鄭兆昱,鄧 鵬,2*,黃 靚,陳宇亮,陽(yáng) 棟

基于動(dòng)態(tài)物質(zhì)流的建筑垃圾減量化與資源化分析——以湖南省為例

鄭兆昱1,鄧 鵬1,2*,黃 靚1,陳宇亮3,陽(yáng) 棟4

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410015；4.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

為了促進(jìn)建筑垃圾減量化與資源化,以湖南省為例,建立了結(jié)合經(jīng)濟(jì)與碳減排效益的動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析框架,定量分析了不同建筑壽命(短、中、長(zhǎng))及城市發(fā)展情景下湖南省(1990～2060年)建筑垃圾產(chǎn)生量及其組分的變化規(guī)律,并測(cè)算了不同資源化路線下碳排放量和生產(chǎn)成本,探索建筑垃圾高效資源化利用路線.研究結(jié)果表明:湖南省未來(lái)建筑垃圾產(chǎn)生量還將保持高速增長(zhǎng),2020～2060年建筑垃圾累計(jì)產(chǎn)量將達(dá)到11.6～50億t,年建筑垃圾產(chǎn)量達(dá)到0.45～2億t,其中,可利用的廢磚瓦、廢混凝土塊等占比達(dá)到87%.同時(shí)利用再生骨料代替天然的礫石和砂,能減少19.8%的碳排放.

建筑垃圾；資源化利用；動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析；碳排放；生產(chǎn)成本

在過(guò)去的幾十年時(shí)間里,我國(guó)出現(xiàn)了前所未有的快速城市化,常住人口城市化率從1978年的18.57%迅速上升到了2020年末的63.89%[1].雖然我國(guó)成為了亞洲乃至全球城市化進(jìn)程最快的國(guó)家之一,但根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn),在城市化水平達(dá)到70%之前,城市化水平還會(huì)快速增長(zhǎng),隨之產(chǎn)生的巨量建筑垃圾將給城市環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力[2].研究表明,我國(guó)建筑垃圾年均產(chǎn)生量為15.5億～24億t,約占城市垃圾的30%～40%[3-4],產(chǎn)生的建筑垃圾必須進(jìn)行回收與處置,以提高資源化利用效率并減輕環(huán)境污染.分析建筑垃圾的產(chǎn)量變化規(guī)律和資源化利用潛力是相關(guān)領(lǐng)域非常關(guān)心的問(wèn)題.

我國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)沒(méi)有建筑垃圾的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5].在缺乏直接數(shù)據(jù)的情況下,學(xué)術(shù)界多采用動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析(DMFA)方法分析建筑垃圾未來(lái)的物質(zhì)流動(dòng)與貯存[6].如Müller[7]建立了一個(gè)DMFA模型,并將該模型用于預(yù)測(cè)1900年至2100年荷蘭建筑垃圾的產(chǎn)生.該模型也進(jìn)一步在中國(guó)[8-9]、挪威[10-11]、德國(guó)[12]、智利[13]、美國(guó)[14]等國(guó)家廣泛得到應(yīng)用.從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究來(lái)看,對(duì)于建筑垃圾的研究一般停留在建筑垃圾的源頭減量化上[15],很少考慮到將建筑垃圾制備再生產(chǎn)品后的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益[16-17].王地春等[18]通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)理論(LCA)對(duì)廢舊黏土磚資源化利用的環(huán)境收益進(jìn)行了分析,但只是針對(duì)廢舊黏土磚,研究范圍較小.王波[19]和朱海濱[20]基于LCA對(duì)深圳市塘朗山建筑垃圾產(chǎn)業(yè)園的建筑廢棄物資源化項(xiàng)目的環(huán)境效益進(jìn)行了測(cè)算,但僅是個(gè)案研究,不具有普適性.劉勇超[21]基于LCA對(duì)建筑固體廢棄物再生利用的環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行定量分析,但研究所用部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于假設(shè)或參考國(guó)外相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有一定影響.Zhang等[22]以重慶市為例,通過(guò)物質(zhì)流分析(MFA)和LCA,評(píng)價(jià)了不同建筑垃圾資源化利用路徑的環(huán)境效益,但僅是靜態(tài)分析,沒(méi)有對(duì)整個(gè)建筑垃圾資源化利用進(jìn)行動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)分析.國(guó)外學(xué)者對(duì)建筑垃圾的再利用和資源化的研究也從未停止,Dahlbo等[23]采用MFA和LCA方法評(píng)估了芬蘭一個(gè)通用的建筑垃圾管理系統(tǒng)的環(huán)境、成本績(jī)效,但缺乏關(guān)于建筑垃圾的處理、產(chǎn)出數(shù)量以及處理過(guò)程的成本的相關(guān)數(shù)據(jù). Rodríguez等[24]和Cuenca-Moyano等[25]使用LCA分析了以建筑垃圾為原料制備建筑材料對(duì)環(huán)境的影響,但也只是從環(huán)境效益的角度,沒(méi)有考慮到產(chǎn)品的成本效益.因此,十分有必要建立建筑垃圾的全面分析模型來(lái)填補(bǔ)研究上的空白,從而為政府提供建筑垃圾減量化與資源化的合理、可行性建議.

本研究基于Müller[7]開(kāi)發(fā)的庫(kù)存驅(qū)動(dòng)DMFA模型,建立了考慮經(jīng)濟(jì)與碳減排效益的建筑垃圾動(dòng)態(tài)物質(zhì)流模型.以湖南省為例,對(duì)湖南省過(guò)去30年的建筑垃圾產(chǎn)量進(jìn)行了評(píng)估,并預(yù)測(cè)在不同發(fā)展情景下2060年的建筑垃圾產(chǎn)量及其成分的變化規(guī)律.同時(shí),結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本與碳排放評(píng)價(jià),分析了不同再生產(chǎn)品的碳減排與經(jīng)濟(jì)效益,形成再生產(chǎn)品的綜合評(píng)價(jià)方法,為湖南省下一步相關(guān)政策制定、資源化利用路線選擇等提供指導(dǎo).

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究建立的結(jié)合經(jīng)濟(jì)與碳減排效益的動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析模型,將建筑垃圾減量化與資源化作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)來(lái)考慮,包括了建筑垃圾的產(chǎn)生階段、分選處置階段、資源化利用階段,同時(shí)在資源化利用階段引入經(jīng)濟(jì)和碳排放評(píng)估模型,具體如圖1所示.

圖1 結(jié)合經(jīng)濟(jì)與碳減排效益的動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析模型

1.1 模型范圍定義

本文為建立的分析模型定義了空間、時(shí)間、材料等基本變量.

①空間

本文選取湖南省作為研究的地理空間邊界.截至2021年,湖南省總面積21.18萬(wàn)km2,常住人口為6622萬(wàn)人.僅2019年,湖南全省14個(gè)市州的建筑垃圾產(chǎn)生總量就約有3400萬(wàn)t(不含工程渣土),但資源化利用率只有15%左右[26].

②時(shí)間

本文的重點(diǎn)是對(duì)未來(lái)建筑垃圾減量化與資源化利用的解析,早期較低的數(shù)據(jù)對(duì)建筑垃圾產(chǎn)生量影響較小,同時(shí)考慮到我國(guó)碳達(dá)峰碳中和的時(shí)間節(jié)點(diǎn),所以選取1990～2060年作為研究的時(shí)間邊界.

③材料

本文所考慮建筑垃圾為建筑在施工和拆除活動(dòng)中產(chǎn)生的工程垃圾和拆除垃圾.

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 建筑垃圾產(chǎn)量分析模型 該模型以新建建筑面積和施工面積作為未來(lái)建筑垃圾產(chǎn)量預(yù)測(cè)的主要驅(qū)動(dòng)因素.其中,施工面積用來(lái)直接計(jì)算工程垃圾,式(1);新建建筑面積用來(lái)估算拆除面積,進(jìn)而計(jì)算拆除垃圾量,式(2)～(4);

式中:WS為第年產(chǎn)生的工程垃圾量,t;S為第年的建筑施工面積,m2;g為單位施工面積的工程垃圾產(chǎn)生量基數(shù),t/104m2.

拆除面積的計(jì)算是通過(guò)生存函數(shù)建立的[27-28],通過(guò)對(duì)大量的文獻(xiàn)調(diào)研,本文選取正態(tài)分布函數(shù)來(lái)擬合建筑壽命曲線[7,29-31],從而獲得拆除面積并計(jì)算拆除垃圾量[32].見(jiàn)下式:

式中:()為建筑物的壽命分布函數(shù),代表在第年建成的建筑物在第年被拆除概率;為建筑物的平均壽命,為正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差,取0.3[2,33];D為建筑物在第年的拆除面積,m2;N為第年的新建建筑面積,m2;0為1990年.WD為第年產(chǎn)生的拆除垃圾量,t;mc為單位面積拆除垃圾產(chǎn)生量基數(shù),t/104m2.

1.2.2 建筑垃圾產(chǎn)量分析模型驗(yàn)證 通過(guò)政府及相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利用建筑垃圾產(chǎn)量分析模型,計(jì)算出湖南省建筑垃圾的動(dòng)態(tài)結(jié)果并驗(yàn)證[22,34-36].采用相對(duì)誤差作為模型精確度檢驗(yàn)指標(biāo),根據(jù)目前建筑垃圾管控現(xiàn)狀,檢驗(yàn)指標(biāo)小于0.3,即認(rèn)為該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果有效[15,37].

1.2.3 經(jīng)濟(jì)與碳排放評(píng)估模型 該模型是基于建筑垃圾資源化利用階段構(gòu)建的,通過(guò)計(jì)算原材料生產(chǎn)運(yùn)輸階段、再生產(chǎn)品加工階段的成本與碳排放,來(lái)評(píng)估資源化利用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)與碳減排效益.為了比較不同資源化利用路線的經(jīng)濟(jì)、碳減排效益,本模型的功能單位定義為生產(chǎn)一噸的再生產(chǎn)品.計(jì)算方法見(jiàn)下文:

①碳排放

式(5)中:為再生產(chǎn)品碳排放總量,kg CO2-eq/t;sc為原材料在生產(chǎn)階段碳排放量,kg CO2-eq/t;ys為原材料運(yùn)輸階段碳排放量,kg CO2-eq/t;jg為再生產(chǎn)品加工制造階段碳排放量,kg CO2-eq/t.

式(6)～(7)中:為原材料種類;M為原材料的使用量,t;F為原材料的排放因子,kg CO2-eq/t.D為原材料平均運(yùn)輸距離,km;T為運(yùn)輸工具碳排放因子,kg CO2-eq/(t·km).

公式中的參數(shù)及其數(shù)據(jù)來(lái)源如表1所示.

表1 參數(shù)值及數(shù)據(jù)源

②生產(chǎn)成本

式(8)中:為再生產(chǎn)品生產(chǎn)成本,元/t;yl為所用原料價(jià)格,元/t;ys為原料運(yùn)輸階段費(fèi)用,元/t;jg為再生產(chǎn)品加工制造階段的能源、人工、折舊等費(fèi)用,元/t.

1.3 未來(lái)建筑垃圾演變趨勢(shì)的情景設(shè)置

未來(lái)建筑垃圾產(chǎn)量主要受建筑壽命和城市發(fā)展速度的影響,本研究結(jié)合上述兩大影響因素分別設(shè)置了短、中、長(zhǎng)3種建筑壽命和4種發(fā)展情景,來(lái)分析至2060年湖南省建筑垃圾的產(chǎn)生量.

1.3.1 建筑壽命周期 我國(guó)一般建筑的設(shè)計(jì)使用年限為50年[42],但目前住宅建筑壽命普遍低于設(shè)計(jì)壽命[37].調(diào)查顯示現(xiàn)有城市建筑平均實(shí)際壽命僅為30～40年[43-44].在此基礎(chǔ)上,設(shè)定短、中、長(zhǎng)壽命周期,具體如表2所示.

表2 建筑壽命設(shè)置(年)

注:2020年前的建筑壽命周期取湖南省城市建筑平均壽命(30年).

1.3.2 發(fā)展情景 本研究通過(guò)歷年新建建筑面積和施工面積的變化規(guī)律來(lái)評(píng)估湖南省的城市發(fā)展情況,如圖2.

圖2 新建建筑面積與施工面積

為了說(shuō)明湖南省未來(lái)的發(fā)展情景.本文定義一個(gè)變量,即新建建筑面積的環(huán)比發(fā)展速度,式(9).并計(jì)算了1990～2020年的Z值.

式中:為第年新建建筑面積,m2.

從圖3中的新建建筑面積環(huán)比發(fā)展速度可以看出,在過(guò)去的十幾年間,發(fā)展速度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì).同時(shí),過(guò)去5年(2015～2020年)里,發(fā)展速度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),呈現(xiàn)平緩的下降趨勢(shì),這與湖南省城鎮(zhèn)化率增長(zhǎng)放緩以及全省實(shí)施的城鎮(zhèn)棚戶區(qū)和城鄉(xiāng)危房改造及配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作進(jìn)入掃尾工作密切相關(guān).

在未來(lái)城鎮(zhèn)化率趨于穩(wěn)定的情況下,建筑業(yè)的發(fā)展將不再會(huì)出現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng).因此,本研究使用了不同斜率的對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)模擬值從2020～2060年的4種情景下可能的變化.

圖3 新建建筑面積環(huán)比發(fā)展速度

情景1是環(huán)比發(fā)展速度逐漸下降到1%的情況,保證了開(kāi)發(fā)多年后建筑面積不出現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)[45],情景4是最低發(fā)展速度,假設(shè)新建建筑面積在2025年左右就出現(xiàn)下降.這些情景反映了未來(lái)湖南省內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目總建筑面積將繼續(xù)上升一段時(shí)間,但發(fā)展速度將持續(xù)下降,如圖4.

圖4 新建建筑面積(1990～2060年)

圖5 新建建筑面積與施工面積的擬合關(guān)系

同時(shí),根據(jù)1990～2020年湖南省新建建筑面積與施工面積的擬合關(guān)系,詳情見(jiàn)圖5.得到4種情景下的施工面積變化趨勢(shì),見(jiàn)圖6.

圖6 施工面積(1990～2060)

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中,歷史數(shù)據(jù)主要來(lái)自《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《長(zhǎng)沙市統(tǒng)計(jì)年鑒》及相關(guān)文獻(xiàn)與調(diào)研報(bào)告.式(1)和式(4)中的部分參數(shù)設(shè)置以《湖南省建筑垃圾資源化利用發(fā)展規(guī)劃(2020～2030)》中的規(guī)定[46],采用的單位面積拆除垃圾產(chǎn)生量基數(shù)為8000(t/104m2),單位施工面積的工程垃圾產(chǎn)生量基數(shù)為400(t/ 104m2).再生產(chǎn)品的碳排放系數(shù)計(jì)算方法源于《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366-2019)[38];碳排放及生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)源于中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(CLCD)及湖南省再生產(chǎn)品制造生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研結(jié)果.

2 結(jié)果與討論

2.1 建筑垃圾產(chǎn)量分析模型的精確度檢驗(yàn)

通過(guò)采用建筑垃圾產(chǎn)量分析模型,可得到湖南省建筑垃圾產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果,并將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.

由圖7可知,2010年之前的預(yù)測(cè)值要低于統(tǒng)計(jì)值,這可能是因?yàn)楸狙芯康牟鸪顒?dòng)是從1990年開(kāi)始考慮,導(dǎo)致1990年前的建筑拆除時(shí)產(chǎn)生的建筑垃圾未考慮進(jìn)來(lái).但總體來(lái)看,預(yù)測(cè)值與統(tǒng)計(jì)值之間的平均誤差為0.16,小于檢驗(yàn)指標(biāo),模型具有較高的可靠性,可以利用該模型進(jìn)行后續(xù)的建筑垃圾產(chǎn)量的預(yù)測(cè).

圖7 模型驗(yàn)證分析

2.2 2020年湖南省建筑固廢物質(zhì)流分布

圖8 湖南省建筑固廢物質(zhì)流分布(2020年)

選取2020年為研究年份,研究了建筑固廢(包括工程垃圾、拆除垃圾、裝修垃圾和工程棄土)在產(chǎn)生階段、分選處置階段、加工階段、使用階段的物質(zhì)流動(dòng)情況,見(jiàn)圖8.目前,湖南省尚未引進(jìn)房屋建筑改進(jìn)技術(shù),因此,在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),建筑垃圾的各組分比例不會(huì)有太大的變化.本研究采用2020年數(shù)據(jù)來(lái)初步估算建筑垃圾的.

2.3 湖南省建筑垃圾產(chǎn)量:1990～2060年

通過(guò)表2中設(shè)置的建筑壽命參數(shù)計(jì)算得到建筑垃圾產(chǎn)量數(shù)據(jù).圖9顯示了建筑垃圾在3種壽命、4種發(fā)展情景下的產(chǎn)生量.盡管不同壽命、發(fā)展情景下的建筑垃圾產(chǎn)生量存在顯著差別,但其變化規(guī)律大多呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的單峰型變化.同時(shí),未來(lái)建筑垃圾產(chǎn)生量還將保持高速增長(zhǎng),在不同的建筑壽命周期和發(fā)展情景下,2020～2060年湖南省建筑垃圾累計(jì)產(chǎn)量將達(dá)到11.6～50億t,約為當(dāng)前建筑垃圾累計(jì)產(chǎn)量的3.9～16.7倍,年建筑垃圾產(chǎn)量達(dá)到0.45～2億t,建筑垃圾處理壓力將進(jìn)一步增大.

圖9 不同情景下建筑垃圾產(chǎn)生量

2.3.1 建筑壽命周期 由圖9可見(jiàn),在未來(lái)的十幾年里,湖南省將面臨建筑垃圾數(shù)量的快速增長(zhǎng),尤其是在建筑壽命周期較短的情況下,隨著低質(zhì)量的住宅被拆除,這種趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)到2050年左右.相對(duì)建筑處于短壽命周期的情況,在中壽命周期和長(zhǎng)壽命周期的情況下,建筑垃圾的產(chǎn)量會(huì)減少.以情景1為例,在研究時(shí)間范圍內(nèi),中壽命周期和長(zhǎng)壽命周期下的建筑垃圾產(chǎn)生量在2020年迅速增長(zhǎng)并于2045年前后分別達(dá)峰至1.14億t/年和1.09億t/年,隨后下降至2060年的0.95億t/年和0.65億t/年,而短壽命周期下的建筑垃圾產(chǎn)量在研究范圍內(nèi)未達(dá)峰,其最大值為2.04億t,是中、長(zhǎng)壽命周期下的1.8倍、1.9倍.可見(jiàn)延長(zhǎng)建筑使用壽命可以有效減少建筑垃圾產(chǎn)生量,減少對(duì)資源環(huán)境的沖擊.

2.3.2 發(fā)展情景 建設(shè)發(fā)展速度的變化同樣會(huì)影響建筑垃圾的產(chǎn)量.在研究的時(shí)間范圍內(nèi),情景4下建筑垃圾產(chǎn)量在2056年達(dá)到峰值(1.58億t),情景1下建筑垃圾產(chǎn)量最大值為2.04億t,較情景4增加了30%.同時(shí),在情景1下每年仍有大量新建建筑,建筑垃圾產(chǎn)生量的達(dá)峰時(shí)間將推遲到2060年以后,達(dá)峰值也會(huì)進(jìn)一步增加,將給湖南省帶來(lái)“額外”的資源環(huán)境壓力.

2.4 建筑垃圾組成

在分選處置階段,建筑垃圾中的不同成分被分選出來(lái),進(jìn)行直接回收、資源化利用或填埋.

本文選定發(fā)展情景1的建筑背景,分析湖南省建筑垃圾組分,如圖10所示.建筑垃圾中廢磚瓦、廢混凝土塊都是占比最大的組分,總占比達(dá)87%,也是建筑垃圾資源化利用的主要部分.其次是木材和金屬,分別占比4%～6%和5%～7%,其余的占比1%.從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,建筑垃圾是一種穩(wěn)定的二次資源,其可資源化利用的數(shù)量相當(dāng)可觀,建筑垃圾中的廢磚瓦、廢混凝土塊可生產(chǎn)再生骨料、再生混凝土、再生路基路面材料等新型綠色建材[26,47-48].大部分廢金屬經(jīng)簡(jiǎn)單加工處理即可循環(huán)利用,如建筑鋼筋、鋁合金等[49-50].廢木材可重復(fù)使用或堆肥.

2.5 建筑垃圾資源化利用率情景分析

目前,湖南省建筑垃圾資源化利用率約15%,其中長(zhǎng)沙市最高約為40%[26].資源化雖然較前幾年有了一定的提升,但仍遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家的90%和日韓的95%[51-52],距離河南省60%的資源化綜合利用率也有較大差距.可以說(shuō),相較于巨大的建筑垃圾產(chǎn)生量,建筑垃圾資源化利用的行業(yè)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)還未發(fā)揮,進(jìn)一步提升資源化利用率是工作的重點(diǎn).

本研究設(shè)置到2060年建筑垃圾資源化利用率達(dá)到歐美國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn),即90%為高資源化利用率情景,到2060年建筑垃圾資源化利用率為河南省當(dāng)前資源化利用率作為中資源化利用情景,到2060年建筑垃圾資源化利用率為40%(當(dāng)前長(zhǎng)沙市資源化利用率)為低資源化利用情景.本節(jié)選定建筑壽命為30年、發(fā)展情景1的建筑背景,則未來(lái)建筑垃圾每年資源化利用量和填埋量如圖11和圖12.

圖11 不同資源化利用情景下建筑垃圾的利用量預(yù)測(cè)

圖12 不同資源化利用情景下建筑垃圾填埋量預(yù)測(cè)

在高、中、低資源化利用情景下,2060年建筑垃圾資源化利用量分別為1.84、1.23、0.82億t,未來(lái)40年累計(jì)資源化利用量26.17、19.47、1.46億t,高、中資源化利用率下的累計(jì)資源化利用量比低資源化利用情景高出了124%和50%.

未資源化利用的建筑垃圾大多采用了填埋的處理方式,在高、中、低資源化利用情景下,建筑垃圾的峰值填埋量分別為0.83、1.03、1.26億t,達(dá)到峰值的時(shí)間分別為2045、2049、2055年.因此,提高建筑垃圾資源化利用率可以顯著提升資源效率,降低建筑垃圾的峰值填埋量,同時(shí)縮短到達(dá)峰值填埋量的時(shí)間,減輕建筑垃圾占地和污染造成的環(huán)境壓力.

2.6 再生產(chǎn)品成本與碳減排分析

建筑垃圾資源化利用過(guò)程中帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、碳減排效益是驅(qū)動(dòng)現(xiàn)階段資源化利用行為的重要因素.通過(guò)經(jīng)濟(jì)成本與碳排放評(píng)估模型,得到再生骨料、全再生混凝土(C30)、全再生水穩(wěn)層的成本及碳排放,如下表3所示.

表3 再生產(chǎn)品成本效益及碳排放

注:akg CO2-eq/t;b元/t; "--"表示成本包含在上一階段,此處不作統(tǒng)計(jì).

由表3可見(jiàn),再生骨料在生產(chǎn)全過(guò)程中包括原材料、運(yùn)輸、生產(chǎn)三個(gè)階段:①根據(jù)LCA評(píng)估準(zhǔn)則,再生骨料生產(chǎn)所用的原材料(建筑垃圾)為低價(jià)值廢棄物,評(píng)估時(shí)應(yīng)忽略上游產(chǎn)生過(guò)程.因此,原材料階段的碳排放和成本均記為0;②根據(jù)調(diào)研結(jié)果,建筑垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)是由產(chǎn)生單位承擔(dān)的,因此,運(yùn)輸階段的成本不計(jì)入生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本中;③建筑垃圾的組分復(fù)雜,篩分、水選、破碎等設(shè)備耗能大且價(jià)格昂貴,設(shè)備折舊費(fèi)用不低,因此碳排放和成本主要集中在生產(chǎn)階段.對(duì)于全再生混凝土和全再生水穩(wěn)層,碳排放和成本則集中在原材料階段,結(jié)合表1中的參數(shù)值可看出,其中很大一部分是由水泥貢獻(xiàn)的.

為了更直觀反映再生產(chǎn)品的碳減排能力,本研究將其與天然產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比,如表4.可以看出,再生產(chǎn)品均具有顯著的碳減排效益,僅用再生骨料代替天然的礫石、砂就能減少19.8%的碳排放.因此,大力推行建筑垃圾資源化利用有望成為促進(jìn)建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的有力推手.

表4 再生產(chǎn)品碳減排能力

3 結(jié)論

3.1 在未來(lái)幾十年時(shí)間里,湖南省將面臨著巨大的建筑垃圾處置壓力.在短壽命周期下建筑垃圾的峰值產(chǎn)量是中、長(zhǎng)壽命周期下的1.8倍、1.9倍,且最高發(fā)展速度下的峰值產(chǎn)量較最低發(fā)展速度增加了30%,這就說(shuō)明建筑延壽和尋求可持續(xù)城市建設(shè)發(fā)展將是大幅減少建筑垃圾產(chǎn)生的重要手段.

3.2 除了實(shí)行建筑垃圾減量化,資源化利用也是一種解決建筑垃圾問(wèn)題的重要方式.建筑垃圾中的廢棄混凝土塊和廢磚瓦(87%)、廢木材(4%～6%)、廢金屬(5%～7%)均可用于資源化二次利用,是一種數(shù)量可觀的穩(wěn)定資源.如果建筑垃圾的資源化利用率能夠達(dá)到90%,則到2060年建筑垃圾利用量達(dá)到1.84億t,未來(lái)40年累計(jì)利用量為26.17億t,比低利用情景高出了124%,這將大大減少潛在的負(fù)面環(huán)境影響.

3.3 不同資源化利用路線下的再生產(chǎn)品均具有較好的經(jīng)濟(jì)和碳減排效益.使用再生骨料代替天然礫石、砂可減少19.8%的碳排放;全再生水穩(wěn)層在生產(chǎn)制造階段的碳排放可減少22.5%,而全再生混凝土(C30)更是可以節(jié)約47.9%的碳排放.目前國(guó)內(nèi)再生產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與施工技術(shù)規(guī)范相對(duì)不太完善,因此,應(yīng)當(dāng)盡快形成完整的再生產(chǎn)品的材料、施工、驗(yàn)收、維護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系,同時(shí),發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用,打造“產(chǎn)、學(xué)、研”深度融合的創(chuàng)新平臺(tái),共同加大技術(shù)研發(fā)力度并積極推廣再生產(chǎn)品的使用.

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Reduction and resource recycle analysis on construction and demolition waste based on dynamic material flow—Take Hunan Province as an example.

ZHENG Zhao-yu1, DENG Peng1,2*HUANG Liang1, CHEN Yu-liang3, YANG Dong4

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Ministry of Education, Changsha 410082, China；3.Hunan Communication Research Institute Co., Ltd, Changsha 410015, China；4.China Construction Fifth Engineering Division Co., Ltd, Changsha 410004, China)., 2023,43(2)：702～711

To promote the reduction and recycling of construction and demolition waste (C&D Waste), taking Hunan Province as an example, a dynamic material flow analysis framework combining economic benefits and carbon emission was established. The law of C&D Waste generation and its components, concerning different building life cycles (short, medium, long) and development scenarios from 1990 to 2060, was quantitatively analyzed. Moreover, carbon emissions and production costs under different recycling routes were measured to explore an efficient recycling route. The results indicate that the production of C&D Waste in Hunan Province will continue to grow rapidly in the future. From 2020 to 2060, the cumulative production of C&D Waste will reach 1.16～5billion tons, and the annual production of C&D Waste will reach 0.45～2 billion tons, among which the recycled components such as waste bricks and waste concrete blocks can account for 87%. Meanwhile, replacing natural gravel and sand with recycled aggregates can reduce carbon emissions by 19.8%.

construction and demolition waste；resource utilization；dynamic material flow analysis；carbon emission;production costs

X705

A

1000-6923(2023)02-0702-11

鄭兆昱(1999-),男,福建莆田人,湖南大學(xué)碩士研究生,主要從事固廢資源化利用相關(guān)研究.

2022-07-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC1904701);長(zhǎng)沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計(jì)劃(kq2107010)

* 責(zé)任作者, 副教授, dengpeng@hnu.edu.cn