物富集等过程防控措施的
忽视,导致进入填埋、焚烧、堆肥等末端处理环节的
生活垃圾中的重金属已呈现出浓度较高、交叉污染
和难以控制的特征[41鄄42]。 立足于生活垃圾城市代谢
的全过程研究生活垃圾中重金属的迁移、转化和归
趋规律,是全过程防控生活垃圾重金属问题的关键。
2.2摇 城市生活垃圾不同组分中重金属的源解析及
迁移特征
生活垃圾成分复杂,重金属含量较高的组成成
分有废金属、废塑料、废纸、尘土、废玻璃和电子废弃
物。 各类组分中比较典型的重金属类型分别是:废
金属(Cu, Ni)、废塑料(Cr, Pb)、废纸(Pb, Cr)、尘
土(Pb, Zn)、废玻璃(Cd, Cr, Cu, Pb),电子废弃物
(电池、显示屏碎片、小电器等)中的重金属成分就更
为复杂[43鄄44]。 包装生活垃圾的塑料袋甚至都有可能
成为重金属污染的来源[45]。 以上海为案例的城市
生活垃圾重金属源解析研究表明,80%以上的重金
属和砷均来源于伴随有机废弃物的尘土类无机物
质[43]。 按颗粒物的粒径分级来分析重金属在垃圾
中分布规律的结果表明,表明粒径小于 15 mm 的厨
余垃圾尘土中重金属含量显著高于大于 15 mm 的
组分[46]。
2.3摇 重金属在城市生活垃圾填埋和焚烧处理环节
中的迁移及形态转化
生活垃圾填埋场中重金属的储存、迁移和转化
一直是研究的热点之一。 垃圾填埋堆体中的重金属
形态可分为可交换态(吸附在粘土和腐殖酸表面)、
碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结
合态、矿物晶格残渣态,其存在的主要形态是残渣
态[34]。 填埋堆体重金属含量呈现垂直分布的特征,
上层填埋垃圾因为酸化或氧化作用释放出的重金属
能被下层填埋垃圾所固定,而下层具有较高的吸附
容量[35]。 最容易导致重金属渗出的垃圾组分分别
是:尘土(街道清扫和家庭吸尘器收集的尘土)、电
池、纸张和金属[44]。 电子废弃物具有非常复杂和相
对浓度较高的重金属含量,电子废弃物与混合垃圾
填埋共处置研究也是受到不少关注。 生活垃圾焚烧
处理后重金属的迁移特征则根据重金属类别的不同
而有所差异,95%的 Cu、Cr存在于炉渣中,而 80%以
上的 Cd、Hg存在于飞灰中[46]。
2.4摇 城市生活垃圾堆肥施用的的重金属累积风险
及其在土壤鄄植物中的迁移
据调查欧洲、北美和澳大利亚等国家 100 个样
本的堆肥中重金属的平均含量为 318 mg / kg,远超英
国堆肥利用的标准值 200 mg / kg[38]。 市政垃圾堆肥
的重金属含量较高的原因主要是源头未分类的厨余
垃圾在收集、运输和机械分选过程中受到各种交叉
污染[39鄄40]。 长期和高强度施用垃圾堆肥均存在重金
属累积的风险,分别施用市政垃圾堆肥和畜禽粪便
堆肥 5a的长期试验表明,市政垃圾堆肥具有明显的
累积风险,土壤中重金属铅的存在形态排序:残渣态
(50%以上)、铁锰氧化物(20%左右) [47鄄48]。 垃圾堆
肥中的铜、铅、锌会随着堆肥原料的逐步矿化而呈现
出浓度显著变高的趋势,垃圾堆肥的所有重金属中,
铅在长期堆肥过程中的释放量最大。 一系列的植物
生长实验表明,植物中的重金属浓度并没有累积,这
说明堆肥中的重金属形态不是植物容易吸收的
形态[49]。
2.5摇 不同收集和分类方式对生活垃圾中的重金属
的影响及城市迁移过程
目前在城市尺度的生活垃圾重金属迁移主要集
中在源头和末端两个节点的重金属含量分析比较
63 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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上,特别是不同的垃圾分类或分选方式对垃圾中重
金属含量的影响 。 生活垃圾收集过程对有机垃圾
中的重金属含量影响非常大,末端机械分选出的有
机垃圾中的重金属含量通常是源头分类收集的几倍
到几十倍[42鄄43]。 Rotter 等人认为机械分类对于控制
垃圾燃料(RDF, Refuse Derived Fuel)中重金属含量
的作用是有限的,因为不同组分中的重金属已经在
生活垃圾物流中充分扩散了,在垃圾的收集、转化、
运输、储存等过程导致了垃圾重金属的交叉污
染[50]。 采用物质流分析方法研究城市生活垃圾重
金属含量可以掌握其在城市尺度的迁移规律,进而
发现和诊断垃圾重金属控制的关键环节,Zhang 等人
采用物质流分析方法研究了特大城市上海的生活垃
圾重金属从垃圾收集站点到末端处理设施的迁移规
律,以及以危险废物、有害气体和残渣等载体排放的
归趋规律[41]。 Long 等人研究了浙江省 8 个城市的
生活垃圾样本中的 Cu 和 Zn 含量,垃圾中的重金属
数量却均呈现随季节变化的动态差异,夏季的重金
属含量高于冬季[51]。
3摇 生活垃圾的城市生态代谢研究
3.1摇 生活垃圾营养元素代谢
生活垃圾的营养元素代谢目前研究的较少,研
究主要集中在氮元素和磷元素。 Forkes 等人研究了
加拿大多伦多的氮元素城市代谢过程,研究表明
1990年氮元素中有 40.4%被填埋和焚烧,而 2001 年
和 2004年分别下降到 18.4%和 16.1%[52]。 Barles研
究了法国巴黎 1801—1914 年的城市氮元素代谢,发
现其中有 12.6%的氮元素被城市系统直接排放[53]。
Matsubae 系统研究了日本的工业、农业和社会生活
等领域的磷代谢过程,其中生活垃圾、污泥、畜禽粪
便等不同有机废弃物填埋处置占总输入磷元素的
12.26%[54]。 Liu等人研究了我国国家尺度和典型区
域尺度(滇池流域)的磷元素代谢[55]。 Qiao 以北京
和天津为例研究了食物消费中磷的城市物质流,研
究结果表明北京市、天津市的磷代谢过程中,分别有
54.4%和 56.3%的磷以固体废弃物(含污泥和家庭有
机废物)形式进入垃圾处置终端[56]。 目前未见有城
市垃圾钾元素的城市代谢研究。
3.2摇 生活垃圾的能量代谢
生活垃圾的能量代谢研究也受到一定的关注,
采用能量代谢分析方法可以解决垃圾系统的转化效
率评价问题。 Brown 最先将能值分析法 ( Emergy
Analysis, EA)引入城市生活垃圾系统研究。 不同类
型的能量、物质资源、劳力服务以及费用都可以通过
计算其能值转化率转化为太阳能值焦耳( sej)以便
比较分析。 能值分析被用于城市生活垃圾及建筑垃
圾的回收、处理方案比选,通过计算能值回收率可比
较与评价各种不同方案[57鄄59]。 能值分析是一个至上
而下的系统途径,大多数能值转换率都是基于全球
能值平衡核算[60]。 Dewulf 曾将 Exergy(火用)分析
应用于废物工业代谢系统,以定量化的评价资源管
理系统的可持续性[61鄄62]。 Zhou 等人采用火用分析
模型,研究了北京市南城的生活垃圾处理系统各环
节的物质、能量投入产出及火用转化过程,研究表明
垃圾分选与焚烧等综合处理技术的应用可以将能量
转化效率从 2.91%提升至 4.57%和 13.95%[63]。
4摇 总结与展望
基于城市生态系统代谢的思路,碳、重金属、能
量和营养元素的生态代谢研究逐步成为生活垃圾研
究领域的前沿议题,将为生活垃圾在城市生态系统
中的能量流动、物质循环、代谢效率等方面的研究,
也可为生活垃圾管理系统的评价、规划、工程、管理
研究提供科学基础。 综上所述,生活垃圾的城市生
态代谢研究在以下方面还有待进一步的探索:
(1)生活垃圾的碳代谢研究
目前生活垃圾碳循环和碳排放的研究主要集中
在城市生活垃圾处理技术和管理体系的分析比较
上,针对城乡梯度的空间差异和季节变化方面的研
究较少。 生活垃圾在城市生态系统中的代谢过程具
有明显的空间异质性,城市、郊区和农村的垃圾产
量、组成成分和理化特征均呈现出城乡差异和随季
节差异动态变化的特征,掌握生活垃圾碳循环和碳
排放过程随城乡梯度和季节变化的客观规律,对于
推进城市系统地理鄄生态过程的研究意义重大。 生
活垃圾碳储存、碳转移和碳排放等城市碳循环过程
的研究还非常缺乏。 目前的生活垃圾城市碳循环研
究还主要集中在碳排放,特别是以气体形式释放的
甲烷、二氧化碳等温室气体排放方面的研究。 城市
地理鄄生态系统碳排放的研究虽然都意识到垃圾产
生和处理系统作为碳源和碳汇的重要性,但是围绕
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生活垃圾碳循环和碳源、碳汇成因的研究目前还非
常少。 生活垃圾处理和管理的碳排放清单模型缺乏
体现城乡和区域特征的实用参数。 我国开展的生活
垃圾处理和管理系统的碳排放研究,往往采用国内
外学界广泛采用的 IPCC 核算模型和 LCA 分析模型
进行研究,但核算碳排放清单时采用的碳含量、碳转
化和碳循环参数均借用国外的数据库或国际上推荐
的适用参数,关于垃圾碳排放的实测研究不足。
(2)生活垃圾的重金属代谢研究
生活垃圾各组分中的重金属在不同代谢节点的
全过程迁移规律研究比较缺乏。 目前的研究大多关
注城市尺度的重金属物质流分析和迁移规律研究大
多集中在收集和分类方式对垃圾中重金属含量的影
响,针对城市生活垃圾在不同代谢节点间的动态过
程研究有待加强。 季节因素对垃圾重金属含量的影
响可能较大。 一方面是因为城市生活垃圾的组成成
分会随季节发生变化,另一方面不同季节的环境温
度和有机垃圾含量的差异可能导致垃圾运输和储存
环境的 pH值发生变化,进而影响垃圾中重金属的溶
出和形态变化。 针对随季节变化的垃圾成分和环境
温度因素同垃圾不同组分的重金属含量的研究也有
一定意义。 生活垃圾中的重金属从家庭排放后到末
端处置环节中间的迁移规律目前基本处于“黑箱冶状
态。 生活垃圾的不同组分以及垃圾渗滤液中,重金
属含量随垃圾成分、环境温度、pH 值等因子变化的
定量化模型研究比较薄弱,生活垃圾各组分的重金
属在不同代谢节点间的迁移和归趋的定量化模型也
是值得开展的研究之一。
(3)生活垃圾的能量代谢和营养元素代谢研究
目前,生活垃圾的能量代谢和营养元素代谢的
相关研究相对较少。 能量生态代谢分析方法在研究
生活垃圾焚烧、热解等能源转化技术以及全系统能
量转化效率等方面有较广的应用空间。 目前的研究
缺乏适用我国的能源转化参数库,我国的生活垃圾
组成成分、理化特征以及系统管理方法都同欧美发
达国家差异巨大,因此开展我国的垃圾能量代谢的
系统参数研究,为垃圾系统的能量代谢分析提供基
础。 另外,我国生活垃圾中厨余垃圾成分较高,其中
蕴含大量的氮、磷、钾等营养物质,是营养元素在城
市生态系统中滞留的重要组成。 我国生活垃圾以填
埋和焚烧处理为主,导致大量的营养元素储存在垃
圾填埋场和焚烧炉渣库中,我国农田的氮、磷、钾需
求大、施用强度大,磷和钾肥相对缺乏,开展生活垃
圾营养元素的代谢研究,对于推动生物质垃圾资源
化利用具有较强的现实意义。
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栽澡藻 藻糟燥鄄藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造 藻增葬造怎葬贼蚤燥灶 遭葬泽藻凿 燥灶 澡葬遭蚤贼葬贼 择怎葬造蚤贼赠 葬灶凿 藻糟燥造燥早蚤糟葬造 则藻泽责燥灶泽藻 燥枣 蕴葬蚤扎澡燥怎 月葬赠
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愿猿圆 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
全国各地邮局均可订阅袁也可直接与编辑部联系购买遥 欢迎广大科技工作者尧科研单位尧高等院校尧图书
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 员期摇 渊圆园员源年 员月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
地址院北京海淀区双清路 员愿号
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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