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纸塑铝复合包装处置方式的生命周期评价 谢明辉 1,2,李 丽1*,黄泽春1,朱雪梅1,张冀飞1,孙体昌2 1.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京 100012 2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083 摘要:摘要:采用生命周期评价(LCA)法研究了纸塑铝复合包装的全生命周期环境影响,并在处置阶段对不同处 置方式的环境影响进行评价. 通过现场和资料调研的方式,获得所有生命周期阶段能量物质的输入/输出 和环境外排数据. 结果表明:纸塑铝复合包装生命周期阶段中环境影响比重最大的是原料获取阶段,占 75%以上. 纸塑铝复合包装的全生命周期环境影响主要集中在化石燃料、土地占用和无机物对人体损害 3 个方面,在矿产资源、气候变化、酸化富营养化和生态毒性方面影响稍小. 3 种处置方式对环境影响由大 到小依次为填埋焚烧再生,其中填埋和焚烧处置分别比纸塑铝复合包装处置阶段前的环境影响增加 11%和 7%,再生可降低 23%,而进一步降低环境影响的方式为发展铝塑分离技术. 关键词:关键词:纸塑铝复合包装;生命周期评价;环境影响;处置方式 中图分类号:中图分类号:X705 文献标识码:文献标识码:A 文章编号:文章编号:1001-6929(2009)11-1299-06 Life Cycle Assessment of Environmental Impacts of Al-PE-Pa Laminated Packaging and Waste Treatments XIE Ming-hui1,2, LI Li1, HUANG Ze-chun1, ZHU Xue-mei1, ZHANG Ji-fei1, SUN Ti-chang2 1. Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2. Civil and Environment Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract: Life cycle assessment (LCA) was used to examine the environmental impacts over the life cycle of Al-PE-Pa laminated packaging, and to compare the environmental impacts from different laminated package waste treatments. The data of mass and energy fluxes and the environmental emissions were obtained from the literature and from site investigations. The results showed that the environmental impact from the raw material supply period was the highest, over 75%, of the total environmental impacts over the life cycle. The environmental impacts mainly come from fossil fuel consumption, land occupation and respiratory effects damage from inorganic substances. The contributions from mineral resource consumption, climate change, acidification/eutrophication and ecotoxicity were less. The environmental impacts from laminated package waste disposal were highest in landfill treatment followed by incineration and recycling. Landfill and incineration could account for an additional environmental impact of 11% and 7%, respectively, compared to that before the laminated packaging enters waste stream. In contrast, recycling could reduce 23% of the environmental impact, and the reduction could be even more significant if the aluminum and plastic were recycled separately. Key words: Al-PE-Pa laminated package; life cycle assessment (LCA); environmental impact; waste treatment 收稿日期:2009-04-01 修订日期:2009-05-06 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAC02A13) 作者简介:谢明辉(1981-),男,安徽淮北人,huibird82. *责任作者,李丽(1975-),女,河北献县人,副研究员,博士,主要从事产品生命周期评价和固体废物控制技术研究, li_li 包装产品多属于一次性消费品,由于其寿命周期短,废物产生量大. 大量的包装废物已造成日益严重 的环境污染1,其在生产和废物处置过程中所引起的环境问题日益受到关注2-3,为此世界各国纷纷制定 了相应的政策法规4. 目前包装废物所造成的环境污染仅次于水质污染、海洋湖泊污染和空气污染,已处 于第4位5. 笔者选取典型复合包装物纸塑铝复合牛奶包装为研究对象,采用生命周期评价法 (LCA),对纸塑铝复合包装在原料获取阶段、原料运输阶段、产品加工阶段、产品处置阶段的环境影 响进行定量评价,并讨论其在不同处置方式下的环境影响,旨在对纸塑铝复合包装产品处置方式进行分 析比较,以期为宏观决策及相关法规的制定提供理论依据. 1 研究内容研究内容 研究对象选用复合包装应用最为广泛的牛奶包装利乐公司产纸塑铝复合牛奶包装,基于 ISO1404014043中介绍的生命周期评价理论6:确定LCA的目标、全生命周期范围和系统边界;进 行清单分析,即确定各流程输入(原料、辅料和能源等)和输出(向空气、水、土壤中的排放及固体废 物);进行影响评价,即对清单数据进行定量评价;结果解释,即对影响评价的结果进行解释说明. 采用SimoPro 7.1生命周期分析软件处理纸塑铝复合包装各生命周期阶段的物耗、能耗和环境外排量, 得出相应的环境影响潜值. 具体选用Eco-Indicator 997环境影响评价方法对其进行评价. 2 研究方法研究方法 2.1 目标和系统边界界定 2.1.1 研究对象 1 000 L 牛奶的纸塑铝复合包装产品,即 1 000 个 1 L 的“利乐砖”牛奶包装,每个质量为 30 g,总质量 为 30 kg. 2.1.2 研究范围 研究范围包括原料获取、原料运输、产品加工和产品处置4个阶段,不包括产品使用阶段,这是由于 在产品使用过程中没有明显的能耗和物耗,对环境几乎没有影响. 牛奶包装生产线和牛奶灌装线一般都是 同步进行,不存在运输过程,所以不在研究范围内考虑. 产品处置阶段包含运输收集和处置2个过程,处 置方式选用填埋、再生和焚烧3种,并对这3个处置阶段进行比较分析. 其中,再生处置阶段,由于目前铝 塑分离仍较困难且无工业化应用8,故再生造纸后的铝塑部分按填埋处理. 纸塑铝复合包装生命周期评价 范围如图1所示. 图1 纸塑铝复合包装生命周期评价范围 Fig.1 The scale of Al-PE-Pa laminated package in life cycle assessment 2.2 清单分析 纸塑铝复合包装生命周期清单数据的国内部分主要通过企业现场调研和从文献获取,国外部分主要 通过 Ecoinvent 数据库获取,详见表 1. 其中,大部分数据来源于发生地,以确保生命周期评价的本地化. 表1 纸塑铝复合包装清单数据来源方式 Table 1 Source of life cycle inventory of Al-PE-Pa complex package 生命周期阶段资源(能源)消耗类型消耗量消耗量数据来源单位消耗量清单数据来源 纸板(产自瑞典)21.93 kg利乐调研数据Ecoinvent 数据库 塑料(产自日本)5.29 kg利乐调研数据Ecoinvent 数据库原料获取 铝箔(产自中国)1.34 kg利乐调研数据文献9 柴油(货轮)714 t/km利乐调研数据Ecoinvent 数据库 原料运输 柴油(20 t 货车)1.34 t/km利乐调研数据文献10 电6.18 kWh利乐调研数据文献11 产品加工 天然气0.15 m3利乐调研数据文献12 柴油(10 t 货车)2.06 t/km 汽油(2 t 货车)1.2 t/km 联合开源再生资源回收 利用有限公司调研数据 献13 电11.4 kWh 再生 标煤6.45 kg 鑫宏鹏纸业有限 公司调研数据 文献12 汽油(2 t 货车)0.45 t/km文献14 柴油(10 t 货车)1.05 t/km文献15 文献14 电0.029 kWh文献 15 HDPE0.005 6 kg文献16 填埋 柴油(压实机)0.018 7 kg文献16 文献16 天然气1.803 g 文献17 产品 处置 焚烧 电2.004 kWh文献18 文献16 由此可以得出 3 种不同处置方式下的纸塑铝复合包装的全生命周期清单数据,如表 2 所示. 表2 3种不同处置方式下的纸塑铝复合包装全生命周期清单数据 Table 2 Comparative inventory during the life cycle of different treatment kg 处置方式 清单数据类型 填埋焚烧再生 原煤4.8981024.8991025.033102 天然气 1) 5.0445.1085.095 能源 消耗 原油8.9368.8328.989 木材4.1651014.1651014.165101资源 消耗铝土矿4.784.784.78 CO21.7991022.2211022.007102 SO24.56710-14.55710-17.19110-1 NOx3.70610-13.79710-15.34910-1 烟尘6.03610-16.03610-11.162 CH41.5583.55810-11.035 CO7.21310-17.27310-17.73410-1 NMVOC7.09510-27.23110-28.39610-2 COD3.5828.62810-18.49810-1 BOD58.23510-12.06510-12.53510-1 SS1.77610-21.77610-22.37810-1 PM101.12310-21.12310-21.27910-2 NO21.53610-51.53610-52.74710-5 总氮5.83010-35.83010-35.83010-3 氨氮7.80810-67.80810-63.00010-2 DOC2.7681.40010-14.17010-3 环境 外排 TOC2.9513.23010-11.87210-1 输出牛皮纸0018 1)天然气单位为 m3. 2.3 影响评价 利用生命周期软件 SimoPro 7.1,选用 Eco-Indicator 99 评价方法,对处置阶段前(即原料获取、原料 运输和产品加工阶段)的纸塑铝复合包装进行环境影响评价,结果如图 2,3 所示. 由于计算结果显示有 机物对人体损害、臭氧层破坏和辐射的环境影响所占整个生命周期的比例过小(低于 1%) ,因此图 2,3 中不做这 3 方面的说明. 图2 原料获取、原料运输和产品加工阶段的纸塑铝复合包装环境影响分类评价 Fig.2 Environmental impact categories of Al-PE-Pa laminated package during the stage of raw material, transport and production 图3 纸塑铝复合包装原料获取、原料运输和产品加工阶段的环境影响比较评价 Fig.3 Environmental impact comparison of raw material, transport and production of Al-PE-Pa laminated package 从图 2 可以看出,处置阶段之前纸塑铝复合包装的环境影响主要集中在化石燃料、土地占用、无机 物对人体损害和矿产资源 4 个方面,其中化石燃料、土地占用和矿产资源方面的影响主要是由原料中的 塑料、纸板和铝箔所引起,而无机物对人体损害方面则主要是电力消耗和货轮海运所引起. 通过计算,处置阶段前纸塑铝复合包装的环境影响潜值为 6.413 Pt,其中原料获取阶段、原料运输阶 段和产品加工阶段的环境影响潜值分别为 5.190,0.926 和 0.297 Pt,如图 3 所示。原料获取阶段的环境影 响潜值所占比例最大,为 81%. 这是由于包装行业的特殊性所致. 包装行业大多是来料加工企业,生产过 程的环境外排较少,因此,包装材料基本决定了整个包装产品的环境影响潜值. 这也在一定程度上说明评 价数据和结果的客观真实性. 对 3 种不同处置方式下的纸塑铝复合包装进行全生命周期环境影响分类评价,结果如图 4 所示. 图4 不同处置方式的纸塑铝复合包装生命周期环境影响分类评价 Fig.4 Life cycle assessment of Al-PE-Pa laminated package between three treatment methods 从图 4 可以看出,处置阶段后的纸塑铝复合包装的环境影响主要集中在化石燃料、土地占用和无机 物对人体损害 3 个方面,在矿产资源、气候变化、酸化富营养化和生态毒性方面影响稍小,另外不同的 处置方式在致癌和土地占用方面对环境的影响也不同. 从整个生命周期来看,处置方式为填埋、焚烧和再生的纸塑铝复合包装整个生命周期环境影响潜值 分别为 7.147,6.879 和 4.958 Pt.再生处置由于废弃后的纸塑铝复合包装的纸基部分得到了很好的利用,大 大降低了纸塑铝复合包装在土地占用方面的环境影响潜值,从而降低了整个生命周期的环境影响潜值如 图 5 所示,而填埋和焚烧相差不大. 图5 不同处置方式的纸塑铝复合包装全生命周期环境影响比较评价 Fig.5 Environment impact comparison of Al-PE-Pa laminated package during whole life cycle between three treatment methods 由于研究对象在 3 种处置方式下原料获取、原料运输和产品加工 3 个阶段的清单数据是相同的,为 了更好地比较这 3 种处置方式的环境影响,选取各处置方式在处置阶段的清单数据进行环境影响分类评 价,以便对其作更直观清晰的比较. 结果如图 6 所示,计算结果显示除有机物对人体损害、臭氧层破坏和 辐射外,矿产资源在该阶段的环境影响所占比例也很小,因此图 6 中不作这 4 方面的说明. 图6 纸塑铝复合包装处置阶段不同处置方式的环境影响分类评价 Fig.6 Environmental impact categories of Al-PE-Pa laminated package at the stage of treatment between three methods 从图 6 可以看出,由于对纸塑铝复合包装的纸基部分进行了较好的再生利用,再生出的牛皮纸使纸 塑铝复合包装在土地占用、化石燃料、致癌和生态毒性 4 个方面对环境有着积极的影响,图 7 是 3 种不 同处置方式的环境影响潜值. 图7 纸塑铝复合包装处置阶段不同处置方式的环境影响比较评价 Fig.7 Environment impact comparison of three treatment methods of Al-PE-Pa laminated package at the stage of treatment 从图7可以看出,再生处置的环境影响潜值最小,仅为-1.450 Pt;焚烧次之,为0.467 Pt;填埋最大为 0.735 Pt. 这主要是由于填埋时纸塑铝复合包装的纸基部分分解生成甲烷、二氧化碳等温室气体,塑料部 分分解成难以降解的有毒物质18-19,从而在气候变化和致癌方面对环境产生较大影响. 而焚烧过程的环境 外排主要是以烟气(即二氧化碳、氮氧化物和少量的酸性气体)释放为主,因此在气候变化方面对环境 影响最为明显. 再生处置方式输出牛皮纸产品,减少了处置阶段的环境影响潜值. 由此可以想象,如果能 将剩余的铝塑部分进一步分离成塑料制品和铝制品,将势必降低纸塑铝复合包装在矿产资源和化石燃料 方面的环境影响潜值,从而降低其全生命周期环境影响潜值. 3 结论结论 a. 纸塑铝复合包装原料获取阶段的环境影响所占比例最大,为整个生命周期的 75%以上. b. 纸塑铝复合包装的全生命周期环境影响主要集中在化石燃料、土地占用和无机物对人体损害 3 个 方面,在矿产资源、气候变化、酸化富营养化和生态毒性方面影响稍小,另外不同的处置方式在致癌和 土地占用方面对环境的影响也不同. c. 3 种处置方式对环境影响由大到小依次为填埋焚烧再生. 其中填埋和焚烧处置分别比纸塑铝复 合包装处置阶段前的环境影响(6.413 Pt)增加 11%和 7%,而再生处置可降低 23%. d. 处置阶段选用再生处置方式可降低纸塑铝复合包装的全生命周期环境影响,进一步降低其环境影 响的方式为发展铝塑分离技术. 致谢:致谢:感谢利乐中国、北京鑫宏鹏纸业有限公司、北京联合开源再生资源回收利用有限公司、浙江富阳富伦造纸厂对 本研究现场调研工作提供的帮助. 参考文献参考文献(References): 1 苏建宁,李鹤岐,李奋强.基于知识的绿色包装评价体系J.包装工程,2003,24(1):44-46. 2 刘继永,杨前进,韩新民.瓦楞纸箱全生命周期环境影响评价研究J.环境科学研究,2008,21(6):105-108. 3 李丽,杨健新,王琪.我国包装废物回收利用现状及典型包装物的生命周期分析J.环境科学研究,2005,18(S1):10-12. 4 谢明辉,李丽,朱雪梅,等.国内外包装合理性评价指标体系比较研究J.包装工程,2009,30(1):194-198. 5 中国包装技术协会,国家统计局工业交通统计司.中国包装工业统计:2002M.北京:年鉴出版社,2003. 6 REBITZER G, KEKVALL T, FRISCHKNECH R, et al. Life cycle assessment Part 1: framework,goal and scope definition, inventory analysis,and applicationsJ. Environmental International,2004,30(5):701-720. 7 MARK G, RENILDE S. Eco-indicator 99: methodology reportR. Netherlands: PR Consultants,2001:1-75. 8 张冀飞,闫大海,黄泽春,等.纸基复合包装中铝
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