基于生命周期評價法的貝殼資源化利用環境效益分析*
——以大連市為例

張 蕓 秦承露 侯昊晨 孫曉陽

(工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連理工大學環境學院，遼寧 大連 116024)

貝類作為我國海水養殖的主要品種之一，其生產規模及貿易規模均呈增長趨勢[1]。2016年我國貝類養殖量1 420.8萬t[2]，每加工1 kg貝類會產生300～700 g貝殼。大連市作為我國主要貝類養殖地區之一，2017年貝類產量121.3萬t，貝類總產值126.4億元，每年產生的貝殼廢棄物約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填料的可能性；王波等[4]利用貝殼代替石灰石制備貝殼基生態水泥熟料并對其性能進行了分析；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境影響的環境評估工具[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)的環境影響進行評估，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生的環境影響差異，本研究選取4種貝殼處理方法分別構建LCA模型，評估不同資源化利用方法的環境可行性，為沿海地區探索建立環境友好的高附加值廢棄貝殼利用模式提供科學依據。

1 LCA法介紹

1.1 目標和范圍定義

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種方案的環境影響進行分析。方案0：常規處理方法，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中使用的石灰石，貝殼的摻量為40%(質量分數)[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%(質量分數)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。為確保分析結果的可比性，取1 kg貝殼為1個功能單位，所有數據以該單位為準進行換算。根據設定的研究目標，填埋處理及資源化利用的系統邊界確定如圖1所示。因為4種方案在貝殼廢棄物產生之前的過程完全一樣，因此不考慮貝類養殖生長過程的環境影響，均以貝殼為起點。資源化利用系統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境影響，不再考慮資源化利用后生產的產品的運輸、存儲、使用、廢棄等過程的環境影響。

圖1 系統邊界的確定Fig.1 Determination of system boundary

1.2 清單分析

貝殼中CaCO3的質量分數約為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。

大連市貝類養殖加工基地主要集中在莊河市、長海縣和普蘭店區。長海縣四面環海，長海縣的貝殼在島內單獨進行資源化利用能夠帶來更好的環境效益，對其進行貝殼資源化利用的LCA結果不能夠代表整個大連地區。為此，本研究進行研究時，假設貝殼的運輸起點為皮口港。皮口港位于普蘭店區，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運輸至各個處置地點的平均距離，貝殼均由貨車進行運輸。方案1中假設貝殼被運至102.0 km外的大型水泥廠A進行粉碎處理，經調研，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中假設貝殼被運至距離皮口港45 km的污水處理廠進行粉碎處理，此方案避免了陶粒填料的生產、運輸過程，該污水處理廠的陶粒來源于距離其27.8 km的陶粒生產廠家；方案3假設貝殼被運至建筑工地進行粉碎處理，貝殼運輸的距離越短，資源化利用的環境影響越小，所以假設貝殼只被運往10 km范圍內的建筑工地，取最大值10.0 km進行計算，方案3避免了砂的生產、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、輸出情況進行定量記錄，結果如表1所示。

文中選用的數據來源于企業和eBalance軟件所含的3大數據庫：中國生命周期基礎數據庫(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據來源于CLCD，以保證評價結果符合中國國情。貝殼屬于惰性廢棄物，貝殼的填埋數據由惰性廢棄物的填埋數據代替，不在清單中列出。

1.3 影響評價

利用eBalance軟件對4種方案的環境影響進行建模與計算，將貝殼不同處置方式的輸入輸出數據轉化為單一的環境影響值，以便于比較貝殼不同處置方式的環境影響差異。

2 結果分析

2.1 影響評價結果

eBalance軟件內置常用的十幾種生命周期影響評價(LCIA)特征化指標及面向全國節能減排政策目標的指標。本研究選用專家調查法綜合指標(ISCP2009)所包含的環境影響類別對清單數據的環境影響進行定性與定量評價，8類環境影響類別為：中國資源消耗潛值(CADP)、全球變暖潛值(GWP)、可吸入無機物(RI)、酸化潛值(AP)、富營養化(EP)、固體廢棄物(WS)、化學需氧量(COD)、淡水消耗量(WU)，上述環境影響類別基本包括了目前中國所面臨的環境熱點問題。CADP以銻為基準物質，用于表征中國范圍各資源的稀缺程度；GWP以CO2為基準物質，用于表征溫室氣體對全球變暖的貢獻；RI以PM2.5為基準物質，用于表征因可吸入無機物造成的人體損害；AP以SO2為基準物質，用于表征酸性氣體對酸化的貢獻；EP以磷酸根為基準物質，用于表征營養物質對富營養化的貢獻；WS、COD、WU來源于清單物質，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個環境影響類別上產生的差異，結果為正值代表在該類別上存在環境影響，結果為負值代表在該類別上存在環境效益。4種方案對不同類別的環境影響如表2所示。

從表2可以看出，方案0對8種環境影響類型的環境影響均為正值，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過程中會產生大量的WS，方案1避免了部分石灰石的生產，因此減少了WS的產生；方案2的WU和WS最大，其余環境影響類型的環境影響均為負值，可以帶來較明顯的環境效益；方案3的WU最小，而WS較大，說明其可以節約淡水的使用量，但會產生較多的固體廢棄物，對其余6種環境影響類型的環境影響較小。

根據eBalance軟件中內置8種環境影響類型的權重分布，得到4種方案的加權綜合環境影響值，結果見圖3。可以看出，4種方案中方案3所帶來的環境影響值最大，為3.62×10-14；其次是方案0，環境影響值為1.04×10-14；方案3中，生產0.89 kg砂所造成的環境影響遠小于資源化利用時運輸和粉碎處理1 kg貝殼產生的環境影響，因此該方案造成的環境影響比貝殼填埋大；方案1和方案2帶來的環境影響為負值，分別為-3.78×10-12、-1.85×10-14，說明這兩種處置方式會帶來環境效益，且方案1帶來的環境效益遠大于方案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境效益就遠超出方案2的總環境效益。

圖3 4種方案的加權綜合環境影響值Fig.3 Weighting comprehansive environmental impact of four schemes

2.2 貢獻分析

4種方案處理過程及避免過程各環節對環境影響的貢獻分別見表3、表4。由表3可見，方案0中對環境影響貢獻最大的為填埋環節，貢獻率為56.60%，說明貝殼常規處理過程中填埋對環境造成的影響最大。3種資源化利用方案中，對環境影響貢獻最大的均為貝殼粉碎環節，方案1、方案2、方案3粉碎環節的環境影響貢獻率分別為85.72%、93.55%、98.48%，運輸環節的環境影響貢獻也由距離的增加而升高。由表4可見，避免過程各環節的環境影響主要來源于原材料生產環節，其對方案1、方案2、方案3的貢獻率分別為99.80%、97.07%、86.04%；其中，石灰石開采的環境影響值最大，砂生產的環境影響值最小。而運輸距離的貢獻相對較小，說明在避免過程中運輸環節并不是產生環境影響的主要原因。

表3 處理過程各環節對環境影響的貢獻

表4 避免過程各環節對環境影響的貢獻

3 結論與展望

(1) 運用LCA法分析了貝殼4種不同處置方式的環境影響，發現方案0的環境影響值為1.04×10-14；方案1的環境影響值為-3.78×10-12；方案2的環境影響值為-1.85×10-14；方案3的環境影響值為3.62×10-14，方案1能有效減少貝殼填埋對環境的影響，有更好的環境效益。

(2) 對不同環境影響類型的環境影響值的分析結果表明，方案2對于CADP、GWP、RI、AP、EP和COD這6方面具有很大優勢；方案3可以減少WU；方案1可避免產生大量WS。

(3) 方案0對環境影響貢獻最大的是貝殼的填埋環節；3種資源化利用過程對環境影響貢獻最大的均為貝殼的粉碎環節，原材料生產環節是避免過程中環境影響貢獻的最主要部分，運輸環節對避免過程的環境影響貢獻不大。

(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用，通過對清單數據進行分析，得到廢棄貝殼在資源化利用過程產生的環境效益，可為沿海地區探索建立環境友好的高附加值廢棄貝殼利用模式提出參考。