我國終點型生命周期影響評價模型及基準(zhǔn)值初步研究

李雪迎, 白 璐, 楊慶榜, 喬 琦, 段華波, 武琛昊, 謝明輝*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室, 北京 100012

2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060

近年來，隨著我國環(huán)境保護事業(yè)逐漸推進，環(huán)境保護理念逐步確立，生態(tài)環(huán)境保護工作的方向逐漸從污染治理轉(zhuǎn)向降低各類污染帶來的危害. 生命周期評價(life cycle assessment, LCA)作為一種量化評估產(chǎn)品、過程、活動、系統(tǒng)環(huán)境影響的管理工具，能夠客觀、全面、定量地評價污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響[1]，評價結(jié)果不僅可以服務(wù)于產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，也能為行業(yè)環(huán)境管理指標(biāo)的制訂提供科學(xué)依據(jù)，已成為篩選和開發(fā)綠色產(chǎn)品、降低環(huán)境風(fēng)險、減少污染對人體健康和生態(tài)環(huán)境損害的重要工具.

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對LCA的技術(shù)框架定義，LCA由4個步驟組成，分別為目標(biāo)和范圍界定、清單分析(life cycle inventory, LCI)、影響評價(life cycle impact assessment, LCIA)和結(jié)果解釋[2]，其中，LCIA是影響LCA結(jié)果最重要的部分，但長期以來一直沒有統(tǒng)一的模型和方法. 部分國家和地區(qū)基于本地特征形成了區(qū)域性的影響評價方法[3]，這些方法根據(jù)其所定義的類型參數(shù)在環(huán)境機制效應(yīng)鏈中的位置可分為兩類[4]：一類是中間影響類(midpoint impact category)，將LCI結(jié)果劃歸到其所關(guān)注的環(huán)境問題類別，如氣候變化、酸化等，此類型多以特征污染物當(dāng)量表征環(huán)境影響，如用二氧化碳當(dāng)量(CO2-eq)表征氣候變化對環(huán)境的影響；另一類是終點影響類(endpoint impact category)，又稱終點損害類(damage category)，將LCI結(jié)果或中間影響類型劃歸到代表對最終保護領(lǐng)域損害的類別，如對人體健康損害、生態(tài)環(huán)境損害、資源耗竭等，終點損害類評價是在中間影響評價的基礎(chǔ)上結(jié)合對受體的損害程度開展的，側(cè)重于人類和社會關(guān)注的問題，更容易讓人們理解產(chǎn)品給人類造成的直接影響，而中間影響類評價多與環(huán)境現(xiàn)象相關(guān).

在我國LCA研究雖然起步較晚，但在生態(tài)環(huán)境保護技術(shù)篩選[5-6]、固體廢物管理[7-8]、新能源環(huán)境管理[9-10]等領(lǐng)域開展了大量研究，這些研究主要聚焦在LCA的應(yīng)用方面，對LCIA模型方法的研究較少. 目前，僅有楊建新等[11]在2000年建立了適用于我國的LCIA模型方法，但該方法屬于中間影響類型，且時間較早，基準(zhǔn)值已無法反映現(xiàn)階段實際情況. 也有學(xué)者對單一行業(yè)(如造紙[12])或單一影響類別(如礦產(chǎn)資源[13])的LCIA模型進行了本地化研究，但都未形成系統(tǒng)的LCIA模型. 因此，該研究以我國為基準(zhǔn)區(qū)域，以2017年為基準(zhǔn)年，基于終點損害類評價方法，構(gòu)建本地化的終點損害類生命周期環(huán)境影響評價模型，將LCIA結(jié)果直接指向終點保護領(lǐng)域(人體健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源)，以期補充完善我國LCIA理論方法，為提升LCA的科學(xué)合理性提供支撐.

1 終點損害類LCIA模型方法框架

現(xiàn)階段我國生態(tài)環(huán)境保護工作中重點關(guān)注的污染物質(zhì)主要包括大氣污染物〔如二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)、揮發(fā)性有機物(VOCs)、氨(NH3)、溫室氣體等〕、水污染物〔總氮(TN)、總磷(TP)、重金屬等〕、土壤污染物等，結(jié)合ISO14044《環(huán)境管理生命周期評價要求與指南》相關(guān)理論，該研究選取致癌作用、細顆粒物形成、氣候變化、水資源消耗、光化學(xué)臭氧形成、生態(tài)毒性、酸化、富營養(yǎng)化、土地利用、礦產(chǎn)資源、化石燃料11種環(huán)境影響類別,通過核算污染物和資源、能源物質(zhì)的人均基準(zhǔn)值，構(gòu)建了適用于我國終點損害類生命周期環(huán)境影響評價的模型框架(見圖1)，以便更好地解釋清單數(shù)據(jù).

圖1 終點損害類生命周期環(huán)境影響評價模型方法框架

模型框架包括確定損害因子，核算排放量、產(chǎn)量，計算人均基準(zhǔn)值，加權(quán)評估，以及計算環(huán)境影響潛值5個步驟. 通過歸類和損害分析，可將11種環(huán)境影響類別分別劃分到人體健康(致癌作用、細顆粒物形成、氣候變化、水資源消耗、光化學(xué)臭氧形成)、生態(tài)系統(tǒng)(氣候變化、水資源消耗、生態(tài)毒性、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧形成、土地利用)、資源(礦產(chǎn)資源、化石燃料)3種終點損害類別[14]. 考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和敏感性，該模型方法的基準(zhǔn)值核算主要針對大氣污染物和水污染物，土壤污染物暫時未考慮在核算邊界內(nèi).

清單分析將污染物和資源、能源物質(zhì)對應(yīng)到各環(huán)境影響類別；損害分析則是通過損害因子測算各類污染物、資源、能源對終點保護領(lǐng)域(人體健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源)的損害程度；標(biāo)準(zhǔn)化是將損害分析的結(jié)果分別除以人體健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源的人均基準(zhǔn)值，去除量綱，實現(xiàn)可比性；最后，通過加權(quán)得到一個數(shù)值(即環(huán)境影響潛值)來表征污染物排放以及資源、能源消耗對環(huán)境影響的大小.

2 終點損害類LCIA模型構(gòu)建

2.1 確定損害因子

借鑒目前應(yīng)用較為廣泛的Eco-indicator 99方法[14]、ReCiPe評價方法[15]，以第二次全國污染源普查中國家重點關(guān)注的污染物為主要研究對象，在此基礎(chǔ)上選取了與我國生產(chǎn)生活關(guān)聯(lián)較大、環(huán)境影響較突出的其他污染物，通過查閱IPCC研究報告、國內(nèi)外文獻確定各類污染物、資源、能源的損害因子，結(jié)果如表1～3所示.

表1 污染物和資源、能源對人體健康中各環(huán)境影響類別的損害因子

2.2 核算人均基準(zhǔn)值

2.2.1核算2017年污染物排放量以及資源、能源產(chǎn)量

以我國為基準(zhǔn)區(qū)域，2017年為基準(zhǔn)年，通過排放因子法、物料衡算法、模型構(gòu)建法、外推法、文獻分析法等核算各環(huán)境影響類別對應(yīng)的污染物的排放總量、資源產(chǎn)量，其中，水中砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鉛(Pb)的排放量、用水量以及耕地等土地利用面積數(shù)據(jù)來自《中國統(tǒng)計年鑒2018》[27]；大氣中SO2、NOx、PM，水中TN、TP排放數(shù)據(jù)來自《第二次全國污染源普查公報》[28]；大氣中CO2、CH4、N2O、HFC、CFs、SF6排放總量來自Climate Watch[29]；大氣中As、Cd、Cr、Ni、NH3、VOCs排放量主要通過核算獲得；鋁(Al)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、錫(Sn)、汞(Hg)產(chǎn)量來自中國有色金屬工業(yè)協(xié)會[30]；生鐵產(chǎn)量來自國家統(tǒng)計局[31]；錳(Mn)、鉬(Mo)產(chǎn)量主要來自文獻[32-33]；化石燃料(煤炭、原油、天然氣)產(chǎn)量來自自然資源部《中國礦產(chǎn)資源報告2018》[34].

2.2.1.1大氣中As、Cd、Cr、Ni排放量

大氣中As、Cd、Cr和Ni具有難生物降解、危害程度大、周期長等特點，主要在致癌方面對人體健康產(chǎn)生較大影響，其主要來源為煤和石油燃燒[35]. 燃煤過

表2 污染物和資源、能源對生態(tài)系統(tǒng)中各環(huán)境影響類別的損害因子

表3 污染物和資源、能源對資源中各環(huán)境影響類別的損害因子

程中As、Cd、Cr、Ni排放量和燃石油過程中Ni排放量通過燃料量、燃料中重金屬的平均含量、燃料燃燒時重金屬的釋放比例、煙氣凈化設(shè)施對重金屬的去除率進行計算，計算公式：

Ei=Ci×A×αi×(1-Pi)×10-6

(1)

燃石油過程中As、Cd、Cr排放量直接通過排放系數(shù)計算，計算公式：

Ei=(A×μ)×10-6

(2)

式中：Ei為2017年煤(石油)燃燒過程中大氣重金屬i的排放量，t；A為2017年煤(石油)消耗量，t；Ci為煤(石油)中重金屬i的含量，ug/g；αi為燃燒時重金屬i的釋放比例，%；Pi為煙氣凈化設(shè)施對重金屬i的去除率，%；μ為石油燃燒過程中重金屬的排放系數(shù)，g/t.

2017年中國能源消費總量為 449 000×104t (以標(biāo)煤計)，煤炭占能源消費總量的比重為60.4%，石油占能源消費總量的比重為18.8%[27]，煤炭和石油折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)分別為 0.714 3、1.428 6 kg/kg[36]. 我國燃煤方式90%以上為煤粉爐[37]，重金屬主要通過除塵和脫硫設(shè)施協(xié)同去除，因此以煤粉爐燃燒時重金屬的釋放比例以及電除塵、濕法脫硫技術(shù)的重金屬協(xié)同去除率作為核算值，煤中重金屬的含量、釋放比例、去除率以及石油中重金屬排放系數(shù)均見表4，石油中Ni的釋放比例、去除率參考煤中Ni的釋放比例、去除率.

表4 煤中重金屬的含量、釋放比例、去除率及石油中重金屬排放系數(shù)

綜上，核算出2017年我國大氣中As、Cd、Cr、Ni的排放量分別為8 337.39、51.43、465.59、597.46 t.

2.2.1.2大氣中VOCs排放量

VOCs排放源主要包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源和移動源，其中，工業(yè)源、生活源、移動源排放量由《第二次全國污染源普查公報》[28]獲取，農(nóng)業(yè)源需要核算. 農(nóng)業(yè)源主要包括農(nóng)藥使用和秸稈露天焚燒，其中農(nóng)藥使用的VOCs排放量計算公式：

Ep=(Qp×λ)×10-3

(3)

式中：Ep為2017年農(nóng)藥使用導(dǎo)致的VOCs排放量，104t；Qp為2017年農(nóng)藥使用量，104t；λ為農(nóng)藥使用的VOCs排放系數(shù)，g/kg.

2017年全國農(nóng)藥使用量為165.51×104t[42]，中國農(nóng)藥施用過程VOCs排放因子為368～482 g/kg[43]，該文按平均值(425 g/kg)計，核算出2017年我國農(nóng)藥使用的VOCs排放量為70.34×104t.

秸稈露天焚燒的VOCs排放量計算公式：

Es=(Pm×Nm×R×η×φ)×10-3

(4)

式中：Es為2017年秸稈露天燃燒導(dǎo)致的VOCs排放量，104t；Pm為農(nóng)作物m產(chǎn)量，104t；Nm為農(nóng)作物m草谷比(秸稈干物質(zhì)量與作物產(chǎn)量比值)；R為秸稈露天燃燒比例，取20%；η為燃燒率，取0.9；φ為排放系數(shù)，g/kg.

根據(jù)2017年我國各類農(nóng)作物產(chǎn)量占比情況，可將我國農(nóng)作物分為稻谷、小麥、玉米和其他作物(豆類、薯類、棉花、油料、煙葉等)，各類農(nóng)作物2017年產(chǎn)量、草谷比和秸稈干物的VOCs排放系數(shù)見表5. 其他作物VOCs排放量按其秸稈干物質(zhì)量占比外推，核算出2017年我國秸稈露天焚燒的VOCs排放量為156.38×104t.

表5 2017年農(nóng)作物產(chǎn)量、草谷比和秸稈干物的VOCs排放系數(shù)

綜上，核算出2017年我國大氣中VOCs的排放量為1 244.17×104t.

2.2.1.3大氣中NH3排放量

NH3的來源主要為畜禽養(yǎng)殖、氮肥與合成氨生產(chǎn)、氮肥施用和人類糞便4種. 采用排放因子法核算排放量，各活動水平數(shù)據(jù)及排放因子見表6.

表6 各類NH3排放源活動水平及排放因子表

由此核算出2017年我國大氣中NH3的排放量為1 246.99×104t.

2.2.1.4污染物排放量以及資源、能源產(chǎn)量

各類污染物2017年排放量、資源產(chǎn)量、土地用地面積見圖2. 由圖2可見：2017年在大氣污染物中，常規(guī)污染物NOx、NH3、PM排放量較大，重金屬中排放量較大的為As和Ni；水污染物中，常規(guī)污染物TP、TN排放量分別為31.54×104和304.14×104t，重金屬中Cd排放量最大. 水中重金屬排放量均大于大氣中重金屬排放量. 此外，2017年CO2、CH4、N2O、HFC、CFs、SF6排放總量為114.1×108t (以CO2-eq計)，煤、原油、天然氣產(chǎn)量以及用水量分別為34.5×108t、1.9×108t、1 474.2×108m3、6 043.4×108m3.

圖2 2017年污染物排放量、資源產(chǎn)量、土地利用面積

2.2.2核算人均基準(zhǔn)值

2017年我國人口為 139 008×104人[27]，各環(huán)境影響類別的人均基準(zhǔn)值計算公式：

(5)

式中：bn為環(huán)境影響類型n對應(yīng)的人均基準(zhǔn)值，n分別為致癌作用、細顆粒物形成、氣候變化、水資源消耗、光化學(xué)臭氧形成、生態(tài)毒性、酸化、富營養(yǎng)化、土地利用、礦產(chǎn)資源、化石燃料；ani為環(huán)境影響類別n對應(yīng)的污染物(資源或能源)i在2017年的排放量(或產(chǎn)量)；pni為環(huán)境影響類別n對應(yīng)的污染物(資源或能源)i對應(yīng)的損害因子；r為2017年中國人口數(shù)據(jù). 人均基準(zhǔn)值核算結(jié)果如表7所示.

表7 人均基準(zhǔn)值核算結(jié)果

2017年我國人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源人均基準(zhǔn)值分別為0.019 DALY、6.08×10-5species、2 467.42 MJ. 其中，在人體健康損害方面，細顆粒物形成的人均負載最大；在生態(tài)系統(tǒng)損害方面，氣候變化和土地利用的人均負載較大；在資源耗竭方面，化石燃料的人均負載最大.

2.3 計算環(huán)境影響潛值

基于損害因子和人均基準(zhǔn)值，按一定的權(quán)重比例對影響類別進行加權(quán)分析，構(gòu)建終點損害類生命周期環(huán)境影響評價模型方法，計算環(huán)境影響潛值，計算公式：

(6)

式中：E為環(huán)境影響潛值；ai為污染物(資源、能源)i的排放量(消耗量)；pi為污染物(資源、能源)i對應(yīng)的損害因子；bn為終點傷害類別n對應(yīng)的人均基準(zhǔn)值；wn為終點傷害類別n對應(yīng)的權(quán)重.

模型可以將不同污染物、資源能源消耗類型對應(yīng)到各自的環(huán)境影響類別，并通過標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)的形式，最終通過一個單一數(shù)值來表征環(huán)境影響. 不僅可實現(xiàn)對單一產(chǎn)品體系內(nèi)部的比較，識別環(huán)境影響較大的環(huán)節(jié)，還可以實現(xiàn)對不同產(chǎn)品系統(tǒng)間的相互比較，通過優(yōu)勝劣汰推動企業(yè)開展綠色設(shè)計、降低環(huán)境影響.

為了更好地比較各環(huán)境影響類型的相對重要性，筆者所在課題組采用層次分析法對權(quán)重進行了問卷調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人體健康、生態(tài)環(huán)境、資源的權(quán)重分別為60%、25%、15%[47]. 從問卷調(diào)研所得權(quán)重來看，雖然在人體健康方面的人均基準(zhǔn)值較大，可能會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果中人體健康的環(huán)境影響較低，但通過權(quán)重加權(quán)后，對這一結(jié)果進行了很好的修正，說明現(xiàn)階段大眾更希望生態(tài)環(huán)境保護工作的重點是減少污染物對人體健康的影響.

3 不確定性分析

該研究模型參數(shù)信息的不確定性主要來自排放因子和活動水平數(shù)據(jù). 活動水平數(shù)據(jù)主要來自各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)、公報或文獻，部分污染物(如VOCs、NH3)排放因子早于筆者研究基準(zhǔn)年，存在一定的不確定性. 核算大氣中重金屬排放量直接采用了煤粉爐(占比90%以上)燃燒時重金屬的釋放比例，以及使用電除塵、濕法脫硫技術(shù)對重金屬協(xié)同去除率作為核算因子，雖然目前多數(shù)地區(qū)在全面推進超低排放改造，但覆蓋率未達100%，核算結(jié)果偏低. 此外，由于社會經(jīng)濟地位的差異，各國規(guī)避環(huán)境風(fēng)險和衛(wèi)生保健機制不同，不同群體間和個體間暴露于環(huán)境污染風(fēng)險中的概率不同，發(fā)展中國家25%的死亡歸因于環(huán)境因素，但發(fā)達國家僅為17%[48]，即環(huán)境污染對發(fā)展中國家影響較大，該研究通過國外的Eco-indicator 99和ReCiPe2016方法，確定中國各污染物排放和資源能源消耗對終點損害類別的損害因子存在一定的不確定性.

4 結(jié)論

a) 基于終點損害模型方法，構(gòu)建了適用于我國的終點損害類生命周期環(huán)境影響評價模型，將生命周期評價的結(jié)果直接指向終點保護領(lǐng)域.

b) 根據(jù)現(xiàn)階段我國生態(tài)環(huán)境保護工作的重點，篩選了11個環(huán)境影響類別，對應(yīng)3個終點損害類別，分別是人體健康(致癌作用、細顆粒物形成、氣候變化、水資源消耗、光化學(xué)臭氧形成)、生態(tài)系統(tǒng)(氣候變化、水資源消耗、生態(tài)毒性、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧形成、土地利用)和資源(礦產(chǎn)資源、化石燃料).

c) 以我國為基準(zhǔn)區(qū)域、以2017年為基準(zhǔn)年，對人體健康、生態(tài)環(huán)境和資源的人均基準(zhǔn)值進行了核算，分別為0.019 DALY、6.08×10-5species、2 467.42 MJ. 在人體健康損害方面，細顆粒物形成的人均負載最大，在生態(tài)系統(tǒng)損害方面，氣候變化和土地利用的人均負載最大，在資源耗竭方面，化石燃料的人均負載最大.

d) 由于數(shù)據(jù)獲取性和敏感性等原因，本模型及基準(zhǔn)值核算暫未將土壤污染物納入到核算邊界內(nèi)，后續(xù)將在這方面進一步開展研究，以期對模型進行進一步完善.