環(huán)境材料學(xué)第3章材料環(huán)境影響的評價技術(shù)

1、環(huán)境材料學(xué)第三章 材料環(huán)境影響的評價技術(shù)3.1 常見的環(huán)境指標及其表達方法 能耗 環(huán)境影響因子 環(huán)境負荷單位 單位服務(wù)的材料消耗 生態(tài)指數(shù) 生態(tài)因子衡量材料對環(huán)境負擔(dān)性影響的定量指標3.1-1 能耗（energy consumption）旅游環(huán)保 最早的表達方法 單一、偏頗3.1-2 環(huán)境影響因子Environmental Affect Factor, EAFEAF=資源，能源，污染物，生物影響，區(qū)域性環(huán)境影響EAF=Resource, Energy, Pollutants, Eco-Affect, Local Environmental Affect3.1-3 環(huán)境負荷單位 Environm

2、ental load unit, ELU 瑞典環(huán)境研究所完成ELU方法元素ELU/kg元素ELU/kgFe0.38Sn4200Mn21.0Co12300Cr22.1Pt4.2107V42Rh4.2107Pb363Oil0.168Ni700Coal0.1Mo42003.1-4 單位服務(wù)的材料消耗Materials intensity per unit of service, MIPSProf. Schmidt, 渥泊塔研究所德，1994人類需要多大的世界 某一單位過程的材料消耗量 過程：生產(chǎn) 或 消費人類需要多大的世界 環(huán)境保護政策在納克量級上嚴格控制有害化學(xué)物質(zhì)的排放，試圖藉此凈化環(huán)境 人類社

3、會生活的誤區(qū) ：片面地追求物質(zhì)財富，而沒有認清我們從環(huán)境中索取兆噸級的物質(zhì)，通過某個工程、某種產(chǎn)品、某項服務(wù)的活動，再以廢棄物的形式排放回去，這是一種不同于傳統(tǒng)污染物質(zhì)造成的環(huán)境破壞，是生態(tài)災(zāi)難總是無法避免的主要原因。 3.1-5 生態(tài)指數(shù)Eco-Point 對某一過程或產(chǎn)品，根據(jù)其污染物的產(chǎn)生量及其他環(huán)境作用大小，綜合計算出該產(chǎn)品或過程的生態(tài)指數(shù)，判斷其環(huán)境影響程度、 玻璃，148 聚乙烯，2203.1-6 生態(tài)因子 eco-indicator, ECOI 材料 使用性能，環(huán)境影響a. 材料的環(huán)境影響(environmental impact, EI)b. 材料的使用或服務(wù)性能(servic

4、e performance, SP)ECOI=EI/SP3.2 LCA的出現(xiàn)與ISO 1400020世紀90年代初 綜合評價方法生命周期評價方法(life cycle assessment, LCA) 在ISO 14000國際環(huán)境管理標準體系中規(guī)范化3.2-1 LCA的起源20世紀60年代80年代19901993物質(zhì)-能量流平衡方法計算化工工藝過程中材料用量工業(yè)產(chǎn)品的整個壽命周期分析From cradle to grave環(huán)境設(shè)計綠色設(shè)計環(huán)境意識設(shè)計與制造壽命全程設(shè)計產(chǎn)品責(zé)任意識環(huán)境質(zhì)量設(shè)計產(chǎn)品完整性設(shè)計國際環(huán)境毒理和化學(xué)學(xué)會確定了LCA的概念和理論框架國際標準化組織ISO/TC207制定了I

5、SO 14000國際環(huán)境管理系列標準ISO 14000國際環(huán)境管理系列標準框架 系 列標 準環(huán)境管理系統(tǒng)（EMS）14001 環(huán)境管理系統(tǒng)：分類和指南14004 環(huán)境管理系統(tǒng)：原理、系統(tǒng)和支撐技術(shù)環(huán)境審計（EA）14010 環(huán)境審計：原理14011 環(huán)境審計：審計程序14012 環(huán)境審計：審計資格14015 環(huán)境地域評價環(huán)境標志（EL）14020 環(huán)境標志：原理14021 環(huán)境標志：術(shù)語和定義14022 環(huán)境標志：符號 14023 環(huán)境標志：測試及認證方法14024 環(huán)境標志：類型I原則及程序14025 環(huán)境標志：類型II原則及程序環(huán)境行為評價（EPE）14031 環(huán)境行為評價：原理環(huán)境影響評

6、價（LCA）14040 環(huán)境影響評價：原理及框架14041 環(huán)境影響評價：編目分析14042 環(huán)境影響評價：環(huán)境影響評價14043 環(huán)境影響評價：結(jié)果解釋術(shù)語和定義（TD）14050 環(huán)境管理：術(shù)語和定義14060 產(chǎn)品標準的環(huán)境因素3.2-2 LCA的定義Life Cycle Assessment is a process to evaluate the environmental burdens associated with a product, process, or activity by identifying and quantifying energy and material

7、s used and wastes released to the environment; to assess the impact of those energy and material uses and releases to the environment; and to identify and evaluate opportunities to affect environmental improvements. The assessment includes the entire life cycle of the product, process, or activity,

8、encompassing extracting and processing raw materials; manufacturing, transportation and distribution; use, re-use, maintenance; recycling, and final disposal.SETAC, 19933.2-2 LCA的定義Life Cycle Assessment: Compilation and evaluation of the inputs, outputs and the potential environmental impacts of a p

9、roduct system throughout its life cycle.Product system: Collection of materially and energetically connected unit-processes which performs one or more defined functions. (Note: In this International Standard, the term “product” used alone not only includes product systems but also includes service s

10、ystems.)Life cycle: Consecutive and inter-linked stages of a product system, from raw materials acquisition or generation of natural resources to the final disposal.ISO 14040, 19973.2-2 LCA的定義一種評價某一過程、產(chǎn)品或事件從原料投入、加工制備、使用到廢棄的整個生態(tài)循環(huán)過程中環(huán)境負荷的定量方法。用數(shù)學(xué)物理方法結(jié)合實驗分析對某一過程、產(chǎn)品或事件的資源、能源消耗、廢物排放、環(huán)境吸收和消耗能力等環(huán)境負擔(dān)性進行評價，

11、定量確定該過程、產(chǎn)品或事件的環(huán)境合理性及環(huán)境負荷量的大小。3.3 LCA的技術(shù)框架 ISO 14040目標和范圍定義環(huán)境影響評價評價結(jié)果解釋編目分析目標和范圍定義環(huán)境影響評價評價結(jié)果解釋編目分析3.3-1 目標和范圍定義 確定評價目標和評價范圍，以界定對象過程、產(chǎn)品或事件對環(huán)境影響的大小 LCA方法應(yīng)用的起點1.評價目標：界定評價對象、評價原因，評價結(jié)果的輸出形式2.評價范圍：評價功能單元定義、評價邊界定義、系統(tǒng)輸入輸出分配方法、環(huán)境影響評價的數(shù)學(xué)物理模型及其解釋方法、數(shù)據(jù)要求、審核方法及評價報告的類型與格式3.3-1a LCA評價范圍的內(nèi)容 功能單元：評價環(huán)境影響大小的度量單位 系統(tǒng)邊界：確

12、定哪些過程應(yīng)該被包括到LCA評價范圍中 數(shù)據(jù)：在LCA過程中用到的所有定性和定量的數(shù)值或信息，可為測量的環(huán)境數(shù)據(jù)，亦可為中間的處理結(jié)果（LCA的可靠性保障） 審核：第三方；公證性3.3-2 編目分析根據(jù)評價目標和范圍定義，針對評價對象收集定量或定性的輸入輸出數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分類整理和計算的過程LCA編目分析示意目標和范圍定義水木材煤石油及天然氣礦物金屬礦產(chǎn)其他能源生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體效應(yīng)酸雨有機揮發(fā)物臭氧層破壞大氣污染物水污染物廢渣排放固體有害污染物光、聲、電磁波污染編目分析的步驟編目分析的步驟1.系統(tǒng)和系統(tǒng)邊界定義 系統(tǒng)：為實現(xiàn)特定功能而執(zhí)行的、與物質(zhì)和能量相關(guān)的操作過程的集合，LCA評價

13、對象 系統(tǒng)邊界：系統(tǒng)和外部環(huán)境的界限 編目分析是對所有穿過系統(tǒng)邊界的物質(zhì)、能量流進行量化的過程 系統(tǒng)定義包括對其功能、輸入源、內(nèi)部過程等方面的描述，以及地域和時間尺度上的考慮2. 系統(tǒng)內(nèi)部流程一系列相互關(guān)聯(lián)的過程或子系統(tǒng)，用流程圖表示這些過程和過程間的輸入輸出關(guān)系。分解程度取決于目標和范圍定義以及數(shù)據(jù)的可獲得性。聚乙烯塑料飲料瓶的生產(chǎn)流程圖油井開采原油運輸原油提煉石腦油生產(chǎn)原料包裝、運輸塑料原料生產(chǎn)聚乙烯生產(chǎn)乙稀生產(chǎn)塑料瓶生產(chǎn)飲料灌裝整瓶包裝飲料運輸廢 物丟 棄飲用消費飲料零售1. 3. 編目數(shù)據(jù)的收集與處理2. 流入每個過程的物質(zhì)和能量，以及流出每個過程排放到空氣、水體和土壤的物質(zhì)。3. 數(shù)

14、據(jù)來源：實際生產(chǎn)過程獲得+技術(shù)設(shè)計+工程計算估算+類似系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫編目分析中注意兩類問題 分配問題多個對象如一個系統(tǒng)產(chǎn)出多個產(chǎn)品，或一個回收過程處理了多個系統(tǒng)廢棄物時，就產(chǎn)生了輸入輸出數(shù)據(jù)如何在多個產(chǎn)品系統(tǒng)間分配的問題 能源問題從系統(tǒng)中的物理、化學(xué)過程出發(fā)，依據(jù)質(zhì)量和熱力學(xué)標準，以及經(jīng)濟學(xué)上的權(quán)衡應(yīng)考慮能源類型、轉(zhuǎn)化效率、能源生產(chǎn)中的編目數(shù)據(jù)及能源消耗量不同類型的化石能源和電能應(yīng)分別列出，能源消耗量以熱值J或MJ單位計算3.3-3 環(huán)境影響評價 評價目的：更好的理解編目分析數(shù)據(jù)與環(huán)境的相關(guān)性，定量評價各種環(huán)境損害造成的總的環(huán)境影響的嚴重程度 4個步驟：分類、表征、歸一化、評價分類 將編目條目與環(huán)

15、境損害種類相聯(lián)系并分組排列的過程 定性的，基于自然科學(xué)知識的過程 環(huán)境損害分為三大類：資源消耗、人體健康、生態(tài)環(huán)境影響 每一大類又細分為具體的環(huán)境損害種類 一種編目可能對應(yīng)多種環(huán)境損害編目分析結(jié)果電能燃料內(nèi)在能量一氧化碳二氧化硫NOx碳氫化合物粉塵COD氟利昂油脂苯酚生物資源消耗非生物資源消耗臭氧層減少全球變暖土壤酸化人體毒性土地占有生物多樣性損失人體健康損失自然資源損失產(chǎn)出損失相對于生物多樣性損失相對人體健康損失相對自然相對產(chǎn)出損失總報告編目分析結(jié)果分類表征歸一化評價表征 對比分析和量化環(huán)境損害程度的過程 定量化，基于自然科學(xué) 通常采用計算“當量”的方法，比較和量化環(huán)境損害程度 不同類型環(huán)境

16、損害編目當量值可比較的無量綱的表征量常用表征指標環(huán)境損害類型指標名稱參照物溫室效應(yīng)GWP100CO2臭氧層變薄ODPCFC 11酸雨APSO2富營養(yǎng)化NPP歸一化 對編目分析和表征結(jié)果數(shù)據(jù)采用加權(quán)分級的方法進行處理，簡化評價過程 簡化環(huán)境因素，用單一因子表示最后評價結(jié)果評價 比較和量化不同種類的環(huán)境損害，并給出最后的評價結(jié)果 利用多種數(shù)學(xué)物理模型 帶有個人和社會的主觀因素和價值判斷3.3-4 評價結(jié)果解釋 綜合編目分析和環(huán)境影響評價的結(jié)果； 闡述和分析目標過程、事件或產(chǎn)品的環(huán)境影響 給出評價的結(jié)論及建議 環(huán)境改善評價 目的在于揭示產(chǎn)品系統(tǒng)或多或少的影響著環(huán)境，并存在改進的余地 強調(diào)了LCA目的

17、在于改善環(huán)境，而不僅僅是對現(xiàn)狀的評價 技術(shù)、專利抵觸 評價結(jié)果的解釋3.4 常用的LCA評價模型 精確方法輸入輸出法，模糊數(shù)學(xué)分析法，etc. 近似方法線性規(guī)劃法、層次分析法，逆矩陣法，etc.數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法3.4.1 輸入輸出法最簡單，最常用材料生產(chǎn)或使用過程輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)能源資源廢棄物溫室效應(yīng)有效產(chǎn)品廢水污染程度只考慮系統(tǒng)的輸入和輸出量，從而定量計算出該系統(tǒng)對環(huán)境所產(chǎn)生的影響。整個過程完成所需要的能源和資源消耗量定量數(shù)據(jù)有效產(chǎn)品全過程廢棄物排放量其它環(huán)境效應(yīng)（溫室效應(yīng)，區(qū)域毒性，光聲電污染）優(yōu)點：簡單易操作缺點：指標數(shù)據(jù)分類太細，不能對環(huán)境影響進行綜合評價3.4.2 線性規(guī)劃法 約束

18、條件和目標函數(shù)都屬線性問題，在一定約束條件下尋找目標函數(shù)的極值A(chǔ)i,jBi,j = Fi,j (i, j = 1, 2, , n)A 環(huán)境影響的分類因子；B 各環(huán)境影響因子在系統(tǒng)各個階段的環(huán)境影響數(shù)據(jù)；F 該環(huán)境影響因子的環(huán)境影響評價結(jié)果；i,j 系統(tǒng)各階段序號3.4.3 層次分析法Analytic hierarchy process, AHP準則1準則2準則3準則N子準則1子準則2子準則3子準則N方案1方案2方案3方案N決策目標評價目標數(shù)據(jù)層評價結(jié)果環(huán)境問題實用多準則決策方法根據(jù)問題的性質(zhì)以及要達到的目標，把復(fù)雜的環(huán)境問題分解為不同的組合因素，并按各因素間的隸屬關(guān)系和相互關(guān)系程度分組，形成一

19、個不相交的層次，上層對下層的全部或部分起支配作用，形成自上而下的逐層支配關(guān)系3.5 LCA應(yīng)用舉例 材料：鋼鐵、有色金屬材料、玻璃、水泥、塑料、橡膠、鋁合金、鎂合金等 產(chǎn)品：容器、包裝、復(fù)印機、計算機、汽車、輪船、飛機、洗衣機（家用電器）等3.5.1 建筑瓷磚的環(huán)境影響評價配料球磨攪拌成形干燥燒成包裝廢水廢渣廢氣加水加熱瓷磚生產(chǎn)工藝示意圖年產(chǎn)量30萬m2，連續(xù)性流水線生產(chǎn)目標定義：考察生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響范圍界定：直接原料消耗和直接廢物排放， 不考慮原料的生產(chǎn)加工和廢物的再處理編目分析：資源和能源消耗，廢棄物排放引起的直接環(huán)境影響進行數(shù)據(jù)分類、編目能耗（照明、加熱、取暖）資源消耗（按原料配比進

20、行數(shù)據(jù)分類）污染物排放（廢氣、廢水、廢渣）廢氣主要為二氧化碳，考慮溫室效應(yīng)即可人體健康、區(qū)域毒性、噪聲忽略不計環(huán)境影響評價：輸入輸出法評價結(jié)果解釋3.5.1 建筑瓷磚的環(huán)境影響評價 輸入輸出法模型由鋼渣生產(chǎn)瓷磚的工藝過程輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)能源資源廢渣全球溫室效應(yīng)瓷磚廢水3.5.1 建筑瓷磚的環(huán)境影響評價評價結(jié)果解釋：改進工藝（降低能耗、降低廢水排放量、減少溫室氣體效應(yīng)影響等）3.5.2 聚氨酯防水涂料生產(chǎn)過程的環(huán)境影響評價目標定義：生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響，不考慮使用和施工對人體和環(huán)境的影響范圍定義：直接原料消耗和直接廢物排放，不考慮原料生產(chǎn)加工以及廢物回收再利用編目分析：資源和能源消耗，廢棄物排放

21、引起的直接環(huán)境影響進行數(shù)據(jù)分類、編目；能耗（照明、加熱、取暖）；資源消耗（按原料配比進行數(shù)據(jù)分類）；污染物排放（廢氣、廢水、廢渣）；有機廢氣除考慮溫室效應(yīng)外，還應(yīng)以區(qū)域性毒性和揮發(fā)性評價有害氣體排放對環(huán)境和人體健康的影響；廢水噪聲忽略不計防水涂料的生產(chǎn)工藝示意圖配料攪拌脫水調(diào)配反應(yīng)包裝廢渣廢氣3.5.2 聚氨酯防水涂料生產(chǎn)過程的環(huán)境影響評價 輸入輸出法模型聚氨酯防水涂料生產(chǎn)過程輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)能源資源廢渣全球溫室效應(yīng)涂料產(chǎn)品區(qū)域毒性水平有機揮發(fā)物3.5.2 聚氨酯防水涂料生產(chǎn)過程的環(huán)境影響評價評價結(jié)果解釋：改進工藝（提高資源效率、降低能耗、降低總有害物的排放量、減少溫室氣體效應(yīng)影響等）3.5.

22、3 用層次分析法評價一般材料的環(huán)境影響 鐵、鋁、高密度聚乙烯使用過程中的環(huán)境影響環(huán)境指數(shù)(eco-indicator) 環(huán)境影響(environmental impact)材料性能(service performance)目標定義：環(huán)境指數(shù)范圍界定：材料的使用過程對環(huán)境的影響3.5.3 用層次分析法評價一般材料的環(huán)境影響 編目分析環(huán)境指數(shù)材料性能環(huán)境影響資源消耗溫室效應(yīng)廢氣廢水總能耗廢渣拉伸強度線膨脹系數(shù)熱容電導(dǎo)率區(qū)域毒性水平電極電位3.5.3 用層次分析法評價一般材料的環(huán)境影響 鐵、鋁、高密度聚乙烯S FeAlHEDP00.110.446.42.362.660.221.663.612.000.510E FeAlHEDP5326012.1220041.951630433.215310002.0612000001300