基于生命周期视角的产业资源生态管理效益分析——以虚拟共生网络系统为例

施晓清，李笑诺，杨建新

(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)

如何管理资源流使其在产业生态系统得到高效利用并与自然生态系统物质流相协调是当今产业生态领域面临的挑战之一。产业资源流生态管理研究的核心是通过研究资源在产业生态系统的流动路径及其在支撑各功能运行过程中生态环境及经济效应，利用生态学、经济学等原理和方法对现有资源流路径进行重构和优化，使系统获得良好的生态效率，从而保障资源的可持续利用［1］。

资源流管理的研究始于20世纪六七十年代，主要从物质流在系统中的输入和输出及元素在系统中的迁移转化规律及生态环境影响两个视角展开研究［2-60］。目前在国家、城市、区域、产业、家庭尺度，针对物质、元素，废弃物，产品等展开了广泛的研究。如结合生命周期评价［2-7］、投入产出分析［8-13］、物质流评价指标体系［14-17］、共生网络构建［18-23］等方法从国家经济系统［24-28，42-45］、区域经济系统［29-34］、产业部门［35-41］等不同角度开展了多方面的研究。其中，基于产业共生网络展开资源流生态管理的研究是当前相关研究的前沿热点问题，目前在评估产业共生系统废物资源化(利用整体系统全球排放模型计算城市污泥与废油回收能量的减排潜力，利用生态效率指标计算尾矿再利用的单位产品输入、输出效率)［46-47］、基础设施共享(利用基础设施管理优化模型模拟热电联产供热服务)［48］的环境效益方面;在用生命周期评价方法比较造纸产业末端废纸处置方式(焚烧发电产热、回收再利用、填埋、堆肥等)的环境效益［49-52］、识别不同纸产品(新闻纸、涂布白板纸、瓦楞纸箱)等环境影响、最大的工艺过程及产品生命周期阶段［53-57］的环境影响、比较不同工艺、原材料和产品的环境影响［58-60］等方面已取得了一定的进展。可见，当前相关研究主要集中在废弃物、不同工艺、产品及不同生命周期阶段的影响分析上，基于共生网络的生态管理效益分析研究还不多见。本研究在产业资源流共生管理框架研究的基础上，运用生命周期分析工具以武汉市造纸系统为例展开产业共生管理效益分析的模拟研究。针对造纸产业主要的资源代谢问题，通过构建虚拟造纸产业共生网络，运用LCA方法对比分析了虚拟网络共生设计系统与原有共生系统的环境影响及共生设计系统的经济效益，为产业系统资源生态管理提供了科学依据和方法支撑。

1 研究方法

1.1 产业资源共生管理框架

传统产业生态系统资源流路径为自然资源-原料开采部门-原料供应部门-生产部门-货物运输部门-消费群体-自然环境，资源流呈线性的特征导致了严重的生态环境问题。基于共生网络的资源管理通过产业共生链设计和废物回收处理使得废弃物得到再利用，资源流由线性变成环形构成网络，从而减轻对自然资源和自然环境的胁迫。针对产业资源流生命周期的特征，本研究提出基于生命周期视角的产业资源流共生管理框架:由管理目标、管理方法、共生系统、系统评估、数据支持五部分构成(图1)，其中管理目标指依据资源减量化、物质再循环及废物再利用三原则构建资源共生机制，提高资源利用效率并使废弃物资源化而得到再利用，为实现社会、经济、环境的协调发展和效益共赢提供支持;管理方法为资源流的全生命周期管理，包括产业链前端的原料绿色开采、制造部门的绿色生产、企业间物质能源循环利用的绿色设计、销售过程的绿色物流及产业链末端的绿色回收等;共生系统是由原料开采部门、生产部门、物流管理部门、消费群体、废物回收处理部门及各部门间的物质、能源利用关系构成的共生体;系统评估指根据管理目标，利用全生命周期评价体系评估共生系统的生态环境影响;数据库(实地调研数据、文献数据、统计数据等)为系统评估提供数据支持。由于产业生态系统的发展是一个动态发展的过程，管理者通过反馈系统将依据评估结果不断调整管理目标方案，使产业系统资源得到持续利用。

图1 产业资源流共生管理框架Fig．1 The symbiosis management framework of industrial resources flow

1.2 基于LCA的分析方法

生命周期评价是产业生态学中分析产品全生命周期生态环境影响的基本方法，即从产品最初的原材料采掘到产品报废最终废弃物处理进行全过程的跟踪，定量定性相结合分析全过程生态环境影响的一种评价方法。主要分析步骤包括定义目标与确定范围、清单分析、影响评价和结果解释等;评价指标体系包括资源利用指标、能源利用指标、环境负荷指标、人体健康指标及经济成本指标等5个方面，每一指标又由复杂的多元参量组成，但目前尚无统一的指标体系;已开发CML方法、生态指数模型(EI)、工业产品环境设计方法(EDIP)等多种评价方法。从1990年国际环境毒理学与化学学会(SETAC)在有关生命周期评价的国际研讨会上首次提出LCA的概念，1993年SETAC制订LCA的技术框架，到2006年ISO14040/44标准的完善使之成为国际标准化分析框架，LCA方法逐渐走向成熟，并广泛应用于能源、农业、森林和造纸、食品、化工、建材、电子、废弃物处理等产业。

本研究以GaBi 4教育版为评价工具，采用EI99方法进行系统建模和生命周期影响评价。如表1所示，EI99方法包括3方面的环境损害类型和11个环境影响类型。其中，生态系统质量通过每年每平方公里内物种的相对减少(PDF)进行衡量;人体健康采用健康指数残疾调整生命年(DALYs)评估有毒物质暴露导致的健康损害;资源损耗通过附加能量［61］表示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额外付出的能量。计算包括确定环境影响种类、分类、特征化、标准化、分组、赋予权重等六个步骤，末端的单一指标表征清单物质对研究系统的最终环境影响。

2 研究对象

2.1 研究对象概况

造纸业作为国民经济发展的重要基础原材料工业在各国产业中占据重要地位。而其在生产过程中因资源消耗以及排放废水、废气、废渣等造成的生态环境问题也备受关注。武汉市是华中地区最大的都市，中国工业基地和综合交通枢纽。造纸业是武汉市9大重点行业之一，同时又是水体污染物排放的主要来源。2007年造纸业主要水体污染物指标COD、BOD的排放量分别占武汉市9大重点行业排放总量的28.8%和55.9%。通过武汉市造纸业生态系统资源代谢问题辨识［62］，得出武汉市造纸业在原材料和能源利用及水资源循环方面都急待提高。为此本文构建了武汉市造纸产业虚拟共生系统，并运用全生命周期评价方法比较分析了共生设计系统与原有共生系统的生态环境效应。

2.2 系统边界

由于造纸产业系统产品种类繁多，对系统上下游产业以及消费环节都做了归类处理，统计单位均为吨(t)，功能单位为1 t纸产品(主要包括原纸、纸板、纸箱、包装纸等)。研究的系统由造纸工业(制浆、造纸、纸制品制造)、造纸下游产业、消费环节、废纸回收与处理部门、污染治理部门(图2)。其中造纸工业包括1个制浆部门、40个造纸部门、61个纸制品制造部门;造纸下游产业包括印刷业、出版业等以纸产品为中间产品的造纸相关产业;由于数据支持的限制，纸品消费环节忽略贮存、分配、运输、销售环节;废纸回收与处理部门指回收废纸并以废纸为原料经过碎解、脱墨、筛选、除沙等工艺再处理得到纸浆、再生纸等产品的部门;污染治理部门主要是造纸污水处理部门。研究系统不包括运输过程。在造纸产业生态系统中，各单元间通过资源、能源的相互关联形成共生关系。本研究以2007年为时间段，对投入造纸系统的原材料、添加剂、能源等尽量追溯至生命周期源头，跟踪产品、污染物至末端消费、处理、再利用全过程，分析比较武汉市虚拟造纸共生设计系统与原有共生系统基于生命周期分析的生态环境影响。

图2 武汉市虚拟造纸产业生态系统边界(虚线内)Fig．2 The boundary of virtual pulp and paper industrial ecosystem in Wuhan(within the dotted line)

2.3 资源流共生网络结构框架

根据2007年对武汉市102家造纸企业的调研数据以及实际造纸系统各部门组成，按照理想的物流关系，虚拟构筑造纸原有系统各部门间物质交换关系，其资源流路径结构如图3所示，系统中资源流包括输入各部门的主要原材料、能源、水、添加剂(仅统计了纸制品制造部门)和造纸行业的代表性污染物。由于约96%的造纸废水未经处理就直接排入自然水体［62］，因此无污水处理部门;废纸回收部门多以人工散收为主，回收机制的不完善导致数据较难获得，因此未设置废纸回收部门，假设造纸虚拟系统中的废纸全部排入环境。

共生网络结构的不完善或不协调可能造成各部门因条块分割而低效，不仅浪费大量的资源而且会造成严重的生态环境破坏。结合武汉市造纸业生态系统共生网络投入产出表［62］，针对武汉市废水及废纸循环利用率低、造纸污泥产生量及环境危害大等问题，设置产业链末端污水的处理再利用、废纸的回收回用、污泥的资源化利用等共生路径，通过对武汉市造纸产业链的延伸和部门间资源交换的优化实现多个生产体系或环节之间的系统耦合［63］，建立一个物质和能量多级利用、良性循环且转化效率高、经济效益与生态效益双赢的造纸产业生态系统虚拟共生网络结构(图4)。

2.4 数据来源与假设

对图3、图4中的数据假设及建模过程中的数据来源作如下说明，未特殊说明的路径和数据都是调研值:

(1)由于很难获得真实的企业间的资源交换数据，因此设计路径①、②的资源交换量时，做如下假设:造纸部门的木浆、纸制品制造部门的原纸与纸板消耗分别全部由本地制浆部门、造纸部门提供，3个生产部门的其它产品全部供给本地纸产品制造部门(出版业、印刷业等)和最终消费环节。

图3 武汉市造纸虚拟原有共生系统资源流图Fig．3 The resources flow of virtual original symbiosis system for pulp and paper industry in Wuhan

(2)污水处理部门是共生网络优化的关键部门之一，制浆、造纸、纸制品制造、废纸回收与处理部门产生的废水经污水处理部门处理后经路径③、④、⑦、⑨实现水资源的良性循环，其中污水处理部门的中水产生量按质量守衡计算，根据调研数据得到三大生产部门处理4%废水产生的污泥量如图4所示，以此类推得到污水处理部门处理100%污水产生的污泥量，文章只分析了污泥资源化产生的经济效益，没有评价其环境影响，路径⑤、⑨按行业清洁生产的最低标准为≥60%［64］计算，污水处理部门的其它清单数据参考文献［65］。

(3)废纸回收与处理部门是共生网络优化的另一个关键部门。假设最终消费的纸产品部分进入废纸回收与处理部门，经过处理的废纸以纸浆、再生纸的形式通过路径③、④作为造纸原材料重新投入造纸产业，实现资源的高效利用，水耗、综合能耗、废水、COD、BOD、SS数据参照《清洁生产标准——造纸工业(废纸制浆)》［64］中的一级标准，其它清单数据参考文献［53］。

(4)路径⑧参考文献［66］设为农业、工业再利用两条途径，其中农业利用以堆肥为主，工业利用以生产建材为主。

(5)利用GaBi4软件建模和评价过程中，系统中各单元过程输入输出流的清单数据来源于软件中的ELCD、PE、Plastics Europe数据库。其中纸制品制造部门的油墨、扁丝、糊精、皮浆和硼砂由于消耗量很少且数据库中缺乏数据支持，建模过程中忽略;胶粘剂为Simapro软件中的物质清单导入;助剂无具体说明物质种类，用絮凝剂近似替代;废纸回收与处理部门的化学药品因无具体说明，建模过程中忽略。此外，考虑到电力生产在生命周期中的重要性及中国发电能源结构的地域性特点，参考文献［54］修改软件数据库中电能生命周期清单为2007年华中电网的相关参数。

图4 武汉市造纸产业虚拟共生设计系统网络图Fig．4 The resources flow network of virtual symbiosis design system of pulp and paper industrial in Wuhan

3 结果与分析

3.1 生态环境影响分析

3.1.1 各类环境影响结果解释与比较

运用EI99 HA方法经过标准化和加权之后得到单一的环境影响分值，单位为Pt，表征共生设计前后网络各环境影响类型对生态系统环境影响的大小(表1，图5)。总体看来，虚拟共生设计系统环境效益明显，总的环境影响、生态系统质量、人体健康、资源损耗的分值分别为1166.445、814.509、148.893、203.045，比原有系统分别减少23.91%、19.15%、46.56%、22.26%。其影响因素分析如下:

对生态系统质量的影响最大的因素是土地使用，原因是为了提供纸制品制造部门使用的胶粘剂而引起的土地使用的改变(橡胶地占用了土地资源)。酸化/富营养化的减排潜力最大为49.91%，造纸部门通过优化造纸原料结构对酸化/富营养化的改善效益达91.11%;其次为生态毒性(23.37%)、土地使用(18.80%)、土地功能变化(-0.86%)，其中污水处理部门原料消耗中的磷酸制备过程需消耗胶粘剂，导致共生设计后土地功能变化值略有增加。制浆、造纸与纸制品制造3个部门对生态系统质量的减排贡献率分别为0.12%、93.17%、10.04%，造纸部门的减排效应最显著是由于再生纸替代、中水回用等措施对土地使用、酸化/富营养化、生态毒性的影响都很大，分别为93.15%、91.11%、85.86%;污水处理和废纸回收两个部门对生态系统质量的影响不足1%，同时消纳了制浆、造纸和纸制品制造部门的废纸和污染物，又将再生产品(中水、再生纸等)以水资源和原材料的形式提供给这3个部门，其带来的正环境效应远大于负面环境影响。

表1 生命周期影响评价分值(Pt)Table 1 The score of life cycle impact assessment

对人体健康的影响最大的因素是无机物致呼吸损伤，其次是气候变化，二者的贡献率高达99%，前者是由于造纸部门制造原纸产生了大量的烟尘、NOx、SO2，后者是由于纸制品制造部门消耗的电能、蒸汽、丙烯腈等能源和原料的生产过程均产生大量二氧化碳。臭氧层损耗的减排潜力最大为80%，其次为放射性(75.83%)、无机物致呼吸损伤(46.56%)、气候变化(16.62%)、有机物致呼吸损伤(16%)。制浆、造纸与纸制品制造3个部门对人体健康的减排贡献率分别为2.59%、91.26%、9.67%，造纸部门的减排效应最显著是由于再生纸替代、中水回用等措施对气候变化、臭氧层损耗等影响都高达70%以上;共生网络中制浆部门的气候变化值为-0.833，反映了减少芦苇、麦草等原料消耗对气候变化有正的环境效益;污水处理和废纸回收两个部门对人体健康的影响不足3%。

对资源损耗影响最大的因素是化石燃料消耗，是由纸制品制造部门的助剂消耗丙烯腈等石油化工产品和造纸部门的原纸消耗原煤、石油等燃料引起。共生网络中矿产资源耗竭增加了0.267，是由于污水处理、废纸回收过程都消耗大量的能源、化学药品，其生产需开采矾土等矿石。制浆、造纸与纸制品制造3个部门对资源损耗的减排贡献率分别为6.84%、87.71%、9.01%，造纸部门的减排效应最显著是由于再生纸替代对化石燃料消耗的影响高达87.69%;污水处理和废纸回收两个部门对资源损耗的影响约为1.02%。

考虑到电力生产在生命周期中的重要性及中国发电能源结构的地域性特点，修正数据库中电能生命周期清单，但从分析结

图5 共生设计系统与原有共生系统各环境影响比较Fig．5 Environmental impact comparison between designed symbiosis system and original symbiosis system

果看，与其它清单物质相比，各个单元过程中电力对环境影响的贡献率较小。另外，由于华中地区火力发电的能源结构中燃煤发电所占的比重较燃油、燃气大，电力的环境影响以气候变化、化石燃料和无机物呼吸道损害为主。

3.1.2 水体富营养化分析

若造纸废水未经处理直接排入水域，废水中含有的COD、BOD、氨氮等污染物将造成严重的水体富营养化。利用CML2001 EP方法分析比较虚拟共生设计造纸系统与原有共生系统的富营养化潜值，结果用磷酸盐当量(kg)表示(表2，图6)。

表2 生命周期富营养化影响潜值分析(kg/t)Table 2 The analysis of life cycle eutrophication potential

纵向按部门结果显示，共生设计系统构建对于改善水体富营养化效果显著，富营养化值由8.112 kg/t纸制品降为3.549 kg/t，制浆、造纸与纸制品制造3个部门的减排贡献率分别为6.86%、87.22%、5.92%。造纸部门的减排效应最显著是由于用再生纸浆、再生纸代替原纸减少了NOx的排放，但NOx仍然为主要的富营养化物质，对共生设计系统富营养化的影响为66.38%。污水处理部门和废纸回收部门的减排效应分别体现在BOD、COD和氮磷(所有含N、P的排放物)含量的减少，这两个共生部门对水体富营养化影响较小(仅为4.03%)。

横向按富营养化物质类别显示，共生设计系统与原有系统比较，对富营养化影响减排最大的依次为BOD(95.51%)、COD(84.04%)、含氮有机物(82.35%)、硝酸盐(80%)、氧化亚氮(65h72%)、氨(65.07%)、磷酸盐(64.81%)等。其中 BOD、COD的减少说明污水处理部门对改善水体富营养化效果显著;氮、磷含量的减少是由于造纸部门利用废纸回收部门提供的再生纸浆、再生纸减少了原浆和原纸的消耗。

3.2 经济效益分析

通过对武汉市虚拟造纸产业生态系统的环境影响评价，可以看出共生网络是一种非常有效的资源管理方式，对减小造纸产业对生态系统的生态环境影响效果明显，以下通过市场价值法对其经济效益进行分析(表3)。经济效益为总收益与总成本之差。这里需要说明的是，由于缺乏数据支持以下分析不考虑市场的影响。

图6 共生设计系统与原有共生系统各部门环境影响富营养化影响潜值比较Fig．6 The eutrophication potential effect comparison between designed symbiosis system and original symbiosis system

表3 共生网络经济效益分析Table 3 The benefit analysis of symbiosis network

根据以上分析，通过设置污水处理、废纸回收和污泥处置3个部门以及改善系统内部各部门间的物质、资源交换构建的武汉市虚拟造纸产业生态系统共生设计网络在理论上能取得一定的经济效益。

4 讨论与结论

依据全生命周期的思想提出了基于共生网络的产业资源生态管理框架，通过分析资源流路径构建了武汉市虚拟造纸产业共生网络，对比了虚拟造纸产业共生设计系统与原有共生系统的生态环境影响并分析了共生设计系统的经济效益，得到如下结论:

(1)共生设计网络系统在总的环境影响、生态系统质量、人体健康、资源损耗方面的影响比原有系统都有明显减少，其中造纸部门通过使用再生原材料对影响改善的作用最突出。

(2)共生设计网络系统在酸化与富营养化、生态毒性、土地使用、致癌性、气候变化、臭氧层损耗、放射性、无机物致呼吸损伤、有机物致呼吸损伤、化石燃料消耗方面的影响比原有系统都有不同程度的减少，其中对生态系统质量改善效果显著的是酸化/富营养化，对人体健康影响改善明显的是臭氧层损耗、放射性，对资源损耗影响改善显著的是化石燃料消耗;但土地功能变化值比原有系统增加0.86%，矿产资源耗竭值由0.027增至0.294，初步分析为废水处理与废纸回收再利用部门使用的化学试剂的生产导致。

(3)共生设计网络系统在富营养化影响上比原有系统有明显减少。其中造纸部门的改善贡献率最大;NOx是主要的富营养化物质，大气中对共生网络富营养化改善贡献最大的依次为NOx、氨、氧化亚氮;水体中对共生网络富营养化改善贡献最大的依次为COD、BOD、磷酸盐等;污水处理部门和废纸回收部门对水体富营养化影响较小，但对共生系统减排贡献大。

(4)共生设计网络系统在气候变化上的影响比原有系统减小明显。其中造纸部门对气候变化改善的贡献最大，共生网络中制浆部门的气候变化值为-0.833，反映了其对气候变化的正环境效益。

(5)利用市场价值法分析共生设计网络系统污水处理、废纸回收、造纸污泥资源化利用(生产肥料和普通砖)等共生路径的费用效益，结果表明均可在理论上取得一定的经济效益。

(6)基于共生网络的产业生态系统生态管理具有明显的生态环境效益，同时可取得一定的经济效益。但虚拟系统由于设置了理想的条件，与实际系统会有一定的差异，而且本研究未考虑市场和运输的影响，未来在数据支持的情况下还需在实际系统中作进一步分析效验。

致谢:德国PE公司提供GaBi 4教育版软件，中国科学院生态环境研究中心李锋副研究员对本文写作给予帮助，特此致谢。

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