工业固体废物生命周期管理方法及案例分析

宋小龙,徐 成,杨建新*,吕 彬,赵丽娜 (.中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 00085；.中国环境科学研究院环境标准研究所,北京 000)

工业固体废物生命周期管理方法及案例分析

宋小龙1,徐 成2,杨建新1*,吕 彬1,赵丽娜2(1.中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085；2.中国环境科学研究院环境标准研究所,北京 100012)

通过分析工业固体废物管理过程与工业生产过程间的耦合关系,提出了涵盖减量化过程的工业固体废物生命周期管理框架和方法,并应用于铜渣管理的方案评估与决策过程中.结果表明,铜渣3种不同管理方案的环境负荷值依次为2800.46,2156.00,2162.04Pt.与熔池熔炼法相比,闪速熔炼法虽有利于铜渣的源头减量,但其减少的铜渣量并未导致精铜生产与铜渣管理全过程环境影响的整体下降.单从铜渣的内部再循环工艺来看,处理同样数量的铜渣,选矿法的环境表现优于电炉贫化法.案例研究证实了工业固体废物管理应将减量化过程纳入全生命周期管理方案中进行综合评估,而非简单遵循废物管理的优先顺序和等级制度.

工业固体废物；生命周期管理；减量化；铜渣

工业固体废物在产生、贮存、运输、再循环和最终处置的各个环节,都可能对土壤、水体、大气和人体健康等方面产生危害,因此对其生命周期全过程进行综合管理十分必要.生命周期管理是面向可持续生产和消费,对产品和服务的全生命周期进行的综合管理[1],其理念与方法除应用于企业和行业管理外,还用于指导固体废物管理[2].目前固体废物的生命周期管理主要集中在城市固体废物管理上[3-6].由于工业固体废物没有统一的收集和回收渠道,并且与工业过程高度耦合,因此很难利用传统的生命周期分析方法对其综合管理过程进行研究.已有研究主要涉及工业固体废物的现状分析[7-9]、产生量预测[10-11]、资源化途径[12-13]、综合管理对策[14]、工业区固体废物管理系统[15-16]等.个别学者利用生命周期评价方法研究某一具体工业固体废物综合利用或处置过程中的环境影响[17-19],这类研究大多沿用城市固体废物生命周期评价的方法和思路,将研究对象设定为一定量的已产生的工业固体废物,没有考虑固体废物管理的源头减量化过程.

本研究从全生命周期视角,分析工业固体废物管理与工业过程的整合关系,提出基于减量化过程的工业固体废物生命周期管理框架和方法.选取铜冶炼过程产生的铜渣作为案例,探讨工业固体废物与其相关工业过程一体化管理的可行性,以期为工业固体废物的管理决策提供支持.

1 工业固体废物生命周期管理方法

1.1 概念模型与边界

城市固体废物的生命周期从其产生后的收集开始,依次为运输、分选、再循环、处理和最终处置[5].对城市固体废物来说,通过优化消费过程以减少废物产生量,无疑是废物管理的优先选择.然而,工业固体废物的管理过程却要复杂得多.一方面,工业固体废物的减量化潜力可以通过工艺比较等方法进行量化;另一方面,通过原材料替代、工艺改进和设备更新等手段削减工业固体废物产量,关系到工业生产过程自身的经济效益、技术可行性和其他环境影响等.是否优先选择减量化以及采取何种方式进行减量化,需要将减量化过程的社会经济成本和环境负荷,与工业固体废物产生后的被动管理过程综合分析,方能辨识减量化对废物管理的贡献及对工业生产的影响.

为将减量化过程纳入研究范围,有必要对工业生产过程和工业固体废物管理过程进行整合研究.实际上,工业过程和固体废物都有各自的生命周期[20],而且工业固体废物来自工业生产过程,其减量化和资源化行为本身都属于工业过程,可以通过方案设计对工业固体废物从产生、内部再循环、贮存、运输、外部再循环、最终处置的整个生命周期开展综合研究.基于工业固体废物与工业过程间的耦合关系,提出工业固体废物生命周期管理的概念模型(图1).由图1可见,工业过程A利用原材料生产产品A,同时产生固体废物,并可以通过改进工艺等技术手段实现固体废物的减量化.固体废物产生后,通过内部再循环工艺回到原工业过程中再次提取有用组分.原企业无法利用的固体废物暂时贮存在专设场所内,能用于外部再循环的部分继续运输到其他企业(工业过程B)作原料;对于不能被其他工业过程利用的固体废物则进行安全处置.

图1 工业固体废物生命周期管理的概念模型与边界Fig.1 Conceptual model and system boundary of life cycle management of industrial solid waste

工业固体废物生命周期管理模型所示的复合系统同时具有两类功能,即产品生产功能和固体废物管理功能.其中,工业过程A兼具生产产品A和减少并吸纳部分固体废物的功能;工业过程B以及在此之前的贮存、运输、处置等的主要功能,是对固体废物的综合管理.此外,工业过程 B利用固体废物和部分原生资源组织生产,其产品B和其他类别的固体废物,分别将其界定为系统的副产品和排放物.

1.2 评价方法

1.2.1 功能单位 确定功能单位是开展生命周期分析的基础.在开展产品和城市固体废物生命周期分析时,功能单位大多选择为单位产品或单位重量的城市固体废物.然而,工业固体废物生命周期管理系统的双重功能决定了其复合的功能单位,即“生产单位产品并完成对其产生固体废物的管理”.复合功能的两大部分彼此关联、相互影响.从工业固体废物来看,它的产量来自单位产品的生产过程,同时又可部分回到产品生产过程中;对单位产品生产过程而言,可以选择通过技术改进等手段最大限度减少固体废物的产量,也可以选择优先考虑产品生产过程而让适量的固体废物参与内部再循环和外部再循环.复合功能单位将固体废物管理与产品生产直接挂钩,明确了工业固体废物管理的主体,有利于推行废物的生产者责任延伸制.

1.2.2 分配方法 复合功能单位能够有效避免共生系统的分配问题.在工业固体废物生命周期管理模型中,工业过程A和工业过程B同时具有产品生产和废物处置的功能,理论上需要将此过程的环境影响在产品生产系统和废物管理系统之间进行分配.由于选择“生产单位产品A并完成对其产生固体废物的管理”作为生命周期分析的功能单位,已将产品A的生产功能纳入到复合系统中,因此工业过程A不存在分配问题.至于产品B应承担的那部分环境影响,通过扩展系统边界的方法同样可以避免复杂的分配过程.

1.2.3 评价工具 生命周期管理的定量评价工具包括生命周期评价(LCA)、生命周期成本分析(LCC)、物质流分析(MFA)、环境风险评价(ERA)、成本效益分析(CBA)等[2].利用生命周期评价和生命周期成本分析,分别对工业固体废物生命周期管理系统的环境影响和经济成本效益进行评估.在此基础上计算出单位环境影响的生产价值即生态效率,可直接用于工业固体废物生命周期管理的方案选择和决策过程.

2 铜渣的生命周期管理

以火法生产精铜过程中产生的铜渣(熔炼渣)为例,按照工业固体废物生命周期管理模型对其从产生、内部再循环、贮存、运输、外部再循环直至最终处置的全过程进行解析.通过评估和比较不同管理方案的环境影响,形成整体环境效益最优的铜渣生命周期管理方案和对策.

2.1 情景设定

火法冶炼是精铜生产的主要工艺.熔炼工序是铜火法冶炼的关键环节,当前熔炼的主流技术是以闪速熔炼和熔池熔炼为代表的新型强化熔炼工艺,由此产生的“采矿-浮选-闪速熔炼(熔池熔炼)-转炉吹炼-阳极炉火法精炼-电解精炼”生产流程已成为我国精铜生产的两种典型工艺.从熔炼阶段产生的固体废物来看,闪速熔炼法产生的铜渣量低于熔池熔炼法,但是产生的烟尘量却高于后者[21].强化熔炼产生的铜渣含铜量较大,需要经过内部再循环工艺回收其中的铜.目前铜冶炼厂大多都对产生的铜渣进行贫化处理,主要方法有电炉贫化法和选矿法.

结合上节分析的铜渣减量化和内部再循环的主要工艺,并假定贫化后的铜渣均全部用于生产水泥,设置3种具有代表性的情景.情景1:熔池熔炼法生产精铜-较多的铜渣-电炉贫化-运输-制水泥;情景 2:熔池熔炼法生产精铜-较多的铜渣-渣选矿-运输-制水泥;情景 3:闪速熔炼法生产精铜-较少的铜渣-渣选矿-运输-制水泥.

图2 情景设定及其系统边界Fig.2 Three scenarios and their system boundaries

情景 1中,熔池熔炼法产生较多的铜渣,经电炉贫化后,贫化渣用卡车运输到水泥厂生产水泥,产生的贫化铜锍则返回精铜生产工序.情景2同样用熔池熔炼法生产精铜,产生的铜渣采用浮选法提取渣精矿,渣精矿返回精铜生产过程,渣尾矿送至水泥厂.情景 3中,闪速熔炼法产生的铜渣较少,经浮选法选出渣精矿后,渣尾矿用于生产水泥.

在这3种情景中,假设精铜生产所需的铜矿石全部来自国内开采;采矿炸药、选矿药剂、电解添加剂等由于用量较小,忽略其所造成的环境影响;不考虑烟气制酸、阳极泥提取贵金属等开环再循环所致的分配问题;设定贫化渣和渣尾矿都是作为混合材与水泥熟料等按一定比例进行配比生产水泥产品,并且运输距离均为50km.

2.2 方法选择

利用生命周期评价方法对上述情景的环境负荷进行分析,选取“生产1000kg精铜并完成对其产生铜渣的管理”作为功能单位.生命周期清单数据主要来源于:企业实际生产数据;文献资料数据;GaBi专业数据库;中国科学院生态环境研究中心开发的中国能源生产基础数据库.详见表1.

表1 生命周期清单数据来源Table 1 Data sources of life cycle inventory

本研究采用德国PE INTERNATIONAL开发的GaBi 4软件进行系统建模和生命周期影响评价,GaBi 4包括多种评价方法,如 CML96, CML2001,EDIP97,EDIP2003,UBP,EI95和 EI99等.所选用的生命周期影响评价方法为生态指数99(Eco-indicator 99, EI99).EI99评价方法包括3方面的环境损害类型及其 12个环境影响类型.环境损害类型分别是生态系统质量,人体健康和资源(表 2).其中,生态系统质量的损害通过每年每 km2内物种的相对减少(PDF)进行衡量,包括的环境影响类型有酸化与富营养化、生态毒性、土地功能变化、土地使用.人体健康采用健康指数(DALYs)表示,涉及的影响类型有致癌性、气候变化、臭氧层损耗、放射性、无机物致呼吸损伤和有机物致呼吸损伤.资源的损害通过附加能量(MJ Surplus Energy)来表征,包括化石燃料和矿产资源两方面开采引起的损害(附加能量是指由于人为消耗,使资源数量和质量降低,进而导致将来开采时需要付出额外的能量).

表2 EI99,EE评价方法环境影响分类体系Table 2 Environmental impact categories of EI99,EE

2.3 环境负荷分析

通过构建产品系统,计算得出3种情景依次可从产生的铜渣中提取铜锍 30.8kg、铜精矿155.8kg、铜精矿84.8kg,这些中间产品以内部再循环的方式返回精铜生产过程.另外,经提取有用组分后的铜渣,全部以混合材的形式参与水泥生产,可分别生产水泥 20989.0,9941.5,5408.5kg.经过计算环境影响潜值、标准化和加权等步骤,得到3种情景的环境影响类型评价结果,其大小用EI99分值(Pt)来表征,见表3.表3中的环境影响评价值包括了水泥生产过程产生的环境负荷.实际上,水泥属于所研究的产品系统的共生产品,因此需要对其应承担的环境影响进行分配.扩大系统边界的方法,依次在3种情景的环境影响值中减去相应数量水泥的环境负荷(选择采用原生材料生产的水泥进行类比计算),从而使各情景之间的环境影响具有可比性.

计算出分配后的环境影响类型分值,并按环境损害类型进行累加,得到3种情景的环境损害评价结果(图3).从图3可以看出,3种情景的环境损害类型大小趋势基本相同,从小到大依此是生态系统质量、人体健康和资源.但从3种情景之间的差异来看,情景1的3种环境损害类型均大于情景2和情景3,情景2和情景3之间则各有差异,表现为情景2的生态系统质量损害和资源损害高于情景3,人体健康损害则低于情景3.

表3 环境影响类型评价值(Pt)Table 3 EI99 point of environmental impact(Pt)

图3 环境损害评价结果Fig.3 Results with damage-oriented approach

将环境损害类型分值叠加便得到 3种情景的环境负荷值,分别为 2800.46,2156.00, 2162.04Pt(图4).情景1的环境负荷明显高于情景2和情景 3,而后两者的环境负荷值相差很小.由于情景1和情景2同是采用熔池熔炼法生产精铜,差别仅在于铜渣的贫化方法,因此可以得出:处理同样多的铜渣,情景1采用的电炉贫化法的环境负荷高于情景2采用的渣选矿法.情景2和情景3采用了不同的精铜生产工艺,情景3使用的闪速熔炼法产生的铜渣量低于情景 2使用的熔池熔炼法,属于减量化过程,但是两者的环境负荷大小却大致相等.原因在于闪速熔炼法的原料是干燥后的铜精矿,产生的烟尘量高于熔池熔炼法,使得精铜生产过程的环境负荷增大,增加的环境负荷在很大程度上抵消了铜渣减量化带来的环境正效益.

图4 三种情景的环境负荷评价结果Fig.4 Results on environmental burden of three scenarios

2.4 管理决策

以下结论可直接应用于决策过程.从环境负荷值来看,情景2和情景3是铜渣生命周期管理的理想方案.同等条件下处理同样数量的铜渣,选矿法的环境负荷低于电炉贫化法,选矿法优于电炉贫化法.尽管闪速熔炼法有利于铜渣的减量化,但从精铜生产和铜渣管理的全过程来看,减少的铜渣量并未导致环境影响的整体下降.

本案例研究体现了工业固体废物全生命周期管理的重要性,验证了工业过程与其固体废物整合研究和一体化管理的可行性,同时表明工业固体废物不可片面追求“减量化优先”,而应当将减量化过程放在全生命周期管理方案中进行整体评估和分析.

需要指出的是,本案例只分析了铜渣生命周期管理过程的环境负荷,并没有对社会经济影响进行评估.在实际的工业固体废物生命周期管理研究中,需要关注“工业过程-固体废物”复合系统的环境、经济、技术和社会等多方面的持续改进.

3 结论

3.1 工业固体废物生命周期管理应向前延伸至固体废物的产生环节即工业生产过程,将废物减量化同废物产生后的常规管理过程结合起来,才能更系统全面地评估工业固体废物全生命周期管理方案的整体表现.

3.2 选择“生产单位产品并完成对其产生固体废物的管理”作为功能单位开展工业过程与固体废物管理的整合研究,避免了对工业生产与废物管理中的共生过程进行分配的技术难题,是可行且易操作的工业固体废物生命周期管理方法.

3.3 案例研究结果表明,目前普遍采用的2种铜渣贫化方法中,渣选矿法的环境表现优于电炉贫化法.从精铜生产工艺来看,闪速熔炼法有利于铜渣在源头上实现减量化,然而综合分析精铜生产和铜渣管理的全过程,闪速熔炼法和熔池熔炼法对铜渣的生命周期管理全过程的环境影响差别不大,减量化过程虽然减少了需要处理处置的铜渣量,但同时增加了生产过程的其他环境影响,导致整个系统的环境表现并没有得到改善.由此可见,“减量化优先”原则对工业固体废物管理来说并不总是适用的,工业固体废物综合管理需要更完整的全生命周期视角,而非简单地遵循废物管理的优先顺序和等级制度.

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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

国家环保公益性行业科研专项(200809025);国家自然科学基金资助项目(70773109)

* 责任作者, 研究员, yangjx@rcees.ac.cn

宋小龙(1986-),男,安徽宿松人,中国科学院生态环境研究中心博士研究生,主要从事产业生态与废物管理方面的研究.发表论文5篇.