我國幾種典型棉紡織產(chǎn)品的工業(yè)水足跡評價

嚴 巖, 賈 佳,2, 王麗華, 杜 沖, 劉馨磊, 付 曉, 劉 昕, 吳 鋼,*

(1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085; 2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.中國檢驗認證集團測試技術(shù)有限公司, 北京 100028)

水資源危機是當(dāng)前人類面臨的最嚴峻的資源危機。如何緩解水資源危機、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，也因此成為相關(guān)學(xué)者和管理者共同關(guān)心且亟待解決的重要問題。水足跡概念與評估方法的提出，使人們開始意識到日常生活中隱含在各種產(chǎn)品和服務(wù)中的水資源消費[1]，為提高水資源利用與管理水平、引導(dǎo)綠色消費提供了科學(xué)的評判依據(jù)和新的手段。

紡織品是人類生活必需品之一，且隨著人口、社會和經(jīng)濟的發(fā)展，全球紡織品的消耗量還在以平均每年4%的速度增長。我國是傳統(tǒng)的紡織品生產(chǎn)與出口大國，在國際紡織品貿(mào)易中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但由于紡織品生產(chǎn)需要利用大量的水資源，2007年我國紡織行業(yè)的水耗與廢水排放量分別占全國工業(yè)總耗水量與總廢水排放量的8.5%和10%[2]。隨著紡織產(chǎn)業(yè)的快速增長，紡織產(chǎn)業(yè)對水資源、水環(huán)境的影響和壓力相應(yīng)地也在增加。為了揭示紡織品生產(chǎn)相關(guān)的工業(yè)活動對水資源的綜合影響，本研究建立了紡織品的工業(yè)水足跡評價方法和參數(shù)體系，為紡織品工業(yè)水足跡評價提供了一套系統(tǒng)化和規(guī)范化的方法；選取了漂白布、染色布、色織布及花灰布等四種典型棉紡織產(chǎn)品開展了實證研究，為從產(chǎn)品角度了解紡織品生產(chǎn)相關(guān)工業(yè)活動對水資源的綜合影響提供了科學(xué)依據(jù)。

1 產(chǎn)品工業(yè)水足跡的概念與相關(guān)研究進展

水足跡是繼生態(tài)足跡和碳足跡之后，以水資源為研究對象提出的一套多維評價指標(biāo)體系。該理論是基于生命周期評價的方法，通過虛擬水概念的介入來描述人類活動對水資源的需求[3]，即測量某一已知人群(個人、地區(qū)、國家或世界)在一定時間內(nèi)消耗的所有產(chǎn)品和服務(wù)中隱含的水量消耗和水環(huán)境影響[1,4]。

產(chǎn)品水足跡評價是以某一產(chǎn)品為對象的水足跡評價。它從水量和水質(zhì)綜合的角度衡量產(chǎn)品的水資源利用效率與影響，能夠揭示產(chǎn)品全生命周期及某一特定時空內(nèi)生產(chǎn)者或消費者的行為活動中的水資源消費[5- 6]。由于開展全生命周期的產(chǎn)品水足跡評價涉及的影響因素非常復(fù)雜，導(dǎo)致其核算框架很難構(gòu)建，并且很大程度上缺乏可靠數(shù)據(jù)支持，使得目前已有的研究主要集中在農(nóng)產(chǎn)品方面[7- 10]，工業(yè)產(chǎn)品水足跡評價的研究較少。然而，當(dāng)今世界面臨的生態(tài)環(huán)境危機，究其根本原因是工業(yè)革命以來，人類工業(yè)生產(chǎn)活動的規(guī)模和強度不斷上升的結(jié)果。工業(yè)產(chǎn)品水足跡評價研究的缺乏，使得水足跡理論與方法在工業(yè)領(lǐng)域水資源管理方面未能發(fā)揮應(yīng)有的作用。而且，在已有的不多的工業(yè)產(chǎn)品水足跡研究案例[11- 12]中，由于缺乏一手數(shù)據(jù)的調(diào)查并且未能突破評價方法的限制，在評價中都忽略了工業(yè)生產(chǎn)階段的灰水足跡[5- 6]，而工業(yè)廢水排放帶來的水環(huán)境影響恰恰是工業(yè)生產(chǎn)過程水足跡評價的最重要的組成部分。

產(chǎn)品工業(yè)水足跡[13]是基于工業(yè)水足跡理論提出的一項用以測量某一產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)的工業(yè)活動引起的水資源利用增量的多維指標(biāo)。從水資源影響來源的角度，產(chǎn)品工業(yè)水足跡可分為直接工業(yè)水足跡與間接工業(yè)水足跡。直接工業(yè)水足跡指工業(yè)生產(chǎn)階段直接的水資源消耗量及水環(huán)境污染。間接水足跡指原料、輔料及能源消耗中隱含的水資源消耗量及水環(huán)境污染。從水資源影響類型的角度，產(chǎn)品工業(yè)水足跡還可分為藍水足跡與灰水足跡。藍水即地表水和地下水，藍水足跡指生產(chǎn)過程中直接消耗的藍水?；宜阚E指廢水排放所引起水資源污染量，以揭示生產(chǎn)過程對水環(huán)境影響強度[5- 6]。產(chǎn)品工業(yè)水足跡評價能夠揭示產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)的工業(yè)活動對水資源的綜合影響。因此，明確產(chǎn)品水足跡評價的系統(tǒng)邊界和內(nèi)容，建立和完善產(chǎn)品工業(yè)水足跡評價[13]相關(guān)方法，是產(chǎn)品水足跡評價研究中亟待解決的重要問題。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 系統(tǒng)邊界和核算內(nèi)容

依據(jù)工業(yè)水足跡的概念和評價框架[13]，本研究將紡織品工業(yè)水足跡評價的系統(tǒng)邊界劃定為從棉花入廠到產(chǎn)品出廠前整個工業(yè)生產(chǎn)階段，核算內(nèi)容包括輸入項(水、蒸汽、原料與能源)與輸出項(廢水、廢物和產(chǎn)品)?？紤]到紡織品工業(yè)生產(chǎn)階段用到的染料及助劑等輔料品種繁多，但用量不大，對產(chǎn)品工業(yè)水足跡的貢獻有限，并且核算輔料中隱含的工業(yè)水足跡存在巨大困難，因此評價內(nèi)容中未將輔料納入核算范圍(圖1)。

圖1 紡織品工業(yè)水足跡評價的系統(tǒng)邊界

2.2 工藝流程

通過調(diào)研浙江、江蘇、廣東等地的數(shù)家大型紡織企業(yè)，選取并梳理了漂白布、花灰布、染色布、色織布等4種典型棉紡織產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。其中，漂白布、花灰布與染色布的生產(chǎn)流程類似：首先，將紗線送往紗廠進行紡紗、織布；其次，對胚布進行檢驗和整理，再送入染整部門進行漂白或染色等染色處理；再次，將處理好的布匹烘干后，依照訂單需要進行定型、預(yù)縮等特殊處理；最后，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品打包前需經(jīng)過二次檢驗，且經(jīng)檢驗合格的產(chǎn)品方可出廠(圖2)。與以上三者的不同，色織布的生產(chǎn)流程中：棉花在經(jīng)紗廠紡紗、翻砂處理后，不是被直接織成胚布，而是將紗線送往染整部門對進行染色；其次，將檢驗合格的色紗送回紗廠織布；再次，依照訂單要求，將胚布送往染整部門處理；最后，產(chǎn)品打包出廠前同樣需要二次檢驗以確保產(chǎn)品質(zhì)量合格(圖3)。

圖2 漂白布、花灰布與染色布的工藝流程

圖3 色織布的工藝流程

2.3 核算方法

采用工業(yè)水足跡的核算框架及方法[13]，包括生產(chǎn)、公共及系統(tǒng)內(nèi)部運輸環(huán)節(jié)中的水足跡。產(chǎn)品尺度的水足跡核算的目標(biāo)是單件產(chǎn)品的水足跡，但是由于受到生產(chǎn)工藝本身因素或是數(shù)據(jù)測量條件的限制，生產(chǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)不可能做到以件為單位進行測量或收集，因此，本文中產(chǎn)品水足跡的核算，是在該批次產(chǎn)品總的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)測量和收集的基礎(chǔ)上，首先核算該批次產(chǎn)品總的工業(yè)水足跡，然后按產(chǎn)品產(chǎn)量平均得到。本文選擇的幾種紡織產(chǎn)品均為布匹，因此以磅(lb)為單件產(chǎn)品的計量單位。核算方法如下：

WFindustry[textile]=WFproduction+WFpublic+WFtransport

式中，WFindustry[textile]為紡織品工業(yè)水足跡(m3/lb)，WFproduction為生產(chǎn)水足跡(m3/lb)，WFpublic為公共水足跡(m3/lb)，WFtransport為運輸水足跡(m3/lb)，Vfresh為該批次產(chǎn)品的新鮮水量(m3)，WFgrey為該批次產(chǎn)品的灰水足跡(m3)，WFmater為該批次產(chǎn)品的材料水足跡(m3)，Y為該批次產(chǎn)品的產(chǎn)量(lb)。

2.3.1 新鮮水

新鮮水量是用該批次產(chǎn)品的生產(chǎn)、公共及運輸各環(huán)節(jié)中的取水量減去廢水排放量(Veffl，m3)計算得到[13]：

Vfresh=∑(Vdraft-Veffl)

式中，Vdraft是該批次產(chǎn)品的生產(chǎn)、公共及運輸各環(huán)節(jié)中的取水量(m3)，Veffl是該批次產(chǎn)品生產(chǎn)過程中排放的廢水量(m3)。

2.3.2 灰水足跡

灰水足跡通過用生產(chǎn)該批次產(chǎn)品過程中排放的污染物負荷除以接受水體的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度和接受水體本身的自然濃度之差得出[13]:

式中，L是生產(chǎn)該批次產(chǎn)品過程中排放的污染物負荷(mg)；Cmax是最大可接受濃度(mg/m3)；Cnat是接受水體的自然濃度(mg/m3)；Ceffl是廢水中污染物的濃度(mg/m3)。

2.3.3 材料水足跡

材料水足跡是該批次產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗所有材料中隱含的工業(yè)水足跡包括能源(一級能源、二級能源)、工業(yè)原料、輔料、添加劑、機械設(shè)備及辦公耗材等。公式計算[13]：

式中，M是材料的消耗量，計量單位需根據(jù)具體的材料類型確定。i表示該批次產(chǎn)品生產(chǎn)整個的過程中消耗的材料種類，取值為1到n的自然數(shù)。l代表材料工業(yè)水足跡轉(zhuǎn)換系數(shù)，指單位材料生產(chǎn)所消耗的工業(yè)水足跡。Mi是該批次產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗的第i種材料量，li是第i種材料工業(yè)水足跡轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)來源

2.4.1 相關(guān)蒸汽、能源等材料的水足跡核算

由于紡織品生產(chǎn)涉及的各種材料的工業(yè)水足跡含量目前還沒有任何可借鑒的評估結(jié)果。本研究對紡織品生產(chǎn)過程中涉及到的蒸汽、煤、電、汽油、柴油等的5種主要材料進行了生命周期分析和工業(yè)水足跡核算。

(1)直接水足跡的計算

首先通過分析5種材料的生命周期，確定其工業(yè)水足跡核算的邊界、框架和內(nèi)容；其次，通過查閱文獻及調(diào)查訪問確定各種材料不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的耗水量[14- 18]，從而估算出蒸汽、煤、電、汽油、柴油等5種材料的藍水足跡；再次，根據(jù)2000—2009年《中國環(huán)境年鑒》與《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》中煤、電及化工行業(yè)的年廢水排放量與污染物排放量推算出各行業(yè)年均廢水排放量以及污染物濃度，選取化學(xué)需氧量(COD)作為核算灰水足跡的污染物指標(biāo)，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)[19]，假設(shè)自然水環(huán)境恰好滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，最大可接受污染物指標(biāo)以Ⅴ類水水質(zhì)為準(zhǔn)，由此估算出蒸汽、煤、電、汽油、柴油等五種材料的灰水足跡。

(2)間接工業(yè)水足跡的計算

依據(jù)各類能源的標(biāo)煤折算系數(shù)，將材料生產(chǎn)過程中消耗的能源統(tǒng)一折算成原煤量，再根據(jù)原煤的直接水足跡(藍水足跡與灰水足跡)以及原煤生產(chǎn)過程中的能源消耗量，利用工業(yè)水足跡計算模型[13]得到原煤工業(yè)水足跡，進而推算其他能源的工業(yè)水足跡(表1)。

表1 材料水足跡系數(shù)表

2.4.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)

核算中使用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自于生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)收集，其中包括各工藝單元中的水資源、煤、電、蒸汽的消耗量及產(chǎn)品質(zhì)量損失；排放廢水水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及經(jīng)污水處理廠處理后(即排向自然水體前)的水質(zhì)；各類產(chǎn)品年產(chǎn)量；生產(chǎn)、公共及系統(tǒng)內(nèi)部運輸環(huán)節(jié)中煤、汽油、柴油等的消耗量。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

本研究核算了漂白布、染色布、色織布、花灰布等4種典型棉紡織產(chǎn)品的工業(yè)水足跡。結(jié)果如表2所示。

表2 我國典型棉紡織產(chǎn)品的工業(yè)水足跡

3.2 分析與討論

3.2.1 產(chǎn)品工業(yè)水足跡

從核算結(jié)果可以看出，4種典型棉紡織產(chǎn)品的工業(yè)水足跡，由大到小依次為，色織布>染色布>花灰布>漂白布。色織布的工業(yè)水足跡平均為81.51L/lb；染色布61.52L/lb；花灰布37.84L/lb；漂白布36.51L/lb。從具體生產(chǎn)工藝過程更為細致地考察造成不同類型產(chǎn)品工業(yè)水足跡之間差異的原因：①漂白布與花灰布的生產(chǎn)工序相似，且耗水及耗蒸汽和能源的工序基本相同，因此二者的工業(yè)水足跡差異不大；且與染色布、色織布相比，其生產(chǎn)工藝相對簡單、質(zhì)量損失較小，因此在4種產(chǎn)品中，漂白布與花灰布的工業(yè)水足跡相對較小。②與漂白布的生產(chǎn)工藝相比，染色布的工藝更加復(fù)雜。漂白布只需將胚布漂成要求的白度，而染色布則是在漂白處理后，再利用染料、助劑對胚布進行染色，因此需要消耗的更多的水、蒸汽、能源及其它物質(zhì)，進而導(dǎo)致染色布的工業(yè)水足跡相對較大。③與其它3種產(chǎn)品不同，色織布的工業(yè)生產(chǎn)過程需要經(jīng)過兩次染色，且每次染色都需要經(jīng)過煮、練、漂及多道洗水過程。因此，4種產(chǎn)品中色織布的工業(yè)水足跡最大。

對深、中、淺不同顏色的染色布與色織布的工業(yè)水足跡進行比較，可以看出，同類型但不同顏色產(chǎn)品的工業(yè)水足跡，由大到小依次為深色>中色>淺色，即顏色越深對水資源的消費程度越大。分析產(chǎn)生這一差異的主要原因在于，紡織品染色或漂白過程都需要在水浴條件下進行，但不同產(chǎn)品生產(chǎn)對染色時間、洗水次數(shù)和水溫等條件的要求存在很大差異。等質(zhì)量的同類型產(chǎn)品，顏色越深的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中要求的洗水次數(shù)越多，對水資源的直接需求量越大，從而導(dǎo)致藍水足跡越大。另外，洗水次數(shù)的越多，加熱的時間就越長，消耗的蒸汽量越多，設(shè)備運轉(zhuǎn)消耗的電量越大，因此產(chǎn)生的間接水足跡就越大。

分析不同產(chǎn)品工業(yè)水足跡構(gòu)成的差異，4種棉紡織產(chǎn)品的工業(yè)水足跡都是直接工業(yè)水足跡所占比重較大(圖4)，間接工業(yè)水足跡相對較小。直接工業(yè)水足跡與間接工業(yè)水足跡的比例關(guān)系：漂白布為4.66∶1；花灰布為6.83∶1；染色布為6.31∶1；色織布為5.00∶1。

圖4 產(chǎn)品工業(yè)水足跡

3.2.2 直接工業(yè)水足跡構(gòu)成

4種產(chǎn)品的直接工業(yè)水足跡由大到小依次為：色織布>染色布>花灰布>漂白布；直接工業(yè)水足跡最大的色織布是最小的漂白布的2.23倍。對其構(gòu)成進行比較分析(圖5)，可以看出，4種產(chǎn)品均是藍水足跡所占比重較大，灰水足跡占比相對較小。

圖5 直接工業(yè)水足跡

由于目前工廠計量與監(jiān)測的基礎(chǔ)條件限制，無法直接測量紡織品工業(yè)生產(chǎn)階段各工序的廢水產(chǎn)生量及水質(zhì)情況；另外，由于所有工序排出的廢水均將匯入工廠的廢水處理設(shè)施進行統(tǒng)一處理后一并排出，灰水足跡的核算無法按照工序廢水產(chǎn)生的情況進行詳細計算。因此，本研究在核算灰水足跡時，先利用工廠污水處理廠進出口水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)，核算出總的灰水足跡，然后依據(jù)各產(chǎn)品的藍水足跡，將總的灰水足跡分攤到各產(chǎn)品。按照這種方法得到的各產(chǎn)品灰水足跡的核算結(jié)果，能夠客觀地反映灰水足跡與藍水足跡的比例關(guān)系，以及產(chǎn)品總的水足跡大小，但并無法區(qū)分不同工序在排水系數(shù)和水質(zhì)影響方面的差異。

3.2.3 間接工業(yè)水足跡構(gòu)成

間接工業(yè)水足跡核算的結(jié)果涵蓋了生產(chǎn)部門消耗的蒸汽和電，以及公共及運輸環(huán)節(jié)消耗的煤、汽油與柴油中隱含的工業(yè)水足跡。結(jié)果顯示(圖5)：各產(chǎn)品的間接水足跡由小到大依次為花灰布<漂白布<染色布<色織布；比例關(guān)系為1∶1.34∶1.74∶2.81。間接水足跡的構(gòu)成中，生產(chǎn)部門產(chǎn)生的間接水足跡比重較大，公共及運輸環(huán)節(jié)的產(chǎn)生的間接工業(yè)水足跡比重很小，其差異對產(chǎn)品總的工業(yè)水足跡核算結(jié)果不產(chǎn)生顯著影響。

圖6 間接工業(yè)水足跡

由產(chǎn)品間接水足跡的核算方法可知，四種產(chǎn)品間接水足跡之所以存在差異，主要是由于各產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗的蒸汽量與電量的不同。比較來自于用蒸汽和電的間接水足跡的比例關(guān)系：花灰布為1.67∶1、漂白布為2.66∶1、染色布為3.19∶1、色織布為1.68∶1，可以看出，蒸汽是造成產(chǎn)品間總的間接水足跡差異的控制性因素。紡織品生產(chǎn)過程中消耗的蒸汽主要是在煮、鏈、漂、染色與洗水過程中用于給水浴設(shè)備中的水和產(chǎn)品進行加熱。染色布與色織布的工藝鏈中都包括染色過程，且色織布要經(jīng)過兩次染色，因此較之于花灰布和漂白布，二者生產(chǎn)過程中對蒸汽的消耗量較多，相應(yīng)的間接工業(yè)水足跡較大。另外，不同產(chǎn)品用電量的差異主要是由于占用設(shè)備時間的長短不同。四種產(chǎn)品中，漂白布與花灰布的生產(chǎn)工藝鏈較短，用于機械運轉(zhuǎn)的電能消耗較少，二者相應(yīng)的間接工業(yè)水足跡較??；色織布的生產(chǎn)工藝最為復(fù)雜，因而其間接工業(yè)水足跡最大。

4 結(jié)論

本研究可得出以下結(jié)論：

(1)本研究建立的紡織品工業(yè)水足跡評價方法和相關(guān)參數(shù)，能夠滿足紡織品工業(yè)水足跡評價的要求，評價結(jié)果能夠反映紡織品工業(yè)水足跡強度和差異，具有較好的可操作性和準(zhǔn)確性，為紡織品工業(yè)水足跡評價提供了方法支持。

(2)4種典型棉紡織品的工業(yè)水足跡由大到小依次為：色織布>染色布>花灰布>漂白布。色織布的工業(yè)水足跡平均為81.51L/lb；染色布的工業(yè)水足跡平均為61.52L/lb；花灰布的工業(yè)水足跡為37.84L/lb；漂白布的工業(yè)水足跡為36.51L/lb。同種產(chǎn)品不同顏色相比較，深色產(chǎn)品的工業(yè)水足跡大于淺色產(chǎn)品。

(3)從紡織品工業(yè)水足跡構(gòu)成來看，直接工業(yè)水足跡比重較大、間接工業(yè)水足跡占比較小；藍水足跡對直接工業(yè)水足跡的貢獻較大，灰水足跡相對較小；間接工業(yè)水足跡的構(gòu)成主要以生產(chǎn)部門產(chǎn)生的工業(yè)水足跡為主，公共及運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的間接工業(yè)水足跡所占比重很小。

(4)從評價結(jié)果可以看出：對于生產(chǎn)企業(yè)，加強紡織品工業(yè)生產(chǎn)過程的水資源管理、降低產(chǎn)品水足跡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于加強生產(chǎn)工藝各工序用水的精細化管理，提高工序間水的循環(huán)利用率，提升工序節(jié)水的技術(shù)和管理水平，提高用水效率；另外，加強工業(yè)廢水治理，減少排水和提高排水水質(zhì)，降低工業(yè)廢水排放對水環(huán)境的影響。對于消費者而言，選擇淺色的紡織品，意味著選擇水足跡較低的產(chǎn)品，更有利于水資源的節(jié)約和保護。

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