譚全銀,梁揚(yáng)揚(yáng),董慶銀,劉麗麗,李金惠(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

固體廢物

廢棄辦公設(shè)備關(guān)鍵部件處理環(huán)境影響研究

譚全銀,梁揚(yáng)揚(yáng)*,董慶銀,劉麗麗,李金惠*(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

分析了廢棄辦公設(shè)備關(guān)鍵部件——硒鼓和墨盒的組成.采用層次分析法對(duì)硒鼓和墨盒現(xiàn)有處理處置技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明硒鼓和墨盒目前國(guó)內(nèi)較為適宜的處理技術(shù)均為人工拆解法,評(píng)估過(guò)程中環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)重較高.研究還采用生命周期評(píng)價(jià)方法,對(duì)硒鼓和墨盒處理處置過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行了評(píng)估.評(píng)價(jià)采用SimPro軟件和Eco-indicator 99方法進(jìn)行.評(píng)價(jià)結(jié)果顯示硒鼓人工拆解的環(huán)境效益為535.2mP t高于該過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境影響(27.3mPt).環(huán)境效益主要來(lái)源于對(duì)硒鼓中塑料、金屬和磁性材料的回收,以及墨粉焚燒過(guò)程中熱量回收.硒鼓人工拆解過(guò)程和危險(xiǎn)廢物處理會(huì)對(duì)帶來(lái)一定環(huán)境影響.墨盒人工拆解過(guò)程將帶來(lái)271.0mPt的環(huán)境效益以及10.8mPt環(huán)境危害,其中環(huán)境效益是由塑料回收帶來(lái)的.清洗用水、清洗試劑的使用等環(huán)節(jié)帶來(lái)一定的環(huán)境影響.從人體健康、生態(tài)質(zhì)量和資源保護(hù)3個(gè)指標(biāo)來(lái)看,硒鼓人工拆解過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在減少對(duì)人體健康的威脅,比例約為68.4 %.墨盒人工拆解帶來(lái)的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在對(duì)資源的保護(hù),比例約為84.1 %.

廢棄辦公設(shè)備；硒鼓；墨盒；層次分析法；生命周期評(píng)價(jià)

2009年,我國(guó)發(fā)布了《廢棄電器電子產(chǎn)品回收處理管理?xiàng)l例》(國(guó)務(wù)院令第551號(hào),以下簡(jiǎn)稱《條例》),率先在電器電子領(lǐng)域?qū)嵭猩a(chǎn)者責(zé)任延伸制度.配套《條例》的執(zhí)行,我國(guó)還建立了關(guān)于廢棄電器電子產(chǎn)品處理的目錄制度、基金制度、行業(yè)規(guī)劃制度、處理企業(yè)資格許可制度、信息管理制度等,為我國(guó)廢棄電器電子產(chǎn)品管理工作提供法律法規(guī)及制度保障.自2012年7月《廢棄電器電子產(chǎn)品處理目錄》實(shí)施以來(lái),經(jīng)正規(guī)渠道回收處理的五大類廢棄電子產(chǎn)品從最初的每年4000萬(wàn)臺(tái)上升到2015年的7500萬(wàn)臺(tái)[1].隨著我國(guó)廢棄電子產(chǎn)品產(chǎn)生量的不斷增加,原有管理制度的日趨健全和完善,適時(shí)考慮將其他類廢棄電氣電子產(chǎn)品列入目錄并進(jìn)行管理勢(shì)在必行.已有采用市場(chǎng)供給 A模型進(jìn)行廢棄辦公設(shè)備報(bào)廢量預(yù)測(cè)的研究結(jié)果表明,預(yù)計(jì)2015～2020年全國(guó)打印機(jī)報(bào)廢量可從 4000萬(wàn)臺(tái)左右增長(zhǎng)到 5000萬(wàn)臺(tái)左右,復(fù)印機(jī)報(bào)廢量可從56萬(wàn)臺(tái)左右增長(zhǎng)到92萬(wàn)臺(tái)左右,約為廢棄打印機(jī)的 1.1%～2.2%左右[2],但單個(gè)復(fù)印機(jī)體積和重量約為打印機(jī)的5～8倍.廢棄辦公設(shè)備產(chǎn)生量已經(jīng)接近或超過(guò)洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等廢棄量.經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn),國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等部門發(fā)布了 2015 年第 5號(hào)公告,公布了《廢棄電器電子產(chǎn)品處理目錄(2014年版)》(以下簡(jiǎn)稱 2014年版目錄),調(diào)整擴(kuò)大了目錄范圍,由過(guò)去的5類產(chǎn)品擴(kuò)大到14類產(chǎn)品.其中廢棄辦公設(shè)備所包含的打印機(jī)、復(fù)印機(jī)和傳真機(jī)3種設(shè)備,分別作為第7、8和9類廢棄電器電子產(chǎn)品列入到2014年版目錄中,標(biāo)志著其正式列入《條例》的管理范疇.

國(guó)外從20世紀(jì)90年代開(kāi)始已經(jīng)開(kāi)展廢棄辦公設(shè)備,尤其是硒鼓墨盒等耗材的回收處理工作[3],主要包括整機(jī)和硒鼓/墨盒的再制造,以及材料的再利用.據(jù)歐洲硒鼓和墨盒再制造協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示,全球范圍內(nèi)約有10000家再制造商,超過(guò)65000從業(yè)人員,銷售的硒鼓中約20%～30%為再制造產(chǎn)品[4].日本的《廢舊小型電子產(chǎn)品等再資源化促進(jìn)法》將打印機(jī)和其他打印裝置(包括復(fù)印機(jī))列入到小家電的對(duì)象制品中,規(guī)定對(duì)其產(chǎn)品中使用的金屬等有用資源進(jìn)行回收利用.其境內(nèi)的富士施樂(lè)、佳能、柯尼卡美能達(dá)、精工愛(ài)普生等均進(jìn)行硒鼓和墨盒的再制造及材料再利用[5-8].美國(guó)部分零售商設(shè)有回收亭專門回收墨粉盒、硒鼓等.施樂(lè)美國(guó)提供3種方式回收廢棄設(shè)備,并且由施樂(lè)公司提供運(yùn)費(fèi)和回收費(fèi)用.回收的產(chǎn)品部分通過(guò)再制造進(jìn)行零部件再利用,不能再利用的部分進(jìn)行材料回收.同時(shí),其與Close the Loop 公司合作進(jìn)行部件的回收和再利用,其中碳粉轉(zhuǎn)化為黑 LC產(chǎn)品,作為塑料制造業(yè)的染色劑進(jìn)行再利用;金屬和塑料部分作為原材料用于生產(chǎn)新的產(chǎn)品和部件[9].根據(jù)施樂(lè)公司報(bào)告,平均 60%(體積)以上的回收硒鼓用于再制造,剩余部分回收材料.

目前我國(guó)專門從事廢打印機(jī)回收拆解的企業(yè)較少,除富士施樂(lè)愛(ài)科制造(蘇州)有限公司是專門拆解處理廢打印機(jī)/復(fù)印機(jī)企業(yè),另僅有北京、天津、上海和江蘇省幾家廢棄電器電子產(chǎn)品企業(yè)具有廢打印機(jī)/復(fù)印機(jī)的拆解處理線.具有廢打印機(jī)復(fù)印機(jī)處理線的企業(yè)也多數(shù)只是進(jìn)行簡(jiǎn)單拆解和再利用,將金屬框架、塑料殼體和電路板等有價(jià)值材料出售.拆解方式主要為手工和單工位拆解,部分關(guān)鍵拆解產(chǎn)物進(jìn)行深度資源化處理.

隨著廢棄辦公設(shè)備的回收處理日益引起關(guān)注,部分學(xué)者對(duì)其所含部件或組分潛在環(huán)境影響和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià). KOSEKI[10]對(duì)墨粉爆炸性進(jìn)行了研究,降低處理設(shè)備周圍的氧含量可以有效減低墨粉爆炸的風(fēng)險(xiǎn).Salhofar等[11]的研究成果表明硒鼓墨盒的危害主要來(lái)源于苯系物(BTEX)和多環(huán)芳烴(PAHs).阮久莉等[12]對(duì)設(shè)備回收階段和處置階段的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,廢棄打印復(fù)印一體機(jī)處理處置階段可獲得積極的環(huán)境收益,同時(shí)推進(jìn)塑料和金屬再利用技術(shù)的研發(fā)可以促進(jìn)相應(yīng)環(huán)境收益的提高.但目前對(duì)于廢棄辦公設(shè)備尤其是硒鼓和墨盒等關(guān)鍵部件,在處理過(guò)程中的技術(shù)選擇以及處理過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響研究較少,并缺乏系統(tǒng)分析.

綜上,本文對(duì)廢棄辦公設(shè)備中關(guān)鍵部件—硒鼓和墨盒的組成進(jìn)行分析,并探究其中可能對(duì)環(huán)境和人體健康有害的物質(zhì);綜述現(xiàn)有硒鼓和墨盒的處理處置技術(shù),并采用層次分析法對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),篩選目前較為適宜的處理處置技術(shù);采用生命周期評(píng)價(jià)的方法對(duì)硒鼓和墨盒處理處置過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估,為我國(guó)廢棄辦公設(shè)備回收處理實(shí)踐和管理工作提供參考.

1 研究方法

采用的研究方法主要包括層次分析法和生命周期評(píng)價(jià)方法,對(duì)于目前廢棄辦公設(shè)備關(guān)鍵部件處理技術(shù)進(jìn)行評(píng)估,篩選出較為適宜的處理技術(shù);并基于評(píng)估和篩選結(jié)果,進(jìn)一步對(duì)處理過(guò)程環(huán)境影響進(jìn)行分析和評(píng)價(jià).

1.1 處理技術(shù)評(píng)估—層次分析法

技術(shù)評(píng)估采用群決策的理論進(jìn)行,美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家Saaty從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)提出一種定性與定量相結(jié)合的決策方法––層次分析法,為群決策問(wèn)題的解決提供了有效的工具[13].利用層次分析法解決問(wèn)題,關(guān)鍵的一步是建立準(zhǔn)確的判斷矩陣.由于每位專家(決策者)對(duì)判斷對(duì)象了解程度的不同以及各自不同的偏好,由群體統(tǒng)一建立判斷矩陣很難達(dá)成一致,為了解決此矛盾,先讓每位專家各自建立一個(gè)判斷矩陣,然后采用方法集結(jié)為群的決策結(jié)果.對(duì)于專家的決策結(jié)果集結(jié)的方法有兩大類,一種是對(duì)判斷矩陣的集結(jié),另一種為對(duì)排序向量的集結(jié),上述兩種方法各有特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn),一般情況下采用第二種方法較為適宜.群體規(guī)模的大小對(duì)交互過(guò)程有著直接的影響,綜合考慮決策的質(zhì)量和意見(jiàn)一致性采用5人群決策.

如圖 1所示為研究所建立的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型.該模型包含四個(gè)層次:第一層為總目標(biāo)層;第二層為準(zhǔn)則層,包括四個(gè)主要因素指標(biāo),即技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境;第三層為指標(biāo)層,列出了各主要指標(biāo)需要考慮的子指標(biāo),其中技術(shù)因素包括:技術(shù)適用性、技術(shù)先進(jìn)性和技術(shù)可靠性;經(jīng)濟(jì)因素包括投資成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)、經(jīng)濟(jì)效益;資源因素包括利用率和利用難度;環(huán)境因素包括廢水、廢渣和廢氣;第四層為備選方案,為硒鼓和墨盒目前的處理處置技術(shù).

圖1 硒鼓或墨盒處理技術(shù)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchical structure model of toner cartridge and ink cartridge treatment technologies

硒鼓和墨盒處理技術(shù)的層次結(jié)構(gòu)模型由 5位專家進(jìn)行打分,構(gòu)建出5組(每組15個(gè))判斷矩陣.采用加權(quán)幾何平均群排序向量法對(duì)每位專家的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行集結(jié),分別求出它們的排序向量,然后求出它們的加權(quán)幾何平均群排序向量.各位專家的評(píng)價(jià)結(jié)果采用平均權(quán)重.

1.2 環(huán)境影響評(píng)價(jià)—生命周期評(píng)價(jià)

依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)法,采用SimaPro軟件,對(duì)廢棄辦公設(shè)備拆解得到的關(guān)鍵部件––硒鼓和墨盒,進(jìn)行處理過(guò)程的環(huán)境影響評(píng)價(jià).在確定評(píng)價(jià)目標(biāo)、邊界等信息之后,進(jìn)行清單分析,采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室拆解試驗(yàn)以及文獻(xiàn)資料等,具體評(píng)價(jià)方法為Eco-indicator 99生態(tài)指數(shù)法.其中:

1)評(píng)價(jià)目標(biāo)和邊界

研究的目標(biāo)是分析、評(píng)價(jià)廢棄辦公設(shè)備拆解產(chǎn)生的硒鼓和墨盒在處理過(guò)程中所涉及的原料、能源等的投入,以及對(duì)環(huán)境中三廢的排放等情況,不包括廢棄辦公設(shè)備的收集和運(yùn)輸過(guò)程,以及廢棄辦公設(shè)備的拆解過(guò)程.

2)功能單位

本研究選取的功能單位為1kg硒鼓或墨盒. 3)數(shù)據(jù)清單

處理廢棄辦公設(shè)備硒鼓或墨盒1000kg,其組成數(shù)據(jù)主要通過(guò)拆解實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)得出,部分參考文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)以及軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中信息.

2 廢棄辦公設(shè)備關(guān)鍵部件處理技術(shù)

2.1 硒鼓和墨盒部件組成

硒鼓和墨盒分別是激光打印機(jī)(或多功能機(jī))和噴墨打印機(jī)(或多功能機(jī))的關(guān)鍵部件.

2.1.1 硒鼓 硒鼓主要由塑料蓋、感光鼓、磁輥/顯影輥、充電輥、刮板、螺絲、彈簧、銷釘、芯片和塑料外殼(包括粉倉(cāng)和廢粉倉(cāng))等構(gòu)成.其中約含有 40%左右的塑料,40%金屬以及其他少量的橡膠、墨粉等,一般可以回收 97%左右的材料[14].具體構(gòu)成比例見(jiàn)表1.

表1 硒鼓材料構(gòu)成Table 1 The composition of toner cartridges

廢棄硒鼓中一般會(huì)殘余 10%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的墨粉,其主要是由有機(jī)聚合物、四氧化三鐵和二氧化硅顆粒等混合而成[17-18].具體構(gòu)成及比例見(jiàn)表2.

表2 墨粉構(gòu)成[15,19-20]Table 2 The composition of toner[15,19-20]

由于墨粉是一種微細(xì)的粉末,粒子易帶電起火燃燒,常規(guī)干法處理容易爆炸,增加了對(duì)其完全處理的危險(xiǎn)和難度.炭黑被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)分類為可能致癌物質(zhì).相關(guān)研究表明,有足夠證據(jù)證明炭黑在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中是有致癌性的,但是對(duì)人類是否存在致癌性證據(jù)尚不充分.同時(shí)該研究還證實(shí),在使用產(chǎn)品過(guò)程中,不會(huì)發(fā)生明顯的人體炭黑暴露情況[21].對(duì)廢棄硒鼓殘留墨粉的爆炸參數(shù)研究[20]結(jié)果指出,墨粉的爆炸壓力較低但爆炸指數(shù)較高,易產(chǎn)生燃燒和爆炸;同時(shí)針對(duì)墨粉的粉塵層著火溫度測(cè)試表明,在高于 400℃時(shí)不著火,說(shuō)明墨粉不容易自燃.

2.1.2 墨盒 墨盒是噴墨打印機(jī)中用來(lái)存儲(chǔ)打印墨水,并最終完成打印的部件.按照組成結(jié)構(gòu)可分為一體式和分體式,一般由墨水倉(cāng)、液壓平衡器、能量發(fā)生器、墨滴通道(噴頭)等四部分組成.墨盒的外殼一般由聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等塑料制成.墨水根據(jù)其溶劑進(jìn)行分類,主要為水性墨和油性墨兩種;按照色基進(jìn)行分類,主要為染料型墨水和顏料型墨水,兩種分類方法在實(shí)際應(yīng)用中有交叉,目前噴墨打印機(jī)用商品化墨水大多數(shù)屬于染料型墨水.

墨水的組成成分主要包括:溶劑、著色劑、表面活性劑、pH值調(diào)節(jié)劑和催干劑,以及消泡劑、分散劑等其他添加劑.溶劑作為墨水的主要載體,決定了墨水的性能.噴墨印刷墨水的溶劑常采用去離子水和水溶性有機(jī)溶劑的混合物.水溶性墨水具體構(gòu)成見(jiàn)下表[22].

墨水在生產(chǎn)、使用和廢棄階段涉及的環(huán)境和人體健康影響主要源于其中所含有的有機(jī)溶劑.部分墨水使用的有機(jī)溶劑具有刺激性氣味,不利于人體健康,甚至部分假冒墨水的有機(jī)溶劑中甲醇含量高達(dá) 16%.同時(shí),墨盒廢棄后,其處置階段清洗環(huán)節(jié)還會(huì)產(chǎn)生大量帶色廢水,需進(jìn)一步處理后才能排放[23].

表3 水溶性墨水成分構(gòu)成Table 3 The composition of water-soluble ink

2.2 硒鼓處理技術(shù)

廢棄硒鼓中具有潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的物質(zhì)為墨粉,處置不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響.目前,有關(guān)廢棄硒鼓的回收還處于初期探索階段,鮮有相關(guān)回收工藝的文獻(xiàn)報(bào)道,有少量專利提出了廢棄硒鼓回收處理系統(tǒng)和工藝,但均存在一定的缺陷和安全隱患.目前硒鼓拆解處理技術(shù)主要包括人工拆解、機(jī)械拆解和焚燒處理3種處理技術(shù).

2.2.1 人工拆解 人工拆解采用螺絲刀和鉗子等工具,在密封或半密封狀態(tài)拆解臺(tái)上進(jìn)行操作,避免拆解產(chǎn)生的墨粉擴(kuò)散,拆解過(guò)程中工作人員進(jìn)行必要的防護(hù).主要的拆解過(guò)程為將硒鼓置于操作臺(tái)上,撬開(kāi)卡殼,之后用螺絲刀去除側(cè)部螺絲釘,將硒鼓分為兩部分;取出感光鼓、磁輥/顯影輥等;拆除清潔刮刀,將廢粉倉(cāng)中的墨粉倒出,放置于專用的收集容器中;拆除充電輥、清潔刮刀,將粉倉(cāng)中剩余墨粉倒出,放置于專用的收集容器中;將各零部件分類放置于專用容器中.人工拆解硒鼓可以很好的將各種材料進(jìn)行分類,便于材料的回收利用.但拆解效率較低,墨粉去除不徹底,拆解過(guò)程中要注意墨粉的收集,面對(duì)日益增長(zhǎng)的廢棄硒鼓數(shù)量,人工拆解將逐漸不能滿足拆解需求.

2.2.2 機(jī)械拆解 上海第二工業(yè)大學(xué)[16]開(kāi)發(fā)了一套廢棄硒鼓回收流水線,該生產(chǎn)線包括粉碎、除粉、磁選、高壓氣流清洗等工序,由輸送機(jī)、粉碎機(jī)、磁選機(jī)、高壓氣流清洗機(jī)、脈沖袋式除塵器等主體設(shè)備組成,生產(chǎn)作業(yè)在密封狀態(tài)下進(jìn)行.可實(shí)現(xiàn)廢舊硒鼓的自動(dòng)化破碎和高效分離,在回收墨粉的同時(shí)分離回收了廢舊硒鼓中的金屬和非金屬,達(dá)到廢舊硒鼓資源化再生利用的目的.Ruan等[23]設(shè)計(jì)了一套機(jī)械處理線,用于回收處理硒鼓和墨盒,主要包括剪切工序、磁選分選和渦流靜電分選.并與人工拆解分離效率進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示此機(jī)械回收處理線能很好的回收廢舊硒鼓.

機(jī)械破碎拆解采用多級(jí)破碎,并結(jié)合風(fēng)選、磁選和渦流分選等分選技術(shù),將硒鼓整體破碎,分選出塑料、金屬、墨粉等不同的材料,效率高、墨粉去除得更徹底,機(jī)械化程度高,是以后發(fā)展的主流方向,但目前機(jī)械破碎拆解尚存在流程過(guò)長(zhǎng)、能耗和成本高的問(wèn)題,需要進(jìn)一步的完善.

2.2.3 焚燒 部分公司回收得到的打印機(jī)復(fù)印機(jī)等,經(jīng)拆解后產(chǎn)生的硒鼓需按照危險(xiǎn)廢物管理,交予有資質(zhì)的危險(xiǎn)廢物處理企業(yè)通過(guò)焚燒進(jìn)行安全處置.

2.2.4 無(wú)害化處理 廢棄硒鼓中墨粉經(jīng)安全收集后,需要對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化處理,主要包括再利用技術(shù)和熱處理技術(shù).

廢棄墨粉的再生利用,包括制造再生墨粉及將墨粉作為添加劑制備其他產(chǎn)品兩種途徑.劉漫青等[24]探究了墨粉再生的可能性.廢棄的墨粉經(jīng)過(guò)篩分、干燥、分選等處理后,再按照傳統(tǒng)工藝重新制造新品種的墨粉,結(jié)果顯示再生的墨粉與原裝墨粉質(zhì)量相同.Ayers等[25],以及Yildirim 等[26]研究了從復(fù)印機(jī)回收到的廢棄墨粉應(yīng)用于生產(chǎn)瀝青粘合劑和瀝青混凝土的工藝技術(shù).研究表明廢棄墨粉可以作為瀝青混合料的有益添加劑使用.

墨粉的熱處理技術(shù)主要包括裂解處理和高溫焚燒處理.董金慶等[27]開(kāi)發(fā)了一種廢棄墨粉資源化處理工藝,通過(guò)裂解反應(yīng)使得廢棄墨粉中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃液體成品油以及固態(tài)渣體,從而達(dá)到廢棄墨粉的無(wú)害化處理并實(shí)現(xiàn)資源化.該技術(shù)于2001年開(kāi)發(fā)研制并試運(yùn)行,該方法雖然可行但生產(chǎn)成本遠(yuǎn)大于產(chǎn)品的價(jià)值,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大.Yordanova等[28]分析了不同種類墨粉的組成和熱值,結(jié)果表明所有樣品都具有較高的熱值,適合進(jìn)行能量回收.但研究同時(shí)還指出,由于墨粉的顆粒較小,需要采取相應(yīng)的尾氣處理措施.

2.3 墨盒處理技術(shù)

由于墨盒構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單,可回收材料主要為塑料外殼,回收價(jià)值較低,針對(duì)其處理處置技術(shù)的研究較少.根據(jù)目前技術(shù)現(xiàn)狀,主要可分為人工拆解法、機(jī)械拆解法以及焚燒處理法.

2.3.1 人工拆解 采用螺絲刀和老虎鉗等工具,在拆解臺(tái)上進(jìn)行操作,拆解臺(tái)有墨水收集裝置,避免拆解過(guò)程中墨盒剩余墨水污染環(huán)境,拆解過(guò)程中工作人員進(jìn)行必要的防護(hù),包括口罩和手套等.拆解過(guò)程包括將墨盒置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,撬開(kāi)蓋子處的卡槽,取出殘存墨汁的墨盒,摘除墨盒處的電路板等.用刀具切開(kāi)墨盒盒體,將殘存墨汁傾倒于特定容器中,將切開(kāi)的墨盒體塑料外殼置于特定容器中,之后集中進(jìn)行機(jī)械破碎回收利用塑料.此處人工拆解,指墨盒分離過(guò)程,得到的塑料外殼進(jìn)一步回收利用,仍需要利用機(jī)械破碎.

2.3.2 機(jī)械拆解法 澳大利亞的封閉環(huán)技術(shù)有限公司[29]開(kāi)發(fā)了一套用于噴墨墨盒回收墨的方法,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)裝置,包括墨盒破碎裝置、清洗平臺(tái)和排放平臺(tái).主要步驟為破碎機(jī)將墨盒破碎成塊,釋放其中的墨水;之后在溶劑施加裝置中加入與墨水相溶的溶劑,促進(jìn)墨的釋放;最后在分離機(jī)中將墨盒碎塊與溶劑分離.愛(ài)普生[8]位于日本長(zhǎng)野的一座廢棄墨盒回收處理廠四王事業(yè)所(Ings Shinano),對(duì)回收來(lái)的廢棄墨盒根據(jù)回收材料的不同將組件分為低、中、高三個(gè)等級(jí).經(jīng)過(guò)分類的墨盒通過(guò)裝置去除芯片和墨盒蓋,然后再對(duì)其余的墨盒組件進(jìn)行下一步處理.墨盒蓋經(jīng)過(guò)機(jī)械篩選和清洗后進(jìn)行粉碎,得到的聚丙烯(PP)材料在愛(ài)普生循環(huán)利用.惠普公司[30]對(duì)其生產(chǎn)的墨盒進(jìn)行回收再利用的流程主要包括:回收來(lái)的墨盒分類后,進(jìn)行拆解處理,分選得到塑料、金屬和墨水等;之后進(jìn)行破碎處理,得到的樹(shù)脂材料與回收得到的水瓶塑料碎片一起再用于制造墨盒.

2.3.3 焚燒處理 部分公司回收到的打印機(jī)復(fù)印機(jī)等,經(jīng)拆解得到塑料、金屬等不同的材料后,分別進(jìn)行銷售或資源化利用.拆解產(chǎn)生的墨盒按照危險(xiǎn)廢物交予有資質(zhì)的危險(xiǎn)廢物處理企業(yè)進(jìn)行焚燒處理.

3 結(jié)果與討論

3.1 硒鼓和墨盒處理技術(shù)評(píng)估

硒鼓的資源化處理技術(shù)主要涉及硒鼓的拆解處理和墨粉的處理處置兩部分,其中硒鼓的拆解處理過(guò)程是硒鼓資源化處理的關(guān)鍵步驟,包括人工拆解,機(jī)械拆解和焚燒處理3種;墨盒的處理技術(shù)主要包括人工拆解、機(jī)械拆解和焚燒處理.采用層次分析法對(duì)廢棄硒鼓和墨盒處理過(guò)程中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估,以篩選出目前我國(guó)最適宜廢棄硒鼓和墨盒處理處置的技術(shù).

采用層次分析法進(jìn)行硒鼓和墨盒處理技術(shù)評(píng)估的結(jié)果顯示:準(zhǔn)則層中4個(gè)影響因素指標(biāo)的權(quán)重次序依次為經(jīng)濟(jì)(0.4031)、環(huán)境(0.3271)、技術(shù)(0.1613)和資源(0.1085).說(shuō)明經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素是技術(shù)方案選取時(shí)最為關(guān)鍵的指標(biāo),也是技術(shù)方案在推廣過(guò)程中最需要關(guān)注的因素.同時(shí),備選方案的技術(shù)因素和資源因素也應(yīng)該在方案比選和推廣中依次給予一定程度的考量.指標(biāo)層中各子指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重結(jié)果顯示:經(jīng)濟(jì)效益(0.1459)排在第一位,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)(0.1307)和投資成本(0.1265)也應(yīng)重點(diǎn)考慮,此外,技術(shù)方案選取時(shí),環(huán)境因素中廢渣(0.1136)、廢氣(0.1122)和廢水(0.1013)等因素也是重要的參考標(biāo)準(zhǔn).

硒鼓和墨盒最終技術(shù)方案對(duì)總體目標(biāo)的影響權(quán)重如表4和表5所示.分析結(jié)果表明:硒鼓拆解處理技術(shù)中,人工拆解權(quán)重為0.4157,機(jī)械拆解權(quán)重為0.3774,焚燒處理技術(shù)權(quán)重為0.2149.結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)廢硒鼓處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際情況,人工拆解處理技術(shù)是目前最適宜的硒鼓處理技術(shù).至于硒鼓拆解產(chǎn)生的墨粉的處理方法,由于目前墨粉再利用技術(shù)尚不成熟,商業(yè)利用價(jià)值較低;且回收的墨粉各種型號(hào)和品牌混雜在一起,難以進(jìn)行再利用,因此綜合考慮,采用熱處理中的焚燒處理法較為適宜.

墨盒拆解處理技術(shù)中,人工拆解法權(quán)重為0.3635,焚燒處理法和機(jī)械拆解法權(quán)重分別為0.3452和 0.2913.結(jié)合當(dāng)前的處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際情況,人工拆解法是目前最適用的墨盒處理技術(shù).墨盒人工拆解法可以很好的分離墨盒中的芯片,去除殘余的墨水,避免在殼體破碎過(guò)程中污染環(huán)境.此外,由評(píng)估結(jié)果可知,焚燒處理法和人工拆解法權(quán)重相差較少.墨盒中主要有價(jià)物質(zhì)為樹(shù)脂材料,價(jià)值較低,但其中含有的墨水在處理過(guò)程中需要進(jìn)行收集,并對(duì)樹(shù)脂材料進(jìn)行清洗,造成經(jīng)濟(jì)成本上升,因此,焚燒處理法也可以作為適宜的處理方法.

表4 硒鼓處理各技術(shù)選項(xiàng)的權(quán)重和排名Table 4 The weight and ranking of toner cartridges treatment technologies

表5 墨盒處理各技術(shù)選項(xiàng)的權(quán)重和排名Table 5 The weight and ranking of ink cartridgestreatment technologies

3.2 硒鼓和墨盒處理過(guò)程環(huán)境影響評(píng)價(jià)

根據(jù)上述評(píng)估結(jié)果,國(guó)內(nèi)目前最適宜的硒鼓和墨盒處理技術(shù)均為人工拆解處理法.采用Simapro軟件和Eco-indicator 99方法對(duì)廢棄辦公設(shè)備中硒鼓和墨盒處理過(guò)程潛在的環(huán)境影響和環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià).硒鼓拆解處理過(guò)程包括硒鼓的拆解過(guò)程和墨粉的焚燒處理過(guò)程.拆解產(chǎn)生的包裝紙、有機(jī)隔膜等作為廢物處理,評(píng)價(jià)過(guò)程中具體數(shù)據(jù)、來(lái)源以及假設(shè)情況如表6所示;墨盒拆解處理過(guò)程包括墨盒的拆解和清洗,其中墨盒中殘余墨水假設(shè)為 10%,試驗(yàn)用清洗試劑在數(shù)據(jù)庫(kù)中不可得,評(píng)價(jià)過(guò)程中采用有機(jī)溶劑丙酮數(shù)據(jù)進(jìn)行替代.評(píng)價(jià)過(guò)程中具體數(shù)據(jù)、來(lái)源以及假設(shè)情況如表7所示.

表6 硒鼓處理評(píng)價(jià)過(guò)程中數(shù)據(jù)來(lái)源及假設(shè)Table 6 The data sources and assumptions in the assessment of toner cartridges treatment

表7 墨盒處理評(píng)價(jià)過(guò)程中數(shù)據(jù)及其來(lái)源假設(shè)Table 7 The data sources and assumptions in the assessment of ink cartridges treatment

硒鼓處理過(guò)程環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果如圖 2所示.其中,硒鼓人工拆解處理過(guò)程環(huán)境影響為27.3mPt,環(huán)境效益為 535.2mPt,整體來(lái)看硒鼓拆解和處理過(guò)程可帶來(lái)較大的環(huán)境效益.環(huán)境效益主要體現(xiàn)在對(duì)硒鼓中塑料、金屬和磁性材料的回收,以及墨粉焚燒過(guò)程中熱量回收.其中磁性材料的回收占總環(huán)境效益的 41.6%;其次為金屬回收帶來(lái)的環(huán)境效益(38.6%),金屬回收中主要是鋁的回收帶來(lái)的環(huán)境效益較大;塑料回收帶來(lái)的環(huán)境效益為整體的19%左右.同時(shí),硒鼓人工拆解過(guò)程和危險(xiǎn)廢物處理對(duì)環(huán)境帶來(lái)一定影響,這其中最主要的是人工拆解,占環(huán)境影響的95%左右,人工拆解需要一定的占地等因素是對(duì)環(huán)境造成影響的主要原因.

從人體健康、生態(tài)質(zhì)量和資源保護(hù)3個(gè)指標(biāo)來(lái)看,硒鼓拆解處理過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在減少對(duì)人體健康的威脅,比例約為 68.4%,其次是對(duì)資源的保護(hù)(30%),最后為對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的保護(hù)方面,為1.6%左右.

由評(píng)價(jià)過(guò)程知,硒鼓的材料構(gòu)成對(duì)環(huán)境效益有較大影響,改變初始參數(shù)設(shè)置,按照表1中樣品1構(gòu)成進(jìn)行計(jì)算,對(duì)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn):綜合來(lái)看,材料構(gòu)成的改變使總體環(huán)境效益降低了6.2%.其中帶來(lái)環(huán)境效益最高的環(huán)節(jié)是金屬鋁的回收,占41.6%,其次為磁性材料回收;環(huán)境影響仍為人工拆解過(guò)程帶來(lái).磁性材料構(gòu)成降低,是環(huán)境效益降低的主要原因.

墨盒處理過(guò)程環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果如圖 3所示.其中,墨盒人工拆解過(guò)程的環(huán)境影響是10.8mPt,環(huán)境效益為 271.0mPt,整體來(lái)看墨盒拆解處理過(guò)程將帶來(lái)較大的環(huán)境效益.具體而言,環(huán)境效益是由塑料回收過(guò)程帶來(lái)的.同時(shí),墨盒清洗用水、試劑使用等因素以及外殼破碎過(guò)程耗電對(duì)環(huán)境造成一定的影響,其中用電占環(huán)境影響的65.5%;清洗試劑的使用對(duì)環(huán)境影響比例為34.4%.墨盒外殼在回收利用過(guò)程,破碎是必須的環(huán)節(jié),如何降低清洗過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的影響,使用環(huán)境無(wú)害的清洗試劑將是進(jìn)一步研究的方向.

圖2 廢棄硒鼓處理過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響Fig.2 Environmental impacts of waste toner cartridges treatment process

圖3 廢棄墨盒處理過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響Fig.3 Environmental impacts of waste ink cartridges treatment process

從人體健康、生態(tài)質(zhì)量和資源保護(hù)3個(gè)指標(biāo)來(lái)看,墨盒拆解處理過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在對(duì)資源的保護(hù),比例約為 84.1%,其次是減少對(duì)人體健康的威脅(15.4%),最后為對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的保護(hù)方面,為0.4%左右.

改變墨盒構(gòu)成數(shù)據(jù),對(duì)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn):墨盒塑料構(gòu)成由90%降低為80%,總體環(huán)境效益降低了 7.4%,對(duì)環(huán)境影響較小.由于墨盒回收過(guò)程的環(huán)境效益主要來(lái)源于對(duì)材料的回收,塑料構(gòu)成的降低直接導(dǎo)致了環(huán)境效益下降,但對(duì)于清洗劑和用水影響較小,因此造成的環(huán)境影響變化不大.

4 結(jié)論

隨著2014年版目錄的頒布實(shí)施,廢棄辦公設(shè)備正式列入《條例》的管理范疇,對(duì)于硒鼓和墨盒等關(guān)鍵部件處理處置技術(shù)的選擇以及處理過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響研究較少.硒鼓中含有 40%左右的塑料和40%左右的金屬,可回收利用潛力大,目前主要處理技術(shù)包括人工拆解、機(jī)械拆解以及焚燒處理;墨盒主要構(gòu)成材料為塑料,回收處理方法主要有人工拆解、機(jī)械拆解以及焚燒處理,回收處理過(guò)程應(yīng)注意墨水的收集.采用層次分析法對(duì)硒鼓和墨盒的處理處置技術(shù)進(jìn)行評(píng)估.結(jié)果顯示國(guó)內(nèi)目前較為適宜的硒鼓和墨盒處理技術(shù)為人工拆解法,人工拆解過(guò)程可以較好的收集殘余的墨粉和墨水,避免其逸散或泄露對(duì)環(huán)境造成更大范圍的污染.同時(shí)可以更好的分離各種材料,提高材料利用率;機(jī)械處理法,流程較長(zhǎng)且需要針對(duì)不同型號(hào)開(kāi)發(fā)不同拆卸裝置,適用性較差.但機(jī)械處理法具有效率高等特點(diǎn),是硒鼓和墨盒處理處置發(fā)展的方向.

采用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)硒鼓和墨盒處理過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明硒鼓和墨盒的人工拆解均可帶來(lái)凈環(huán)境效益.其中硒鼓拆解的環(huán)境效益和環(huán)境影響分別為535.2mP t和27.3mPt.環(huán)境效益主要體現(xiàn)在對(duì)硒鼓中塑料、金屬和磁性材料的回收,以及墨粉焚燒過(guò)程中熱量回收.墨盒拆解過(guò)程將帶來(lái)271.0mPt的環(huán)境效益和10.8mPt環(huán)境危害.環(huán)境效益由塑料回收帶來(lái).從人體健康、生態(tài)質(zhì)量和資源保護(hù)3個(gè)方面看,硒鼓人工拆解過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在減少對(duì)人體健康的威脅,比例約為 68.4%,對(duì)資源和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的保護(hù)分別為30%和1.6%.墨盒人工拆解帶來(lái)的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在對(duì)資源的保護(hù),比例約為 84.1%,減少對(duì)人體健康的威脅和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的保護(hù)方面分別為 15.4%和0.4%左右.

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Study on the environmental impact of waste office equipment critical component treatment.

TAN Quan-yin, LIANG Yang-yang*, DONG Qing-yin, LIU Li-li, LI Jin-hui*(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2646～2655

This paper analyzed the composition of toner cartridges and ink cartridges, which are the key components of the waste office equipment. Evaluations of the toner cartridges and ink cartridges treatment technologies were conducted by adopting Analytic Hierarchy Process (AHP), which included evaluation model construction, experts scoring, and evaluation. The results showed that manual dismantling was the most suitable technology for the waste treatment of toner cartridges and ink cartridges. Additionally, the environmental factor and economic benefit presented higher weights during the evaluation process. The environmental impact of the toner cartridges and ink cartridges disposal processes were assessed through the life cycle assessment (LCA) method, employing the SimPro software and Eco-indicator 99method. It was observed that an environmental benefit of 535.2mPt could be obtained during the manual dismantling process of toner cartridges, which was higher than their environmental impact (27.3mPt). The environmental benefits mainly came from the recycling of plastics, metals and magnetic materials in toner cartridges, and the heat recovery from toner incineration. The toner cartridge dismantling process and the disposal of hazardous waste generated, could have synergistic environmental impacts. Ink cartridge manual dismantling process resulted in environmental benefits of 271.0mPt and environmental impacts of 10.8mPt. Environmental benefits mainly came from plastics recycling. The environmental impacts were caused by the consumption of water and washing reagents for ink cartridges cleaning, and electricity for housing plastics crushing. From the point of view of these three indicators-human health, ecosystem quality and resources, the most significant environmental benefit brought by the toner cartridge manual dismantling process was due to reduction in the threats to human health by 68.4%. Meanwhile, the most significant environmental benefit by ink cartridges manual dismantling was 84.1% conservation resources.

waste office equipment；toner cartridges；ink cartridges；analytic hierarchy process；life circle assessment

X705

A

1000-6923(2017)07-2646-10

譚全銀(1989-),男,貴州興義人,助理研究員,博士,主要從事固體廢物管理及資源化技術(shù)研究.

2016-12-06

港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)(2014DFM90170)

* 責(zé)任作者, 梁揚(yáng)揚(yáng), 工程師, liangyangyang@tsinghua.edu.cn; 李金惠, 教授, jinhui@tsinghua.edu.cn