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[成都积压物资回收]电子废弃物回收处理系统环境绩效评估方法及应用

2020-12-01 15:00:31

摘要:基于生命周期工具,从物质代谢效率和生态环境效益两方面建立了电子废弃物回收处理系统的环境绩效评估指标与方法,并以废弃手机为研究对象,分析现阶段我国回收处理系统的环境绩效水平及其改进潜力。结果显示,废弃手机回收处理系统在物质代谢效率指标方面表现出较好的绩效水平,但在生态环境效益方面尚存进一步优化的空间。通过情景设置开展优化分析结果表明:生产者主导回收情景在各项环境绩效指标上均略有改进;区域产业链 配套情景下运输距离的减少仅对人体健康改善指标起到优化效果;鼓励部件再使用情景和先进资源化技术情景可显著提升废弃手机回收处理系统的环境绩效,前者优化效果主要表现在生态环境效益指标上,后者优化效果更均衡。

[成都积压物资回收]电子废弃物回收处理系统环境绩效评估方法及应用

电子产品更新换代加快和市场需求增长导致电子废弃物(也称废弃电器电子产品)成为增速快的固体废物之一。据估算,我国列入《废弃电器电子产品处理目录》中的14种电子废弃物,在2018年的报废量为5.89亿台。预计至2020年,各类电子废弃物产生量将达到15.5亿吨。电子废弃物在蕴含丰富可再生材料的同时也含有多种有毒有害物质,如果不妥善处理将对生态环境和人类健康产生巨大危害。当前,我国电子废弃物回收处理行业尚处在正规和非正规部门并存的发展期。针对电子废弃物回收处理活动及所形成的回收处理系统,建立适用的环境绩效指标和评估方法,有助于识别电子废弃物回收处理过程的物质代谢特征和环境效益水平,进而寻求改进机会并为推进电子废弃物可持续管理提供支持。

环境绩效是对环境因素进行管理所取得的可测量结果,按其英文表达"environmental performance"也常常翻译成环境表现。环境绩效评估可全面量化被评估对象真实的环境绩效水平,已成为环境管理的重要工具之一。基于不同准则和方法构建相应的指标体系是目前开展环境绩效评估的主要做法,已应用在企业、行业、城市、区域等不同层面。从已有研究来看,国内围绕环境绩效评估方法体系的研究多是基于数据包络分析(DEA)、模糊综合评价、人工神经网络等方法。采用生命周期评价(LCA)选取环境指标是表征产品或系统环境绩效的另一个角度,相关研究涉及产品生产、废弃物回收处理或生命周期全过程。

Ghadimi等在开展中国煤炭能源供应链系统的环境影响分析时,提出了一种基于生命周期的环境绩效指标体系,指出了LCA的适用性以及在环境绩效水平数值和输出结果上的不足之处。针对集中处理模式下具有复杂物质代谢过程的电子废弃物回收处理系统,其物质代谢特征和资源产出效率等关键指标,是评估环境绩效 的重要方面,仅基于LCA结果也很难全面反映环境绩效。因此,本研究结合物质流分析(MFA)和LCA方法, 从物质代谢效率和生态环境效益两方面提出适用于电子废弃物回收处理系统的环境绩效评估指标体系,并选取废弃手机作为研究对象,建立物质代谢模型和生命周期模型,全面分析废弃手机回收处理系统的环境绩效状况和改进潜力,为电子废弃物环境管理提供支持。

1 评估指标与方法

1.1指标体系

为全面评估电子废弃物回收处理系统的环境绩效,基于生命周期思想,分别采用MFA和LCA方法框架,从物质代谢效率和生态环境效益两方面遴选出7项指标,建立环境绩效评估指标体系。

1.1.1 物质代谢效率指标

物质代谢效率主要反映电子废弃物在回收处理过程中其拆解部件(或材料)用于再使用和再生利用的流向、流量及价值产出方面的综合表现,涉及指标为部件再使 用率、再生材料产出率和物质代谢价值生产力。

(1)部件再使用率。电子废弃物经拆解后获得的功能完好部件,具有再使用潜力,可用于同类型或其他类型电子产品的维修或降级使用。由此定义部件再使用率为:

(2)再生材料产出率。除去可再使用部件,其余拆解部件通过一系列资源化和处理处置工艺可获得多种再生材料和无价值组分。其中,无价值组分进行安全处置,再生材料可进入其他工业生产过程进行循环利用。由此定义再生材料产出率为:

(3)物质代谢价值生产力。电子废弃物经拆解处理后获得的全部可再使用部件和再生材料,依据市场价格可转换为总资源价值产出。由此定义物质代谢价值生产力为:

1.1.2 生态环境效益指标

生态环境效益反映的是电子废弃物回收处理过程中通过部件再使用和材料再生获得的正向环境表现,可基于生命周期评价得到的环境影响指标转化而来。

常用的生命周期影响评价方法包括EI99、CML、ReCiPe、IMPACT 2002+等。其中 IMPACT 2002+是一种将中点环境影响类型和环境损害类型结合的评价方法。它将生命周期清单结果通过15个环境影响类型分配给一个或多个环境损害类型,来表示生命周期过程对环境的影响。该方法能够详细分析各环境影响类型,并针对终点类型完成环境影响评估。本研究选取IMPACT 2002+终点环境损害类型的计算结果作为生态环境效益指标的参考值,每种损害类型分值的相反数对应转化为一种生态环境效益指标值,分别为:(1)人体健康改善;(2)生态系统质量改善;(3)碳减排;(4)节能降耗。

1.2指标处理方法

考虑到环境绩效指标在数量级和单位上的差别,需要对各指标值进行标准化处理。本研究基于特定电子废弃物回收处理系统现状,设定一个理想回收处理系统, 其在回收处理技术方案下所对应的各项指标值作为标准化的基准,即用环境绩效指标实际值除以理想值Ni得到无量纲标准化结果Si。

2 应用研究

废弃手机作为新型电子废弃物的典型代表,具有增长速度快、成分复杂、资源价值高等特点。与废弃“四机一脑”(电视机、冰箱、空调、洗衣机、电脑)拆解处理活动享受基金补贴不同,废弃手机由于缺乏政策激励和补贴支持,目前我国尚未形成完善的管理体系,回收处理系统也尚未成熟。本研究选择废弃手机开展应用研究,采用MFA和LCA定量分析废弃手机及其关键部件、材料在回收处理过程中的物质代谢特征和环境影响,依据结果进一步评估掌握环境绩效水平。

2.1 研究对象

本研究所指废弃手机为退出使用阶段的废手机,不包括经过翻新和维修后再次进入使用阶段的二手机与翻新机。确定研究对象为1000千克废弃手机,研究范围 覆盖废弃手机从进入回收渠道到处理处置的全过程(图1)。当前,我国废弃手机的回收处理过程主要包括传统回收、互联网回收、人工拆解、线路板元器件剥离、部件再使用和材料再生利用、危险废物与无价值组分安全处置等。运输过程包括废弃手机整机从回收点到拆解点以及拆解部件从拆解点到资源化利用点两部分。

2.2数据来源

通过选取典型废弃手机样品开展拆解实验,结合企业调研数据和文献数据,我们在前期研究中已经获得了废弃手机主要拆解部件和材料组成数据。本文进一步换算得到1000千克废弃手机拆解部件重量和关键材料组成等关键数据(表1)。

根据典型城市废弃手机回收市场调研,我国废弃手机主要回收类型为传统回收和互联网回收,两者占比分别为80%和20%。行业调查发现,目前,我国废弃手机拆解的主要聚集地位于河南商丘和广东贵屿,大部分拆解后的部件和材料在珠三角地区进行循环利用。以各省省会城市为运输起点,以聚集地城市为运输终点,得到废弃手机从回收点到拆解点的平均运输距离为1078千米。以聚集地城市为运输起点,以深圳市为运输终点,得到废弃手机从拆解点到资源化利用点的平均距离为930千米。废弃手机拆解、破碎分选、安全处置等过程数据来自典型拆解企业的拆解工艺数据。部件再使用过程中依据市场现状,考虑液晶屏和线路板元器件的再使用,再使用比例依据市场调查分别确定为50%和80%。材料再生过程包括金属再生、塑料造粒等再生过程,材料再生率根据典型企业实际生产过程数据确定。

在开展生命周期评价研究时,未考虑设备、场地、机器等折旧与维护情况。对于背景过程以及难以获得一手数据的单元过程,本研究选用PE-database和 ecoinvent 3等商业数据库以及文献数据作为补充,主要涉及能源生产过程、再使用部件产品的替代生产过程、塑料造粒过程、金属再生过程、非金属材料再生过程和运输过程。具体数据来源及参数取值见表2。

2.3评估结果

2.3.1 物质代谢效率指标结果

废弃手机回收处理系统物质代谢过程与其拆解处理流程保持一致(图2)。废弃手机经回收后由人工拆解得到线路板、液晶屏、电池、外壳和其他部件5部分。线路板经过热风线处理进行元器件脱除,得到可再使用部分。剩余元器件通过湿法冶金回收各类金属,线路板基板通过破碎分选得到金属和非金属材料。液晶屏经检测分选出可再使用部分,不具再使用潜力的进行安全处置。锂电池经过放电、破碎、过滤分选后可提取各类金属。外壳主要经过破碎分选得到工程塑料和金属材料。其他部件主要包含工程塑料和合金材料,用于再生利用。拆解处理过程中产生的无价值组分和危险组分,进行安全处置。

在实际拆解处理过程中,1 000千克废弃手机通过材料再生共可获得632.3千克再生材料,价值为27 618元。可再使用元器件和液晶屏重量分别为56.93千克和 38.19千克,再使用价值为4 312元。数据代入公式(1)〜(3)可得,废弃手机的部件再使用率为9.51%,再生材料产出率为63.23%,物质代谢价值生产力为 0.0319。

2.3.2 生态环境效益指标结果

以1 000千克废弃手机作为生命周期评价的功能单位,采用GaBi 6.0作为建模和分析软件,选用IMPCAT 2002+模型,评估得到4类终点环境损害类型分值(表3)。

生命周期评价结果显示,4种环境损害类型皆为负值,即表现为环境效益。在实际回收处理过程中,货车运输产生的各类排放物,尤其是颗粒物对人体呼吸系统 健康产生损害,而部件再使用和材料再生可避免新部件和材料的生产,从而有效改善人体健康状况。影响生态系统质量的主要因素是水体生态毒性和陆地生态毒性,材料再生过程中产生的各类排放物为主要贡献来源。影响气候变化的主要因素是温室气体的排放。资源消耗的影响因素是非可再生能源和矿物资源的消耗,废弃手机资源化过程中使用的电力、汽油、物料等均对此产生影响,而部件再使用和材料再生可有效减少资源和能源的消耗。

从生命周期评价结果可转化为生态环境效益指标值:人体健康改善为9.88,生态环境质量改善为9.46,碳减排为6.53,节能降耗为5.78。

2.3.3 环境绩效评估结果

在上文物质代谢效率指标和生态环境效益指标分值基础上,对指标数据进行标准化处理,得到废弃手机回收处理系统的环境绩效评估结果(表4)。

评估结果显示,与理想回收处理系统相比,当前废弃手机回收处理系统在物质代谢效率指标上表现出较好的绩效水平,在生态环境效益方面尚具有进一步优化的空间。

在生态环境效益指标中,人体健康改善具有优化潜力。究其原因发现,影响该指标的主要因素是运输过程排放的颗粒物,其次是材料再生环节线路板和锂电 池的资源化过程。影响生态系统质量的主要因素是材料再生环节中外壳及其他部件的资源化过程,其次是回收环节。影响碳减排和节能降耗指标的主要因素均为废弃手机回收过程中的能源消耗,来自回收商贩电动车与互联网回收平台运行设备的电力消耗。

2.4情景优化分析

优化情景1:生产者主导回收情景

在当前废弃手机回收处理系统的基础上对回收环节进行优化。在我国电子废弃物管理领域,生产者责任延伸制(EPR)以基金补贴的形式在对废弃“四机一脑”管理中得以实施。而在当前废弃手机管理过程中,生产者未承担经济责任和实体责任。本情景设定生产者通过销售网络主导废弃手机回收以替代传统回收,通过销售点“以旧换新”或积分兑换等回收方式,提高废弃手机回收效率,降低回收过程的能源消耗,同时避免废弃手机外形破损,液晶屏再使用率略有提高。

优化情景2:区域产业链配套情景

在当前废弃手机回收处理系统的基础上对运输环节进行优化。设定废弃手机拆解点已形成配套的区域产业链,拆解处理后的可再使用部件和再生材料无须经过跨 区域运输至资源化利用点,可直接在当地下游企业内进行梯级利用或材料再生利用,从而避免跨区域转运过程。

优化情景3:鼓励部件再使用情景

在当前废弃手机回收处理系统的基础上对部件再使用场景进行优化。通过市场调研和行业调查,可再使用的元器件和液晶屏主要用于手机维修或其他电子产品降 级利用。随着手机更新换代速度加快和元器件性能提升,设定废弃手机部件再使用率显著提高,更多的线路板元器件和液晶屏进入再使用过程。

优化情景4:先进资源化技术情景

在当前废弃手机回收处理系统的基础上对拆解处理过程进行优化。废弃手机富含多种高价值的再生材料,资源化技术决定了可提取的再生材料质量与数量。设定 以资质企业先进拆解处理工艺或文献报道先进资源化技 术参数替代现有技术方案参数,使部件拆解损坏率降低,同时材料再生范围和材料回收率进一步提高(表 5)。

分别对上述4种优化情景进行环境绩效评估,结果见图3。优化情景1(图3a)除再生材料产出率保持不变外,其他指标结果较实际情景均有较小改进,其中人体健康改善和碳减排指标分别提升了13.63%和7.3%,部件再使用率和物质代谢价值生产力分别提升了4.01% 和0.62%。优化情景2(图3b)与实际系统当前水平相比在人体健康改善指标提升了50.68%,优化效果明显,但其他指标无明显变化。优化情景3(图3c)在生态环境效益和部件再使用率方面的环境绩效改进较为显著,5项指标相较于当前绩效水平分别提升了37.44%、15.06%、16.35%、15.85%和15.51%。优化情景4(图3d)在环境绩效各方面均有改进,其中,4项生态环境效益指标分别提升了12.77%、7.3%、8.51%和7.11%,3项物质代谢效率指标分别提升了7.76%、13.14%和2.07%,再生材料产出率的改进效果h 。


综合优化分析结果可以看出,优化废弃手机回收方式在物质代谢效率和生态环境效益两方面的环境绩效均有改进,但提升幅度较小。优化废弃手机回收处理系统中的运输环节,仅对人体健康改善指标起到优化效果。提高部件再使用率和选用先进拆解处理工艺可为废弃手机回收处理系统带来较显著的环境绩效提升,其中,前者更侧重于生态环境效益方面,后者改进效果则更为均衡。

3 结论

论文基于生命周期工具,从物质代谢效率和生态环境效益两方面建立了电子废弃物回收处理系统的环境绩效评估指标与方法。其中,物质代谢效率指标包括部件 再使用率、再生材料产出率和物质代谢价值生产力3项指标。生态环境效益指标包括人体健康改善、生态环境质量改善、碳减排和节能降耗4项指标。采用物质流分析和生命周期评价方法,分别对当前我国废弃手机回收处理系统在物质代谢效率和生态环境效益两方面的环境绩效进行评估。结果显示,废弃手机回收处理系统在物质代谢效率指标方面表现出较好的绩效水平,在生态环境效益方面尚具有进一步优化的空间。原因在于当前回收环节电力消耗、运输过程颗粒物排放、材料再生过程资源消耗和环境排放等导致较显著的环境影响。

 

针对废弃手机回收处理过程中回收、运输、再使用和材料再生环节分别设置优化情景并进行环境绩效分析,结果表明,生产者主导回收情景在各项环境绩效指标上均有较小改进;区域产业链配套情景下运输距离的减少仅对人体健康改善指标起到优化效果;鼓励部件再使用情景和先进资源化技术情景可显著提升废弃手机回收处理系统的环境绩效,但前者优化效果主要表现在生态环境效益指标上,后者优化效果则更为均衡。

来源:《生态经济》2020年5月第5期


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