全 文 ：第 34 卷第 21 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.21
Nov.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:厦门市科技计划项目(35O2Z20130037); 中国科学院重点部署项目(KZZD鄄EW鄄16); 国家自然科学基金项目(41371540, 41201598)
收稿日期:2013鄄02鄄06; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: tlin@ iue.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201302060250
王进,吝涛.食物源 CNP 的城市代谢特征———以厦门市为例.生态学报,2014,34(21):6366鄄6378.
Wang J, Lin T.Characterizing the urban metabolism of food鄄sourced carbon, nitrogen, and phosphorous: a case study of Xiamen.Acta Ecologica Sinica,
2014,34(21):6366鄄6378.
食物源 CNP的城市代谢特征
———以厦门市为例
王摇 进1,2,吝摇 涛1, 2,*
(1. 中国科学院城市环境与健康重点实验室,中国科学院城市环境研究所, 厦门摇 361021;
2. 厦门市城市代谢重点实验室,厦门摇 361021)
摘要:基于元素流分析原理,将食物源碳氮磷 3 种元素在城市系统中的代谢特征进行耦合分析,追踪以“食物消费冶、“废物处
置冶、“人体代谢冶为主要环节的食物碳氮磷代谢过程,发掘其中共同的代谢环节,明晰 3种元素代谢路径、代谢通量及其影响因
素的差异,并对厦门市 1991—2010 年食物源碳氮磷城市代谢进行案例分析。 结果表明,食物源碳氮磷城市代谢中通量最大的
代谢路径是“食物—食物摄入—人体粪尿—未还田粪尿—污水处理—污泥—污泥填埋—土壤冶;食物源碳氮磷城市代谢主要引
起土壤和水体的环境负荷加重;厨余垃圾中碳氮磷占食物源的比例分别为 13.7%、32.2%、70.3%,在整个代谢过程中具有最大
的减量管理潜力。 提出优化代谢过程、减少碳氮磷环境负荷的若干对策建议,包括增大食物的有效食用比例、资源化利用污泥
和厨余垃圾等。
关键词:食物;碳氮磷;城市代谢;厦门
Characterizing the urban metabolism of food鄄sourced carbon, nitrogen, and
phosphorous: a case study of Xiamen
WANG Jin1,2, LIN Tao1,2,*
1 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China
2 Xiamen Key Laboratory of Urban Metabolism,Xiamen 361021, China
Abstract: Under the background of rapid urbanization process, cities need more and more substance and energy to
maintain. The direction of material flow changes along with the urban development. Urban metabolism studies the material
and energy flows arising from urban socioeconomic activities as well as regional and global biogeochemical processes. Food
consumption takes an assignable part of substantial input and continues to grow with rapid urbanization process. The
unutilized part of CNP (Carbon, Nitrogen and Phosphorous) in food may cause environment problems. The imbalance of
urban metabolism is the root of environment problems. It is urgent to investigate the process of food鄄sourced CNP and to find
out the ways to reduce environmental load.
Substance flow analysis ( SFA) method focuses on the flow of a certain chemical element and considers all related
transformation and transition of this element. Based on SFA method, food鄄sourced CNP metabolism processes in urban
system were characterized systematically in this paper. We focused on three main metabolic processes ( food consumption,
waste disposal and human metabolism) to analyze the similarity and difference among the urban metabolism of food鄄sourced
CNP substance. We found that CNP share many links in metabolic path but have its unique characteristic independently.
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After considering about these, we built up the framework of food鄄sourced CNP metabolism process and make it possible to
study these three elements simultaneously and systematically.
We took Xiamen as a case city to trace the urban metabolism of food鄄sourced CNP from 1991 to 2010. We calculated
the flux of food鄄sourced CNP metabolism in Xiamen, which starts from food consumption and ends in human body or
emission to the environment.
The results showed that: 1) The most increasing environmental load of food鄄sourced CNP are carbon in air ( from
74859 t / a to 149763 t / a), nitrogen in soil ( from 3897 t / a to 9323 t / a) and phosphorous in soil ( from 406 t / a to 1049 t /
a); 2) The path with maximum flux is “ food—food eating—human fecaluria—wastewater treatment—sludge—sludge
landfill—soil冶; 3) The urban metabolism of food鄄sourced CNP mainly resulted in the increasing of loading in soil and water
body; 4) The part of food鄄sourced CNP that stored in human body is extremely low with the proportions of 0.3%, 0.5% and
1.6% in 2010; 5) The proportions of CNP in kitchen waste to that in food source were 13. 7%, 32. 2% and 70郾 3%
respectively, which had great potential of reduction management.
Some advices to reduce CNP environment loading and optimize the metabolism process systematically were provided.
The advices are: 1) increasing the edible rate of food and encouraging consume food in economy way; 2) utilizing sludge
from wastewater treatment to produce bricks; 3) producing fertilizer with urban kitchen waste for rural use.
Key Words: food; CNP; urban metabolism; Xiamen City
摇 摇 随着人类社会经济的发展,以城市人口增加、城
区建设扩张为代表的城市化进程正在世界范围内不
断加速[1]。 中国在城市化过程中,城市空间范围不
断扩张,人口、GDP、城市化率不断提高,物质和能量
的消耗量也随之升高[2鄄3]。 城市生态系统不仅涉及
自然系统,也涉及人工系统,城市经济系统和自然环
境通过物质与能量流动相互联系[4]。 人类社会需要
从自然环境中获取所需资源,同时尽可能增大其代
谢效率[3]。 城市环境问题的本质就是城市系统中代
谢途径或代谢效率出现问题[5]。 城市地区的发展方
向、发展结构和发展速度,应该根据当地社会经济自
然复合生态系统的实际运作机制,作系统性分析与
管理。 城市代谢这一概念首先由 Wolman 于 1965 年
提出[6],其后由其他科学家发展完善[7鄄8],其研究重
点放在城市的输入和输出上,将系统视为黑箱,并没
有对物质能量在城市内的代谢过程进行系统研究。
本文认为今后城市代谢研究应该进入系统内部,明
晰代谢过程中的关键环节、代谢路径、代谢通量,以
挖掘影响代谢过程的重要影响因素,为将来管理调
控作科学支撑。
食物作为城市内物质能量的主要来源之一,对
其相关物质能量代谢过程研究是城市代谢研究的重
要组成。 居民食物消费量伴随城市发展和人口增长
成倍增加[9]。 人们的食物消费量在不断增长的同
时,食物消费模式和营养状况也随之发生改变。 中
国城市化进程导致生活方式和饮食偏好改变,主要
表现在由粮食消费转向动物性食物消费[10],且城乡
差异显著[11鄄12]。 伴随食物消费结构改变,营养元素
流动也在城市中发生改变。 家庭作为基本的社会单
元,其物质能量输入受食物消费改变的影响巨大,是
城市系统研究中最适尺度[13]。 有学者计算美国明
尼阿波利斯市、中国香港的食物消费情况,发现食物
消费是碳氮磷元素进入城市系统的主要环节[14鄄16]。
食物经过利用后,需要通过居民生活垃圾处理
和污水处理或直接排放的途径输出食物碳氮磷输出
城市系统。 有学者计算多伦多、曼谷、中国合肥食物
源元素流动情况,发现仅有少量能够留在城市系统,
大量食物碳氮磷元素输出环境并造成环境负荷,如
表 1所示。 从城市代谢角度分析,食物源污水是城
市系统营养元素的流失。 从城市系统流失到土壤、
水体等环境系统的营养元素可能造成严重的环境
负荷。
碳、氮、磷 3种元素是食物代谢研究中的关键组
成,谷类粮食和禽畜肉中碳氮磷总含量分别为
34郾 8%和 28.2%。 与氢氧元素相比,碳氮磷元素比例
在各类食物和人体中的比例相对稳定。 碳氮磷代谢
过程的研究有利于把握城市物质转移与转化的特点
和规律,对解决一些重要的环境问题具有重要意义。
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碳代谢是应对全球气候变化的基础,氮和磷是城市
水体污染主要限制因子。 以往研究主要以碳氮磷元
素中的一种作为研究对象,忽视了 3 种元素之间的
系统联系,对于同时涉及多种元素的环境问题解释
欠佳,例如碳氮磷比例影响植物尤其是藻类的生长
过程,当环境介质中碳氮磷元素接近某一比例时,特
定植物进入其最适生长阶段大量繁殖并引发赤潮等
系列环境问题[21]。 本文基于对厦门市 1991—2010
年食物源碳氮磷代谢过程的物质流分析,发掘其中
共同的代谢环节,对城市食物碳氮磷代谢的物质流
体系结构进行深层分析,追踪以“食物消费冶、“废物
处置冶、“人体代谢冶为主要过程的食物碳氮磷代谢
途径,提炼食物代谢的主要环节以及影响因素,最后
提出若干优化代谢过程和减少碳氮磷环境负荷的对
策建议。
表 1摇 相关研究结果比较
Table 1摇 Comparison among related research
区域
Study area
年份
Year
元素
Element
进食 / %
Eatable
part
留在人体 / %
Human
body
留在城市 / %
Inside
cities
排出城市 / %
Outside
cities
气体 / %
Air
污水 / %
Water
土壤 / %
Soil
来源
Source
多伦多 Toronto 1990—2004 氮 N 6.90—6.93 44.5—51.2 12.2—23.9 7.63—14.0 [17]
中国城市 1986—2006 磷 P 20 80 [18]
中国厦门 1988—2008 氮 N 22.5—32.1 2.44—40.0 18.4—37.4 6.42—45.3 [19]
中国厦门 1991—2010 磷 P 59.7—85.1 [20]
中国厦门 1991—2010 碳 C 83.0—91.3 0.300—1.00 81.5—88.9 1.36—2.37 9.43—16.2 本研究This Research
氮 N 67.1—68.7 0.48—1.75 5.96—7.14 18.6—26.0 65.1—74.0
磷 P 25.7—34.2 1.63—6.85 0 8.40—10.1 83.1—89.5
1摇 研究区概况
厦门市位于福建省东南部,是我国东南沿海重
要的中心城市、港口及风景旅游城市。 市域行政面
积为 1565 km2。 1981 年厦门的建成区面积仅为 12
km2,2010年已扩张至 230 km2;户籍人口从 1991 年
的 114万激增至 180万。
在经济快速增长的同时,厦门市居民食物消费
量伴随人口增长和人均 GDP 增加而增加,如图 1 所
示,从 1988 年 34.2 万 t 迅速增长至 2003 年的 51.0
万 t,其后呈现波动上升趋势。 图 2 显示厦门市食物
消费碳氮磷总量历史概况,碳氮磷各自的消费量与
消费食物总量的变化趋势基本一致,食物碳消费量
在 2003年后出现下降,可能与膳食结构中粮食比重
下降有关。
2010年厦门市空气质量总体优良,优级率为
42郾 7%,优良率为 97.5%。 首要污染物为可吸入颗粒
物,其次是二氧化氮,酸雨污染严重。 2010年厦门市
饮用水源地水质达标率为 98.4%,饮用水源地水质
仍存在氮、磷的超标现象;厦门海域水质呈现富营养
化,主要超标污染物依然是无机氮与活性磷酸盐。
2010年厦门市生活垃圾产生量为 94.45 万 t,生活垃
圾无害化处理率 96. 93%。 生活污水排放量 1郾 99
亿 t,占全市废水排放总量的 81.71%。
2摇 研究方法
2.1摇 元素流分析原理
元素流分析( Substance Flow Analysis, SFA)是
物质流分析 (Material Flow Analysis, MFA)中的一
种[22]。 物质流分析依据质量守恒定律,定量分析系
统的物质输入与输出及其背后的隐流问题,主要涉
及物质流动的源、路径及汇,是研究系统代谢过程对
自然生态环境造成的直接和间接影响的有力工
具[23]。 由于城市尺度研究中存在城市系统的物质
数据缺乏且难以统计的特点,有关学者引入面向元
素的物质流分析。 元素流分析研究在具体经济系统
的特定化学元素或化合物流量的方法[24]。 元素流
的突出优点是解决具体的环境问题,其开始于具体
的环境污染问题,通过分析元素在系统中的流动过
程,探寻主要污染来源和关键元素流动环节。
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图 1摇 厦门市人口与食物消费历史概况
Fig.1摇 Dynamics of food consumption and population in Xiamen from 1988 to 2010
图 2摇 厦门市食物消费碳氮磷总量历史概况
Fig.2摇 Dynamics of CNP consumption in food in Xiamen from 1988 to 2010
2.2摇 城市居民食物源碳氮磷代谢路径分析
完整的食物源碳氮磷元素代谢包括了城市社会
生态系统内的代谢(食物消费、人体代谢、废弃物处
理)和生物地球化学循环两部分。 本研究主要以食
物消费、人体消化吸收和废弃物处理及再利用等城
市社会经济活动为系统边界,忽略自然生态系统中
复杂的理化作用。 元素流从食物消费开始,经过城
市居民的新陈代谢和城市污水和固废处理系统,最
后排放到环境介质。 系统的输入端,是指城市居民
食物消费。 系统的输出端,包括留在城市系统内部
并参与构成人体的营养物质和排放进入大气、水和
土壤等环境介质的物质。 构成人体营养物质的主要
来源是食物,若人体是食物代谢的唯一元素汇,人体
碳氮磷比例应与食物一致,然而实际两者差异巨大。
其主要原因包括两点:1)部分食物未被居民进食,成
为厨余垃圾;2)人体摄食食物经选择性吸收后形成
粪尿等排泄物排出体外。 因此,明晰人体新陈代谢
及城市污水和废弃物处理过程中的元素流动特点,
是本研究的重点。
(1)食物消费环节
食物根据其是否能被人类食用,可分为可食部
分和不可食部分。 可食部分通过进食行为进入人体
代谢环节,不可食部分食物(包括食物的不可食用部
分和被丢弃的可食部分)成为城市厨余垃圾进入废
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弃物处理环节。 人体摄取的食物进入人体代谢环
节,经过人体消化系统消化吸收,合成人体生长发育
所需的营养物质,代谢产物通过排泄物排出体外,进
入废弃物处理环节。
(2)人体代谢环节
人体代谢环节可细分为人体元素构成、呼吸代
谢和粪尿代谢 3个子环节。 氧、碳、氢、氮、磷、硫这 6
种元素是构成人体生命基础的主要成分,其主要获
取途径为食物。 人体产生的二氧化碳是人体生理代
谢的结果。 人在生命活动过程中,需要不断地消耗
能量,机体所需要的能量主要来源于食物,营养物质
氧化后所产生的二氧化碳通过呼吸作用排出体外。
食物中的营养物质进入消化道后被选择性的消化、
吸收,不能消化、吸收的物质变成粪尿排出体外。
(3)废弃物处理环节
由食物源产生的废弃物主要分为厨余垃圾和居
民粪尿两部分,而两者的处理方式又因城市化水平
的不同而有所差异。 一般而言,垃圾处理方式可分
为分类回收、填埋、堆肥和焚烧 4 种。 食物源所产生
垃圾为厨余垃圾,含大量水分和有机物,分类回收和
焚烧处理的难度巨大,因此其主要处理方式为填埋
和堆肥,在城镇地区以填埋为主,在农村地区以堆肥
为主。 对于粪尿处理,城镇地区粪尿经过管道收集
成为粪尿污水进入污水处理系统。 污水处理系统的
尾水排出到自然水体,而处理过程产生的副产物污
泥又通过填埋和焚烧进行再处理。 农村地区粪尿主
要经过堆肥腐熟成为农家肥料,直接施用于农田。
在填埋和堆肥、粪尿污水处理、粪尿堆肥的过程中,
有机物质在厌氧环境下发酵,产生甲烷、一氧化氮等
气体直接进入空气中。 由于气态化合物磷化氢在潮
湿空气中不稳定,因而空气中磷可以忽略不计。
2.3摇 食物源碳氮磷代谢通量分析
本研究在分析食物源碳氮磷元素代谢路径基础
上,逐一量化各个环节元素流,即碳氮磷元素在各路
径中的通量。 在元素流计算过程中,分为食物消费、
人体代谢和废弃物处理 3 个环节进行计算,根据元
素守恒定律,整个碳氮磷元素代谢通量可用以下公
式表示:
CNP食物 =CNP人体+CNP大气+CNP水体+CNP土壤 (1)
式中,CNP食物是指城市居民食物消费碳氮磷,CNP人体
是指食物经居民消化吸收后储存在体内的部分,
CNP大气、CNP水体、CNP土壤指未被居民摄取和经人体
代谢后产生的碳氮磷途经或未经废弃物处理系统后
直接或间接排入环境介质的部分,包括大气、水体、
土壤 3种介质。
食物消费环节
(1)食物消费环节中的元素守恒公式为:
CNP食物 =CNP食用部分+CNP未食用部分 (2)
其中,CNP食物是指城市居民食物消费碳氮磷,
CNP食用部分是指居民消费食物中经过居民摄食行为
进入居民体内的部分,CNP未食用部分是指居民消费食
物中未被居民摄食的部分,包括食物的不可食用部
分和被丢弃的可食部分。
食物源碳氮磷总量计算公式为:
WC,N,P =移
n
i = 1
w iC,N,P (3)
w iC,N,P = w i 伊 琢C,N,P (4)
式中, WC,N,P 为消费食物的总碳氮磷量, w iC,N,P 为食
物类型 i 的碳氮磷消费总量; w i 为食物类型的消费
量, 琢C,N,P 为食物类型 i的碳氮磷含量。 本研究将日
常食物分为九类,包括粮食、植物油、蛋制品、水产
品、蔬菜、酒及饮料、瓜果、奶制品、禽畜肉。 根据《中
国食物成分表》计算各类食物中的碳氮磷元素含量
及元素比值,结果如表 2所示。
(2)人体代谢环节
人体代谢环节中的元素守恒公式为:
CNP食用部分 =C呼吸+CNP人体+CNP粪尿 (5)
式中,CNP食用部分是指居民消费食物中经过居民摄食
行为进入居民体内的部分,C呼吸是指人体通过呼吸
作用排放的碳元素,CNP人体是指食物经居民消化吸
收后储存在体内的碳氮磷元素,CNP粪尿是指食物经
居民消化吸收后经粪尿排出体外的碳氮磷元素。
本研究假设研究区人群是由完全相同的“标准
人冶形成的集合。 “标准人冶具有固定的体重、元素
组成、新陈代谢效率,人口的增加或减少视作“标准
人冶数量增加或减少的过程。 碳氮磷的累积随“标准
人冶的增加而增加。 人体元素构成因性别、年龄等因
素有所差异。 有研究通过化学检验的方法计算出 70
kg成人体内各种含量(表 2)。 由于人群中有老人小
孩的存在,需根据研究区 2010 年人口普查数据计算
人均体重。
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表 2摇 九类食物与人体中碳氮磷含量比较
Table 2摇 The comparison of CNP content among nine categories of food and human body
项目
Items
粮食
Grains
植物油
Plant oil
蛋制品
Egg
水产品
Aquatic
product
蔬菜
Vegetable
酒饮料
Drinks
瓜果
Fruit
奶制品
Milk
禽畜肉
Meats
人体
Human
body
C含量 / %
Carbon content 32.7 76.7 15.1 14.3 2.7 4.1 5.0 6.3 25.5 23.0
N含量 / %
Nitrogen content 2.0 0.0 2.1 2.2 0.3 0.0 0.2 2.2 2.5 2.6
P 含量 / %
Phosphorous content 0.1 0.0 0.2 0.3 0.0 0.0 0.0 0.4 0.2 0.8
C 颐P
CP Ratio 228.1 8779.2 84.2 56.1 64.5 470.7 237.1 17.5 154.3 27.7
N 颐P
NP Ratio 13.7 0.0 11.5 8.5 7.1 3.4 9.0 6.0 14.8 3.1
P 颐P
PP Ratio 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
摇 摇 在城市生态学研究中一般以人口数乘以人均净
呼出碳量计算城市居民二氧化碳产生量,计算公
式为[25]:
人体呼吸的碳释放量( t / a) = 人口总数(人) 伊0.079
(t / a)
人粪和人尿在性质和成分上有很大的区别。 在
计算时应分别计算人粪与人尿中碳氮磷元素含量。
有关研究通过化学检验的方法对人粪和人尿中的碳
氮磷含量进行了研究,本研究以文献中的数据作为
计算依据[26鄄27]。
(3)废弃物处理环节
废弃物处理环节中的元素守恒公式为:
CNP处理前 =CNP产物+CNP副产物 (6)
该公式概括表示污水处理、垃圾填埋、粪尿还
田、污泥填埋、污泥焚烧等废弃物处理过程中的元素
转移过程。 式中,CNP处理前是指处理前废弃物所含碳
氮磷元素,CNP产物是指处理后主要产物所含碳氮磷
元素,CNP副产物是指处理后气体副产物所含碳氮磷
元素。
由于废弃物处理环节中涉及变量和公式数量较
多,本文以附表形式表示(表 3)。 厦门对厨余垃圾
处理方式主要为卫生填埋。 根据《2006 年 IPCC 国
家气体清单指南》,对垃圾填埋产生的气体需要计算
CH4和 CO2的排放量,其他气体含量极少,可忽略不
计。 污水处理的元素去除率是指厦门市污水处理系
统排入厦门海域的污染物元素含量与进入污水处理
系统前污水中的污染物元素含量的比值,碳氮磷去
除率分别以进水与出水中的 COD、氨氮、总磷含量计
算。 假设污水处理厂当年实行的排放标准全部达标
排放以表示出水污染状况。 整个污水处理厂的运行
过程中,考虑污水处理厂气体的直接排放部分,采用
联合国政府间气候变化专门委员会( IPCC)的质量
平衡方法计算碳氮元素从污泥到 CH4、N2O 气体的
转换率。 考虑到 IPCC 仅提供牛、猪、家禽等牲畜的
粪便排放特征,本研究选取食性与人最相似的单胃
杂食性动物猪的粪便表示人的粪便特征。
2.4摇 数据来源
本研究居民食物消费环节的主要数据来自于
《厦门经济特区年鉴》、《中国食物成分表》;人口数
据来自于《厦门经济特区年鉴》;人体代谢环节数据
来自于人体生理相关文献[26鄄27];废弃物处理环节数
据来自于《厦门市环境统计及城考资料汇编》、《厦
门市水污染物排放标准》、《2006 年 IPCC 国家气体
清单指南》 [28]。
3摇 结果与讨论
3.1摇 食物源碳氮磷城市代谢路径的耦合特征
对城市居民食物源碳氮磷元素流分析表明,食
物是食物源碳氮磷元素城市代谢的源,系统中的碳
氮磷元素通过居民食物消费行为进入系统,然后逐
级分配到下一级的路径,直至进入本研究系统的
汇———人体、大气、水体和土壤,储存在城市生态系
统或移出城市生态系统的食物以外的物质形式。 图
3显示食物源碳氮磷城市代谢的系统路径。 本研究
不考虑城市范围内自然生态系统的生物地球化学循
环过程。
1736摇 21期 摇 摇 摇 王进摇 等:食物源 CNP 的城市代谢特征———以厦门市为例 摇
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表 3摇 废弃物处理环节数据来源及计算公式
Table 3摇 The data source and formula of waste disposal
计算项目
Items
计算公式
Formulas
数据来源
Data source
污水处理过程中 CH4产生量
CH4 production in wastewater treatment
CH4 Emissions = 移
i
(TOWi 伊 EFi) - R 摇 EF = B0 伊 MCF IPCC报告表 6.3
污水处理过程中 N2O产生量
N2O production in wastewater treatment
N2OEmissions = NWaste 伊 EFWaste 伊 44 / 28
污泥填埋过程中 CH4产生量
CH4 production in sludge landfill
CH4 Emissions = W 伊 DOC 伊 DOCf 伊 MCF 伊 F 伊 16 / 12
污泥填埋过程中 CO2产生量
CO2 production in sludge landfill
CO2 Emissions = W 伊 DOC 伊 DOCf 伊 MCF 伊 (1 - F) 伊 44 / 12
污泥填埋过程中 N2O产生量
N2O production in sludge landfill
RN = RNinN2O / RNinSludge 伊 100% IPCC报告表 4.1
垃圾填埋过程中 CH4产生量
CH4 production in waste landfill
ECH4 = MSW 伊 浊 伊 移j (DOC j 伊 W j) 伊 DOCf 伊 16 / 12 伊 50% -[ ]R 伊
(1 - OX)
IPCC报告表 2.4
垃圾填埋过程中 CO2产生量
CO2 production in waste landfill
ECO2 = MSW 伊 浊 伊 移j (DOC j 伊 W j) 伊 r 伊 44 / 12 伊 50% IPCC报告表 2.4
垃圾填埋过程中 N2O产生量
N2O production in waste landfill
CH4Manure = 移
(T)
EF(T) 伊 N(T)
106
《北京市生活垃圾
现状与垃圾堆肥
应用潜力研究》
粪尿还田过程中 CH4产生量
CH4 production in composting
EF(T) = (VS(T) 伊 365) 伊 B0(T) 伊 0.67
kg
m3
伊 移
S,k
MCF(S,k)
100
伊 MS(T,S,k[ ]) IPCC报告表 10.17
粪尿还田过程中 N2O产生量
N2O production in composting
N2OD(mm) = 移
S
移
T
(N(T) 伊 Nex(T) 伊 MS(T,S[ ]) 伊 EF3(S[ ]) 伊 44 / 28 IPCC报告表 10.21
摇 摇 污水处理: CH4Emissions为计算年份污水 CH4排放总量; TOW为计算年份污水中有机物含量; EF为排放因子; i为污水来源; R为计算年份回
收的 CH4量; B0 为最大 CH4产生能力,缺省值可取 0.6 kg CH4 / kg BOD或 0.25 kg CH4 / kg COD; MCF为 CH4修正因子; N2OEmissions为计算年份污
水 N2O排放总量(kg N2O / a); NWaste为排放到水生环境的污水中的氮含量(kg N / a); EFWaste为排放因子(kg N2O鄄N / kg N); 44 / 28为单位从 kg
N2O鄄N到 kg N的转化系数。
污泥填埋: W为污泥质量; DOC为可降解有机碳,取决于产生该污泥的废水来源、处理工艺,IPCC推荐值为干污泥的 40%—50%,按污泥含
水率 80%计算,则湿污泥 DOC含量为 8%—10%,按 10%计算; DOCf 为实际分解的可降解有机碳比例,IPCC 推荐取 50%; MCF 为甲烷修正因
子,对于厌氧填埋场,可以选择为 100%; F为填埋气体中的 CH4体积比例,按 50%计算; 16 / 12为 CH4 / C分子量比率;
垃圾填埋: ECH4为填埋产生的 CH4量; ECO2为填埋产生的 CO2量; MSW为城市生活垃圾总量; 浊为垃圾填埋率(本研究取 100%); DOC j 为
可降解组分 j中可降解有机碳的百分比;W j为可降解组分 j的百分比;16 / 12为从 CH4到 C的转化系数; 44 / 12为从 CO2到 C的转化系数;50%为
填埋气中 CH4和 CO2各自所占的比例; R为 CH4的回收率,厦门市运行中的垃圾填埋场均未回收 CH4,故取 0值; OX为 CH4的氧化比例,除了覆
盖有氧化材料的填埋场,其他管理或未管理的填埋场的 OX缺省值为 0。
粪尿还田: EF(T) 为牲畜类别 T的年 CH4排放因子; VS(T) 为牲畜类别 T的日挥发固体排泄物; 365为计算年 VS产量的基数; B0(T) 为牲畜类
别 T所产粪便的最大甲烷生产能力; 0.67为 m3 CH4换算为 kg CH4的换算系数; MCF(S,k) 为气候区 k 每种粪便管理系统 S 的甲烷转化因子;
MS(T,S,k) 为使用气候区 S粪便管理系统 T管理牲畜类别 T粪便的比例; N2OD(mm) 为源自国内粪便管理的 N2O直接排放; N(T) 为国内牲畜品种 /
类别 T的头数; Nex(T) 为国内种类 /类别 T每头家畜的年均氮排泄量; MS(T,S) 为源自国内粪便管理系统 S所管理的每一牲畜种类 /类别 T总年
氮排泄的比例; EF3(S) 为源自国内家畜粪便管理系统 S中的 N2O 直接排放的排放因子; S 为粪便管理系统; T 为牲畜的品种 /类别; 44 / 28 为
(N2O鄄N)(mm)排放转化为 N2O(mm)排放
摇 摇 居民消费食物首先分为可食部分和不可食部
分。 可食部分通过进食行为进入人体,不可食部分
食物(包括食物的不可食用部分和被丢弃的可食部
分)成为城市厨余垃圾进入垃圾处理系统。 人体摄
取的食物经过人体消化系统消化吸收,合成人体生
长发育所需的营养物质,代谢产物通过排泄物排出
体外,进入污水处理系统。 城镇和农村在厨余垃圾
和生活污水的处理方式上差异较大。 城镇厨余垃圾
进入垃圾处理系统,处理方式主要分为填埋、焚烧、
再利用 3 种;农村厨余垃圾以堆肥还田为主。 城镇
粪尿进入污水处理系统;农村粪尿以堆肥还田为主。
在垃圾填埋、污水处理、污泥填埋、污泥焚烧、粪尿还
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田等过程中,碳氮磷元素主要进入水体和土壤,但由
于处理过程中在厌氧条件下发生了复杂的化学反
应,部分元素形成气体排出处理体系进入大气介质。
图 3摇 食物源碳氮磷元素流框架
Fig.3摇 The metabolic flow of food鄄sourced CNP
摇 摇 碳氮磷元素在城市代谢过程中所经历路径不尽
相同:碳元素在人体代谢过程中以气体产物二氧化
碳形式排出体外,直接进入大气介质,而氮磷元素均
以固体产物为主,以粪尿形式排出体外。 磷元素由
于其气体化合物化学性质不稳定,在系统中可忽略
不计,因此涉及气体排放的各个环节中均不考虑磷
元素,而碳氮元素在微生物厌氧发酵的过程中会以
甲烷、二氧化氮等气体化合物的形式进入大气介质。
3.2摇 厦门市食物源碳氮磷城市代谢通量的动态特征
大气、土壤和水体 3 种环境介质中碳氮磷环境
负荷量如图 4所示。
图 4摇 厦门市食物源碳氮磷城市代谢通量动态特征
Fig.4摇 Dynamic of metabolic flux of food鄄sourced in Xiamen
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摇 摇 碳在大气与土壤的负荷呈现相同的变化趋势:
分别从 1991 年的 74859 t / a 和 14305 t / a 波动上升
至 2010年的 149763 t / a和 26404 t / a,年均增幅分别
为 3.53%和 3.11%。 而水体碳负荷表现出稳定和缓
慢上升的趋势,从 1991 年的 2187 t / a 以 0.55%的速
度增长到 2010年的 2440 t / a。
氮在 3种环境介质中的负荷呈现不同的变化趋
势。 大气氮负荷增长缓慢,从 1991 年的 427 t / a 以
3.59%的速度增长到 2010 年的 865 t / a。 水体氮负
荷 2010年前增长速度较快,从 1991年的 1556 t / a以
2.07%的速度增长到 2010 年的 2345 t / a。 土壤氮负
荷增长迅速,从 1991 年的 3897 t / a 以 4.46%的速度
快速增长到 2010年的 9323 t / a。
磷在 3种环境介质中的负荷也呈现出不同的变
化趋势。 因磷元素并无气体存在形式,不产生大气
磷负荷。 水体磷负荷增长缓慢,从 1991 年的 49 t / a
以 3.83%的年均增长速度快速增长到 2010 年的 104
t / a。 土壤磷负荷呈现直线稳定上升趋势,从 1991 年
的 406 t / a 以 4. 86%的年均增长速度快速增长到
2010年的 1049 t / a。
人均环境负荷量反映人均食物消费输出到大
气、水体、土壤 3种环境介质的碳氮磷总量。 碳氮磷
3种元素均呈现波动上升趋势,其中人均食物碳输出
到环境介质的总量最大,从 1991 年 0.071 t 人-1 a-1
波动上升至 2010 年的 0.072 t 人-1 a-1,年均增幅为
0.07%。 人均食物氮输出缓慢上升的趋势,从 1991
年的 0. 0045 t 人-1 a-1上升至 2010 年的 0. 0051
t 人-1 a-1,年均增幅为 0.63%。 人均食物磷输出缓慢
上升的趋势,从 1991 年的 0.00036 t 人-1 a-1上升至
2010年的 0.00047 t 人-1 a-1,年均增幅为 1.34%。
3.3摇 厦门市食物源碳氮磷城市代谢通量的比例特征
图 5表示 1991、2000和 2010年食物源碳氮磷代
谢过程中主要环节的碳氮磷元素通量。 对各年份代
谢通量分析发现,通量最大的代谢路径为“食物—食
物摄入—人体粪尿—未还田粪尿—污水处理—污
泥—污泥填埋—土壤冶。 随着时间推移,城市化率增
大,人口增多,这一通路呈现增大趋势。 以 1991、
2000和 2010 年 3a 平均值计算,食物源碳氮磷元素
最终流向土壤的比例分别为 13.1%、69.3%、87.3%。
由于碳元素主要通过人体代谢以二氧化碳形式排入
大气,大气碳占食物源碳的比例为 84.5%。
人口增加、食物结构改变和奢侈型消费综合作
用造成的食物源总量增加,食物源碳氮磷消费量分
别从 1991年的 92279、5986、488 t 上升至 2010 年的
179140、12593、1173 t。 随着时间推移,流向水体介
质的氮磷元素比例逐年降低,食物源氮磷流向水体
的比例分别从 1991 年的 26.0%、10.1%下降至 2010
年的 18.6%、8.8%,而食物源氮磷流向土壤的比例分
别从 1991年的 65.1%、83.1%上升至 74.0%、89郾 5%,
出现向土壤介质转移的趋势。 综合上文氮磷元素在
水体和土壤介质的环境负荷量分析发现,尽管污水
进入城镇污水处理系统的比例增加、元素去除率随
技术革新和排放标准提高而提高,水体环境负荷在
总量上并未减少,反而呈现逐年上升趋势;元素流动
路径发生了变化,原本流向水体的元素因为处理技
术改革转移到土壤。
食物消费的最终目的是摄取食物中的营养,从
结果看出,食物源碳氮磷元素流向新增人口体内的
比例下降,食物源碳氮磷转移到人体以外的汇。 新
增人口体内碳氮磷占食物源的比例极低,2010 年分
别为 0.3%、0.5%、1.6%。 食物有效利用率低与人体
是一个开放系统有关,人体必须时刻不停地从外部
环境获取能量以维持自身体温和其它正常生理活
动,这部分物质和能源的消耗不可避免。 由于食物
的不可完全利用特点和居民过度消费食物的现象,
使得原本可利用的部分食物成为厨余垃圾,2010 年
厨余垃圾中碳氮磷占食物源比例分别为 13. 7%、
32郾 2%、70.3%,这部分物质和能源的消耗可以通过
节约消费减少。
4摇 结论
本研究运用元素流分析法,对厦门市 1991—
2010年居民食物源碳氮磷元素物质流特征及其环境
负荷进行了综合分析。 从环境负荷总量上看,大气、
水体、土壤三种介质的环境负荷总量均随城市化率
和人口增长同步增加,增幅最为明显的是:大气碳从
1991 年的 74859 t / a增长至 2010年的 149763 t / a;土
壤氮从 1991年的 3897 t / a增长至 2010年的 9323 t /
a,土壤磷从 1991 年的 406 t / a 增长至 2010 年的
1049 t / a。 表 1将本研究结果与相关研究进行比较,
由于研究区域和部分环节计算方法的不同,计算结
果有所不同,但本研究建立了食物源碳氮磷城市代
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谢统一研究框架,使得不同区域、不同元素之间可作
横向比较。
食物源代谢过程中通量最大的代谢路径为“食
物—食物摄入—人体粪尿—未还田粪尿—污水处
理—污泥—污泥填埋—土壤冶。 研究区的食物源碳
氮磷主要引起土壤和水体的环境负荷,随着城镇化
水平的提高,人口和食物消费量的增加,使得进入环
境的碳氮磷元素总量随之增加,尽管过去十多年里,
研究区污水处理厂规模增大、污水排放标准提高,但
仍无法逆转土壤和水体中碳氮磷增加的趋势。 从比
例上看,进入水体的碳氮磷元素占环境总负荷量的
比例逐年显著递减,而进入土壤介质的显著增加。
食物源碳氮磷流向人体的比例极低,2010 年比例分
别为 0.3%、0.5%、1.6%;同时由于食物的不可完全利
用特点和居民过度消费食物的现象,食物源流向厨
余垃圾的比例过高, 2010 年比例分别为 13. 7%、
32郾 2%、70.3%,这使得食物源碳氮磷元素利用率更
低。 在制定政策减小研究区食物源碳氮磷的环境负
荷时,可以从以下几个方面考虑:(1)增大食物的有
效食用比例,提倡节约型消费,使原本进入厨余垃圾
途径的食物碳氮磷流向人体;(2)资源化利用污泥。
随着污水处理率的提高,污泥的产量也越来越大,目
前采取的处置方式是污泥堆肥。 这种填埋方式的问
题是污泥中的富营养物在无防渗情况下进入土壤介
质。 从经济的发展、资源的开发利用、城市生态环境
的保护等方面来看,污泥处置的较理想出路是污泥
制砖;(3)资源化利用厨余垃圾。 城镇厨余垃圾可通
过堆肥、发酵等方法资源利用,生产肥料和饲料并输
入农村进行二次利用。
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