基于LCA的廢棄手機資源化有效運輸范圍量化研究

李嘉文,宋小龍,趙 迪

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基于LCA的廢棄手機資源化有效運輸范圍量化研究

李嘉文1,2,宋小龍1,3*,趙 迪1,2

(1.上海第二工業大學電子廢棄物研究中心,上海 201209；2.上海第二工業大學工學部,上海 201209；3.上海電子廢棄物資源化協同創新中心,上海 201209)

基于生命周期評價方法(LCA)分析了廢棄手機資源化過程的環境效益和跨區域運輸過程的環境影響,并在此基礎上提出了廢棄手機跨區域流動的有效運輸范圍及其量化方法.通過采用IMPACT 2002+評價模型,從人體健康、生態系統質量、氣候變化、資源消耗四方面對當前中國廢棄手機兩種典型資源化利用方案和運輸過程的環境表現進行了評估.結果表明,兩種資源化方案均表現出顯著環境效益;部件再使用和材料再生過程是廢棄手機資源化環境效益的主要貢獻來源;綜合考慮跨區域運輸過程,在滿足環境效益為正的前提下,包括部件再使用和不包括部件再使用兩種資源化方案的有效運輸范圍分別為0~3094km與0~1248km.同時,對跨區域運輸過程關鍵參數分析后發現,提高鐵路運輸占比和降低貨車運輸空返率可以有效擴大廢棄手機跨區域轉移的運輸范圍.

生命周期評價；廢棄手機；有效運輸范圍；環境影響；IMPACT 2002+

中國作為電器電子產品生產和消費大國,預計2020年將產生15.5億t電子廢棄物[1-2].手機因其體積小、使用頻率高、更新換代快等不同于其他電子產品的特點,已經成為我國報廢數量最多的一類電子產品[3-5].據估算,2013年我國手機報廢量達到7.99億部[6],到2025年將增長至9.37億部[7].廢棄手機在蘊含大量高資源化價值再生材料的同時,也具有潛在環境影響[8-11].當前,我國廢棄手機回收處理處于正規與非正規部門并存的發展初期[12].廢棄手機在市場與經濟利益驅動下經多級回收和轉運[13-15],最終大部分流向位于我國東南沿海和中部省份的手機拆解處理商,或被翻新回用.由于廢棄手機尚未納入廢棄電器電子產品處理基金的補貼范圍,目前正規拆解處理企業較少開展廢棄手機的拆解處理.總體來看,無論是市場自發形成的多級轉運現狀,還是依據電子廢棄物管理遵循的“多渠道回收和集中處理”要求,我國廢棄手機的回收處理過程都存在與傳統“四機一腦”等不同的跨區域流動特征.

應用生命周期評價方法(LCA)辨識、分析、評估電子廢棄物的回收模式及拆解處理工藝正逐漸成為研究的熱點[16-18].除了用于評估電子廢棄物資源化活動的生命周期環境效益[19-21],LCA也可分析各生命周期階段的環境影響轉移情況[22].不少學者使用LCA方法對廢棄手機開展相關研究,涉及回收階段、拆解階段、資源化利用階段[23-24].對于運輸環節,有研究利用LCA方法對電子廢棄物回收運輸環節進行方案比較,設計回收物流網絡[16,25],或進行運輸路徑優化[26].也有學者針對如何確定廢物運輸距離進行研究[27],但主要集中在工業固體廢物方面[28-30].

廢棄手機從回收階段到拆解處理階段之間的一個重要環節是其從回收點到拆解企業之間的流動過程,由此過程帶來的跨區域運輸的環境影響是制約廢棄手機資源化利用可行性和有效性的重要因素[27].當前,我國廢棄手機的跨區域流動路徑尚不清晰,廢棄手機在多元化回收方式和典型拆解處理方案下的環境效益與跨區域運輸所致環境影響間的轉化關系以及在兩者約束下所確定的有效運輸范圍仍有待研究.本研究采用生命周期工具分別建立考慮部件再使用和不考慮部件再使用兩種方案下廢棄手機資源化利用的生命周期模型,以生命周期綜合環境表現為基準,提出有效運輸范圍概念及其量化方法,分析廢棄手機資源化過程的環境效益并確定其跨區域運輸的合理范圍,有助于識別集中處理模式下跨區域流動對廢棄手機資源化活動環境效益的影響,進而支撐拆解處理企業空間布局優化和電子廢棄物管理系統的進一步完善.

1 研究方法與數據獲取

1.1 生命周期環境影響評價方法

采用生命周期工具——GaBi 6.0作為建模和分析軟件,并選用IMPACT 2002+模型量化廢棄手機資源化利用方案及跨區域運輸過程的環境表現.

圖1 廢棄手機回收處理系統邊界

IMPACT 2002+是一種將中點環境影響類型和損害類型結合的評價方法.它將所有類型的生命周期清單結果通過15個環境影響類型(即中點, midpoint)分配給一個或多個環境損害類型(damage),來表示生命周期過程對環境的影響[31-32].其中,前者基于等效原則,即中值特征評分以相對于基準物質的物質當量表示[33],包括水體酸化、水體生態毒性、水體富營養化、致癌性、非致癌性、礦物開采、溫室效應、電離輻射、土地占用、非再生能源消耗、臭氧層消耗、光化學氧化、呼吸系統影響、陸地酸化、陸地生態毒性;后者代表環境的質量變化,包括人體健康、生態系統質量、氣候變化和資源消耗等4種主要類別[34].該方法能夠詳細分析各環境影響類別,并針對終點類型完成環境影響評估[35].

1.1.1 功能單位 本研究中的廢棄手機指手機主體.由于回收到的廢棄手機一般不包含各種配件,故研究對象不包括鋰電池、充電器、數據線、耳機等配件.在生命周期模型建立過程中功能單位界定為1000部廢棄手機.

1.1.2 系統邊界 系統邊界覆蓋廢棄手機從回收到資源化和最終處理的全過程,具體包括廢棄手機傳統回收、互聯網回收、跨區域運輸、拆解、外殼破碎、線路板元器件脫除、線路板基板破碎分選、塑料造粒、金屬材料再生、非金屬材料再生與處置、元器件再使用與處置、液晶屏幕再使用與處置等過程,按生命周期階段可劃分為回收(含區域內運輸)、跨區域運輸、拆解、再使用、再生、最終處置6個環節.研究中為了進一步探究跨區域運輸過程對廢棄手機不同資源化過程的環境效益影響,將研究系統分為三個產品系統進行生命周期影響評價.第一個產品系統即廢棄手機資源化方案1,考慮部件再使用,包括回收、拆解、再使用、再生、處置等生命周期階段;第二個產品系統即廢棄手機資源化方案2,不考慮部件再使用,包括回收、拆解、再生、處置等生命周期階段.第三個產品系統為廢棄手機跨區域運輸過程.廢棄手機回收處理生命周期系統邊界見圖1.

在廢棄手機資源化過程中,回收渠道包括傳統回收方式和新型互聯網回收方式;拆解主要指有資質的拆解處理企業利用人工拆解將廢棄手機拆解為外殼、電路板、液晶屏和其他部件等;電路板在進一步處理之前,其上的電子元器件被移除;通過典型企業調研得知廢棄手機中再使用部件主要包括液晶屏、電路板元器件以及其他零部件,經檢驗合格后直接進入再使用階段;材料再生過程包括金屬冶煉過程、塑料造粒再生過程和無機非金屬材料的再生過程等;安全處置過程包括對殘渣的焚燒和安全填埋;至于跨區域運輸過程,目前廢手機跨區域運輸主要采用的交通工具為貨車,研究中設定為載重2t的汽油驅動貨車.

1.2 有效運輸范圍量化方法

基于生命周期思想,一項需要額外運輸過程的廢棄物處理處置活動,其環境收益(environmental gain)必須大于其所增加的運輸距離帶來的環境損失(environmental loss),在環境表現上才是有效的[30].基于此,本文提出廢棄手機資源化有效運輸范圍是指在一定距離范圍內廢棄手機跨區域運輸的環境影響小于或等于其資源化過程的環境效益.在這一空間范圍內,廢棄手機資源化在環境表現上是可行的,稱之為有效運輸范圍.需要指出的是,這里所指的有效運輸范圍是廢棄手機為實現資源化而增加的跨區域運輸距離,不包括發生在回收環節和拆解處理過程中的城市內和廠區內的運輸距離.

根據以上界定,廢棄手機資源化過程環境表現上有效必須滿足:

EIT￡EBR(1)

即, EIt·￡EBr-EIr(2)

由(1),(2)可知,

￡(EBr-EIr)/EIt(3)

式中:EIT為跨區域運輸過程的環境影響;EBR為廢棄手機資源化過程的整體環境效益;EIt為廢棄手機單位運輸距離的環境影響;為跨區域運輸距離;EBr為材料再生、部件再使用過程產生的環境效益;EIr為回收處理過程產生的環境影響.

1.3 關鍵參數及數據來源

本研究中的廢棄手機均指退出使用階段的廢棄手機,不包括經過翻新和維修后再次進入使用階段的二手手機、翻新手機.研究中對市場上廢棄手機類型進行調研后分為大屏機、翻蓋機、小屏機,并對其重量和部件組成等數據信息進行分類匯總,最終按照3種手機類型的市場占比、平均重量和拆解部件占比等數據,加權平均得到廢棄手機的綜合模型.其中,各拆解部件重量和關鍵材料組成見表1.

表1 廢棄手機拆解部件及材料組成

根據對典型城市廢棄手機回收市場調研發現,我國廢棄手機主要回收類型為傳統回收(占比80%)和互聯網回收(占比20%).其中傳統回收包括維修店回收(占比16%)、走街串巷回收(占比64%);互聯網回收包括線上郵寄回收(占比8%)、線下門店回收(占比8%)和上門回收(占比4%).

廢棄手機拆解、破碎分選、安全處置等過程數據來自典型拆解企業的拆解工藝數據;對于部件的再使用過程,依據市場需求只考慮大屏機部件再使用,包括液晶屏、電路板元器件和其他零部件(如攝像頭、振子、聽筒、話筒、揚聲器等);材料再生過程包括金屬再生、塑料造粒、環氧樹脂再生、玻璃纖維再生、橡膠再生等再生過程;在開展生命周期評價研究時,不考慮設備、場地、機器等折舊與維護情況.

研究中優先采用市場調研與企業實際生產過程作為一手數據來源,缺失的數據則采用拆解實驗數據進行補充.對于背景過程以及難以獲得一手數據的單元過程,如,能源生產過程、再使用部件產品的生產替代過程、塑料造粒過程、金屬再生過程、非金屬材料再生過程、運輸過程,本研究選用PE-database和ecoinvent3等成熟的商業數據庫數據并與相關文獻數據進行交叉驗證,確保了數據的代表性.生命周期清單數據來源及參數取值詳見表2.

表2 生命周期清單數據參數取值及來源

2 結果與討論

2.1 生命周期環境影響評價結果

針對廢棄手機資源化方案1、方案2、跨區域運輸過程建立生命周期模型,使用生命周期評價方法IMPACT 2002+對模型數據進行量化,得到15個中點環境影響類型(midpoint)評價結果(表3).

結果表明,兩種方案的15個中點環境影響類型結果均為負值,說明資源化過程環境表現顯示為環境效益.廢棄手機跨區域運輸環節中環境影響主要來源是汽油的生產過程以及行駛過程中的尾氣排放,在水體生態毒性、非再生能源消耗、呼吸系統影響、溫室效應等影響類型方面表現出突出環境影響.

進一步選取典型中點環境影響類型進行分析:(1)溫室效應:溫室效應的主要影響因素是向大氣中排放二氧化碳和甲烷等溫室氣體,在方案1和方案2中表現為避免了溫室氣體的排放.其中,資源化過程中線路板元器件再使用貢獻占比28.56%、液晶屏再使用貢獻占比31.53%、元器件再生過程占比42.29%、線路板材料再生過程占比11.6%.元器件再生過程貢獻占比最高,為溫室效應環境效益的最大貢獻來源.跨區域運輸過程中主要溫室氣體排放來源于貨車行駛.其中汽油生產過程和使用過程對溫室效應的貢獻分別為14.53%和85.47%.(2)礦物開采:礦物開采主要影響因素是產品生命周期中可供人類利用的天然礦物資源的開采情況,在廢棄手機資源化過程中電力消耗和汽油消耗均會對產生該環境影響,而部件再使用和材料再生則會避免礦物開采.分析表明,線路板元器件再使用貢獻占比22.81%、液晶屏再使用貢獻占比36.49%、元器件再生過程占比23.54%、線路板材料再生過程占比15.40%.液晶屏再使用過程為主要貢獻來源.跨區域運輸過程在礦物開采的環境影響主要來自汽油生產過程.

表3 IMPACT 2002+中點環境影響類型評價結果

注: eq為當量,TEG為triethylene glycol.

2.2 有效運輸范圍量化結果

為得到在兩種資源化方案下的有效運輸范圍,在中點環境影響類型結果的基礎上,采用環境損害類型評價分值表征方案1和方案2的環境影響(圖2).

圖2 廢棄手機資源化方案環境損害評價結果

由圖2可以看出,兩種資源化方案的環境表現均為環境效益,且方案1中4種環境損害類型的評價分值均分別低于方案2,原因是兩方案中涉及到的部件再使用和材料再生過程對人體健康、生態系統質量、氣候變化、資源消耗貢獻較大,可以抵消回收過程以及拆解處理過程中能源消耗和環境排放物所帶來的環境影響,且方案1在考慮材料再生的基礎上考慮了部件再使用過程.對4種環境損害類型進行分析,人體健康分值在兩方案中均為最低,分別為-4.11、-1.62;資源消耗分值在兩方案中均為最高,分別為-1.01、-0.42;兩方案中4種環境損害類型分值的大小規律保持一致.對4種環境損害類型的環境影響進行歸一化處理,可得方案1和方案2的環境損害分值分別為-7.96和-3.21.按廢棄手機資源化過程不同生命周期階段進行分析,兩方案中回收階段、拆解階段、安全處置階段環境影響貢獻較小,部件再使用階段與材料再生階段貢獻較大.其中,方案1部件再使用階段與材料再生階段分別占比63.50%和40.65%;方案2材料再生過程占比高達112.60%.此外,跨區域運輸過程表現為環境損耗,環境損害分值為2.57í10-3,其中人體健康、生態系統質量、氣候變化和資源消耗分值依次為2.57í10-3、1.01í10-7、1.58í10-6和1.84í10-6.

基于廢棄手機資源化方案和跨區域運輸過程的環境損害分值,分別轉化為環境效益和環境影響值后,代入式(3),最終計算出在環境表現可行的條件下方案1的最大有效運輸范圍為0~3094km,方案2的最大有效運輸范圍為0~1248km.也就是說,從環境表現上來看,如果考慮零部件再使用情況,則廢棄手機資源化在0~3094km的跨區域運輸范圍內是可行的;如果不考慮廢棄手機零部件的再使用,則在0~1248km的跨區域運輸范圍內是可行的.若以中國地理版圖的幾何中心(蘭州)為廢棄手機的回收點,模擬跨區域轉移過程,則兩種資源化方案下的有效運輸范圍如圖3所示.結果顯示,考慮廢棄手機零部件再使用的資源化方案可以實現其在我國全范圍內進行跨區域公路運輸,不考慮零部件再使用則有效運輸范圍將會明顯縮小,其環境效益僅能承載廢棄手機在中部省份進行跨區域轉移.

圖3 廢棄手機資源化方案下的有效運輸范圍

2.3 跨區域運輸過程關鍵參數分析

為深入研究關鍵因素對廢棄手機跨區域運輸有效范圍的影響,結合前文的參數設定與關鍵假設,分別選取運輸方式和貨車空返率兩個參數進行討論分析.

針對廢棄手機跨區域轉運過程中可能采取的不同運輸方式,設定鐵路運輸占比從0增長至50%(即相應的貨車運輸占比從100%降至50%)分析有效運輸范圍的變化情況.結果顯示,隨著鐵路運輸的占比增加有效運輸范圍呈上升趨勢,方案1與方案2中的有效運輸范圍分別由0~3094km和0~ 1248km增長至0~6189km與0~2496km(圖4).由此可見,在環境表現可行的條件下,增加鐵路運輸方式占比可以提高我國廢棄手機跨區域轉移的有效運輸范圍.

圖4 鐵路運輸占比對有效運輸范圍的影響

圖5 公路運輸貨車空返率對有效運輸范圍的影響

考慮到目前我國廢棄手機跨區域運輸可能存在較高的空返率,因此有必要分析貨車在跨區域運輸中的空返情況.設定貨車空返率從0增加至100%,考察廢棄手機跨區域流動有效運輸范圍的變化趨勢.結果表明,貨車空返率的提高將導致有效運輸范圍的顯著減少,由此引起方案1與方案2中的有效運輸范圍分別由0~3094km和0~1248km減少至0~1747km與0~704km(圖5).因此,在我國現有運輸條件基礎上降低貨車跨區域運輸空返率,可以擴大廢棄手機資源化過程跨區域轉移的有效運輸范圍.

3 結論

3.1 采用生命周期環境影響評價方法IMPACT 2002+,針對兩種廢棄手機資源化利用方案和跨區域運輸過程分別建立生命周期模型.環境影響類型分析結果表明,廢棄手機資源化過程表現為環境效益,且線路板元器件再使用、液晶屏再使用、元器件材料再生為各項中點環境影響類型的主要貢獻來源.

3.2 對方案1、方案2、跨區域運輸過程四種環境損害類型結果進行分析表明,方案1、方案2、跨區域運輸過程的環境損害分值分別為-7.96、-3.21、2.57í10-3;方案1中廢棄手機部件再使用和材料再生過程是資源化環境效益的主要貢獻來源,分別占比63.50%和40.65%;方案2中材料再生過程是資源化環境效益的主要貢獻來源,占比高達112.60%;至于跨區域運輸過程,汽油生產是造成其環境影響的主要因素.

3.3 在跨區域運輸環境影響不大于資源化過程環境效益的前提下,計算得到資源化方案1、方案2對應的有效運輸范圍分別為0~3094km與0~1248km.在環境表現可行條件下考慮廢棄手機的零部件再使用可以擴大其有效運輸距離,從而支持廢棄手機回收處理企業在更大的空間范圍內進行布局.對廢棄手機跨區域運輸過程的運輸方式和空返率兩個關鍵參數進行分析表明,提高鐵路運輸占比以及降低貨車運輸的空返率可以有效提高廢棄手機跨區域轉移的有效運輸范圍.

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LI Jia-wen1,2, SONG Xiao-long1,3*, ZHAO Di1,2

(1.WEEE Research Center of Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；2.College of Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；3.Shanghai Collaborative Innovation Center for WEEE Recycling, Shanghai 201209, China)., 2019,39(2)：698~705

A life cycle method was carried out to assess the environmental impacts of waste mobilephones in both recycling process and cross-regional transport process. Based on which, this paper defined the effective transport range and quantization method of the cross-regional transport process. The environmental performance of recycling process and transport process, were analyzed by using the IMPACT2002+ approach. The paper divided the recycling process into two scenarios according to the difference of the reuse process. The results showed that the two typical recycling processes were all shown as environmental benefits; the recycled materials and reused parts were the main sources of the environment benefits; and the effective transport range of two processes were 0~3094km and 0~1248km. Meanwhile, an analysis of the key parameters was also conducted to assess the influence of transport tools and theempty return rate ofcross-regional transport processes. It was found that increasing the proportion of railway transport and reducing the empty return rate of truck transport can effectively expand the transport range.

life cycle assessment；waste mobilephone；effective transport range；environmental impact；IMPACT 2002+

X32

A

1000-6923(2019)02-0698-08

李嘉文(1993-),女,河北邯鄲人,上海第二工業大學碩士研究生,主要從事電子廢棄物資源化和生命周期評價(LCA)及其應用研究.

2018-07-20

國家自然科學基金資助項目(41501598);上海第二工業大學研究生項目基金(EGD17YJ0008);上海市高原學科—環境科學與工程(資源循環科學與工程)

* 責任作者, 副研究員, songxiaolong@sspu.edu.cn