2016, Vol. 36文章信息
- 白雪, 胡梦婷, 朱春雁, 任晓晶, 鲍威, 孙亮
- BAI Xue, HU Mengting, ZHU Chunyan, REN Xiaojing, BAO Wei, SUN Liang.
- 基于ISO 14046的工业产品水足迹评价研究--以电缆为例
- Evaluation of the water footprint of industrial products based on ISO 14046 using cables as an example
- 生态学报[J]. 2016, 36(22): 7260-7266
- Acta Ecologica Sinica[J]. 2016, 36(22): 7260-7266
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201509091860
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文章历史
- 收稿日期: 2015-09-09
- 修订日期: 2016-03-17
2. 轻工业环境保护研究所, 北京 100089
2. Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089, China
水是人类发展不可或缺的自然资源, 也是一切生物赖以生存的基础。然而, 地球上可以直接利用的水资源十分匮乏, 并且随着人口膨胀与工农业生产规模的不断扩大, 全球水资源的使用和消耗增长迅猛, 淡水供需矛盾日益突出。在水资源短缺愈发严重的同时, 人类又在大规模污染水源, 进一步导致了水质恶化。解决水资源短缺问题, 不仅需要使用开源节流等传统手段提高水资源利用效率, 更要在水资源的管理方式、管理理论等方面进行创新和完善。因此, 如实地衡量人类对水资源消费利用情况显得十分必要, 水足迹评价为此提供了可行的办法。通过水足迹的计算和评价, 能够实现对水资源利用效率的总体把握, 为水资源的合理利用提供决策依据, 同时能够根据不同地域、行业、产品对水环境影响的程度, 实现水资源的优化配置[1]。
水足迹(Water Footprint)概念是荷兰学者Hoekstra在虚拟水理论研究[2]的基础上提出的, 用以描述人类消费对水资源系统的影响。Hoekstra将水足迹定义为：任何己知人口(一个国家、一个地区、一个人)在一定时间内消耗或生产的所有产品和服务所需要的水资源总量(包含人类生活所必需的食品及生活用品所含虚拟水、生活用水及生态环境用水)[3]。水足迹的概念一经提出, 就受到了学术界、国际机构、商界以及公众的广泛关注。随着水足迹理论研究的不断深入及其实证研究范围的不断扩大, 水足迹的标准化也成为研究的热点, 目前国际上有两个组织分别发布了水足迹的评估标准：一是水足迹网络("Water Footprint Network, WFN), 二是国际标准化组织(International Standard Organization, ISO)。
2011年由WFN正式出版书籍《The Water Footprint Assessment Manual》, 作为国际上第一本专门针对水足迹的评价手册, 系统阐述了水足迹评价的4个步骤：设定目标和范围、核算水足迹、评价水足迹可持续性和制定水足迹响应方案。WFN描述的水足迹中包括蓝水、绿水和灰水足迹3种, 所得水足迹结果为具体的数值, 此方法侧重于过程、产品、消费者、企业、区域、流域和国家的水足迹核算方法[4]。
2014年8月, 由国际标准化组织环境管理技术委员会正式发布了ISO 14046:2014《Environmental management-Water footprint-Principles, requirements and guidelines》。作为第一项水足迹评价国际标准, 该标准基于生命周期评价核心标准“环境管理-生命周期评估-原则和框架(ISO14040 2006)”和“环境管理-生命周期评估-要求和指南(ISO14044 2006), 提出了水足迹评价应包含四个步骤：目的和范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释[5]。ISO14046涵盖了不同环境影响类型的水足迹评价, 所得水足迹结果为当量值, 此方法侧重于通过对产品、过程和组织各生命周期阶段水足迹的量化结果, 识别和理解与水相关的潜在环境影响的大小和重要性。ISO 14046的发布, 为统一和规范水足迹评价的相关原则、要求和方法学框架提供了依据, 也为进一步研究和制定具体行业或产品的水足迹标准奠定了基础。
本文选择电缆这种典型工业产品, 基于ISO 14046开展产品水足迹评价方法和案例研究。
1 基于ISO 14046的工业产品水足迹评价方法为便于不同产品、不同生产阶段以及不同产地的产品之间的比较[6], 根据ISO 14046及相关研究资料[7-14], 采用水当量(例如H2Oeq)作为评价指标。
1.1 目的和范围的确定开展产品水足迹的核算和评价, 其首要任务是确定研究目的和范围, 主要包括确定系统边界。产品水足迹评价通常应该包括产品生命周期的所有阶段, 即：原材料阶段、生产阶段、分销和储存阶段、使用阶段和处置回收阶段的输入和输出。产品水足迹系统边界如图 1所示[15]。
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| 图 1 产品水足迹系统边界 Fig. 1 system boundaries of product water footprint |
产品水足迹清单分析包括产品生命周期所有阶段(原材料阶段、生产阶段、分销和储存阶段、使用阶段和处置回收阶段)涉及的水资源使用量、能源消耗量、物料消耗量、废水或废物排放量等。
1.3 影响评价产品水足迹评价可以将水足迹清单结果划归以下主要的影响类型：
1)水短缺足迹
水短缺足迹是用来评价产品全生命周期过程中对水资源短缺的影响, 其计算公式如下[7]：
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式中, WFsc, p为水短缺足迹(m3H2O当量); WSIj为位置j的水压力指数; WSIgl为全球或全国平均水压力指数, 0.60;Cj为位置j的用水量; i为产品生命周期阶段。1-4分别代表原材料阶段、生产阶段、使用阶段和处置回收阶段。
水压力指数是特征因子, 有多种计算方法和模型, 本文采用[16]中的方法, 基于取水量和水资源可利用性之比, 可通过谷歌地图确定。该方法提供的水压力指数在0.01(没有水资源压力)和1(最高水资源压力)之间。
2)水富营养化足迹
水富营养化足迹用来评价组织中存在的排入各种水体的氮、磷等污染物所造成水资源潜在富营养化影响。计算公式如下[17]：
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式中：WFeu, p为水富营养化足迹(kgPO43-当量或kg NO3-当量)。αeu, j为排入水体的污染物i的特征化因子, 单位为kgPO43-当量/kg污染物或kgNO3-当量/kg污染物[18-19]。a)Meu, j为为排入水体的污染物i的质量。i为产品生命周期阶段。1-4分别代表原材料阶段、生产阶段、试用阶段和处置回收阶段。
3)水酸化足迹
水酸化足迹用来评价组织中存在的排入各种水体的酸性污染物所造成的潜在酸化影响。计算公式如下：
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式中, WFaci, p为水酸化足迹(kgSO2当量)。αaci, j为排入水体的污染物x的特征化因子, 单位为kgSO2当量/kg污染物[18-19]。Maci, j为排入水体的污染物x的质量(kg)。i为产品生命周期阶段。1-4分别代表原材料阶段、生产阶段、试用阶段和处置回收阶段。
4)水生态毒性足迹
水生态毒性足迹用来评价组织中存在的排入各种水体的金属、有机污染物等所造成的潜在毒性影响。计算公式如下：
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式中, WFeco, p为水生态毒性足迹(m3H2O)当量。αeco, j为排入水环境介质的污染物i的特征化因子(m3H2O当量/kg污染物)[18-27]。Meco, j为排入水环境介质的污染物i的质量(kg)。i为产品生命周期阶段。1-4分别代表原材料阶段、生产阶段、试用阶段和处置回收阶段。
2 产品水足迹评价案例近年我国电线电缆产业取得了令人瞩目的成绩, 在世界范围内, 中国电线电缆总产值已超过美国、日本, 成为世界上第一大电线电缆生产国[28]。目前国内外对电线电缆行业产品或工艺的生命周期评价(LCA)的研究很少, 国外只有少量涉及6类线缆的生命周期评价研究, 而国内仅有针对铝合金电缆和铜电缆整个生命周期过程中的环境影响评价, 主要包括中国资源消耗、能源消耗、酸化、全球变暖、富营养化和工业用水6大方方面[29]。
2.1 目的本文选取铜电缆和铝合金电缆分别进行水足迹计算和评价, 并将结果进行比较, 以期从水足迹角度衡量铝合金与铜芯电缆的可持续性。
2.2 系统边界为了能更加全面的反映铜电缆和铝合金电缆在全生命周期中的环境影响, 本研究尽可能对相关产品的原材料获取、产品制造、产品使用、运输和废弃阶段进行全面的数据收集, 并根据生命周期评价(LCA)的方法进行计算和分析。
2.3 数据来源本次评价的数据来源主要包括企业调研数据、数据库数据和相关文献数据, 其中数据库采用中国标准化研究院开发的生命周期数据库“GreenIn”。
电缆原材料阶段数据采用数据库(GreenIn)数据, 制造阶段数据采用企业调研数据, 使用阶段数据通过相关标准中关于电线电缆使用过程中线损的计算方法计算得出, 运输阶段和产品废弃(再生)阶段采用数据库(GreenIn)中的数据。
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| 图 2 电缆生命周期示意图 Fig. 2 Cable life cycle diagram |
调研的铜电缆生产企业位于江苏省, 铝合金电缆生产企业位于河北省, 根据查询谷歌地球(Google Earth)可知, 两地的WSI分别为0.0278和1。
2.4 结果分析 2.4.1 铜电缆不同影响类型水足迹分析基于ISO 14046计算出的铜电缆不同影响类型的水足迹如表 1所示。其中, 造成水富营养化的主要污染物为氮氧化物, 其水富营养化足迹为1225.3kgPO43- eq/1000m；造成水酸化的主要污染物为二氧化硫, 其水酸化足迹为24136.28kgSO2eq/1000m；造成水生态毒性的主要污染物为二价镉, 其水生态毒性足迹为48×106m3H2Oeq/1000m。通过水足迹计算可知, 在铜电缆生命周期过程中, 排入水体的各种污染物造成的水资源潜在劣化影响(包括水富营养化、水酸化和水生态毒性等)较水资源短缺的影响更大[30-37]。
| 分类Classifications | 影响类型Impact categories | 单位Unit | 水足迹计算结果Results of water footprint |
| 水可利用性Water availability | 水短缺 | m3 H2O eq/1000m | 161.41 |
| 水劣化Water degradation | 富营养化 | kgPO43- eq/1000m | 1317.59 |
| 酸化 | kgSO2 eq/1000m | 31349.2 | |
| 生态毒性 | m3 H2 Oeq/1000m | 59.55×106 |
基于ISO 14046计算出的铜电缆和铝合金电缆水短缺足迹分别如表 2和表 3所示。铜电缆生命周期过程中主要用水阶段为使用阶段, 占总用水量的97%, 使用阶段计算的使用年限为30a, 用水主要来自电力损耗所需要的水量。其次来自产品的原材料阶段, 占比约为2.2%, 用水量最少的为废弃再生阶段, 占比为0.074%。
| 序号Serial number | 生命周期阶段Life cycle phase | 用水量/(m3/1000m) Water consumption |
| 1 | 原材料 | 78.11 |
| 2 | 生产 | 8.139 |
| 3 | 使用 | 3379.95 |
| 4 | 运输 | 17.368 |
| 5 | 废弃/再生 | 2.587 |
| 6 | 总计 | 3483.567 |
| 水短缺足迹/(m3H2Oeq/1000m) | 161.41 | |
| 序号Serial number | 生命周期阶段Life cycle phase | 用水量/(m3/1000m) Water consumption |
| 1 | 原材料 | 941.447 |
| 2 | 生产 | 140.47 |
| 3 | 使用 | 3535.95 |
| 4 | 运输 | 12.023 |
| 5 | 废弃/再生 | 3.282 |
| 6 | 总计 | 4633.172 |
| 水短缺足迹/(m3H2Oeq/1000m) A | 7721.95 | |
铝合金电缆生命周期过程中主要用水阶段为使用阶段, 占总用水量的76.32%, 使用阶段计算的使用年限为30a, 用水主要来自电力损耗所需要的水量。其次来自产品的原材料阶段, 占比约为20.32%, 用水量最少的为废弃再生阶段, 占比为0.071%。
铜电缆生命周期全过程耗水量与铝合金电缆相比少24.8%, 水短缺足迹相比少97.9%。这是因为铜电缆生产企业在江苏, 其水压力指数WSI为0.0278, 而铝合金电缆的生产企业在河北, 其水资源压力指数WSI为1。WSI越高, 该区域的水资源匮乏越严重。结果表明, 在江苏地区生产电缆使用的水资源对当地水环境压力造成的影响远小于在河北地区生产电缆造成的影响。
3 结论本文采用基于ISO 14046的生命周期水足迹评价方法, 分别对来自不同产地的铜电缆和铝合金电缆进行了产品水足迹评价研究, 该方法具有较好的可操作性, 为电缆工业产品水足迹评价提供了方法支持。主要结论如下：
(1)在铜电缆生命周期过程中, 主要用水阶段为使用阶段, 水资源潜在劣化影响(包括水富营养化、水酸化和水生态毒性等)较水资源短缺的影响更大。
(2)电缆生产企业所处地理位置的水资源短缺程度对其产品的水短缺足迹具有决定性影响。
(3)采用科学合理的水足迹方法评价产品原材料、生产、使用、运输、废弃再生等生命周期全过程对水资源和水环境的影响, 能为我国实现工业布局的合理规划和水资源的可持续利用提供科学依据。
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