基于生命周期視角的產業資源生態管理效益分析
——以虛擬共生網絡系統為例

施曉清，李笑諾，楊建新

(中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

如何管理資源流使其在產業生態系統得到高效利用并與自然生態系統物質流相協調是當今產業生態領域面臨的挑戰之一。產業資源流生態管理研究的核心是通過研究資源在產業生態系統的流動路徑及其在支撐各功能運行過程中生態環境及經濟效應，利用生態學、經濟學等原理和方法對現有資源流路徑進行重構和優化，使系統獲得良好的生態效率，從而保障資源的可持續利用［1］。

資源流管理的研究始于20世紀六七十年代，主要從物質流在系統中的輸入和輸出及元素在系統中的遷移轉化規律及生態環境影響兩個視角展開研究［2-60］。目前在國家、城市、區域、產業、家庭尺度，針對物質、元素，廢棄物，產品等展開了廣泛的研究。如結合生命周期評價［2-7］、投入產出分析［8-13］、物質流評價指標體系［14-17］、共生網絡構建［18-23］等方法從國家經濟系統［24-28，42-45］、區域經濟系統［29-34］、產業部門［35-41］等不同角度開展了多方面的研究。其中，基于產業共生網絡展開資源流生態管理的研究是當前相關研究的前沿熱點問題，目前在評估產業共生系統廢物資源化(利用整體系統全球排放模型計算城市污泥與廢油回收能量的減排潛力，利用生態效率指標計算尾礦再利用的單位產品輸入、輸出效率)［46-47］、基礎設施共享(利用基礎設施管理優化模型模擬熱電聯產供熱服務)［48］的環境效益方面;在用生命周期評價方法比較造紙產業末端廢紙處置方式(焚燒發電產熱、回收再利用、填埋、堆肥等)的環境效益［49-52］、識別不同紙產品(新聞紙、涂布白板紙、瓦楞紙箱)等環境影響、最大的工藝過程及產品生命周期階段［53-57］的環境影響、比較不同工藝、原材料和產品的環境影響［58-60］等方面已取得了一定的進展。可見，當前相關研究主要集中在廢棄物、不同工藝、產品及不同生命周期階段的影響分析上，基于共生網絡的生態管理效益分析研究還不多見。本研究在產業資源流共生管理框架研究的基礎上，運用生命周期分析工具以武漢市造紙系統為例展開產業共生管理效益分析的模擬研究。針對造紙產業主要的資源代謝問題，通過構建虛擬造紙產業共生網絡，運用LCA方法對比分析了虛擬網絡共生設計系統與原有共生系統的環境影響及共生設計系統的經濟效益，為產業系統資源生態管理提供了科學依據和方法支撐。

1 研究方法

1.1 產業資源共生管理框架

傳統產業生態系統資源流路徑為自然資源-原料開采部門-原料供應部門-生產部門-貨物運輸部門-消費群體-自然環境，資源流呈線性的特征導致了嚴重的生態環境問題。基于共生網絡的資源管理通過產業共生鏈設計和廢物回收處理使得廢棄物得到再利用，資源流由線性變成環形構成網絡，從而減輕對自然資源和自然環境的脅迫。針對產業資源流生命周期的特征，本研究提出基于生命周期視角的產業資源流共生管理框架:由管理目標、管理方法、共生系統、系統評估、數據支持五部分構成(圖1)，其中管理目標指依據資源減量化、物質再循環及廢物再利用三原則構建資源共生機制，提高資源利用效率并使廢棄物資源化而得到再利用，為實現社會、經濟、環境的協調發展和效益共贏提供支持;管理方法為資源流的全生命周期管理，包括產業鏈前端的原料綠色開采、制造部門的綠色生產、企業間物質能源循環利用的綠色設計、銷售過程的綠色物流及產業鏈末端的綠色回收等;共生系統是由原料開采部門、生產部門、物流管理部門、消費群體、廢物回收處理部門及各部門間的物質、能源利用關系構成的共生體;系統評估指根據管理目標，利用全生命周期評價體系評估共生系統的生態環境影響;數據庫(實地調研數據、文獻數據、統計數據等)為系統評估提供數據支持。由于產業生態系統的發展是一個動態發展的過程，管理者通過反饋系統將依據評估結果不斷調整管理目標方案，使產業系統資源得到持續利用。

圖1 產業資源流共生管理框架Fig．1 The symbiosis management framework of industrial resources flow

1.2 基于LCA的分析方法

生命周期評價是產業生態學中分析產品全生命周期生態環境影響的基本方法，即從產品最初的原材料采掘到產品報廢最終廢棄物處理進行全過程的跟蹤，定量定性相結合分析全過程生態環境影響的一種評價方法。主要分析步驟包括定義目標與確定范圍、清單分析、影響評價和結果解釋等;評價指標體系包括資源利用指標、能源利用指標、環境負荷指標、人體健康指標及經濟成本指標等5個方面，每一指標又由復雜的多元參量組成，但目前尚無統一的指標體系;已開發CML方法、生態指數模型(EI)、工業產品環境設計方法(EDIP)等多種評價方法。從1990年國際環境毒理學與化學學會(SETAC)在有關生命周期評價的國際研討會上首次提出LCA的概念，1993年SETAC制訂LCA的技術框架，到2006年ISO14040/44標準的完善使之成為國際標準化分析框架，LCA方法逐漸走向成熟，并廣泛應用于能源、農業、森林和造紙、食品、化工、建材、電子、廢棄物處理等產業。

本研究以GaBi 4教育版為評價工具，采用EI99方法進行系統建模和生命周期影響評價。如表1所示，EI99方法包括3方面的環境損害類型和11個環境影響類型。其中，生態系統質量通過每年每平方公里內物種的相對減少(PDF)進行衡量;人體健康采用健康指數殘疾調整生命年(DALYs)評估有毒物質暴露導致的健康損害;資源損耗通過附加能量［61］表示由于人為消耗使資源數量和質量降低，進而導致將來開采時需要額外付出的能量。計算包括確定環境影響種類、分類、特征化、標準化、分組、賦予權重等六個步驟，末端的單一指標表征清單物質對研究系統的最終環境影響。

2 研究對象

2.1 研究對象概況

造紙業作為國民經濟發展的重要基礎原材料工業在各國產業中占據重要地位。而其在生產過程中因資源消耗以及排放廢水、廢氣、廢渣等造成的生態環境問題也備受關注。武漢市是華中地區最大的都市，中國工業基地和綜合交通樞紐。造紙業是武漢市9大重點行業之一，同時又是水體污染物排放的主要來源。2007年造紙業主要水體污染物指標COD、BOD的排放量分別占武漢市9大重點行業排放總量的28.8%和55.9%。通過武漢市造紙業生態系統資源代謝問題辨識［62］，得出武漢市造紙業在原材料和能源利用及水資源循環方面都急待提高。為此本文構建了武漢市造紙產業虛擬共生系統，并運用全生命周期評價方法比較分析了共生設計系統與原有共生系統的生態環境效應。

2.2 系統邊界

由于造紙產業系統產品種類繁多，對系統上下游產業以及消費環節都做了歸類處理，統計單位均為噸(t)，功能單位為1 t紙產品(主要包括原紙、紙板、紙箱、包裝紙等)。研究的系統由造紙工業(制漿、造紙、紙制品制造)、造紙下游產業、消費環節、廢紙回收與處理部門、污染治理部門(圖2)。其中造紙工業包括1個制漿部門、40個造紙部門、61個紙制品制造部門;造紙下游產業包括印刷業、出版業等以紙產品為中間產品的造紙相關產業;由于數據支持的限制，紙品消費環節忽略貯存、分配、運輸、銷售環節;廢紙回收與處理部門指回收廢紙并以廢紙為原料經過碎解、脫墨、篩選、除沙等工藝再處理得到紙漿、再生紙等產品的部門;污染治理部門主要是造紙污水處理部門。研究系統不包括運輸過程。在造紙產業生態系統中，各單元間通過資源、能源的相互關聯形成共生關系。本研究以2007年為時間段，對投入造紙系統的原材料、添加劑、能源等盡量追溯至生命周期源頭，跟蹤產品、污染物至末端消費、處理、再利用全過程，分析比較武漢市虛擬造紙共生設計系統與原有共生系統基于生命周期分析的生態環境影響。

圖2 武漢市虛擬造紙產業生態系統邊界(虛線內)Fig．2 The boundary of virtual pulp and paper industrial ecosystem in Wuhan(within the dotted line)

2.3 資源流共生網絡結構框架

根據2007年對武漢市102家造紙企業的調研數據以及實際造紙系統各部門組成，按照理想的物流關系，虛擬構筑造紙原有系統各部門間物質交換關系，其資源流路徑結構如圖3所示，系統中資源流包括輸入各部門的主要原材料、能源、水、添加劑(僅統計了紙制品制造部門)和造紙行業的代表性污染物。由于約96%的造紙廢水未經處理就直接排入自然水體［62］，因此無污水處理部門;廢紙回收部門多以人工散收為主，回收機制的不完善導致數據較難獲得，因此未設置廢紙回收部門，假設造紙虛擬系統中的廢紙全部排入環境。

共生網絡結構的不完善或不協調可能造成各部門因條塊分割而低效，不僅浪費大量的資源而且會造成嚴重的生態環境破壞。結合武漢市造紙業生態系統共生網絡投入產出表［62］，針對武漢市廢水及廢紙循環利用率低、造紙污泥產生量及環境危害大等問題，設置產業鏈末端污水的處理再利用、廢紙的回收回用、污泥的資源化利用等共生路徑，通過對武漢市造紙產業鏈的延伸和部門間資源交換的優化實現多個生產體系或環節之間的系統耦合［63］，建立一個物質和能量多級利用、良性循環且轉化效率高、經濟效益與生態效益雙贏的造紙產業生態系統虛擬共生網絡結構(圖4)。

2.4 數據來源與假設

對圖3、圖4中的數據假設及建模過程中的數據來源作如下說明，未特殊說明的路徑和數據都是調研值:

(1)由于很難獲得真實的企業間的資源交換數據，因此設計路徑①、②的資源交換量時，做如下假設:造紙部門的木漿、紙制品制造部門的原紙與紙板消耗分別全部由本地制漿部門、造紙部門提供，3個生產部門的其它產品全部供給本地紙產品制造部門(出版業、印刷業等)和最終消費環節。

圖3 武漢市造紙虛擬原有共生系統資源流圖Fig．3 The resources flow of virtual original symbiosis system for pulp and paper industry in Wuhan

(2)污水處理部門是共生網絡優化的關鍵部門之一，制漿、造紙、紙制品制造、廢紙回收與處理部門產生的廢水經污水處理部門處理后經路徑③、④、⑦、⑨實現水資源的良性循環，其中污水處理部門的中水產生量按質量守衡計算，根據調研數據得到三大生產部門處理4%廢水產生的污泥量如圖4所示，以此類推得到污水處理部門處理100%污水產生的污泥量，文章只分析了污泥資源化產生的經濟效益，沒有評價其環境影響，路徑⑤、⑨按行業清潔生產的最低標準為≥60%［64］計算，污水處理部門的其它清單數據參考文獻［65］。

(3)廢紙回收與處理部門是共生網絡優化的另一個關鍵部門。假設最終消費的紙產品部分進入廢紙回收與處理部門，經過處理的廢紙以紙漿、再生紙的形式通過路徑③、④作為造紙原材料重新投入造紙產業，實現資源的高效利用，水耗、綜合能耗、廢水、COD、BOD、SS數據參照《清潔生產標準——造紙工業(廢紙制漿)》［64］中的一級標準，其它清單數據參考文獻［53］。

(4)路徑⑧參考文獻［66］設為農業、工業再利用兩條途徑，其中農業利用以堆肥為主，工業利用以生產建材為主。

(5)利用GaBi4軟件建模和評價過程中，系統中各單元過程輸入輸出流的清單數據來源于軟件中的ELCD、PE、Plastics Europe數據庫。其中紙制品制造部門的油墨、扁絲、糊精、皮漿和硼砂由于消耗量很少且數據庫中缺乏數據支持，建模過程中忽略;膠粘劑為Simapro軟件中的物質清單導入;助劑無具體說明物質種類，用絮凝劑近似替代;廢紙回收與處理部門的化學藥品因無具體說明，建模過程中忽略。此外，考慮到電力生產在生命周期中的重要性及中國發電能源結構的地域性特點，參考文獻［54］修改軟件數據庫中電能生命周期清單為2007年華中電網的相關參數。

圖4 武漢市造紙產業虛擬共生設計系統網絡圖Fig．4 The resources flow network of virtual symbiosis design system of pulp and paper industrial in Wuhan

3 結果與分析

3.1 生態環境影響分析

3.1.1 各類環境影響結果解釋與比較

運用EI99 HA方法經過標準化和加權之后得到單一的環境影響分值，單位為Pt，表征共生設計前后網絡各環境影響類型對生態系統環境影響的大小(表1，圖5)。總體看來，虛擬共生設計系統環境效益明顯，總的環境影響、生態系統質量、人體健康、資源損耗的分值分別為1166.445、814.509、148.893、203.045，比原有系統分別減少23.91%、19.15%、46.56%、22.26%。其影響因素分析如下:

對生態系統質量的影響最大的因素是土地使用，原因是為了提供紙制品制造部門使用的膠粘劑而引起的土地使用的改變(橡膠地占用了土地資源)。酸化/富營養化的減排潛力最大為49.91%，造紙部門通過優化造紙原料結構對酸化/富營養化的改善效益達91.11%;其次為生態毒性(23.37%)、土地使用(18.80%)、土地功能變化(-0.86%)，其中污水處理部門原料消耗中的磷酸制備過程需消耗膠粘劑，導致共生設計后土地功能變化值略有增加。制漿、造紙與紙制品制造3個部門對生態系統質量的減排貢獻率分別為0.12%、93.17%、10.04%，造紙部門的減排效應最顯著是由于再生紙替代、中水回用等措施對土地使用、酸化/富營養化、生態毒性的影響都很大，分別為93.15%、91.11%、85.86%;污水處理和廢紙回收兩個部門對生態系統質量的影響不足1%，同時消納了制漿、造紙和紙制品制造部門的廢紙和污染物，又將再生產品(中水、再生紙等)以水資源和原材料的形式提供給這3個部門，其帶來的正環境效應遠大于負面環境影響。

表1 生命周期影響評價分值(Pt)Table 1 The score of life cycle impact assessment

對人體健康的影響最大的因素是無機物致呼吸損傷，其次是氣候變化，二者的貢獻率高達99%，前者是由于造紙部門制造原紙產生了大量的煙塵、NOx、SO2，后者是由于紙制品制造部門消耗的電能、蒸汽、丙烯腈等能源和原料的生產過程均產生大量二氧化碳。臭氧層損耗的減排潛力最大為80%，其次為放射性(75.83%)、無機物致呼吸損傷(46.56%)、氣候變化(16.62%)、有機物致呼吸損傷(16%)。制漿、造紙與紙制品制造3個部門對人體健康的減排貢獻率分別為2.59%、91.26%、9.67%，造紙部門的減排效應最顯著是由于再生紙替代、中水回用等措施對氣候變化、臭氧層損耗等影響都高達70%以上;共生網絡中制漿部門的氣候變化值為-0.833，反映了減少蘆葦、麥草等原料消耗對氣候變化有正的環境效益;污水處理和廢紙回收兩個部門對人體健康的影響不足3%。

對資源損耗影響最大的因素是化石燃料消耗，是由紙制品制造部門的助劑消耗丙烯腈等石油化工產品和造紙部門的原紙消耗原煤、石油等燃料引起。共生網絡中礦產資源耗竭增加了0.267，是由于污水處理、廢紙回收過程都消耗大量的能源、化學藥品，其生產需開采礬土等礦石。制漿、造紙與紙制品制造3個部門對資源損耗的減排貢獻率分別為6.84%、87.71%、9.01%，造紙部門的減排效應最顯著是由于再生紙替代對化石燃料消耗的影響高達87.69%;污水處理和廢紙回收兩個部門對資源損耗的影響約為1.02%。

考慮到電力生產在生命周期中的重要性及中國發電能源結構的地域性特點，修正數據庫中電能生命周期清單，但從分析結

圖5 共生設計系統與原有共生系統各環境影響比較Fig．5 Environmental impact comparison between designed symbiosis system and original symbiosis system

果看，與其它清單物質相比，各個單元過程中電力對環境影響的貢獻率較小。另外，由于華中地區火力發電的能源結構中燃煤發電所占的比重較燃油、燃氣大，電力的環境影響以氣候變化、化石燃料和無機物呼吸道損害為主。

3.1.2 水體富營養化分析

若造紙廢水未經處理直接排入水域，廢水中含有的COD、BOD、氨氮等污染物將造成嚴重的水體富營養化。利用CML2001 EP方法分析比較虛擬共生設計造紙系統與原有共生系統的富營養化潛值，結果用磷酸鹽當量(kg)表示(表2，圖6)。

表2 生命周期富營養化影響潛值分析(kg/t)Table 2 The analysis of life cycle eutrophication potential

縱向按部門結果顯示，共生設計系統構建對于改善水體富營養化效果顯著，富營養化值由8.112 kg/t紙制品降為3.549 kg/t，制漿、造紙與紙制品制造3個部門的減排貢獻率分別為6.86%、87.22%、5.92%。造紙部門的減排效應最顯著是由于用再生紙漿、再生紙代替原紙減少了NOx的排放，但NOx仍然為主要的富營養化物質，對共生設計系統富營養化的影響為66.38%。污水處理部門和廢紙回收部門的減排效應分別體現在BOD、COD和氮磷(所有含N、P的排放物)含量的減少，這兩個共生部門對水體富營養化影響較小(僅為4.03%)。

橫向按富營養化物質類別顯示，共生設計系統與原有系統比較，對富營養化影響減排最大的依次為BOD(95.51%)、COD(84.04%)、含氮有機物(82.35%)、硝酸鹽(80%)、氧化亞氮(65h72%)、氨(65.07%)、磷酸鹽(64.81%)等。其中 BOD、COD的減少說明污水處理部門對改善水體富營養化效果顯著;氮、磷含量的減少是由于造紙部門利用廢紙回收部門提供的再生紙漿、再生紙減少了原漿和原紙的消耗。

3.2 經濟效益分析

通過對武漢市虛擬造紙產業生態系統的環境影響評價，可以看出共生網絡是一種非常有效的資源管理方式，對減小造紙產業對生態系統的生態環境影響效果明顯，以下通過市場價值法對其經濟效益進行分析(表3)。經濟效益為總收益與總成本之差。這里需要說明的是，由于缺乏數據支持以下分析不考慮市場的影響。

圖6 共生設計系統與原有共生系統各部門環境影響富營養化影響潛值比較Fig．6 The eutrophication potential effect comparison between designed symbiosis system and original symbiosis system

表3 共生網絡經濟效益分析Table 3 The benefit analysis of symbiosis network

根據以上分析，通過設置污水處理、廢紙回收和污泥處置3個部門以及改善系統內部各部門間的物質、資源交換構建的武漢市虛擬造紙產業生態系統共生設計網絡在理論上能取得一定的經濟效益。

4 討論與結論

依據全生命周期的思想提出了基于共生網絡的產業資源生態管理框架，通過分析資源流路徑構建了武漢市虛擬造紙產業共生網絡，對比了虛擬造紙產業共生設計系統與原有共生系統的生態環境影響并分析了共生設計系統的經濟效益，得到如下結論:

(1)共生設計網絡系統在總的環境影響、生態系統質量、人體健康、資源損耗方面的影響比原有系統都有明顯減少，其中造紙部門通過使用再生原材料對影響改善的作用最突出。

(2)共生設計網絡系統在酸化與富營養化、生態毒性、土地使用、致癌性、氣候變化、臭氧層損耗、放射性、無機物致呼吸損傷、有機物致呼吸損傷、化石燃料消耗方面的影響比原有系統都有不同程度的減少，其中對生態系統質量改善效果顯著的是酸化/富營養化，對人體健康影響改善明顯的是臭氧層損耗、放射性，對資源損耗影響改善顯著的是化石燃料消耗;但土地功能變化值比原有系統增加0.86%，礦產資源耗竭值由0.027增至0.294，初步分析為廢水處理與廢紙回收再利用部門使用的化學試劑的生產導致。

(3)共生設計網絡系統在富營養化影響上比原有系統有明顯減少。其中造紙部門的改善貢獻率最大;NOx是主要的富營養化物質，大氣中對共生網絡富營養化改善貢獻最大的依次為NOx、氨、氧化亞氮;水體中對共生網絡富營養化改善貢獻最大的依次為COD、BOD、磷酸鹽等;污水處理部門和廢紙回收部門對水體富營養化影響較小，但對共生系統減排貢獻大。

(4)共生設計網絡系統在氣候變化上的影響比原有系統減小明顯。其中造紙部門對氣候變化改善的貢獻最大，共生網絡中制漿部門的氣候變化值為-0.833，反映了其對氣候變化的正環境效益。

(5)利用市場價值法分析共生設計網絡系統污水處理、廢紙回收、造紙污泥資源化利用(生產肥料和普通磚)等共生路徑的費用效益，結果表明均可在理論上取得一定的經濟效益。

(6)基于共生網絡的產業生態系統生態管理具有明顯的生態環境效益，同時可取得一定的經濟效益。但虛擬系統由于設置了理想的條件，與實際系統會有一定的差異，而且本研究未考慮市場和運輸的影響，未來在數據支持的情況下還需在實際系統中作進一步分析效驗。

致謝:德國PE公司提供GaBi 4教育版軟件，中國科學院生態環境研究中心李鋒副研究員對本文寫作給予幫助，特此致謝。

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