基于生命周期評(píng)價(jià)法的貝殼資源化利用環(huán)境效益分析*
——以大連市為例

張 蕓 秦承露 侯昊晨 孫曉陽(yáng)

(工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024)

貝類作為我國(guó)海水養(yǎng)殖的主要品種之一，其生產(chǎn)規(guī)模及貿(mào)易規(guī)模均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。2016年我國(guó)貝類養(yǎng)殖量1 420.8萬(wàn)t[2]，每加工1 kg貝類會(huì)產(chǎn)生300～700 g貝殼。大連市作為我國(guó)主要貝類養(yǎng)殖地區(qū)之一，2017年貝類產(chǎn)量121.3萬(wàn)t，貝類總產(chǎn)值126.4億元，每年產(chǎn)生的貝殼廢棄物約18萬(wàn)t，占全年生活垃圾的近20%。目前，大連市對(duì)于貝殼的開(kāi)發(fā)利用不足，絕大部分貝殼都作為固體廢棄物填埋，不僅浪費(fèi)大量資源，還占用土地資源造成污染。近年來(lái)，人們逐漸開(kāi)始關(guān)注廢棄貝殼的資源化利用研究。吳靜[3]探討了貝殼粉作為造紙?zhí)盍系目赡苄裕煌醪ǖ萚4]利用貝殼代替石灰石制備貝殼基生態(tài)水泥熟料并對(duì)其性能進(jìn)行了分析；熊小京等[5]以貝殼代替陶粒填料用于浸沒(méi)式生物濾柱填充；YOON等[6]研究了牡蠣殼作為建筑材料的可能性。

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)法是一種基于生命周期的思想，定量和定性評(píng)價(jià)研究對(duì)象能源消耗及環(huán)境影響的環(huán)境評(píng)估工具[7-9]。ALVARENGA等[10]利用LCA法對(duì)巴西牡蠣殼在兩種處理模式下(作為固體廢物和碳酸鈣原料)的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，為海洋貝類利用模式的評(píng)價(jià)研究提供了新思路。

為對(duì)比貝殼在填埋與資源化利用時(shí)所產(chǎn)生的環(huán)境影響差異，本研究選取4種貝殼處理方法分別構(gòu)建LCA模型，評(píng)估不同資源化利用方法的環(huán)境可行性，為沿海地區(qū)探索建立環(huán)境友好的高附加值廢棄貝殼利用模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 LCA法介紹

1.1 目標(biāo)和范圍定義

本研究以廢棄貝殼的處置方式為研究對(duì)象，借助eBalance軟件通過(guò)LCA法對(duì)4種方案的環(huán)境影響進(jìn)行分析。方案0：常規(guī)處理方法，將貝殼作為固體廢物填埋處理；方案1：用貝殼代替水泥生產(chǎn)中使用的石灰石，貝殼的摻量為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[11]；方案2：用貝殼代替浸沒(méi)式生物濾柱的陶粒填料；方案3：用貝殼代替建筑材料中40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的砂。

研究范圍為貝殼作為固體廢物填埋處理或資源化利用的全過(guò)程，包括貝殼處置過(guò)程中因替代或消耗部分燃(原)料所產(chǎn)生的開(kāi)采、運(yùn)輸、能量消耗以及殘余物填埋等過(guò)程。為確保分析結(jié)果的可比性，取1 kg貝殼為1個(gè)功能單位，所有數(shù)據(jù)以該單位為準(zhǔn)進(jìn)行換算。根據(jù)設(shè)定的研究目標(biāo)，填埋處理及資源化利用的系統(tǒng)邊界確定如圖1所示。因?yàn)?種方案在貝殼廢棄物產(chǎn)生之前的過(guò)程完全一樣，因此不考慮貝類養(yǎng)殖生長(zhǎng)過(guò)程的環(huán)境影響，均以貝殼為起點(diǎn)。資源化利用系統(tǒng)以資源化利用為終點(diǎn)，只考慮資源化利用過(guò)程中對(duì)貝殼加工過(guò)程的環(huán)境影響，不再考慮資源化利用后生產(chǎn)的產(chǎn)品的運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用、廢棄等過(guò)程的環(huán)境影響。

圖1 系統(tǒng)邊界的確定Fig.1 Determination of system boundary

1.2 清單分析

貝殼中CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為95%，普通石灰石中CaCO3為80%，因此方案1中以1 kg貝殼代替1.19 kg石灰石計(jì)算；方案2中，貝殼與陶粒的密度相同，因此以1 kg貝殼替代1 kg陶粒計(jì)算；方案3中，以1 kg貝殼可代替0.89 kg砂計(jì)算。

大連市貝類養(yǎng)殖加工基地主要集中在莊河市、長(zhǎng)海縣和普蘭店區(qū)。長(zhǎng)海縣四面環(huán)海，長(zhǎng)海縣的貝殼在島內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行資源化利用能夠帶來(lái)更好的環(huán)境效益，對(duì)其進(jìn)行貝殼資源化利用的LCA結(jié)果不能夠代表整個(gè)大連地區(qū)。為此，本研究進(jìn)行研究時(shí)，假設(shè)貝殼的運(yùn)輸起點(diǎn)為皮口港。皮口港位于普蘭店區(qū)，皮口港到貝殼填埋或資源化利用地點(diǎn)的距離可等同于從莊河市或普蘭店區(qū)運(yùn)輸至各個(gè)處置地點(diǎn)的平均距離，貝殼均由貨車進(jìn)行運(yùn)輸。方案1中假設(shè)貝殼被運(yùn)至102.0 km外的大型水泥廠A進(jìn)行粉碎處理，經(jīng)調(diào)研，水泥廠A的石灰石來(lái)源于距離水泥廠2 km的石灰石礦山，開(kāi)采后的石灰石被運(yùn)往水泥廠進(jìn)行粉碎處理，粉碎1 kg石灰石耗電量為0.001 71 kW·h，此方案避免了石灰石的開(kāi)采、運(yùn)輸以及粉碎處理的過(guò)程；方案2中假設(shè)貝殼被運(yùn)至距離皮口港45 km的污水處理廠進(jìn)行粉碎處理，此方案避免了陶粒填料的生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程，該污水處理廠的陶粒來(lái)源于距離其27.8 km的陶粒生產(chǎn)廠家；方案3假設(shè)貝殼被運(yùn)至建筑工地進(jìn)行粉碎處理，貝殼運(yùn)輸?shù)木嚯x越短，資源化利用的環(huán)境影響越小，所以假設(shè)貝殼只被運(yùn)往10 km范圍內(nèi)的建筑工地，取最大值10.0 km進(jìn)行計(jì)算，方案3避免了砂的生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程，砂的平均運(yùn)輸距離為23.4 km。貝殼運(yùn)輸起點(diǎn)與各資源化利用終點(diǎn)的區(qū)位圖如圖2所示。以1 kg貝殼為例，對(duì)4種處理方案全過(guò)程輸入、輸出情況進(jìn)行定量記錄，結(jié)果如表1所示。

文中選用的數(shù)據(jù)來(lái)源于企業(yè)和eBalance軟件所含的3大數(shù)據(jù)庫(kù)：中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(CLCD)、Ecoinvent 3.1及ELCD 3.0。其中運(yùn)輸、電力、石灰石開(kāi)采及貝殼的填埋數(shù)據(jù)來(lái)源于CLCD，以保證評(píng)價(jià)結(jié)果符合中國(guó)國(guó)情。貝殼屬于惰性廢棄物，貝殼的填埋數(shù)據(jù)由惰性廢棄物的填埋數(shù)據(jù)代替，不在清單中列出。

1.3 影響評(píng)價(jià)

利用eBalance軟件對(duì)4種方案的環(huán)境影響進(jìn)行建模與計(jì)算，將貝殼不同處置方式的輸入輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單一的環(huán)境影響值，以便于比較貝殼不同處置方式的環(huán)境影響差異。

2 結(jié)果分析

2.1 影響評(píng)價(jià)結(jié)果

eBalance軟件內(nèi)置常用的十幾種生命周期影響評(píng)價(jià)(LCIA)特征化指標(biāo)及面向全國(guó)節(jié)能減排政策目標(biāo)的指標(biāo)。本研究選用專家調(diào)查法綜合指標(biāo)(ISCP2009)所包含的環(huán)境影響類別對(duì)清單數(shù)據(jù)的環(huán)境影響進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)，8類環(huán)境影響類別為：中國(guó)資源消耗潛值(CADP)、全球變暖潛值(GWP)、可吸入無(wú)機(jī)物(RI)、酸化潛值(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、固體廢棄物(WS)、化學(xué)需氧量(COD)、淡水消耗量(WU)，上述環(huán)境影響類別基本包括了目前中國(guó)所面臨的環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題。CADP以銻為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征中國(guó)范圍各資源的稀缺程度；GWP以CO2為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征溫室氣體對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)；RI以PM2.5為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征因可吸入無(wú)機(jī)物造成的人體損害；AP以SO2為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征酸性氣體對(duì)酸化的貢獻(xiàn)；EP以磷酸根為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)；WS、COD、WU來(lái)源于清單物質(zhì)，不需要特征化因子。

表1 4種方案的生命周期清單

表2 不同影響類型的環(huán)境影響值

將4種方案生命周期清單輸入eBalance軟件，可以得到各方案在8個(gè)環(huán)境影響類別上產(chǎn)生的差異，結(jié)果為正值代表在該類別上存在環(huán)境影響，結(jié)果為負(fù)值代表在該類別上存在環(huán)境效益。4種方案對(duì)不同類別的環(huán)境影響如表2所示。

從表2可以看出，方案0對(duì)8種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響均為正值，相比其他方案，對(duì)CADP、GWP、RI、AP、EP及COD的影響最大，而對(duì)WS及WU的影響相對(duì)較小，這是因?yàn)樨悮ぬ盥襁^(guò)程不需要消耗電力，而我國(guó)電力主要來(lái)源于火電發(fā)電，因此用電情況對(duì)WS及WU具有顯著影響；方案1的運(yùn)輸距離最長(zhǎng)，燃料使用最多，導(dǎo)致其對(duì)GWP和AP影響顯著，但方案1的WS減少，主要是由于在石灰石生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的WS，方案1避免了部分石灰石的生產(chǎn)，因此減少了WS的產(chǎn)生；方案2的WU和WS最大，其余環(huán)境影響類型的環(huán)境影響均為負(fù)值，可以帶來(lái)較明顯的環(huán)境效益；方案3的WU最小，而WS較大，說(shuō)明其可以節(jié)約淡水的使用量，但會(huì)產(chǎn)生較多的固體廢棄物，對(duì)其余6種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響較小。

根據(jù)eBalance軟件中內(nèi)置8種環(huán)境影響類型的權(quán)重分布，得到4種方案的加權(quán)綜合環(huán)境影響值，結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，4種方案中方案3所帶來(lái)的環(huán)境影響值最大，為3.62×10-14；其次是方案0，環(huán)境影響值為1.04×10-14；方案3中，生產(chǎn)0.89 kg砂所造成的環(huán)境影響遠(yuǎn)小于資源化利用時(shí)運(yùn)輸和粉碎處理1 kg貝殼產(chǎn)生的環(huán)境影響，因此該方案造成的環(huán)境影響比貝殼填埋大；方案1和方案2帶來(lái)的環(huán)境影響為負(fù)值，分別為-3.78×10-12、-1.85×10-14，說(shuō)明這兩種處置方式會(huì)帶來(lái)環(huán)境效益，且方案1帶來(lái)的環(huán)境效益遠(yuǎn)大于方案2。主要原因是方案1會(huì)減少大量的固體廢棄物，僅這一項(xiàng)所帶來(lái)的環(huán)境效益就遠(yuǎn)超出方案2的總環(huán)境效益。

圖3 4種方案的加權(quán)綜合環(huán)境影響值Fig.3 Weighting comprehansive environmental impact of four schemes

2.2 貢獻(xiàn)分析

4種方案處理過(guò)程及避免過(guò)程各環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)分別見(jiàn)表3、表4。由表3可見(jiàn)，方案0中對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的為填埋環(huán)節(jié)，貢獻(xiàn)率為56.60%，說(shuō)明貝殼常規(guī)處理過(guò)程中填埋對(duì)環(huán)境造成的影響最大。3種資源化利用方案中，對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的均為貝殼粉碎環(huán)節(jié)，方案1、方案2、方案3粉碎環(huán)節(jié)的環(huán)境影響貢獻(xiàn)率分別為85.72%、93.55%、98.48%，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的環(huán)境影響貢獻(xiàn)也由距離的增加而升高。由表4可見(jiàn)，避免過(guò)程各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響主要來(lái)源于原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其對(duì)方案1、方案2、方案3的貢獻(xiàn)率分別為99.80%、97.07%、86.04%；其中，石灰石開(kāi)采的環(huán)境影響值最大，砂生產(chǎn)的環(huán)境影響值最小。而運(yùn)輸距離的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，說(shuō)明在避免過(guò)程中運(yùn)輸環(huán)節(jié)并不是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要原因。

表3 處理過(guò)程各環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

表4 避免過(guò)程各環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

3 結(jié)論與展望

(1) 運(yùn)用LCA法分析了貝殼4種不同處置方式的環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)方案0的環(huán)境影響值為1.04×10-14；方案1的環(huán)境影響值為-3.78×10-12；方案2的環(huán)境影響值為-1.85×10-14；方案3的環(huán)境影響值為3.62×10-14，方案1能有效減少貝殼填埋對(duì)環(huán)境的影響，有更好的環(huán)境效益。

(2) 對(duì)不同環(huán)境影響類型的環(huán)境影響值的分析結(jié)果表明，方案2對(duì)于CADP、GWP、RI、AP、EP和COD這6方面具有很大優(yōu)勢(shì)；方案3可以減少WU；方案1可避免產(chǎn)生大量WS。

(3) 方案0對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的是貝殼的填埋環(huán)節(jié)；3種資源化利用過(guò)程對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的均為貝殼的粉碎環(huán)節(jié)，原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)是避免過(guò)程中環(huán)境影響貢獻(xiàn)的最主要部分，運(yùn)輸環(huán)節(jié)對(duì)避免過(guò)程的環(huán)境影響貢獻(xiàn)不大。

(4) 廢棄貝殼的資源化利用處于起步階段，目前還沒(méi)有廣泛推廣應(yīng)用，通過(guò)對(duì)清單數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到廢棄貝殼在資源化利用過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境效益，可為沿海地區(qū)探索建立環(huán)境友好的高附加值廢棄貝殼利用模式提出參考。