中國典型社會源危險廢物的資源潛力分析

劉光富,田婷婷,劉嫣然

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中國典型社會源危險廢物的資源潛力分析

劉光富,田婷婷*,劉嫣然

(同濟大學經(jīng)濟與管理學院,上海 200092)

對中國典型社會源危險廢物的潛在資源量進行了預測與估算.在界定社會源危險廢物概念和構(gòu)建其物質(zhì)代謝模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)GM(1,1)灰色預測模型及Weibull壽命分布模型,利用2006~2015年中國典型社會源危險廢物原產(chǎn)品消費的時間序列樣本數(shù)據(jù),模擬了其消費量和報廢量的動態(tài)變化趨勢,進一步建立了潛在資源量預測模型并分析了潛在資源的再利用價值.據(jù)預測,2025年中國將產(chǎn)生廢舊鉛酸電池4.16億kW·h、節(jié)能燈6.34億支和線路板1.09億m2,可回收的資源總量達1200萬t以上,包括貴金屬0.15萬t、具有環(huán)境危害性的重金屬368萬t和其它可回收資源879萬t.

社會源危險廢物；報廢量；資源潛力

危險廢物對生態(tài)環(huán)境的危害具有長期性和潛伏性,不當?shù)奶幹貌粌H浪費資源,而且污染土壤、大氣和水等自然資源,會造成難以恢復的損害[1].中國將危險廢物劃分為工業(yè)危險廢物、醫(yī)療廢物及社會源危險廢物,其中社會源危險廢物包括廢舊節(jié)能燈、溫度計、血壓計、藥品、鉛酸電池以及農(nóng)藥包裝物等[2],由于產(chǎn)生源頭復雜分散、種類繁多、個體產(chǎn)生數(shù)量小等原因被忽視,導致監(jiān)督管理不到位、回收處理市場混亂,不利于行業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護[3].

社會源危險廢物中不僅含有不可忽視的危險性物質(zhì)如汞、鉛等[4],還蘊存大量的稀有金屬、塑料和玻璃等再生資源,如能加以回收再利用,無疑是一類豐富的城市礦產(chǎn)[5].發(fā)達國家很早就高度重視社會源危險廢物的潛在價值[6-7],研發(fā)了先進的提純工藝和處置技術(shù)[8-10],并建立了相對完善的管理制度,實現(xiàn)了較高的回收再利用率[11-12].而國內(nèi)在這方面起步較晚,現(xiàn)有研究多集中在處置技術(shù)的研究和對處置現(xiàn)狀、相關(guān)對策等方面的定性研究[13-15],少有定量分析,難以引起相關(guān)部門足夠的重視[16].目前,多數(shù)城市尚未將其納入執(zhí)法監(jiān)管范圍內(nèi),缺少相應的法律法規(guī)和激勵機制,管理工作始終處于起步階段[17],如北京、上海、天津、蘇州等地雖曾先后舉辦過廢舊節(jié)能燈和電池以舊換新的活動[3],但都是短期、偶爾性活動,尚未形成長期回收機制,多數(shù)市民仍將其混入普通垃圾處理,給環(huán)境安全埋下巨大隱患[18].為了促進社會的可持續(xù)發(fā)展,加強全社會對社會源危險廢物的認識,已經(jīng)刻不容緩[19].

本文在界定社會源危險廢物概念和建立物質(zhì)代謝模型的基礎(chǔ)上,對2016~2025年的典型社會源危險廢物消費情況及報廢趨勢進行預測和模擬,分析典型社會源危險廢物的資源潛力及再生利用價值,以期引起社會各界的重視并為當下社會源危險廢物的管理實踐提供參考.

1 社會源危險廢物的概念界定與物質(zhì)代謝模型

1.1 社會源危險廢物的概念界定

危險廢物是指列入國家危險廢物名錄或根據(jù)國家規(guī)定的危險廢物鑒別標準和鑒別方法認定的具有危險特性的固體廢物;不排除具有危險特性,可能對環(huán)境或者人體健康造成有害影響,需要按照危險廢物進行管理的固體廢物[20].《國家危險廢物名錄》[21]中將危險廢物劃分為50類,其中編號HW01-HW03主要為醫(yī)療廢物,指醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)在醫(yī)療、預防、保健以及其他相關(guān)活動中產(chǎn)生的具有直接或間接感染性、毒性及其它危害性的廢物; HW04-HW50主要為工業(yè)危險廢物,是指在工業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的危險廢物.社會源危險廢物是指除醫(yī)療廢物、工業(yè)危險廢物外的危險廢物,《名錄》中并未給出具體定義及劃分范圍.由于社會源概念較為廣泛,涵蓋面廣,通過對《名錄》的進一步分析,本文對社會源危險廢物的概念進行初步界定:在生產(chǎn)、銷售、使用、維修以及其他相關(guān)活動中產(chǎn)生的需要或只能進行社會管理的危險廢物,既包括無法進行行業(yè)管理的醫(yī)療廢物和工業(yè)危險廢物,如非特定行業(yè)生產(chǎn)、銷售或使用等過程中產(chǎn)生的危險廢物;也包括除醫(yī)療廢物、工業(yè)危險廢物外的危險廢物,如居民生活、服務行業(yè)及行政辦公等日?；顒赢a(chǎn)生的危險廢物.

1.2 社會源危險廢物的物質(zhì)代謝模型

社會源危險廢物的物質(zhì)代謝系統(tǒng)先后經(jīng)歷“輸入子系統(tǒng)”、“代謝子系統(tǒng)”及“輸出子系統(tǒng)”,不斷循環(huán)完成代謝周期,如圖1所示.在輸入子系統(tǒng),原產(chǎn)品消費量P由生產(chǎn)量D、進口量I及出口量E組成,表征產(chǎn)品進入“消費市場”開始物質(zhì)代謝過程;原產(chǎn)品經(jīng)使用后進入“報廢環(huán)節(jié)”,記為Q,由廢舊產(chǎn)品產(chǎn)生的“再生資源”和“二手零件”(分別記為R和S)經(jīng)過加工可再次投入工業(yè)生產(chǎn),“其它部分”是指不能再循環(huán)利用的物質(zhì)(記為W),“二手零件”雖然可以回收再利用,但最終會被拆解成“再生資源”[22];最后進入“處置環(huán)節(jié)”,產(chǎn)生的廢物進行科學填埋或排放.本文在計算原產(chǎn)品潛在資源量時,重點關(guān)注再生資源量R,不單獨考慮二手零件量S和其它部分W.

圖1 物質(zhì)代謝模型

2 相關(guān)預測模型

綜合考慮市場規(guī)模、環(huán)境危害和資源化價值等因素,本文以典型的社會源危險廢物廢舊鉛酸電池、廢舊節(jié)能燈以及廢舊電子產(chǎn)品和計算機中的線路板(以下簡稱線路板)進行分析.

2.1 消費量模型

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 由于中國統(tǒng)計局并未公開鉛酸電池、節(jié)能燈和線路板的年消費量,本文根據(jù)《中國輕工業(yè)年鑒》[23]、《中國海關(guān)統(tǒng)計年鑒》[24]以及相關(guān)文獻[25]和產(chǎn)業(yè)信息[26-28]中2006~2015年原產(chǎn)品的生產(chǎn)量D與進口量I、出口量E的數(shù)據(jù)計算名義消費量P(不考慮庫存),即:

式中:是原產(chǎn)品類型,分別表示鉛酸電池、節(jié)能燈和線路板;是年份.

2.1.2 灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型 灰色預測方法對在一定范圍內(nèi)變化的、與時間序列有關(guān)的灰過程進行預測,由于其分析方法對于信息不完整或不完全的實際情況具有良好的適用性,在科研領(lǐng)域有著廣闊的應用前景[29].本文選擇灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型進行消費量預測.

對原始觀測進行數(shù)據(jù)處理后生成新的數(shù)列:

由其累加生成x(1):

背景值z(1)():

定義GM(1,1)的白化型為:

式中:a,b均為待定系數(shù),可用最小二乘法求得:

式中:

2.2 報廢量模型

2.2.1 壽命分布模型 Weibull分布被廣泛應用于機械、電子、電氣等產(chǎn)品的壽命模擬,并能夠在獲取有效數(shù)據(jù)的情況下提供較準確的模式分析圖表[30].鉛酸電池、節(jié)能燈、線路板不可能同一時間報廢,而是分布在一定的壽命期之間,且在報廢集中期達到高峰,其基本特征符合Weibull分布密度函數(shù)特點,因此本文研究采用雙參數(shù)Weibull分布表征產(chǎn)品的生命周期分布,即:

式中:為形狀參數(shù)(>0),決定了Weibull密度函數(shù)的形狀;為尺寸參數(shù)(>0),表征函數(shù)圖形峰值在橫軸中的對應位置.

中國規(guī)定節(jié)能燈的標準壽命是6000,實際平均使用壽命為8000,按每天開燈8左右計算,平均一只節(jié)能燈可使用2.5.鉛酸電池具有大容量、高功率等優(yōu)點,廣泛應用在電力、郵電、交通等諸多領(lǐng)域,其中電動自行車使用量最大.按照行業(yè)標準其壽命應該是按照70%標準容量的放電要達到350次,實際使用中甚至可超過600次[31],一次充電可行駛里程約100~150km[32],平均可使用2[33].線路板作為電子元件主要應用在電子信息產(chǎn)業(yè),包括電視機、電腦、電冰箱、手機、移動硬盤等.不同于鉛酸電池和節(jié)能燈,其壽命主要受電子電器產(chǎn)品的壽命影響,根據(jù)《家用和類似用途電器的安全使用年限和再生利用通則》[34],設(shè)定常見家用電器的平均使用年限為5.根據(jù)式(10),可以分別計算出鉛酸電池、節(jié)能燈和線路板的壽命分布函數(shù),由此進一步計算出一定時間范圍內(nèi)的報廢量和資源潛力.

2.2.2 報廢量模型 基于產(chǎn)品的消費量和壽命分布密度函數(shù),令＝-2006,設(shè)定在年份,類型產(chǎn)品的報廢量Q函數(shù)為:

2.3 潛在資源量模型

社會源危險廢物經(jīng)回收拆解后,主要回收潛在資源如塑料、玻璃和銅、鐵、鋁、金、銀、鋅、鎳等金屬以及鉛、汞、鎘等危險性物質(zhì).結(jié)合各類型潛在資源比例,設(shè)定類型社會源危險廢物可產(chǎn)生主要潛在資源種,各自比例分別為C[35-37],則在年份由某種典型危險廢物產(chǎn)生的類型主要潛在資源量為:

類型社會源危險廢物產(chǎn)生的資源總量為:

3 結(jié)果分析

3.1 消費量預測

根據(jù)式(1)~(9),預測2016~2025年鉛酸電池、節(jié)能燈和線路板的消費量并得出2006~2025年原產(chǎn)品消費量趨勢曲線,如圖2所示.可以看出,2016~2025年鉛酸電池和線路板消費量呈逐年快速增長的趨勢,將伴隨經(jīng)濟的快速發(fā)展逐漸成為人們生活中常見的“消費品”;節(jié)能燈的消費量呈下降趨勢,這與中國當前LED燈的良好發(fā)展勢頭吻合,說明LED照明產(chǎn)品在應用上已逐漸成熟,并開始逐步擠占傳統(tǒng)照明市場的份額[23].根據(jù)計算,預計2025年鉛酸電池消費量將超過4.97億kW·h,線路板將超過1.39億m2,是2015年的1~2倍;節(jié)能燈的消費量將超過5.46億支,整體仍處在較高的消費水平.

圖2 消費量趨勢

3.2 報廢量預測

圖3 報廢量趨勢

根據(jù)式(10)~(11),可得出2006~2015年典型社會源危險廢物的產(chǎn)生量趨勢曲線,如圖3所示.隨著原產(chǎn)品的持續(xù)消費,2016~2025年鉛酸電池、線路板的報廢量分別以平均9.28%、5.23%的速度增長,預計2025年中國將產(chǎn)生廢舊鉛酸電池4.16億kW·h,廢舊線路板1.09億m2;由于LED燈的逐步替代,節(jié)能燈的報廢量在2013年達到峰值15.94億支,隨后以平均7.22%的速度下降,預計2025年將產(chǎn)生6.34億支廢舊節(jié)能燈,其蘊含的資源量仍是資源利用和環(huán)境保護不可忽視的重要部分.

3.3 潛在資源量預測

參照常見原產(chǎn)品的平均重量,假定鉛酸電池、節(jié)能燈和線路板的平均重量為28.5kg/kW·h、300g/支、4kg/m2,根據(jù)式(12)~(13)擬合預測2006~2025年中國廢舊鉛酸電池、廢舊節(jié)能燈和廢舊線路板的類型資源產(chǎn)生量和潛在資源總量趨勢曲線如圖4所示.

根據(jù)計算,預計2025年中國3種典型社會源危險廢物產(chǎn)生的主要潛在資源總量達1247.31萬t,其中廢舊鉛酸電池約為1184.56萬t,包括電解液130.30萬t、隔膜213.22萬t、鉛膏473.82萬t、板柵284.29萬t、塑料82.92萬t,可共提取出鉛355.37萬t;廢舊熒光燈可產(chǎn)生的潛在資源總量約為19.01萬t,包括鋁2566.77t、鎢836.58t、熒光粉4449.06t、汞19.01t、玻璃18.01萬t、樹脂1197.82t、鎳304.21t、銅684.47t;廢舊線路板可產(chǎn)生潛在資源總量約為43.74萬t,包括塑料13.12萬t、銅11.73萬t、金43.74t、銀1443.50t、鐵2.32萬t、鋁2.06萬t、鋅4330.49t、銻262.45t、鎳2056.89t、氯7611.16t、陶瓷10.50萬t、其他2.45萬t等.由此可見,社會源危險廢物具有巨大的資源潛力,亟需加強對此類再生資源管理的重視.

圖4 潛在資源趨勢

3.4 資源價值分析

從環(huán)境保護角度,如果不能合理的處置社會源危險廢物,將其混入生活垃圾進行填埋或焚燒,其分解出的危險性物質(zhì)如汞、氯、鉛、鎳等重金屬會隨著滲濾液進入地下水而污染環(huán)境并損害人體健康.與其它固體廢棄物相比,社會源危險廢物造成的環(huán)境污染具有持久性、隱蔽性等特點.研究表明,鉛的性質(zhì)穩(wěn)定,可經(jīng)過消化道、呼吸道進入人體,如果人體血液中的鉛含量超過100mg/dL,可能會對多個器官系統(tǒng)包括神經(jīng)、消化、腎臟等產(chǎn)生危害,甚至會導致人的死亡[38];一支節(jié)能燈中含有約5mg的汞,一旦破碎,瞬時可使周圍空氣汞濃度超標百倍[39],若滲入地下水就會污染大約180t水[40],所產(chǎn)生的甲基汞在水生食物鏈中高度生物累積,對公眾健康構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)[41].因此,如何合理管理社會源危險廢物,減少危險性物質(zhì)的排放,保護人類健康和環(huán)境免受其帶來的風險成為亟需解決的問題.

從資源再生利用角度,社會源危險廢物具有高附加值,能帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益.鉛酸電池的再生率可高達96%,再生鉛的生產(chǎn)和原生鉛相比,可節(jié)省近40%的成本,若是再生鉛總量達到鉛總量的50%以上,中國鉛需求的理論年限可延長一倍左右[42];廢舊熒光燈中的鋁、鎢、錫等是寶貴的二次資源,玻璃的回收不僅可以節(jié)約原材料如堿、硼砂、紅丹等緊缺物質(zhì),還可以作為廢料摻入粘土陶瓷能顯著提高抗彎強度,熒光粉中含有釔、銪、鈰、鋱、鏑等稀土元素,有助于保持中國稀土資源的優(yōu)勢[43];廢舊線路板中的金屬品位相當于普通礦物中金屬品位的幾十倍甚至上百倍,是有待于開發(fā)的重要金屬資源,基板中的纖維強化熱固樹脂,除了焚燒回收熱值,還可以作為粉末用于涂料、鋪路材料,近幾年的研究表明非金屬物料作為填充材料制備聚合物基復合材料可發(fā)揮其資源化價值,廣泛應用在代木、代鋼、代塑、代瓷制品等領(lǐng)域[44-45].由此可見,增強對社會源危險廢物的重視,對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

4 結(jié)論

4.1 2016~2025年期間鉛酸電池和線路板的消費量都保持較快的增速,節(jié)能燈的消費量雖有下降,但仍具有不可忽視的資源潛力,預計2025年中國將消費鉛酸電池4.97億kW·h,節(jié)能燈5.46億支,線路板1.39億m2.

4.2 隨著原產(chǎn)品的持續(xù)消費,報廢產(chǎn)品的處置問題日趨嚴重.預計2025年中國將產(chǎn)生廢舊鉛酸電池4.16億kW·h,廢舊節(jié)能燈6.34億支,廢舊線路板1.09億m2.

4.3 社會源危險廢物經(jīng)回收拆解后,可實現(xiàn)大量高價值資源的循環(huán)再利用.預計2025年中國典型社會源危險廢物將產(chǎn)生潛在資源總量為1247.31萬t,包括貴金屬:金43.74t、銀1443.50t;具有環(huán)境危害性的重金屬:鉛355.37萬t、汞19.01t、鎳2361.10t、銻262.45t等;其它可回收資源:塑料96.16萬t、玻璃18.01萬t、熒光粉4449.06t、陶瓷10.50萬t等.

4.4 社會源危險廢物既是寶貴的”第二資源”,又具有潛在危害性.增強對社會源危險廢物的重視,建立相應治理機制,有助于實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)境共贏的局面.

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Analysis on the potentials of typical social-sourced hazardous wastes in China.

LIU Guang-fu, TIAN Ting-ting*, LIU Yan-ran

(School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2019,39(2)：691~697

This paper predicts and estimates the potential amount of resources that can be recycled from typical social-sourced hazardous wastes in China. This paper defines the concept of social-sourced hazardous wastes in China and constructs their material metabolism model. Leveraging GM(1,1) Model and Weibull Distribution Model, we predict the consumption and scrap amount dynamic of typical social-sourced hazardous wastes and further build the forecasting model of potential amount of resources that can be generated from those wastes. Lastly, we demonstrate the utility and value of potential resources. Our research data contain the amount of original products (of typical social-sourced hazardous wastes) consumed in China from 2006 to 2015. As the results of our prediction, by 2025, 416 million kW·h of spent lead-acid batteries, 634 million of waste energy-saving bulbs, and 109 million square meters of waste circuit boards will be produced in China; potentially more than 12 million tons of renewable resources can be recycled from these typical social-sourced hazardous wastes, mainly including 1500 tons of precious metals, 3.68 million tons of hazardous heavy metals, and 8.79 million tons of other renewable resources.

social-sourced hazardous wastes；scrapped amount；potential resources

X327,X705

A

1000-6923(2019)02-0691-07

劉光富(1963-),男,安徽肥西人,教授,博士,主要研究方向為創(chuàng)新管理與循環(huán)經(jīng)濟.發(fā)表論文130余篇.

2018-06-22

國家社科重大項目(15ZDC030);上海社科規(guī)劃項目(12002420546)

* 責任作者, 博士生, 15000150039@163.com