基于LCA的废弃手机资源化有效运输范围量化研究

李嘉文,宋小龙,赵 迪



基于LCA的废弃手机资源化有效运输范围量化研究

李嘉文1,2,宋小龙1,3*,赵 迪1,2

(1.上海第二工业大学电子废弃物研究中心,上海 201209；2.上海第二工业大学工学部,上海 201209；3.上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海 201209)

基于生命周期评价方法(LCA)分析了废弃手机资源化过程的环境效益和跨区域运输过程的环境影响,并在此基础上提出了废弃手机跨区域流动的有效运输范围及其量化方法.通过采用IMPACT 2002+评价模型,从人体健康、生态系统质量、气候变化、资源消耗四方面对当前中国废弃手机两种典型资源化利用方案和运输过程的环境表现进行了评估.结果表明,两种资源化方案均表现出显著环境效益;部件再使用和材料再生过程是废弃手机资源化环境效益的主要贡献来源;综合考虑跨区域运输过程,在满足环境效益为正的前提下,包括部件再使用和不包括部件再使用两种资源化方案的有效运输范围分别为0~3094km与0~1248km.同时,对跨区域运输过程关键参数分析后发现,提高铁路运输占比和降低货车运输空返率可以有效扩大废弃手机跨区域转移的运输范围.

生命周期评价；废弃手机；有效运输范围；环境影响；IMPACT 2002+

中国作为电器电子产品生产和消费大国,预计2020年将产生15.5亿t电子废弃物[1-2].手机因其体积小、使用频率高、更新换代快等不同于其他电子产品的特点,已经成为我国报废数量最多的一类电子产品[3-5].据估算,2013年我国手机报废量达到7.99亿部[6],到2025年将增长至9.37亿部[7].废弃手机在蕴含大量高资源化价值再生材料的同时,也具有潜在环境影响[8-11].当前,我国废弃手机回收处理处于正规与非正规部门并存的发展初期[12].废弃手机在市场与经济利益驱动下经多级回收和转运[13-15],最终大部分流向位于我国东南沿海和中部省份的手机拆解处理商,或被翻新回用.由于废弃手机尚未纳入废弃电器电子产品处理基金的补贴范围,目前正规拆解处理企业较少开展废弃手机的拆解处理.总体来看,无论是市场自发形成的多级转运现状,还是依据电子废弃物管理遵循的“多渠道回收和集中处理”要求,我国废弃手机的回收处理过程都存在与传统“四机一脑”等不同的跨区域流动特征.

应用生命周期评价方法(LCA)辨识、分析、评估电子废弃物的回收模式及拆解处理工艺正逐渐成为研究的热点[16-18].除了用于评估电子废弃物资源化活动的生命周期环境效益[19-21],LCA也可分析各生命周期阶段的环境影响转移情况[22].不少学者使用LCA方法对废弃手机开展相关研究,涉及回收阶段、拆解阶段、资源化利用阶段[23-24].对于运输环节,有研究利用LCA方法对电子废弃物回收运输环节进行方案比较,设计回收物流网络[16,25],或进行运输路径优化[26].也有学者针对如何确定废物运输距离进行研究[27],但主要集中在工业固体废物方面[28-30].

废弃手机从回收阶段到拆解处理阶段之间的一个重要环节是其从回收点到拆解企业之间的流动过程,由此过程带来的跨区域运输的环境影响是制约废弃手机资源化利用可行性和有效性的重要因素[27].当前,我国废弃手机的跨区域流动路径尚不清晰,废弃手机在多元化回收方式和典型拆解处理方案下的环境效益与跨区域运输所致环境影响间的转化关系以及在两者约束下所确定的有效运输范围仍有待研究.本研究采用生命周期工具分别建立考虑部件再使用和不考虑部件再使用两种方案下废弃手机资源化利用的生命周期模型,以生命周期综合环境表现为基准,提出有效运输范围概念及其量化方法,分析废弃手机资源化过程的环境效益并确定其跨区域运输的合理范围,有助于识别集中处理模式下跨区域流动对废弃手机资源化活动环境效益的影响,进而支撑拆解处理企业空间布局优化和电子废弃物管理系统的进一步完善.

1 研究方法与数据获取

1.1 生命周期环境影响评价方法

采用生命周期工具——GaBi 6.0作为建模和分析软件,并选用IMPACT 2002+模型量化废弃手机资源化利用方案及跨区域运输过程的环境表现.

图1 废弃手机回收处理系统边界

IMPACT 2002+是一种将中点环境影响类型和损害类型结合的评价方法.它将所有类型的生命周期清单结果通过15个环境影响类型(即中点, midpoint)分配给一个或多个环境损害类型(damage),来表示生命周期过程对环境的影响[31-32].其中,前者基于等效原则,即中值特征评分以相对于基准物质的物质当量表示[33],包括水体酸化、水体生态毒性、水体富营养化、致癌性、非致癌性、矿物开采、温室效应、电离辐射、土地占用、非再生能源消耗、臭氧层消耗、光化学氧化、呼吸系统影响、陆地酸化、陆地生态毒性;后者代表环境的质量变化,包括人体健康、生态系统质量、气候变化和资源消耗等4种主要类别[34].该方法能够详细分析各环境影响类别,并针对终点类型完成环境影响评估[35].

1.1.1 功能单位 本研究中的废弃手机指手机主体.由于回收到的废弃手机一般不包含各种配件,故研究对象不包括锂电池、充电器、数据线、耳机等配件.在生命周期模型建立过程中功能单位界定为1000部废弃手机.

1.1.2 系统边界 系统边界覆盖废弃手机从回收到资源化和最终处理的全过程,具体包括废弃手机传统回收、互联网回收、跨区域运输、拆解、外壳破碎、线路板元器件脱除、线路板基板破碎分选、塑料造粒、金属材料再生、非金属材料再生与处置、元器件再使用与处置、液晶屏幕再使用与处置等过程,按生命周期阶段可划分为回收(含区域内运输)、跨区域运输、拆解、再使用、再生、最终处置6个环节.研究中为了进一步探究跨区域运输过程对废弃手机不同资源化过程的环境效益影响,将研究系统分为三个产品系统进行生命周期影响评价.第一个产品系统即废弃手机资源化方案1,考虑部件再使用,包括回收、拆解、再使用、再生、处置等生命周期阶段;第二个产品系统即废弃手机资源化方案2,不考虑部件再使用,包括回收、拆解、再生、处置等生命周期阶段.第三个产品系统为废弃手机跨区域运输过程.废弃手机回收处理生命周期系统边界见图1.

在废弃手机资源化过程中,回收渠道包括传统回收方式和新型互联网回收方式;拆解主要指有资质的拆解处理企业利用人工拆解将废弃手机拆解为外壳、电路板、液晶屏和其他部件等;电路板在进一步处理之前,其上的电子元器件被移除;通过典型企业调研得知废弃手机中再使用部件主要包括液晶屏、电路板元器件以及其他零部件,经检验合格后直接进入再使用阶段;材料再生过程包括金属冶炼过程、塑料造粒再生过程和无机非金属材料的再生过程等;安全处置过程包括对残渣的焚烧和安全填埋;至于跨区域运输过程,目前废手机跨区域运输主要采用的交通工具为货车,研究中设定为载重2t的汽油驱动货车.

1.2 有效运输范围量化方法

基于生命周期思想,一项需要额外运输过程的废弃物处理处置活动,其环境收益(environmental gain)必须大于其所增加的运输距离带来的环境损失(environmental loss),在环境表现上才是有效的[30].基于此,本文提出废弃手机资源化有效运输范围是指在一定距离范围内废弃手机跨区域运输的环境影响小于或等于其资源化过程的环境效益.在这一空间范围内,废弃手机资源化在环境表现上是可行的,称之为有效运输范围.需要指出的是,这里所指的有效运输范围是废弃手机为实现资源化而增加的跨区域运输距离,不包括发生在回收环节和拆解处理过程中的城市内和厂区内的运输距离.

根据以上界定,废弃手机资源化过程环境表现上有效必须满足:

EIT£EBR(1)

即, EIt·£EBr-EIr(2)

由(1),(2)可知,

£(EBr-EIr)/EIt(3)

式中:EIT为跨区域运输过程的环境影响;EBR为废弃手机资源化过程的整体环境效益;EIt为废弃手机单位运输距离的环境影响;为跨区域运输距离;EBr为材料再生、部件再使用过程产生的环境效益;EIr为回收处理过程产生的环境影响.

1.3 关键参数及数据来源

本研究中的废弃手机均指退出使用阶段的废弃手机,不包括经过翻新和维修后再次进入使用阶段的二手手机、翻新手机.研究中对市场上废弃手机类型进行调研后分为大屏机、翻盖机、小屏机,并对其重量和部件组成等数据信息进行分类汇总,最终按照3种手机类型的市场占比、平均重量和拆解部件占比等数据,加权平均得到废弃手机的综合模型.其中,各拆解部件重量和关键材料组成见表1.

表1 废弃手机拆解部件及材料组成

根据对典型城市废弃手机回收市场调研发现,我国废弃手机主要回收类型为传统回收(占比80%)和互联网回收(占比20%).其中传统回收包括维修店回收(占比16%)、走街串巷回收(占比64%);互联网回收包括线上邮寄回收(占比8%)、线下门店回收(占比8%)和上门回收(占比4%).

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;对于部件的再使用过程,依据市场需求只考虑大屏机部件再使用,包括液晶屏、电路板元器件和其他零部件(如摄像头、振子、听筒、话筒、扬声器等);材料再生过程包括金属再生、塑料造粒、环氧树脂再生、玻璃纤维再生、橡胶再生等再生过程;在开展生命周期评价研究时,不考虑设备、场地、机器等折旧与维护情况.

研究中优先采用市场调研与企业实际生产过程作为一手数据来源,缺失的数据则采用拆解实验数据进行补充.对于背景过程以及难以获得一手数据的单元过程,如,能源生产过程、再使用部件产品的生产替代过程、塑料造粒过程、金属再生过程、非金属材料再生过程、运输过程,本研究选用PE-database和ecoinvent3等成熟的商业数据库数据并与相关文献数据进行交叉验证,确保了数据的代表性.生命周期清单数据来源及参数取值详见表2.

表2 生命周期清单数据参数取值及来源

2 结果与讨论

2.1 生命周期环境影响评价结果

针对废弃手机资源化方案1、方案2、跨区域运输过程建立生命周期模型,使用生命周期评价方法IMPACT 2002+对模型数据进行量化,得到15个中点环境影响类型(midpoint)评价结果(表3).

结果表明,两种方案的15个中点环境影响类型结果均为负值,说明资源化过程环境表现显示为环境效益.废弃手机跨区域运输环节中环境影响主要来源是汽油的生产过程以及行驶过程中的尾气排放,在水体生态毒性、非再生能源消耗、呼吸系统影响、温室效应等影响类型方面表现出突出环境影响.

进一步选取典型中点环境影响类型进行分析:(1)温室效应:温室效应的主要影响因素是向大气中排放二氧化碳和甲烷等温室气体,在方案1和方案2中表现为避免了温室气体的排放.其中,资源化过程中线路板元器件再使用贡献占比28.56%、液晶屏再使用贡献占比31.53%、元器件再生过程占比42.29%、线路板材料再生过程占比11.6%.元器件再生过程贡献占比最高,为温室效应环境效益的最大贡献来源.跨区域运输过程中主要温室气体排放来源于货车行驶.其中汽油生产过程和使用过程对温室效应的贡献分别为14.53%和85.47%.(2)矿物开采:矿物开采主要影响因素是产品生命周期中可供人类利用的天然矿物资源的开采情况,在废弃手机资源化过程中电力消耗和汽油消耗均会对产生该环境影响,而部件再使用和材料再生则会避免矿物开采.分析表明,线路板元器件再使用贡献占比22.81%、液晶屏再使用贡献占比36.49%、元器件再生过程占比23.54%、线路板材料再生过程占比15.40%.液晶屏再使用过程为主要贡献来源.跨区域运输过程在矿物开采的环境影响主要来自汽油生产过程.

表3 IMPACT 2002+中点环境影响类型评价结果

注: eq为当量,TEG为triethylene glycol.

2.2 有效运输范围量化结果

为得到在两种资源化方案下的有效运输范围,在中点环境影响类型结果的基础上,采用环境损害类型评价分值表征方案1和方案2的环境影响(图2).

图2 废弃手机资源化方案环境损害评价结果

由图2可以看出,两种资源化方案的环境表现均为环境效益,且方案1中4种环境损害类型的评价分值均分别低于方案2,原因是两方案中涉及到的部件再使用和材料再生过程对人体健康、生态系统质量、气候变化、资源消耗贡献较大,可以抵消回收过程以及拆解处理过程中能源消耗和环境排放物所带来的环境影响,且方案1在考虑材料再生的基础上考虑了部件再使用过程.对4种环境损害类型进行分析,人体健康分值在两方案中均为最低,分别为-4.11、-1.62;资源消耗分值在两方案中均为最高,分别为-1.01、-0.42;两方案中4种环境损害类型分值的大小规律保持一致.对4种环境损害类型的环境影响进行归一化处理,可得方案1和方案2的环境损害分值分别为-7.96和-3.21.按废弃手机资源化过程不同生命周期阶段进行分析,两方案中回收阶段、拆解阶段、安全处置阶段环境影响贡献较小,部件再使用阶段与材料再生阶段贡献较大.其中,方案1部件再使用阶段与材料再生阶段分别占比63.50%和40.65%;方案2材料再生过程占比高达112.60%.此外,跨区域运输过程表现为环境损耗,环境损害分值为2.57Í10-3,其中人体健康、生态系统质量、气候变化和资源消耗分值依次为2.57Í10-3、1.01Í10-7、1.58Í10-6和1.84Í10-6.

基于废弃手机资源化方案和跨区域运输过程的环境损害分值,分别转化为环境效益和环境影响值后,代入式(3),最终计算出在环境表现可行的条件下方案1的最大有效运输范围为0~3094km,方案2的最大有效运输范围为0~1248km.也就是说,从环境表现上来看,如果考虑零部件再使用情况,则废弃手机资源化在0~3094km的跨区域运输范围内是可行的;如果不考虑废弃手机零部件的再使用,则在0~1248km的跨区域运输范围内是可行的.若以中国地理版图的几何中心(兰州)为废弃手机的回收点,模拟跨区域转移过程,则两种资源化方案下的有效运输范围如图3所示.结果显示,考虑废弃手机零部件再使用的资源化方案可以实现其在我国全范围内进行跨区域公路运输,不考虑零部件再使用则有效运输范围将会明显缩小,其环境效益仅能承载废弃手机在中部省份进行跨区域转移.

图3 废弃手机资源化方案下的有效运输范围

2.3 跨区域运输过程关键参数分析

为深入研究关键因素对废弃手机跨区域运输有效范围的影响,结合前文的参数设定与关键假设,分别选取运输方式和货车空返率两个参数进行讨论分析.

针对废弃手机跨区域转运过程中可能采取的不同运输方式,设定铁路运输占比从0增长至50%(即相应的货车运输占比从100%降至50%)分析有效运输范围的变化情况.结果显示,随着铁路运输的占比增加有效运输范围呈上升趋势,方案1与方案2中的有效运输范围分别由0~3094km和0~ 1248km增长至0~6189km与0~2496km(图4).由此可见,在环境表现可行的条件下,增加铁路运输方式占比可以提高我国废弃手机跨区域转移的有效运输范围.

图4 铁路运输占比对有效运输范围的影响

图5 公路运输货车空返率对有效运输范围的影响

考虑到目前我国废弃手机跨区域运输可能存在较高的空返率,因此有必要分析货车在跨区域运输中的空返情况.设定货车空返率从0增加至100%,考察废弃手机跨区域流动有效运输范围的变化趋势.结果表明,货车空返率的提高将导致有效运输范围的显著减少,由此引起方案1与方案2中的有效运输范围分别由0~3094km和0~1248km减少至0~1747km与0~704km(图5).因此,在我国现有运输条件基础上降低货车跨区域运输空返率,可以扩大废弃手机资源化过程跨区域转移的有效运输范围.

3 结论

3.1 采用生命周期环境影响评价方法IMPACT 2002+,针对两种废弃手机资源化利用方案和跨区域运输过程分别建立生命周期模型.环境影响类型分析结果表明,废弃手机资源化过程表现为环境效益,且线路板元器件再使用、液晶屏再使用、元器件材料再生为各项中点环境影响类型的主要贡献来源.

3.2 对方案1、方案2、跨区域运输过程四种环境损害类型结果进行分析表明,方案1、方案2、跨区域运输过程的环境损害分值分别为-7.96、-3.21、2.57Í10-3;方案1中废弃手机部件再使用和材料再生过程是资源化环境效益的主要贡献来源,分别占比63.50%和40.65%;方案2中材料再生过程是资源化环境效益的主要贡献来源,占比高达112.60%;至于跨区域运输过程,汽油生产是造成其环境影响的主要因素.

3.3 在跨区域运输环境影响不大于资源化过程环境效益的前提下,计算得到资源化方案1、方案2对应的有效运输范围分别为0~3094km与0~1248km.在环境表现可行条件下考虑废弃手机的零部件再使用可以扩大其有效运输距离,从而支持废弃手机回收处理企业在更大的空间范围内进行布局.对废弃手机跨区域运输过程的运输方式和空返率两个关键参数进行分析表明,提高铁路运输占比以及降低货车运输的空返率可以有效提高废弃手机跨区域转移的有效运输范围.

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Quantitative analysis of the effective transport range of waste mobile phone recycling based on LCA.

LI Jia-wen1,2, SONG Xiao-long1,3*, ZHAO Di1,2

(1.WEEE Research Center of Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；2.College of Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；3.Shanghai Collaborative Innovation Center for WEEE Recycling, Shanghai 201209, China)., 2019,39(2)：698~705

A life cycle method was carried out to assess the environmental impacts of waste mobilephones in both recycling process and cross-regional transport process. Based on which, this paper defined the effective transport range and quantization method of the cross-regional transport process. The environmental performance of recycling process and transport process, were analyzed by using the IMPACT2002+ approach. The paper divided the recycling process into two scenarios according to the difference of the reuse process. The results showed that the two typical recycling processes were all shown as environmental benefits; the recycled materials and reused parts were the main sources of the environment benefits; and the effective transport range of two processes were 0~3094km and 0~1248km. Meanwhile, an analysis of the key parameters was also conducted to assess the influence of transport tools and theempty return rate ofcross-regional transport processes. It was found that increasing the proportion of railway transport and reducing the empty return rate of truck transport can effectively expand the transport range.

life cycle assessment；waste mobilephone；effective transport range；environmental impact；IMPACT 2002+

X32

A

1000-6923(2019)02-0698-08

李嘉文(1993-),女,河北邯郸人,上海第二工业大学硕士研究生,主要从事电子废弃物资源化和生命周期评价(LCA)及其应用研究.

2018-07-20

国家自然科学基金资助项目(41501598);上海第二工业大学研究生项目基金(EGD17YJ0008);上海市高原学科—环境科学与工程(资源循环科学与工程)

* 责任作者, 副研究员, songxiaolong@sspu.edu.cn