基于生命周期评价法的贝壳资源化利用环境效益分析*——以大连市为例

张 芸 秦承露 侯昊晨 孙晓阳

(工业生态与环境工程教育部重点实验室，大连理工大学环境学院，辽宁 大连 116024)

贝类作为我国海水养殖的主要品种之一，其生产规模及贸易规模均呈增长趋势[1]。2016年我国贝类养殖量1 420.8万t[2]，每加工1 kg贝类会产生300～700 g贝壳。大连市作为我国主要贝类养殖地区之一，2017年贝类产量121.3万t，贝类总产值126.4亿元，每年产生的贝壳废弃物约18万t，占全年生活垃圾的近20%。目前，大连市对于贝壳的开发利用不足，绝大部分贝壳都作为固体废弃物填埋，不仅浪费大量资源，还占用土地资源造成污染。近年来，人们逐渐开始关注废弃贝壳的资源化利用研究。吴静[3]探讨了贝壳粉作为造纸填料的可能性；王波等[4]利用贝壳代替石灰石制备贝壳基生态水泥熟料并对其性能进行了分析；熊小京等[5]以贝壳代替陶粒填料用于浸没式生物滤柱填充；YOON等[6]研究了牡蛎壳作为建筑材料的可能性。

生命周期评价(LCA)法是一种基于生命周期的思想，定量和定性评价研究对象能源消耗及环境影响的环境评估工具[7-9]。ALVARENGA等[10]利用LCA法对巴西牡蛎壳在两种处理模式下(作为固体废物和碳酸钙原料)的环境影响进行评估，为海洋贝类利用模式的评价研究提供了新思路。

为对比贝壳在填埋与资源化利用时所产生的环境影响差异，本研究选取4种贝壳处理方法分别构建LCA模型，评估不同资源化利用方法的环境可行性，为沿海地区探索建立环境友好的高附加值废弃贝壳利用模式提供科学依据。

1 LCA法介绍

1.1 目标和范围定义

本研究以废弃贝壳的处置方式为研究对象，借助eBalance软件通过LCA法对4种方案的环境影响进行分析。方案0：常规处理方法，将贝壳作为固体废物填埋处理；方案1：用贝壳代替水泥生产中使用的石灰石，贝壳的掺量为40%(质量分数)[11]；方案2：用贝壳代替浸没式生物滤柱的陶粒填料；方案3：用贝壳代替建筑材料中40%(质量分数)的砂。

研究范围为贝壳作为固体废物填埋处理或资源化利用的全过程，包括贝壳处置过程中因替代或消耗部分燃(原)料所产生的开采、运输、能量消耗以及残余物填埋等过程。为确保分析结果的可比性，取1 kg贝壳为1个功能单位，所有数据以该单位为准进行换算。根据设定的研究目标，填埋处理及资源化利用的系统边界确定如图1所示。因为4种方案在贝壳废弃物产生之前的过程完全一样，因此不考虑贝类养殖生长过程的环境影响，均以贝壳为起点。资源化利用系统以资源化利用为终点，只考虑资源化利用过程中对贝壳加工过程的环境影响，不再考虑资源化利用后生产的产品的运输、存储、使用、废弃等过程的环境影响。

图1 系统边界的确定Fig.1 Determination of system boundary

1.2 清单分析

贝壳中CaCO3的质量分数约为95%，普通石灰石中CaCO3为80%，因此方案1中以1 kg贝壳代替1.19 kg石灰石计算；方案2中，贝壳与陶粒的密度相同，因此以1 kg贝壳替代1 kg陶粒计算；方案3中，以1 kg贝壳可代替0.89 kg砂计算。

大连市贝类养殖加工基地主要集中在庄河市、长海县和普兰店区。长海县四面环海，长海县的贝壳在岛内单独进行资源化利用能够带来更好的环境效益，对其进行贝壳资源化利用的LCA结果不能够代表整个大连地区。为此，本研究进行研究时，假设贝壳的运输起点为皮口港。皮口港位于普兰店区，皮口港到贝壳填埋或资源化利用地点的距离可等同于从庄河市或普兰店区运输至各个处置地点的平均距离，贝壳均由货车进行运输。方案1中假设贝壳被运至102.0 km外的大型水泥厂A进行粉碎处理，经调研，水泥厂A的石灰石来源于距离水泥厂2 km的石灰石矿山，开采后的石灰石被运往水泥厂进行粉碎处理，粉碎1 kg石灰石耗电量为0.001 71 kW·h，此方案避免了石灰石的开采、运输以及粉碎处理的过程；方案2中假设贝壳被运至距离皮口港45 km的污水处理厂进行粉碎处理，此方案避免了陶粒填料的生产、运输过程，该污水处理厂的陶粒来源于距离其27.8 km的陶粒生产厂家；方案3假设贝壳被运至建筑工地进行粉碎处理，贝壳运输的距离越短，资源化利用的环境影响越小，所以假设贝壳只被运往10 km范围内的建筑工地，取最大值10.0 km进行计算，方案3避免了砂的生产、运输过程，砂的平均运输距离为23.4 km。贝壳运输起点与各资源化利用终点的区位图如图2所示。以1 kg贝壳为例，对4种处理方案全过程输入、输出情况进行定量记录，结果如表1所示。

文中选用的数据来源于企业和eBalance软件所含的3大数据库：中国生命周期基础数据库(CLCD)、Ecoinvent 3.1及ELCD 3.0。其中运输、电力、石灰石开采及贝壳的填埋数据来源于CLCD，以保证评价结果符合中国国情。贝壳属于惰性废弃物，贝壳的填埋数据由惰性废弃物的填埋数据代替，不在清单中列出。

1.3 影响评价

利用eBalance软件对4种方案的环境影响进行建模与计算，将贝壳不同处置方式的输入输出数据转化为单一的环境影响值，以便于比较贝壳不同处置方式的环境影响差异。

2 结果分析

2.1 影响评价结果

eBalance软件内置常用的十几种生命周期影响评价(LCIA)特征化指标及面向全国节能减排政策目标的指标。本研究选用专家调查法综合指标(ISCP2009)所包含的环境影响类别对清单数据的环境影响进行定性与定量评价，8类环境影响类别为：中国资源消耗潜值(CADP)、全球变暖潜值(GWP)、可吸入无机物(RI)、酸化潜值(AP)、富营养化(EP)、固体废弃物(WS)、化学需氧量(COD)、淡水消耗量(WU)，上述环境影响类别基本包括了目前中国所面临的环境热点问题。CADP以锑为基准物质，用于表征中国范围各资源的稀缺程度；GWP以CO2为基准物质，用于表征温室气体对全球变暖的贡献；RI以PM2.5为基准物质，用于表征因可吸入无机物造成的人体损害；AP以SO2为基准物质，用于表征酸性气体对酸化的贡献；EP以磷酸根为基准物质，用于表征营养物质对富营养化的贡献；WS、COD、WU来源于清单物质，不需要特征化因子。

表1 4种方案的生命周期清单

表2 不同影响类型的环境影响值

将4种方案生命周期清单输入eBalance软件，可以得到各方案在8个环境影响类别上产生的差异，结果为正值代表在该类别上存在环境影响，结果为负值代表在该类别上存在环境效益。4种方案对不同类别的环境影响如表2所示。

从表2可以看出，方案0对8种环境影响类型的环境影响均为正值，相比其他方案，对CADP、GWP、RI、AP、EP及COD的影响最大，而对WS及WU的影响相对较小，这是因为贝壳填埋过程不需要消耗电力，而我国电力主要来源于火电发电，因此用电情况对WS及WU具有显著影响；方案1的运输距离最长，燃料使用最多，导致其对GWP和AP影响显著，但方案1的WS减少，主要是由于在石灰石生产过程中会产生大量的WS，方案1避免了部分石灰石的生产，因此减少了WS的产生；方案2的WU和WS最大，其余环境影响类型的环境影响均为负值，可以带来较明显的环境效益；方案3的WU最小，而WS较大，说明其可以节约淡水的使用量，但会产生较多的固体废弃物，对其余6种环境影响类型的环境影响较小。

根据eBalance软件中内置8种环境影响类型的权重分布，得到4种方案的加权综合环境影响值，结果见图3。可以看出，4种方案中方案3所带来的环境影响值最大，为3.62×10-14；其次是方案0，环境影响值为1.04×10-14；方案3中，生产0.89 kg砂所造成的环境影响远小于资源化利用时运输和粉碎处理1 kg贝壳产生的环境影响，因此该方案造成的环境影响比贝壳填埋大；方案1和方案2带来的环境影响为负值，分别为-3.78×10-12、-1.85×10-14，说明这两种处置方式会带来环境效益，且方案1带来的环境效益远大于方案2。主要原因是方案1会减少大量的固体废弃物，仅这一项所带来的环境效益就远超出方案2的总环境效益。

图3 4种方案的加权综合环境影响值Fig.3 Weighting comprehansive environmental impact of four schemes

2.2 贡献分析

4种方案处理过程及避免过程各环节对环境影响的贡献分别见表3、表4。由表3可见，方案0中对环境影响贡献最大的为填埋环节，贡献率为56.60%，说明贝壳常规处理过程中填埋对环境造成的影响最大。3种资源化利用方案中，对环境影响贡献最大的均为贝壳粉碎环节，方案1、方案2、方案3粉碎环节的环境影响贡献率分别为85.72%、93.55%、98.48%，运输环节的环境影响贡献也由距离的增加而升高。由表4可见，避免过程各环节的环境影响主要来源于原材料生产环节，其对方案1、方案2、方案3的贡献率分别为99.80%、97.07%、86.04%；其中，石灰石开采的环境影响值最大，砂生产的环境影响值最小。而运输距离的贡献相对较小，说明在避免过程中运输环节并不是产生环境影响的主要原因。

表3 处理过程各环节对环境影响的贡献

表4 避免过程各环节对环境影响的贡献

3 结论与展望

(1) 运用LCA法分析了贝壳4种不同处置方式的环境影响，发现方案0的环境影响值为1.04×10-14；方案1的环境影响值为-3.78×10-12；方案2的环境影响值为-1.85×10-14；方案3的环境影响值为3.62×10-14，方案1能有效减少贝壳填埋对环境的影响，有更好的环境效益。

(2) 对不同环境影响类型的环境影响值的分析结果表明，方案2对于CADP、GWP、RI、AP、EP和COD这6方面具有很大优势；方案3可以减少WU；方案1可避免产生大量WS。

(3) 方案0对环境影响贡献最大的是贝壳的填埋环节；3种资源化利用过程对环境影响贡献最大的均为贝壳的粉碎环节，原材料生产环节是避免过程中环境影响贡献的最主要部分，运输环节对避免过程的环境影响贡献不大。

(4) 废弃贝壳的资源化利用处于起步阶段，目前还没有广泛推广应用，通过对清单数据进行分析，得到废弃贝壳在资源化利用过程产生的环境效益，可为沿海地区探索建立环境友好的高附加值废弃贝壳利用模式提出参考。