張 蕓 秦承露 侯昊晨 孫曉陽

(工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，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)模均呈增長趨勢[1]。2016年我國貝類養(yǎng)殖量1 420.8萬t[2]，每加工1 kg貝類會產(chǎn)生300～700 g貝殼。大連市作為我國主要貝類養(yǎng)殖地區(qū)之一，2017年貝類產(chǎn)量121.3萬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t，占全年生活垃圾的近20%。目前，大連市對于貝殼的開發(fā)利用不足，絕大部分貝殼都作為固體廢棄物填埋，不僅浪費大量資源，還占用土地資源造成污染。近年來，人們逐漸開始關(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。

生命周期評價(LCA)法是一種基于生命周期的思想，定量和定性評價研究對象能源消耗及環(huán)境影響的環(huán)境評估工具[7-9]。ALVARENGA等[10]利用LCA法對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)行評估，為海洋貝類利用模式的評價研究提供了新思路。

為對比貝殼在填埋與資源化利用時所產(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象，借助eBalance軟件通過LCA法對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程，包括貝殼處置過程中因替代或消耗部分燃(原)料所產(chǎn)生的開采、運輸、能量消耗以及殘余物填埋等過程。為確保分析結(jié)果的可比性，取1 kg貝殼為1個功能單位，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。因為4種方案在貝殼廢棄物產(chǎn)生之前的過程完全一樣，因此不考慮貝類養(yǎng)殖生長過程的環(huán)境影響，均以貝殼為起點。資源化利用系統(tǒng)以資源化利用為終點，只考慮資源化利用過程中對貝殼加工過程的環(huán)境影響，不再考慮資源化利用后生產(chǎn)的產(chǎn)品的運輸、存儲、使用、廢棄等過程的環(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陶粒計算；方案3中，以1 kg貝殼可代替0.89 kg砂計算。

大連市貝類養(yǎng)殖加工基地主要集中在莊河市、長海縣和普蘭店區(qū)。長?？h四面環(huán)海，長海縣的貝殼在島內(nèi)單獨進(jìn)行資源化利用能夠帶來更好的環(huán)境效益，對其進(jìn)行貝殼資源化利用的LCA結(jié)果不能夠代表整個大連地區(qū)。為此，本研究進(jìn)行研究時，假設(shè)貝殼的運輸起點為皮口港。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的距離可等同于從莊河市或普蘭店區(qū)運輸至各個處置地點的平均距離，貝殼均由貨車進(jìn)行運輸。方案1中假設(shè)貝殼被運至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的石灰石來源于距離水泥廠2 km的石灰石礦山，開采后的石灰石被運往水泥廠進(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采、運輸以及粉碎處理的過程；方案2中假設(shè)貝殼被運至距離皮口港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)、運輸過程，該污水處理廠的陶粒來源于距離其27.8 km的陶粒生產(chǎn)廠家；方案3假設(shè)貝殼被運至建筑工地進(jìn)行粉碎處理，貝殼運輸?shù)木嚯x越短，資源化利用的環(huán)境影響越小，所以假設(shè)貝殼只被運往10 km范圍內(nèi)的建筑工地，取最大值10.0 km進(jìn)行計算，方案3避免了砂的生產(chǎn)、運輸過程，砂的平均運輸距離為23.4 km。貝殼運輸起點與各資源化利用終點的區(qū)位圖如圖2所示。以1 kg貝殼為例，對4種處理方案全過程輸入、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)來源于企業(yè)和eBalance軟件所含的3大數(shù)據(jù)庫：中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)、Ecoinvent 3.1及ELCD 3.0。其中運輸、電力、石灰石開采及貝殼的填埋數(shù)據(jù)來源于CLCD，以保證評價結(jié)果符合中國國情。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 影響評價

利用eBalance軟件對4種方案的環(huán)境影響進(jìn)行建模與計算，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 影響評價結(jié)果

eBalance軟件內(nèi)置常用的十幾種生命周期影響評價(LCIA)特征化指標(biāo)及面向全國節(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)境影響類別對清單數(shù)據(jù)的環(huán)境影響進(jìn)行定性與定量評價，8類環(huán)境影響類別為：中國資源消耗潛值(CADP)、全球變暖潛值(GWP)、可吸入無機(jī)物(RI)、酸化潛值(AP)、富營養(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所面臨的環(huán)境熱點問題。CADP以銻為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征中國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酸化的貢獻(xiàn)；EP以磷酸根為基準(zhǔn)物質(zhì)，用于表征營養(yǎng)物質(zhì)對富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)；WS、COD、WU來源于清單物質(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CADP、GWP、RI、AP、EP及COD的影響最大，而對WS及WU的影響相對較小，這是因為貝殼填埋過程不需要消耗電力，而我國電力主要來源于火電發(fā)電，因此用電情況對WS及WU具有顯著影響；方案1的運輸距離最長，燃料使用最多，導(dǎo)致其對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)過程中會產(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，可以帶來較明顯的環(huán)境效益；方案3的WU最小，而WS較大，說明其可以節(jié)約淡水的使用量，但會產(chǎn)生較多的固體廢棄物，對其余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)果見圖3?？梢钥闯?，4種方案中方案3所帶來的環(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)小于資源化利用時運輸和粉碎處理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帶來的環(huán)境影響為負(fù)值，分別為-3.78×10-12、-1.85×10-14，說明這兩種處置方式會帶來環(huán)境效益，且方案1帶來的環(huán)境效益遠(yuǎn)大于方案2。主要原因是方案1會減少大量的固體廢棄物，僅這一項所帶來的環(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種方案處理過程及避免過程各環(huán)節(jié)對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)分別見表3、表4。由表3可見，方案0中對環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的為填埋環(huán)節(jié)，貢獻(xiàn)率為56.60%，說明貝殼常規(guī)處理過程中填埋對環(huán)境造成的影響最大。3種資源化利用方案中，對環(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，避免過程各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響主要來源于原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其對方案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。而運輸距離的貢獻(xiàn)相對較小，說明在避免過程中運輸環(huán)節(jié)并不是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要原因。

表3 處理過程各環(huán)節(jié)對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

表4 避免過程各環(huán)節(jié)對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

3 結(jié)論與展望

(1) 運用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環(huán)境的影響，有更好的環(huán)境效益。

(2) 對不同環(huán)境影響類型的環(huán)境影響值的分析結(jié)果表明，方案2對于CADP、GWP、RI、AP、EP和COD這6方面具有很大優(yōu)勢；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種資源化利用過程對環(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)是避免過程中環(huán)境影響貢獻(xiàn)的最主要部分，運輸環(huán)節(jié)對避免過程的環(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，目前還沒有廣泛推廣應(yīng)用，通過對清單數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到廢棄貝殼在資源化利用過程產(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。