生命周期理論在固廢建材評(píng)價(jià)中的應(yīng)用①

□□ 李 昊，呂春光，楊 凱

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古超勝工程項(xiàng)目管理有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.興泰建設(shè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

引言

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)是通過研究產(chǎn)品整個(gè)生命流程中對(duì)人類社會(huì)以及自然社會(huì)中各項(xiàng)指標(biāo)造成影響的一種產(chǎn)品價(jià)值的評(píng)估手段，通過收集產(chǎn)品從原材料的運(yùn)輸、加工、組裝直至成品所有相關(guān)過程的能耗總和，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)、人類社會(huì)及自然環(huán)境的評(píng)估。為積極響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略部署[1]，研究學(xué)者開展了利用城鎮(zhèn)固體廢物制造低碳環(huán)保建材的研究工作，并進(jìn)行了工程應(yīng)用的嘗試。對(duì)建材產(chǎn)業(yè)來說，不僅需要關(guān)注材料的節(jié)能，還需要關(guān)注材料在包括材料制備等建筑產(chǎn)業(yè)活動(dòng)中對(duì)于環(huán)境的污染，用地的節(jié)省、材料的循環(huán)利用等。本文擬從生命周期理論評(píng)價(jià)的角度去闡述、解析固廢建材的再利用評(píng)估等活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，以城市生活垃圾焚燒灰渣生產(chǎn)混凝土為例，闡明了生命周期評(píng)價(jià)在固廢建材評(píng)價(jià)中應(yīng)用的全面性、高效性。

1 生命周期評(píng)價(jià)

1.1 生命周期評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

由于地球資源的有限性，必須保證所使用的原料和產(chǎn)品與環(huán)境相協(xié)調(diào)，并且力求從中找到對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)的方法，在產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)時(shí)，一方面從原材料的投入到產(chǎn)品的制造、流通、使用、消費(fèi)、廢棄、再生循環(huán)利用等形成一個(gè)良性的循環(huán)；另一方面，產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)都要向環(huán)境中排放有害物質(zhì)。如何評(píng)價(jià)建筑固廢材料從原料生產(chǎn)到整體形成完整產(chǎn)品的生命周期階段對(duì)環(huán)境的影響，LCA評(píng)價(jià)是目前國(guó)際公認(rèn)的有效手段[2]。

生命周期理論評(píng)價(jià)的整體流程很長(zhǎng)，包括從原材料的采集、運(yùn)輸；原材料制備成為產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、分配、使用等遍布產(chǎn)品的一生。由于固體廢棄物再利用是將固體廢棄物作為原材料開始再利用的，所以應(yīng)用到固廢再生建材評(píng)價(jià)時(shí)需要進(jìn)行一些變動(dòng)，從固廢建材的生產(chǎn)運(yùn)輸開始到不同的建筑材料及途徑等方向的再利用，在其生命周期中可能涉及到的環(huán)境潛在影響進(jìn)行評(píng)定。LCA方法存在著一個(gè)基本的技術(shù)框架，需要確定研究的對(duì)象和范圍，涉及的環(huán)境影響種類，并給出框架、流程和計(jì)算方法[2]。

1.2 固體廢物作建材再利用的依據(jù)及意義

隨著我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)消耗了大量的建筑材料，出現(xiàn)了天然建筑材料短缺的現(xiàn)象。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展也產(chǎn)生了諸如生活垃圾、工業(yè)廢渣等大宗的固體廢棄物，這些廢棄物大量堆積無法及時(shí)處理，嚴(yán)重污染環(huán)境。在這樣的背景下，很多專家學(xué)者開展了將固體廢棄物經(jīng)過加工處理、應(yīng)用于建筑材料的研究。固廢建材的工程應(yīng)用，由此形成了良性的組合：建筑材料需要量大，可以容納大量的固體廢物；建筑材料使用期限長(zhǎng)，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，也不會(huì)很快重新變成廢物。所以利用固體廢物制造建筑材料是節(jié)約資源、消除廢物、保護(hù)環(huán)境的有效途徑，是步入綠色生態(tài)建設(shè)的必然選擇。

1.3 生命周期評(píng)價(jià)固廢建材的優(yōu)點(diǎn)

目前對(duì)各種建筑材料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)面臨著兩個(gè)問題：一是并沒有完全建立起來，同時(shí)還沒有全面推廣應(yīng)用；二是按照以往的綠色評(píng)價(jià)方法中對(duì)建材考慮生產(chǎn)和一次性應(yīng)用，對(duì)固廢的資源化利用只考慮可利用性和一次性利用，是不能科學(xué)地評(píng)價(jià)其在環(huán)保與經(jīng)濟(jì)所造成的影響。事實(shí)上，許多低性能及低成本的所謂“綠色產(chǎn)品”很快會(huì)再次轉(zhuǎn)化為垃圾和固廢，只會(huì)再次消耗資源去“再生”這些固廢[3]。這樣畸形、片面的評(píng)價(jià)手段只會(huì)阻礙固廢建筑研究的進(jìn)展。生命周期評(píng)價(jià)(LCA)作為一種全面的、有聯(lián)系的、動(dòng)態(tài)的分析事物手段是解決這種評(píng)級(jí)困難的一盞明燈。LCA評(píng)價(jià)較于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)更加立體，它是一個(gè)全過程的評(píng)價(jià)方式，可以為固廢建材的評(píng)級(jí)擬定一個(gè)合理的框架，使不同種類的建材可以有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；其次，LCA是一種定量、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式，是從研究固廢材料再利用開始到加工生產(chǎn)作為固廢建材，甚至后續(xù)參與土木工程建設(shè)活動(dòng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)中所造成的資源消耗及廢棄物排放等狀況；LCA還可以綜合考慮到多方面的不同因素，如自然資源、生態(tài)環(huán)境、人類生存環(huán)境等，將不同因素各自獨(dú)立出來進(jìn)行針對(duì)性的探討，可以更加直觀地找到不同生產(chǎn)工序、不同操作手段對(duì)環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)性；最后，LCA還是一種較為開放的評(píng)價(jià)手段，根據(jù)不同需求的目標(biāo)、范圍、影響清單可以進(jìn)行一定程度上的自行定義[2]。

2 生命周期理論評(píng)價(jià)在固廢建材中的應(yīng)用

采用的固廢建材為生活垃圾焚燒灰渣摻合料，將其通過垃圾廠收集運(yùn)輸、多次篩分、研磨之后作為混凝土摻合料同混凝土進(jìn)行拌合使用。

按照LCA方法提供基本技術(shù)框架，再結(jié)合固廢建材再利用的本質(zhì)對(duì)其進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)的整體流程，將生命周期評(píng)價(jià)的基本結(jié)構(gòu)歸納為4個(gè)有機(jī)關(guān)聯(lián)部分：定于目標(biāo)與確定范圍、清單分析、影響評(píng)價(jià)和改善評(píng)價(jià)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的LCA概念圖[4]。

選用呼和浩特市周邊垃圾焚燒處理廠運(yùn)輸生活垃圾焚燒灰渣進(jìn)行評(píng)估。分別從原材料的制備、運(yùn)輸、原材料加工制備成所需要的建筑材料進(jìn)行生命周期理論評(píng)價(jià)，之后將從清單分析得來的數(shù)據(jù)歸到不同的環(huán)境影響類型，而這些影響類型通常包括資源耗竭、人類健康影響和生態(tài)影響3個(gè)大類，每個(gè)大類又包含許多小類，如生態(tài)影響下又包含全球變暖、臭氧層破壞、酸雨、光化學(xué)煙霧和富營(yíng)養(yǎng)化等影響，對(duì)于生活垃圾焚燒灰渣的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)再利用方面具有客觀的指導(dǎo)作用[5]。

2.1 研究目標(biāo)與評(píng)估范圍

將功能單元擬定為制備1 kg生活垃圾焚燒灰渣摻合料，通過定量的分析灰渣摻合料的前期準(zhǔn)備、制備過程中消耗能源和所造成的環(huán)境影響，研究涉及到的評(píng)估范圍包括：生活垃圾焚燒灰渣的運(yùn)輸、粗篩分、研磨及細(xì)篩分，4個(gè)過程均有資源消耗與碳排放。為了定量分析不同處理過程所造成的環(huán)境影響，分別將這4個(gè)過程單獨(dú)計(jì)算，具體評(píng)估范圍如圖1所示。

圖1 生活垃圾焚燒灰渣摻合料評(píng)估范圍

2.2 清單分析

清單分析是通過收集垃圾焚燒灰渣摻合料的各階段能源消耗，整理形成環(huán)境符合的相關(guān)物質(zhì)的輸入輸出數(shù)據(jù)清單，見表1。清單分析需經(jīng)過大量數(shù)據(jù)處理，通過多種不同途徑獲取。

表1 清單分析

2.3 環(huán)境影響評(píng)價(jià)與分析

結(jié)合表1，按照評(píng)估計(jì)算流程對(duì)焚燒垃圾灰渣摻合料的4個(gè)主要過程進(jìn)行環(huán)境影響計(jì)算，由于分析對(duì)象生活垃圾焚燒灰渣摻合料沒有對(duì)其作為摻合料所利用和廢棄的實(shí)例及樣本，所以整體評(píng)估范圍到垃圾焚燒灰渣摻合料制備結(jié)束，作混凝土摻合料輸出為止，影響類型有以下7種[6]：非生物消耗潛能(Abiotic depletion，ADP)：指不可再生資源的消耗；全球變暖潛能(Global warming,GWP)；臭氧耗減潛能(Ozone depletion,ODP)；人類健康毒害潛能(Human toxicity，HTP)；光化學(xué)氧化潛能(Photochemical oxidation,POCP)；酸化潛能(Acidification，AP)；富營(yíng)養(yǎng)化潛能(Eutrophication，EP)。通過計(jì)算得出不同的影響指標(biāo)在整個(gè)生活垃圾焚燒灰渣摻合料制備途徑的占比，見表2。

表2 不同影響類型環(huán)境計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，在整個(gè)生產(chǎn)流程中，GWP所占比例最高，說明在垃圾焚燒灰渣作摻合料的制備流程中，所經(jīng)歷的生產(chǎn)活動(dòng)中CO2等材料放熱耗能在整個(gè)流程中的比例最大，在其整體制備途徑中對(duì)環(huán)境影響最大活動(dòng)為某些燃燒活動(dòng)，可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管和研究；AP所占比接近30%，說明在其生產(chǎn)及制備途徑中，硫化物及各種酸性物質(zhì)的產(chǎn)生是垃圾焚燒灰渣制備生產(chǎn)活動(dòng)中對(duì)整個(gè)環(huán)境造成影響較大的一環(huán)；而HTP、EP均占整體的10%左右，說明在整個(gè)制備流程中，存在著對(duì)人體有毒害物質(zhì)，如NH3、Cd等毒害物質(zhì)的產(chǎn)生以及對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的含氮、含磷物質(zhì)，雖然占比不大對(duì)整體環(huán)境威脅不大，但在制備的整體流程還有監(jiān)管和改進(jìn)的必要。

同樣，從垃圾焚燒灰渣的制備流程進(jìn)行分析，將生活垃圾焚燒灰渣摻合料制備過程中運(yùn)輸、磨細(xì)和篩分的主要過程中，通過各個(gè)影響類別計(jì)算其貢獻(xiàn)程度見表3。生活垃圾焚燒灰渣的整個(gè)生命周期流程評(píng)估得出，在運(yùn)輸過程中ADP影響類型貢獻(xiàn)最大，而在磨細(xì)和篩分過程中僅占5.57%，說明焚燒垃圾灰渣運(yùn)輸過程中能耗造成的環(huán)境影響主要體現(xiàn)在ADP影響類型方面，這與運(yùn)輸過程中消耗的石油等不可再生資源的使用有關(guān)；在研磨過程得出GWP和AP影響類型在環(huán)境影響中的貢獻(xiàn)較大，與其制備過程中產(chǎn)生CO2、NxOy等物質(zhì)有關(guān)；而篩分過程中，GWP和AP兩者影響較大，而ODP影響類型在整個(gè)制備過程中影響較小，說明制備過程中幾乎沒有排放破壞臭氧層的物質(zhì)。另外，從整個(gè)影響類型看，除了運(yùn)輸過程中消耗的能量外，整個(gè)過程貢獻(xiàn)主要集中在GWP和APL，與制備焚燒垃圾灰渣產(chǎn)生的含碳、氮氧化物有關(guān)。

表3 主要過程在環(huán)境影響中的貢獻(xiàn)程度

單純的評(píng)價(jià)固廢建材是不能全面地反應(yīng)固廢再利用對(duì)于建材的影響評(píng)價(jià)，需要增加一些參照組來使其生命周期評(píng)價(jià)顯得更加具體、直觀。所以又設(shè)置了生活垃圾焚燒灰渣作為摻合料混凝土拌合后進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，通過設(shè)置混凝土試件來進(jìn)行更深入評(píng)價(jià)分析。按照生活垃圾焚燒灰渣占比為0、10%、20%、30%制備混凝土試件，擬定制備1 kg焚燒灰渣-水泥拌合材料，經(jīng)生命周期理論環(huán)境評(píng)估，環(huán)境評(píng)估影響計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同比例摻合料的環(huán)境影響評(píng)估結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，純水泥(0)影響類型貢獻(xiàn)最大的是GWP和HTP，所占比例為86.32%和14.85%；AP和EP貢獻(xiàn)較少，AP所占比例為0.18%，EP所占比例為0.05%；而ATP、ODP和POCP所占比例僅均<0.01%，可忽略不計(jì)，而GWP和HTP占純水泥(0)影響指標(biāo)最大的原因與其制備過程中排放出的CO2、CH4和NH3等物質(zhì)有關(guān)，而對(duì)比分析生活垃圾焚燒灰渣占比為10%、20%、30%的焚燒灰渣-水泥拌合物的GWP依次85.26%、84.20%和83.13%，說明隨著摻和比例的增加，制備過程中排放出的CO2、CH4等溫室氣體排放量逐步減少，其對(duì)溫室效應(yīng)、全球變暖等的危害有所下降。在對(duì)比的數(shù)據(jù)中，HTP的貢獻(xiàn)摻合料比例的增加依次增大，按照0、10%、20%、30%的遞增依次為14.85%、17.00%、19.15%和21.30%，與生活垃圾制備成為灰渣過程中需要消耗能量，導(dǎo)致HTP影響明顯，是焚燒垃圾灰渣作為摻合料不可回避的問題。

可以看出，生活垃圾焚燒灰渣作為一種建筑固廢再利用的材料，其原材料沒有成本且在各項(xiàng)對(duì)人類及自然環(huán)境方面的影響指標(biāo)占比較少，從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度來說，是值得嘗試和去探究的新型建筑材料，有研究利用的價(jià)值。同時(shí)由上述評(píng)價(jià)的3種角度綜合評(píng)價(jià)，可對(duì)固廢建材的原材料從生產(chǎn)、制備到應(yīng)用的整個(gè)生命周期進(jìn)行全面地分析評(píng)價(jià)。同樣的方式還可用來鑒定評(píng)價(jià)其他固廢建材，從而可以更加客觀、更加具體、更加全面、更加直觀的對(duì)固廢建材進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)語

生命周期理論作為近年來脫穎而出的評(píng)定手段，其應(yīng)用在建筑固廢材料上，首先克服了傳統(tǒng)意義環(huán)境評(píng)價(jià)的片面性和局限性；其次，用生命周期理論評(píng)價(jià)固廢建材，更有利于提高環(huán)保的質(zhì)量和效率，可以對(duì)新材料的開發(fā)、處理及應(yīng)用起到指導(dǎo)作用；最后可以更直觀發(fā)現(xiàn)不同固廢建材的優(yōu)缺點(diǎn)，及時(shí)制定建筑方案；而且LCA可以為一些固廢建材授予“綠色環(huán)?！?、“低碳”等標(biāo)簽，為建材的環(huán)境標(biāo)志提供依據(jù)。