精釀啤酒裝備的環(huán)境影響及敏感性分析

高秀玲，田瑋*，孟獻(xiàn)昊，戴曉勇，張安朝

1. 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（天津 300222）；2. 寧波瀘港食品機(jī)械制造有限公司（寧波 315721）

啤酒生產(chǎn)包含復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，主要由制麥、糖化、發(fā)酵、清酒等環(huán)節(jié)組成，其中糖化與發(fā)酵是兩道關(guān)鍵的工序[1-2]。由于糖化與發(fā)酵過(guò)程能耗、耗水且排污量大，因此，節(jié)能、降耗、減排、增效和低碳已成為當(dāng)前中國(guó)啤酒釀造設(shè)備發(fā)展的新主題[3]。目前研究主要集中在對(duì)啤酒工藝的環(huán)境影響評(píng)估。楊靜靜等[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外啤酒生產(chǎn)從原料、包裝物、工廠等環(huán)節(jié)的碳足跡進(jìn)行了綜述和比較，確定節(jié)能減碳的關(guān)鍵點(diǎn)。Talve等[5]評(píng)估了生命周期內(nèi)啤酒不同子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，提出了改善啤酒廠產(chǎn)品和環(huán)境績(jī)效的建議。Koroneos等[6]用生命周期評(píng)價(jià)（Life cycle assessment，LCA）方法辨識(shí)和量化了希臘啤酒產(chǎn)品全生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響，研究發(fā)現(xiàn)啤酒瓶制造、啤酒釀造、啤酒包裝、原材料獲取是啤酒生命周期中依次對(duì)環(huán)境造成影響較大的階段。從啤酒裝備LCA研究現(xiàn)狀可以看出，現(xiàn)階段關(guān)于啤酒產(chǎn)品的研究成果大部分聚集在啤酒生產(chǎn)的工藝，涉及啤酒裝備的環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究很少。在此次研究中，為全面了解啤酒裝備在其生命周期中對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)啤酒裝備的全生命周期過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，分析其對(duì)環(huán)境的影響。同時(shí)采用敏感性分析方法，確定啤酒裝備環(huán)境影響的主要因素，這方面的研究成果對(duì)于與啤酒裝備相關(guān)的LCA研究以及其他類產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)具有一定的參考意義。

1 研究方法

1.1 精釀啤酒裝備的生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)的步驟包括目標(biāo)與范圍界定、清單分析、影響評(píng)價(jià)、結(jié)果解釋四個(gè)部分，以下三個(gè)小節(jié)依次討論前三個(gè)部分，第四個(gè)部分在“結(jié)果與討論”中說(shuō)明。

1.1.1 研究目標(biāo)與范圍界定

對(duì)一套精釀啤酒裝備全生命周期進(jìn)行環(huán)境影響分析，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定啤酒裝備生命周期的主要環(huán)境影響階段或環(huán)節(jié)，分析啤酒裝備生命周期中能耗高、物耗高、污染重的階段，提供方向性的改進(jìn)建議，有效推動(dòng)啤酒行業(yè)的清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。功能單位定義為生產(chǎn)一套500 L的精釀啤酒裝備。

圖1為啤酒裝備系統(tǒng)邊界，包括原材料生產(chǎn)制造、包裝、使用、維護(hù)及廢棄處理這五個(gè)階段。原材料的生產(chǎn)階段主要指不銹鋼、銅及其輔助材料生產(chǎn)過(guò)程，制造階段包括主要設(shè)備的制造安裝過(guò)程，使用階段主要指糖化發(fā)酵過(guò)程。啤酒裝備每運(yùn)行一次都需要清洗，能耗較多?；厥仗幚黼A段主要考慮不銹鋼、銅、巖棉的回收循環(huán)利用過(guò)程。以上各階段數(shù)據(jù)由寧波某啤酒公司提供。

圖1 基于全生命周期的精釀啤酒裝備的系統(tǒng)邊界

1.1.2 生命周期清單分析方法

清單分析主要是計(jì)算產(chǎn)品整個(gè)生命周期階段的能源輸入、資源消耗以及排放的各種環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)。為減少結(jié)果不確定度，增加計(jì)算結(jié)果可靠性，選用由億科環(huán)境開(kāi)發(fā)的生命周期評(píng)價(jià)軟件eBalance中國(guó)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（Chinese Life Cycle Database，CLCD）和其內(nèi)置Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)。討論啤酒裝備的生產(chǎn)制造、包裝、使用維護(hù)和廢棄處理四個(gè)不同階段。

在生產(chǎn)制造階段，精釀啤酒裝備主要由不銹鋼制成，其中糖化系統(tǒng)使用銅外包。原材料生產(chǎn)加工階段中資源消耗為生產(chǎn)不銹鋼材料所需的鐵礦石、石灰石及其他輔助材料，如表1所示。精釀啤酒裝備主要系統(tǒng)及制造安裝過(guò)程中資源、能源消耗如表2所示，其中氬氣作為電弧焊接不銹鋼過(guò)程中的保護(hù)氣體。

表1 精釀啤酒裝備原材料及其質(zhì)量

表2 精釀啤酒裝備組成及資源能源消耗

在啤酒裝備的包裝階段，機(jī)械設(shè)備包裝材料使用完直接丟棄，造成材料浪費(fèi)。啤酒裝備包裝使用珍珠棉與纏繞棉作為包裝材料，消耗珍珠棉0.5 kg，纏繞棉每個(gè)罐子0.1 kg，共0.9 kg。

使用階段是啤酒裝備產(chǎn)生排放的主要階段，包括糖化過(guò)程鍋爐耗電量及發(fā)酵工段麥汁冷卻過(guò)程制冷機(jī)耗電量，麥汁冷卻方式采用一段式冷卻以獲得最佳節(jié)能效果[7]。按1 d糖化2次，每次消耗水約500 kg，耗電約120 kW·h。啤酒裝備正常運(yùn)行25年，每年按355 d計(jì)算，維護(hù)過(guò)程每次消耗水約500 kg，耗電約50 kW·h，耗氫氧化鈉約3 kg，年平均清洗次數(shù)為40～50次。

在回收處理階段，不銹鋼鋼材的95%[8]采用熔化爐（耗電量為600 kW·h/t鋼材）熔化循環(huán)再利用，剩下的鋼材采取填埋處理[9-10]。由于銅的回收eBalance軟件中沒(méi)有相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)，因此采用再生銅的背景數(shù)據(jù)，回收率為95%。巖棉的回收采用沖天爐，約為30%[11]，平均生產(chǎn)1 t的巖棉制品可回收沖天爐能量的60%～70%，巖棉沖天爐的總能量為4.886×103kW·h/t[12]，其他材料填埋處理。

1.1.3 影響評(píng)價(jià)方法

影響評(píng)價(jià)是根據(jù)清單分析提供的資源、能源消耗及排放數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品造成的環(huán)境影響定性定量評(píng)估，基于矩陣算法在R語(yǔ)言中計(jì)算啤酒裝備的LCA，確定各種環(huán)境問(wèn)題造成的潛在環(huán)境影響大小和重要性。影響評(píng)價(jià)主要包括分類、特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)。

分類是將清單分析中所得排放物對(duì)應(yīng)到不同環(huán)境影響類型，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀反映其與環(huán)境的關(guān)系。特征化是指利用不同特征化因子將清單分析結(jié)果換算成統(tǒng)一單位進(jìn)行計(jì)算，并將同一類型換算結(jié)果累加得出量化的指標(biāo)結(jié)果。根據(jù)中點(diǎn)環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法——CML 2001 Dec 07模型[13]，選擇了7種普遍使用的影響類別：①初級(jí)能源消耗潛值（Primary Energy Demand，PED），包括原煤、石油、天然氣，其中原煤是由褐煤與煤礦瓦斯氣折算而來(lái)，以標(biāo)準(zhǔn)煤（ce）當(dāng)量表示；②全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP），包括CO、CO2等氣體，以CO2為當(dāng)量；③酸化潛值（Acidification Potential，AP），以SO2為當(dāng)量；④富營(yíng)養(yǎng)化潛值（Eutrophication Potential，EP），以NO3為當(dāng)量；⑤臭氧耗竭潛值（Ozone Depletion Potential，ODP），以CFC-11為當(dāng)量；⑥光化學(xué)污染（Photochemical Oxidation Potential，POCP），以C2H4為當(dāng)量；⑦人體健康的指標(biāo)采用人體損害潛值（Human Toxicity Potential，HTP），以水為當(dāng)量。環(huán)境影響類型清單物質(zhì)分類和特征化因子見(jiàn)表3。

標(biāo)準(zhǔn)化目的是得出不同種類影響生命周期結(jié)果的相對(duì)大小，以便于比較不同類別的環(huán)境影響，通過(guò)特征化結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值的比值得出。采用的各環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值為1990年中國(guó)人均當(dāng)量基準(zhǔn)值，其中GWP、AP、EP、POCP的標(biāo)準(zhǔn)化基值主要參考文獻(xiàn)[14]，ODP與HTP標(biāo)準(zhǔn)化基值參考文獻(xiàn)[15]。

標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果乘以權(quán)重因子可以得出單一的環(huán)境影響指標(biāo)值，稱為加權(quán)影響，反映整個(gè)生命周期過(guò)程對(duì)潛在環(huán)境影響的相對(duì)度量。為使不同種類的影響能夠得以量化，根據(jù)Saaty的1～9級(jí)標(biāo)度[16]，通過(guò)專家打分，得出7種環(huán)境影響類型間的權(quán)重。權(quán)重計(jì)算在R軟件中利用pmr包[17]中分析層次過(guò)程模型，基于Saaty[16]和Koczkodaj等[18]的不一致性分析，提高分析結(jié)果可靠性。

1.2 精釀啤酒裝備環(huán)境影響的敏感性分析方法

生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果受多種因素的影響，包括研究范圍、數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)缺失、模型方法以及假設(shè)條件等，主要表現(xiàn)為生命周期清單數(shù)據(jù)的不確定性，這直接影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。因此，采用基于樹(shù)型高斯過(guò)程的全局性敏感性分析方法，對(duì)生命周期參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，以確定影響評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性的主要因素，選定與精釀啤酒裝備相關(guān)的16個(gè)輸入變量，根據(jù)數(shù)據(jù)估算過(guò)程誤差大小和數(shù)據(jù)來(lái)源可靠性[19-20]，取其不確定度，分別為5%，10%和15%，不銹鋼[8]、銅、巖棉[11]這三個(gè)因素回收率在其實(shí)際變化范圍波動(dòng)，詳細(xì)取值見(jiàn)表3。

應(yīng)用基于蒙特卡羅抽樣的敏感性分析方法，基本步驟為：確定輸入變量變化范圍或分布（如表3所示）；基于拉丁超立方法抽樣產(chǎn)生輸入變量的組合；運(yùn)行模擬結(jié)果；運(yùn)行敏感性分析。通過(guò)比較不同抽樣次數(shù)所得結(jié)果穩(wěn)定性，抽樣次數(shù)選定為500次。敏感性分析采用樹(shù)型高斯過(guò)程法，屬于全局敏感性分析方法，具有計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確和可視化方便的優(yōu)點(diǎn)。具體計(jì)算采用兩步法，首先基于樹(shù)型高斯過(guò)程方法得到啤酒裝備環(huán)境影響的元模型，然后用方差分析的全局敏感性方法得到不同變量的敏感性指標(biāo)。

表3 敏感性分析的輸入變量

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生命周期階段對(duì)于環(huán)境影響

表4列出精釀啤酒裝備在不同生命周期階段的不同環(huán)境影響類型的最終計(jì)算值（側(cè)重從不同生命周期階段的角度進(jìn)行分析），圖2表示精釀啤酒裝備不同生命周期階段對(duì)于環(huán)境影響的百分比?？梢钥闯觯梭w健康損害影響HTP外，對(duì)于其他環(huán)境影響類型，使用階段明顯高于其他階段的影響，這是由于使用過(guò)程中對(duì)電力的需求較大，電力的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)煤、原油、天然氣的需求較高，對(duì)環(huán)境有非常明顯的影響。由表4可以看出，除去廢棄處理回收階段對(duì)環(huán)境帶來(lái)正面影響外，精釀啤酒裝備在使用階段占所有階段的環(huán)境影響約78.16%。因此，為了減少精釀啤酒裝備生命周期的環(huán)境影響，應(yīng)重點(diǎn)分析如何減少在使用階段的影響。

啤酒裝備生產(chǎn)制造階段的環(huán)境影響僅次于使用階段，約占總環(huán)境影響的20.40%。雖然精釀啤酒裝備主要由不銹鋼制成（占啤酒裝備總質(zhì)量的83.57%），但是與銅相比（只占啤酒裝備總質(zhì)量的0.07%），不銹鋼對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅對(duì)環(huán)境的影響。生產(chǎn)階段所使用的銅對(duì)環(huán)境影響最大，占生產(chǎn)階段環(huán)境影響的95.17%，不銹鋼次之，約占3.70%，其他材料在生產(chǎn)階段具有相對(duì)低的能量消耗，僅占環(huán)境影響的1.13%。

設(shè)備維護(hù)和包裝階段對(duì)于環(huán)境的影響很少。維護(hù)階段雖然所需水耗量較多，但環(huán)境影響排列第三，只占約1.44%。包裝階段的影響則可以忽略不計(jì)。

在廢棄處理階段，產(chǎn)生的環(huán)境影響為負(fù)，表明材料回收大于材料生產(chǎn)，主要由于不銹鋼與銅的回收對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極作用，抵消了原材料生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的不利影響，減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)。

表4 精釀啤酒裝備整個(gè)生命周期環(huán)境影響結(jié)果

圖2 精釀啤酒裝備在不同影響類型中不同生命周期階段環(huán)境影響所占百分比

2.2 不同影響類型的環(huán)境影響分析

從不同影響類型的角度，分析精釀啤酒裝備的環(huán)境影響，如圖3所示。由表4可以看出，PED、HTP、GWP、AP是啤酒裝備生命周期過(guò)程中最主要四個(gè)影響因素，分別占總環(huán)境影響結(jié)果的63.44%，14.94%，9.37%和9.08%，EP占總環(huán)境影響的2.53%，POCP和ODP對(duì)環(huán)境影響最少，這兩個(gè)環(huán)境影響總和小于1%。

啤酒裝備的初級(jí)能源消耗潛值PED如圖3所示，在不同的生命階段都有重要的環(huán)境影響，除廢棄回收階段對(duì)于環(huán)境有正面影響外，使用階段占比最大。所以降低使用階段的初級(jí)能源消耗潛值，將會(huì)明顯減少啤酒裝備的生命周期環(huán)境影響。

在啤酒裝備生命周期過(guò)程中，GWP由使用階段主導(dǎo)，這是因?yàn)椴讳P鋼、銅的生產(chǎn)及啤酒生產(chǎn)過(guò)程消耗的能量最多，并產(chǎn)生大量的溫室氣體排放，如CO2、CH4等氣體。

AP的結(jié)果與GWP的趨勢(shì)基本一致，使用階段對(duì)AP影響最大，由于使用過(guò)程對(duì)電力的需求較高，電力的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)釋放大量酸性氣體。在原材料采購(gòu)階段，銅的生產(chǎn)釋放大量的SO2和NOx。包裝和清洗階段兩個(gè)過(guò)程中對(duì)AP影響較小。啤酒裝備整個(gè)生命周期中，AP對(duì)環(huán)境的影響僅次于GWP，占9.08%。

EP與NH4、COD及水的排放有關(guān)，而電力生產(chǎn)產(chǎn)生大量NH4和COD，使用階段對(duì)EP貢獻(xiàn)最大。啤酒裝備整個(gè)生命周期過(guò)程中，EP對(duì)環(huán)境影響排列第五，占總環(huán)境影響的2.53%。

POCP在使用階段占主導(dǎo)地位，由于不銹鋼與聚四氟乙烯等原材料生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的CH4、CO等氣體，其他原材料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生較少的CO與CH4，對(duì)POCP影響不大。

ODP在使用階段對(duì)環(huán)境的影響最大，主要原因是聚四氟乙烯與銅生產(chǎn)造成了相對(duì)較多的CFCs，其他材料的生產(chǎn)對(duì)ODP的貢獻(xiàn)特別小，啤酒裝備整個(gè)生命周期過(guò)程中ODP對(duì)總環(huán)境影響僅占0.12%。

HTP在生產(chǎn)制造階段對(duì)環(huán)境的影響最大，主要由銅的生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的Hg、Cr、As、Pb、CN的排放所引起。與其他階段相比，包裝與清洗階段對(duì)HT的影響最低，這是因?yàn)檫@兩個(gè)階段對(duì)Hg等影響HTP的排放很少。

2.3 敏感性結(jié)果分析

圖4是基于樹(shù)型高斯過(guò)程敏感性分析法得出的精釀啤酒裝備總的環(huán)境影響負(fù)荷重要性分析結(jié)果。由于最重要的前五個(gè)參數(shù)可以解釋99%以上的環(huán)境影響負(fù)荷變化，所以圖4只顯示這五個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。其他11個(gè)參數(shù)的變化對(duì)環(huán)境影響負(fù)荷的敏感性很低，對(duì)環(huán)境的影響占比小于1%，不會(huì)影響整個(gè)環(huán)境敏感性分析的可靠性。圖4（a）通過(guò)變量主效應(yīng)表示五個(gè)因素變化對(duì)于環(huán)境影響的變化規(guī)律，圖4（b）通過(guò)箱線圖方式表示五個(gè)變量主效應(yīng)可能的變化區(qū)間。

耗電量（Elec）對(duì)于環(huán)境影響最為重要，可用來(lái)解釋80%以上的環(huán)境影響變化，且為正向作用，即隨著耗電量的增加，環(huán)境影響負(fù)荷也增加。因此，為了減少精釀啤酒裝備的環(huán)境影響，應(yīng)當(dāng)增加設(shè)備使用效率，盡量減少耗電量。下一個(gè)重要的變量是不銹鋼回收率（RERs），約占總環(huán)境影響的10%，但其影響為負(fù)向作用。所以通過(guò)改進(jìn)設(shè)備加工工藝和精細(xì)化管理設(shè)備加工過(guò)程，以加大不銹鋼回收率，能夠大大緩解精釀啤酒裝備對(duì)于環(huán)境的負(fù)面影響。其他3個(gè)變量對(duì)環(huán)境的影響明顯低于前兩個(gè)變量的影響，共占總環(huán)境影響的10%不到。

圖3 精釀啤酒裝備在不同生命周期中不同影響類型的環(huán)境影響所占百分比

圖4 精釀啤酒裝備前五個(gè)重要參數(shù)對(duì)總環(huán)境影響負(fù)荷重要性的敏感性分析結(jié)果

3 結(jié)論

此次研究對(duì)精釀啤酒裝備進(jìn)行了生命周期的環(huán)境影響評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：

1) 在精釀啤酒裝備的加工制造、使用、清洗維護(hù)、廢棄處理四個(gè)階段中，除廢棄處理階段由于回收材料對(duì)環(huán)境影響有正面作用外，使用階段占所有階段環(huán)境影響的78.16%，生產(chǎn)制造階段環(huán)境影響占總環(huán)境影響的20.40%，其他兩個(gè)階段占比較少。因此，通過(guò)提高設(shè)備使用效率，達(dá)到降低使用階段能源消耗，可減少啤酒裝備的全生命周期環(huán)境影響。

2) 在選定的7種影響類型中，初級(jí)能源消耗PED、人體健康影響HTP、全球變暖潛值GWP、酸化潛值A(chǔ)P是啤酒裝備主要的四個(gè)影響類型，分別占63.44%，14.94%，9.37%和9.08%。在PED中，主要的環(huán)境影響也發(fā)生在使用階段，所以降低使用階段的初級(jí)能源消耗，會(huì)明顯減少啤酒裝備的環(huán)境影響。

3) 通過(guò)全局敏感性分析，影響環(huán)境負(fù)荷最重要的兩個(gè)變量是精釀啤酒裝備耗電量和不銹鋼回收率。