工業固體廢物生命周期管理方法及案例分析

宋小龍,徐 成,楊建新*,呂 彬,趙麗娜 (.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 00085；.中國環境科學研究院環境標準研究所,北京 000)

工業固體廢物生命周期管理方法及案例分析

宋小龍1,徐 成2,楊建新1*,呂 彬1,趙麗娜2(1.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；2.中國環境科學研究院環境標準研究所,北京 100012)

通過分析工業固體廢物管理過程與工業生產過程間的耦合關系,提出了涵蓋減量化過程的工業固體廢物生命周期管理框架和方法,并應用于銅渣管理的方案評估與決策過程中.結果表明,銅渣3種不同管理方案的環境負荷值依次為2800.46,2156.00,2162.04Pt.與熔池熔煉法相比,閃速熔煉法雖有利于銅渣的源頭減量,但其減少的銅渣量并未導致精銅生產與銅渣管理全過程環境影響的整體下降.單從銅渣的內部再循環工藝來看,處理同樣數量的銅渣,選礦法的環境表現優于電爐貧化法.案例研究證實了工業固體廢物管理應將減量化過程納入全生命周期管理方案中進行綜合評估,而非簡單遵循廢物管理的優先順序和等級制度.

工業固體廢物；生命周期管理；減量化；銅渣

工業固體廢物在產生、貯存、運輸、再循環和最終處置的各個環節,都可能對土壤、水體、大氣和人體健康等方面產生危害,因此對其生命周期全過程進行綜合管理十分必要.生命周期管理是面向可持續生產和消費,對產品和服務的全生命周期進行的綜合管理[1],其理念與方法除應用于企業和行業管理外,還用于指導固體廢物管理[2].目前固體廢物的生命周期管理主要集中在城市固體廢物管理上[3-6].由于工業固體廢物沒有統一的收集和回收渠道,并且與工業過程高度耦合,因此很難利用傳統的生命周期分析方法對其綜合管理過程進行研究.已有研究主要涉及工業固體廢物的現狀分析[7-9]、產生量預測[10-11]、資源化途徑[12-13]、綜合管理對策[14]、工業區固體廢物管理系統[15-16]等.個別學者利用生命周期評價方法研究某一具體工業固體廢物綜合利用或處置過程中的環境影響[17-19],這類研究大多沿用城市固體廢物生命周期評價的方法和思路,將研究對象設定為一定量的已產生的工業固體廢物,沒有考慮固體廢物管理的源頭減量化過程.

本研究從全生命周期視角,分析工業固體廢物管理與工業過程的整合關系,提出基于減量化過程的工業固體廢物生命周期管理框架和方法.選取銅冶煉過程產生的銅渣作為案例,探討工業固體廢物與其相關工業過程一體化管理的可行性,以期為工業固體廢物的管理決策提供支持.

1 工業固體廢物生命周期管理方法

1.1 概念模型與邊界

城市固體廢物的生命周期從其產生后的收集開始,依次為運輸、分選、再循環、處理和最終處置[5].對城市固體廢物來說,通過優化消費過程以減少廢物產生量,無疑是廢物管理的優先選擇.然而,工業固體廢物的管理過程卻要復雜得多.一方面,工業固體廢物的減量化潛力可以通過工藝比較等方法進行量化;另一方面,通過原材料替代、工藝改進和設備更新等手段削減工業固體廢物產量,關系到工業生產過程自身的經濟效益、技術可行性和其他環境影響等.是否優先選擇減量化以及采取何種方式進行減量化,需要將減量化過程的社會經濟成本和環境負荷,與工業固體廢物產生后的被動管理過程綜合分析,方能辨識減量化對廢物管理的貢獻及對工業生產的影響.

為將減量化過程納入研究范圍,有必要對工業生產過程和工業固體廢物管理過程進行整合研究.實際上,工業過程和固體廢物都有各自的生命周期[20],而且工業固體廢物來自工業生產過程,其減量化和資源化行為本身都屬于工業過程,可以通過方案設計對工業固體廢物從產生、內部再循環、貯存、運輸、外部再循環、最終處置的整個生命周期開展綜合研究.基于工業固體廢物與工業過程間的耦合關系,提出工業固體廢物生命周期管理的概念模型(圖1).由圖1可見,工業過程A利用原材料生產產品A,同時產生固體廢物,并可以通過改進工藝等技術手段實現固體廢物的減量化.固體廢物產生后,通過內部再循環工藝回到原工業過程中再次提取有用組分.原企業無法利用的固體廢物暫時貯存在專設場所內,能用于外部再循環的部分繼續運輸到其他企業(工業過程B)作原料;對于不能被其他工業過程利用的固體廢物則進行安全處置.

圖1 工業固體廢物生命周期管理的概念模型與邊界Fig.1 Conceptual model and system boundary of life cycle management of industrial solid waste

工業固體廢物生命周期管理模型所示的復合系統同時具有兩類功能,即產品生產功能和固體廢物管理功能.其中,工業過程A兼具生產產品A和減少并吸納部分固體廢物的功能;工業過程B以及在此之前的貯存、運輸、處置等的主要功能,是對固體廢物的綜合管理.此外,工業過程 B利用固體廢物和部分原生資源組織生產,其產品B和其他類別的固體廢物,分別將其界定為系統的副產品和排放物.

1.2 評價方法

1.2.1 功能單位 確定功能單位是開展生命周期分析的基礎.在開展產品和城市固體廢物生命周期分析時,功能單位大多選擇為單位產品或單位重量的城市固體廢物.然而,工業固體廢物生命周期管理系統的雙重功能決定了其復合的功能單位,即“生產單位產品并完成對其產生固體廢物的管理”.復合功能的兩大部分彼此關聯、相互影響.從工業固體廢物來看,它的產量來自單位產品的生產過程,同時又可部分回到產品生產過程中;對單位產品生產過程而言,可以選擇通過技術改進等手段最大限度減少固體廢物的產量,也可以選擇優先考慮產品生產過程而讓適量的固體廢物參與內部再循環和外部再循環.復合功能單位將固體廢物管理與產品生產直接掛鉤,明確了工業固體廢物管理的主體,有利于推行廢物的生產者責任延伸制.

1.2.2 分配方法 復合功能單位能夠有效避免共生系統的分配問題.在工業固體廢物生命周期管理模型中,工業過程A和工業過程B同時具有產品生產和廢物處置的功能,理論上需要將此過程的環境影響在產品生產系統和廢物管理系統之間進行分配.由于選擇“生產單位產品A并完成對其產生固體廢物的管理”作為生命周期分析的功能單位,已將產品A的生產功能納入到復合系統中,因此工業過程A不存在分配問題.至于產品B應承擔的那部分環境影響,通過擴展系統邊界的方法同樣可以避免復雜的分配過程.

1.2.3 評價工具 生命周期管理的定量評價工具包括生命周期評價(LCA)、生命周期成本分析(LCC)、物質流分析(MFA)、環境風險評價(ERA)、成本效益分析(CBA)等[2].利用生命周期評價和生命周期成本分析,分別對工業固體廢物生命周期管理系統的環境影響和經濟成本效益進行評估.在此基礎上計算出單位環境影響的生產價值即生態效率,可直接用于工業固體廢物生命周期管理的方案選擇和決策過程.

2 銅渣的生命周期管理

以火法生產精銅過程中產生的銅渣(熔煉渣)為例,按照工業固體廢物生命周期管理模型對其從產生、內部再循環、貯存、運輸、外部再循環直至最終處置的全過程進行解析.通過評估和比較不同管理方案的環境影響,形成整體環境效益最優的銅渣生命周期管理方案和對策.

2.1 情景設定

火法冶煉是精銅生產的主要工藝.熔煉工序是銅火法冶煉的關鍵環節,當前熔煉的主流技術是以閃速熔煉和熔池熔煉為代表的新型強化熔煉工藝,由此產生的“采礦-浮選-閃速熔煉(熔池熔煉)-轉爐吹煉-陽極爐火法精煉-電解精煉”生產流程已成為我國精銅生產的兩種典型工藝.從熔煉階段產生的固體廢物來看,閃速熔煉法產生的銅渣量低于熔池熔煉法,但是產生的煙塵量卻高于后者[21].強化熔煉產生的銅渣含銅量較大,需要經過內部再循環工藝回收其中的銅.目前銅冶煉廠大多都對產生的銅渣進行貧化處理,主要方法有電爐貧化法和選礦法.

結合上節分析的銅渣減量化和內部再循環的主要工藝,并假定貧化后的銅渣均全部用于生產水泥,設置3種具有代表性的情景.情景1:熔池熔煉法生產精銅-較多的銅渣-電爐貧化-運輸-制水泥;情景 2:熔池熔煉法生產精銅-較多的銅渣-渣選礦-運輸-制水泥;情景 3:閃速熔煉法生產精銅-較少的銅渣-渣選礦-運輸-制水泥.

圖2 情景設定及其系統邊界Fig.2 Three scenarios and their system boundaries

情景 1中,熔池熔煉法產生較多的銅渣,經電爐貧化后,貧化渣用卡車運輸到水泥廠生產水泥,產生的貧化銅锍則返回精銅生產工序.情景2同樣用熔池熔煉法生產精銅,產生的銅渣采用浮選法提取渣精礦,渣精礦返回精銅生產過程,渣尾礦送至水泥廠.情景 3中,閃速熔煉法產生的銅渣較少,經浮選法選出渣精礦后,渣尾礦用于生產水泥.

在這3種情景中,假設精銅生產所需的銅礦石全部來自國內開采;采礦炸藥、選礦藥劑、電解添加劑等由于用量較小,忽略其所造成的環境影響;不考慮煙氣制酸、陽極泥提取貴金屬等開環再循環所致的分配問題;設定貧化渣和渣尾礦都是作為混合材與水泥熟料等按一定比例進行配比生產水泥產品,并且運輸距離均為50km.

2.2 方法選擇

利用生命周期評價方法對上述情景的環境負荷進行分析,選取“生產1000kg精銅并完成對其產生銅渣的管理”作為功能單位.生命周期清單數據主要來源于:企業實際生產數據;文獻資料數據;GaBi專業數據庫;中國科學院生態環境研究中心開發的中國能源生產基礎數據庫.詳見表1.

表1 生命周期清單數據來源Table 1 Data sources of life cycle inventory

本研究采用德國PE INTERNATIONAL開發的GaBi 4軟件進行系統建模和生命周期影響評價,GaBi 4包括多種評價方法,如 CML96, CML2001,EDIP97,EDIP2003,UBP,EI95和 EI99等.所選用的生命周期影響評價方法為生態指數99(Eco-indicator 99, EI99).EI99評價方法包括3方面的環境損害類型及其 12個環境影響類型.環境損害類型分別是生態系統質量,人體健康和資源(表 2).其中,生態系統質量的損害通過每年每 km2內物種的相對減少(PDF)進行衡量,包括的環境影響類型有酸化與富營養化、生態毒性、土地功能變化、土地使用.人體健康采用健康指數(DALYs)表示,涉及的影響類型有致癌性、氣候變化、臭氧層損耗、放射性、無機物致呼吸損傷和有機物致呼吸損傷.資源的損害通過附加能量(MJ Surplus Energy)來表征,包括化石燃料和礦產資源兩方面開采引起的損害(附加能量是指由于人為消耗,使資源數量和質量降低,進而導致將來開采時需要付出額外的能量).

表2 EI99,EE評價方法環境影響分類體系Table 2 Environmental impact categories of EI99,EE

2.3 環境負荷分析

通過構建產品系統,計算得出3種情景依次可從產生的銅渣中提取銅锍 30.8kg、銅精礦155.8kg、銅精礦84.8kg,這些中間產品以內部再循環的方式返回精銅生產過程.另外,經提取有用組分后的銅渣,全部以混合材的形式參與水泥生產,可分別生產水泥 20989.0,9941.5,5408.5kg.經過計算環境影響潛值、標準化和加權等步驟,得到3種情景的環境影響類型評價結果,其大小用EI99分值(Pt)來表征,見表3.表3中的環境影響評價值包括了水泥生產過程產生的環境負荷.實際上,水泥屬于所研究的產品系統的共生產品,因此需要對其應承擔的環境影響進行分配.擴大系統邊界的方法,依次在3種情景的環境影響值中減去相應數量水泥的環境負荷(選擇采用原生材料生產的水泥進行類比計算),從而使各情景之間的環境影響具有可比性.

計算出分配后的環境影響類型分值,并按環境損害類型進行累加,得到3種情景的環境損害評價結果(圖3).從圖3可以看出,3種情景的環境損害類型大小趨勢基本相同,從小到大依此是生態系統質量、人體健康和資源.但從3種情景之間的差異來看,情景1的3種環境損害類型均大于情景2和情景3,情景2和情景3之間則各有差異,表現為情景2的生態系統質量損害和資源損害高于情景3,人體健康損害則低于情景3.

表3 環境影響類型評價值(Pt)Table 3 EI99 point of environmental impact(Pt)

圖3 環境損害評價結果Fig.3 Results with damage-oriented approach

將環境損害類型分值疊加便得到 3種情景的環境負荷值,分別為 2800.46,2156.00, 2162.04Pt(圖4).情景1的環境負荷明顯高于情景2和情景 3,而后兩者的環境負荷值相差很小.由于情景1和情景2同是采用熔池熔煉法生產精銅,差別僅在于銅渣的貧化方法,因此可以得出:處理同樣多的銅渣,情景1采用的電爐貧化法的環境負荷高于情景2采用的渣選礦法.情景2和情景3采用了不同的精銅生產工藝,情景3使用的閃速熔煉法產生的銅渣量低于情景 2使用的熔池熔煉法,屬于減量化過程,但是兩者的環境負荷大小卻大致相等.原因在于閃速熔煉法的原料是干燥后的銅精礦,產生的煙塵量高于熔池熔煉法,使得精銅生產過程的環境負荷增大,增加的環境負荷在很大程度上抵消了銅渣減量化帶來的環境正效益.

圖4 三種情景的環境負荷評價結果Fig.4 Results on environmental burden of three scenarios

2.4 管理決策

以下結論可直接應用于決策過程.從環境負荷值來看,情景2和情景3是銅渣生命周期管理的理想方案.同等條件下處理同樣數量的銅渣,選礦法的環境負荷低于電爐貧化法,選礦法優于電爐貧化法.盡管閃速熔煉法有利于銅渣的減量化,但從精銅生產和銅渣管理的全過程來看,減少的銅渣量并未導致環境影響的整體下降.

本案例研究體現了工業固體廢物全生命周期管理的重要性,驗證了工業過程與其固體廢物整合研究和一體化管理的可行性,同時表明工業固體廢物不可片面追求“減量化優先”,而應當將減量化過程放在全生命周期管理方案中進行整體評估和分析.

需要指出的是,本案例只分析了銅渣生命周期管理過程的環境負荷,并沒有對社會經濟影響進行評估.在實際的工業固體廢物生命周期管理研究中,需要關注“工業過程-固體廢物”復合系統的環境、經濟、技術和社會等多方面的持續改進.

3 結論

3.1 工業固體廢物生命周期管理應向前延伸至固體廢物的產生環節即工業生產過程,將廢物減量化同廢物產生后的常規管理過程結合起來,才能更系統全面地評估工業固體廢物全生命周期管理方案的整體表現.

3.2 選擇“生產單位產品并完成對其產生固體廢物的管理”作為功能單位開展工業過程與固體廢物管理的整合研究,避免了對工業生產與廢物管理中的共生過程進行分配的技術難題,是可行且易操作的工業固體廢物生命周期管理方法.

3.3 案例研究結果表明,目前普遍采用的2種銅渣貧化方法中,渣選礦法的環境表現優于電爐貧化法.從精銅生產工藝來看,閃速熔煉法有利于銅渣在源頭上實現減量化,然而綜合分析精銅生產和銅渣管理的全過程,閃速熔煉法和熔池熔煉法對銅渣的生命周期管理全過程的環境影響差別不大,減量化過程雖然減少了需要處理處置的銅渣量,但同時增加了生產過程的其他環境影響,導致整個系統的環境表現并沒有得到改善.由此可見,“減量化優先”原則對工業固體廢物管理來說并不總是適用的,工業固體廢物綜合管理需要更完整的全生命周期視角,而非簡單地遵循廢物管理的優先順序和等級制度.

[1] Unep. Unep Guide to Life Cycle MANAGEMENT - A bridge to sustainable products [R]. 2006:8-12.

[2] 宋小龍,徐 成,趙麗娜,等.生命周期管理研究現狀與展望 [J].生態經濟, 2010(3):47-51.

[3] Keoleian G A, Spitzley D V. Guidance for improving life-cycle design and management of milk packaging [J]. Journal of Industrial Ecology, 1999,3(1):111-126.

[4] Reich M C. Economic assessment of municipal waste management systems--case studies using a combination of life cycle assessment (LCA) and life cycle costing (LCC) [J]. Journal of Cleaner Production, 2005,13(3):253-263.

[5] Weitz K, Barlaz M, Ranjithan R, et al. Life cycle management of municipal solid waste [J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 1999,4(4):195-201.

[6] 徐 成,胡 聃.城市生活垃圾的生命周期管理 [J]. 中國人口.資源與環境, 1999,9(2):56-60.

[7] Mbuligwe S E, Kaseva M E. Assessment of industrial solid waste management and resource recovery practices in Tanzania[J]. Resources, Conservation and Recycling,2006,47(3):260-276.

[8] 范文虎.我國工業固體廢物現狀及管理對策研究 [J]. 科技情報開發與經濟, 2007,17(33):93-94.

[9] 中國環境保護產業協會固體廢物處理利用委員會.我國工業固體廢物污染治理行業 2006年發展報告 [J]. 中國環保產業, 2007(11):12-15.

[10] 林藝蕓,張江山,劉常青.中國工業固體廢物產生量的預測及對策研究 [J]. 環境科學與管理, 2008,33(7):47-50.

[11] 劉常青,趙由才,張江山,等.上海市工業固體廢物產生量預測研究 [J]. 有色冶金設計與研究, 2007,28(2):58-63,71.

[12] 楊鵲平,王憲恩,朱顯梅.吉林省工業固體廢物在水泥行業的資源化研究 [J]. 東北師大學報(自然科學版), 2006,38(4): 138-142.

[13] 趙 晉,王 健.金屬礦山固體廢物處置與利用途徑分析 [J].有色冶金設計與研究, 2007(3):55-57.

[14] Jurczak M G. Management of industrial and municipal solid wastes in Poland[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2001,32(2):85-103.

[15] Casares M L, Ulierte N, Mataran A, et al. Solid industrial wastes and their management in Asegra (Granada, Spain) [J]. Waste Management, 2005,25(10):1075-1082.

[16] Geng Y, Zhu Q H, Haight M. Planning for integrated solid waste management at the industrial Park level: A case of Tianjin, China [J]. Waste Management, 2007,27(1):141-150.

[17] Reid C, Becaert V, Aubertin M, et al. Life cycle assessment of mine tailing management in Canada [J]. Journal of Cleaner Production, 2009,17(4):471-479.

[18] 李英順,路邁西,胡華龍,等.用生命周期的方法評價銅爐渣作為銅選礦原料的環境影響 [J]. 環境工程學報, 2009,3(2):349-353.

[19] 李 冬,司繼濤,王洪濤.鉻渣處理處置方法的生命周期評價 [J].現代化工, 2006,(26):298-301.

[20] Graedel T E, Allenby B R. 產業生態學(第2版) [M]. 施涵,譯.北京:清華大學出版社, 2004:103-113.

[21] 國家環境保護局科技標準司.工業污染物產生和排放系數手冊[M]. 北京:中國環境科學出版社, 1996:22-28.

[22] 《有色金屬提取冶金手冊》編委會.有色金屬提取冶金手冊?銅鎳 [M]. 北京:冶金工業出版社, 2000.

[23] 陳 超.水泥生產過程物質能量代謝與環境影響評價研究 [D].北京:中國科學院研究生院, 2007.

A method for life cycle management of industrial solid waste and its case study.

SONG Xiao-long1, XU Cheng2, YANG Jian-xin1*, Lü Bin1, ZHAO Li-na2(1.Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.Institute of Environmental Standards, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：1051～1056

Based on analysis of the relationship between industrial solid waste management and industrial process, framework and method for life cycle management of industrial solid waste which integrate the source reduction process was presented. A case study of copper slag management was conducted with this method. The environmental burden of three scenarios for copper slag management was 2800.46 Pt, 2156.00 Pt and 2162.04 Pt, respectively. Although Flash Smelting could promote reduction of copper slag compared with Bath Smelting, it did not relieve the gross environmental impacts in the whole life cycle of fine copper production and copper slag management. In consideration of slag closed-loop recycling process, environmental performance of Floatation Approach excelled that of Electric Furnace Impoverishment when treating the same quantity of copper slag. The case study proved that it is necessary to integrate the reduction process into the whole life cycle of industrial solid waste and make an integrated assessment of industrial solid waste management scheme, rather than to follow priority and hierarchy simply.

industrial solid waste；life cycle management；reduction；copper slag

X32

A

1000-6923(2011)06-1051-06

2010-10-12

國家環保公益性行業科研專項(200809025);國家自然科學基金資助項目(70773109)

* 責任作者, 研究員, yangjx@rcees.ac.cn

宋小龍(1986-),男,安徽宿松人,中國科學院生態環境研究中心博士研究生,主要從事產業生態與廢物管理方面的研究.發表論文5篇.