基于生命周期評價的高校紙張利用與環境影響研究
——以南京信息工程大學為例

梁少民，朱摯凡，王業寧，肖彬彬，陳奕林，史一陽

(1.河南省科學院 地理研究所,鄭州 450052; 2.南京信息工程大學 地理科學學院,南京 210044)

0 引言

我國高校大學生人數龐大,大學生紙張資源消費量突出。據不完全統計,高校畢業生每年丟棄的有價值的舊書總量可達3.5萬t,日常學習生活中所消耗的印刷紙、書寫紙更是數量龐大。高校學生作為紙制品的重要消費群體,探尋相對準確測算紙張資源消耗引致的生態負荷以及紙張回收利用帶來的生態效率的方法,討論改變消費方式、降低減排成本的路徑,可為資源高效集約利用提供重要支撐。目前,關于大、中尺度下區域資源利用強度、碳排放等研究成果已較為豐富[1-3],小尺度空間下(尤其是高校校園)物資消費利用帶來的環境耗竭、碳排放研究相對少見。而針對紙張資源浪費、回收分別帶來的生態環境負荷、環境增益與減排效應的量化研究更是鮮見,僅有少量關于二次回收與再利用策略方面的研究,也有學者利用生態足跡模型或生命周期評價法等對校園紙資源利用帶來的環境影響進行測算[4-6]。

生命周期評價法作為一種相對有效的環境影響評價與管理工具,在區域生態環境評估及管理路徑構建等方面的應用受到諸多關注。其核心是對產品從其生命周期中的各個階段涉及的環境影響因子及其影響潛值的研究[7-9]。本研究提出將書籍資料有效回收環節納入到傳統的產品生命周期中,形成針對造紙行業改進的產品生命周期評價法,可相對準確地測算紙張利用產生的人均環境負荷(資源消耗、全球變暖、富營養化)及書籍資料有效回收實現的生態效率,是對目前紙制品利用環境影響定量分析研究的有效補充。

1 研究內容、數據來源與研究方法

1.1 研究內容

(1)通過問卷調查,獲取實證高校學生對各類紙制品購買、消費及處理環節的主要情勢數據,涉及學生群體使用紙制品的主要類別、數量、書本紙張面積、書本資料處理方式等。為后續計算實證高校學生群體紙制品利用的環境影響獲取基礎數據。

(2)通過改進的生命周期評價法對環境影響加以測算。主要涉及紙制品生命周期范圍確定、生命周期清單分析、產品在生命周期內的環境影響評價等環節。其中,環境影響評價環節又涉及測算紙張消費造成的潛在環境負荷(資源耗竭、全球變暖、富營養化)、紙張回收所實現的生態效率(生態負荷減量)。

(3)綜合校園紙張消費、處理環節行為分析調查與造紙行業生命周期評價結果,對高校紙制品消費利用提出管理建議。

1.2 數據來源

調查面向大學生與研究生,針對其在2021年校園用紙的多元問題形成問卷,2022年3月采用方便抽樣的方式,通過線上網絡問卷和線下紙質問卷兩種形式發放,共發放823份,有效問卷765份。由于調查采用抽樣方式的缺陷,可能會導致問卷數據無法較為完整地體現南京地區整體高校學生紙張消費習慣,需要對問卷數據進行蒙特卡洛不確定性分析,以保障問卷數據的可靠性。

各類清單相關數據來源于有關清潔生產標準、污染物排放標準、中國綜合交通中心研究報告、IPCC國家溫室氣體排放清單指南等相關資料和官方文件。

1.3 生命周期評價法

生命周期評價法用于分析產品生命周期過程(從產品生產制造到廢物回收處置整個過程)對環境產生的影響,是廣泛應用于環境政策制度和戰略規劃的一種科學工具[1]。本研究參照ISO14040規定的生命周期評價法流程對高校紙張利用帶來的環境影響進行評價。

1.3.1 生命周期評價范圍確定

將制漿、造紙生產、運輸、回收與焚燒等作為造紙行業生命周期主要階段,以噸(t)紙作為基本功能單位來構建生命周期評價模型。但紙制品生命周期階段中的資源開采(備料)階段,目前尚未找到相關數據,在評價范圍內暫未被納入。

1.3.2 生命周期評價清單分析

清單分析是指基于某種產品整個生命周期中和系統邊界內所有物質的輸入與輸出數據,進而確定各階段清單數據,為后續環境影響評價提供基礎[10]。紙張生命周期涉及環節復雜,且存在地區之間原料資源分布及生產商技術水平不均、地區之間消費水平差異等問題,這會對生命周期評價結果的可信性造成不利影響。本研究將參照中國造紙協會年報,選取國內典型造紙工藝和全國平均紙張消費水平,針對紙制品生產消費中的幾個重要階段分別進行清單分析,并甄選蒙特卡洛法對參數進行分析,以核驗并提高清單數據質量。

制漿環節清單基于我國原環境保護部頒發的針對各類工藝的造紙工業清潔生產標準來構建紙漿生產模型,同時結合國外相關研究對清單數據加以補充[8]。制漿工段所依清潔生產相關標準是由環保部門根據國內相關行業的技術、管理水平而制定的。其中,脫墨制漿,即為廢紙回收制漿方法。造紙環節相關清單數據來源于造紙行業清潔生產相關標準中的統計值,并結合已有文獻對清單加以補充[11]。交通運輸環節清單中,不同交通運輸方式下的能耗與排放因子來源于中國綜合交通中心研究報告。紙制品運輸方式只考慮高速公路和鐵路兩種方式,能耗因子分別為0.061 6 kg 標煤/km和0.004 7 kg 標煤/km[12]。

鑒于清單數據獲取的難度,燃煤、部分化學品的相關數據清單直接采用國內相關研究成果[13-14]。廢紙焚燒對能源的回收情況,因紙產品低位燃燒熱值和焚燒發電廠能源回收效率的差異而不同,其清單數據[15]也經由蒙特卡洛方法進行不確定性分析。

能源消耗過程中排放溫室氣體相關數據來源于IPCC國家溫室氣體排放清單指南。鑒于我國一次能源消費中煤炭占絕對優勢(約70%),因此,除交通運輸以柴油為主外,造紙所涉能源消耗均以煤炭作為一次能源進行溫室氣體排放測算。

1.3.3 生命周期評價不確定性分析

在進行紙制品生命周期清單分析之后,將清單數據換算為統一單位的特征化(標準化)環境影響潛值,基于蒙特卡洛方法對其進行不確定性分析。

產品生命周期評價過程中存在著諸多不確定性,主要來自產品系統邊界、輸入輸出物質清單數據、環境影響評價模型以及涉及到的各種假設等方面。這使得部分清單參數取值范圍呈現不確定性,可將其作為隨機變量,以統計分布形式表達清單分析結果?？赏ㄟ^模擬隨機變量函數的方式將清單分析結果轉換為環境影響潛值,環境影響潛值與清單分析結果之間的轉換關系,涉及歸類和特征化等過程。

運用蒙特卡洛方法隨機抽取各清單數據,進而加以模擬計算,獲得具有統計學意義的產品生命周期中產生的環境影響?；贓xecl中的Oracle Crystal Ball插件工具,采用仿真功能協助分析風險與不確定模型。首先,在設定的清單原始參數概率分布模型中隨機抽樣5 000次進行模擬分析;其次,通過上述概率分布模擬,得到各個單元參數變量對環境影響潛值的不確定性[6]。另外,紙制品生命周期主要涉及制漿、造紙、運輸、消費回收等環節,其中制漿環節是區分木槳和廢紙漿造紙之間對環境影響水平差異的核心環節。因此,本研究對紙制品生命周期清單的制漿環節不確定性進行重點分析(圖1)。同時,也通過蒙特卡洛方法對實證高校學生紙張利用統計數據換算后的紙張重量數據進行不確定性分析。

圖1 紙制品制漿環節清單數據不確定性分析

1.3.4 基于紙制品生命周期評價的環境影響測算

采用SPSS,Amos,Matlab等軟件,測算實證高校學生群體紙張消費造成的潛在環境負荷(資源耗竭、全球變暖以及富營養化),計算高校書籍資料回收所實現的生態效率。

結合書本重量數據計算出的物質流代謝量,由造紙工業生命周期各階段清單數據核算的環境影響潛值,對高校紙制品消費利用造成的潛在環境負荷進行測算。資源耗竭和富營養化的人均生態環境負荷計算公式為:

全球變暖的人均生態環境負荷計算公式為:

式中:Lh代表第h種生態環境影響類型的人均生態環境負荷,h=1代表資源耗竭(生態足跡),h=2代表富營養化,h=3代表全球變暖;Wi代表學年內人均紙品物質流代謝量,i=1,2,3分別代表教科書、教輔資料和其他紙張3種紙品消費;Yh,j代表單位紙制品生產至回收等各環節對第h種環境影響類型的影響潛值,j=1,2,3分別代表紙品生產消費全過程中涉及的制漿(環節1)、造紙與化學品生產(環節2)、交通運輸(環節3),j=4代表回收(環節4),計算時主要考慮回收后用于焚燒的部分,環節1～3主要考慮新書籍等資料(購買時系新紙品)的數量,環節4將新舊書籍等資料均納入考慮,影響潛值的計算主要根據各環節的清單數據;r為被回收焚燒紙張的比例系數,由調查數據獲取。

依據高校學生紙張消費催生的人均總環境負荷與書籍資料回收形成的人均生態負荷減量結果,對書籍資料回收利用(限于數據獲取難度,對流入收購商后的具體有效利用比例無法估計,本研究主要考慮可進行回收利用的總書籍資料對應的紙張重量,可能會大于實際回收利用量)所帶來的生態效率加以測算。計算公式為:

Eh=ΔLh/Lh。

式中:Eh代表書籍資料回收利用對應的第h種人均環境影響潛值的減少數量所帶來的生態效率;ΔLh代表由于書籍資料回收利用所帶來的第h種人均環境影響潛值的減少數量。

2 結果與分析

2.1 高校群體紙張消費行為

對765份有效問卷的統計分析發現,南京信息工程大學在校學生每學年人均教輔資料、二手書、新書實際購買量分別為4.79,5.03,5.44本。人均教輔資料與教材回收量分別為4.71,5.18本。在校學生每年實際購買草稿紙折算面積為0.59 m2,人均實際購買打印紙折算面積為0.48 m2。另外,還對南京市部分其他高校進行了調查訪談,新舊書籍購買、廢紙處理等方面的情況與實證高校相差不大。通過問卷及訪談數據,對高校學生紙張消費使用習慣進行分析。

(1)就教材購買途徑的選擇而言,購買新書是南京高校學生的第一選擇,少數學生會選擇購買電子書或到圖書館借閱教材。

(2)南京高校學生對舊教材處理方式的傾向主要包括在二手書市場上出售、贈送給低年級學生和個人留存3種方式,3種方式選擇人數占比相近。這表明南京地區高校學生具有一定的紙制品回收利用意識,大部分教科書都會被循環利用一次。

(3)高校學生購買教輔用書的意愿較弱,此類人數占比超過80%。對于教輔用書的處置方式,有近50%的學生會選擇保留教輔用書。

(4)對于廢紙(如使用后的草稿紙、打印紙等)的處置方式,高校學生尚未建立良好的回收利用意識,也有部分學生會在使用后直接丟棄而不是選擇集中丟棄或選擇集中廢品回收。

綜合以上對南京地區高校學生紙張消費和使用習慣的初步分析,發現學生群體對教材以及教輔資料具有較好的回收利用意識,大部分書本都會被至少回收利用一次。但對廢紙的回收利用意識仍處于較低水平,紙張使用量較大,但回收率明顯偏低。

2.2 高校學生群體紙制品消費所致環境影響

2.2.1 紙制品質量換算及物質流代謝量

為與造紙行業生命周期計算單位一致,需將紙品消費量由面積單位轉換成質量單位。根據已有研究對書本用途的定義,本研究從多個專業的同學收集了50本不重復的各類教科書和30本教輔資料,利用書本的開本和印張數計算兩類書本的紙張面積(m2),在進行不確定性分析后換算為各類書本的用紙重量(t)。

對換算結果進行不確定性擬合,得出兩類書本紙張消耗概率分布。一本教科書的用紙量為11.23 m2(最小值9.09 m2,最大值13.78 m2),服從Logistic分布;一本教輔資料耗紙8.23 m2(最小值6.98 m2,最大值11.25 m2),服從Logistic分布。根據國家標準《新聞紙》(GB/T 1910—2015)等對紙張定量的規定,可將面積換算為質量單位。其他零散紙張質量換算亦可通過此方式實現。通過此方法,可計算出一本書籍或一張紙張的平均重量,再結合調查所得人均紙品消費數量、學生總數,可求算出校園紙品總利用量,即物質流代謝總量(t)。為保障計算物質流代謝量時能夠提供相對可靠的人均用紙重量,對2021年實證高校大學生人均用紙量加以蒙特卡洛不確定性分析(圖2),結果顯示服從Logistic分布,相關數據具有較強可靠性。

圖2 2021年實證高校大學生用紙量不確定性分析Fig.2 Uncertainty analysis for paper consumption of students of the university as an empirical area in 2021

由推算可得,2021年南京信息工程大學本科生及研究生紙張物質流代謝量約為287.54 t。其中,新教材、二手教材、草稿紙及打印紙、教輔資料的物質流代謝量占總量的比例分別為36.11%,33.33%,10.50%,20.06%。

2.2.2 校園紙品消費引致的環境負荷

依據人均生態環境負荷計算公式測算,2021年實證高校人均紙制品消費所帶來的生態負荷包括8.21 kg Fe-eq的資源消耗、30.42 kg CO2-eq的全球變暖潛值以及1.44 kg NO3-eq的富營養化排放。通過估算,實證高校學生由于紙制品消費而催生的總環境負荷高達230.04 t Fe-eq的資源消耗、853.05 t CO2-eq的溫室氣體排放以及40.26 t NO3-eq的富營養化污染。同時,綜合人均書籍資料回收節約量及基于清單分析計算的單位紙品的環境影響潛值也可估算出2021年實證高校人均書籍資料回收利用所帶來的環境影響,包括5.06 kg Fe-eq的資源節約、18.73 kg CO2-eq的全球變暖潛值減少以及0.92 kg NO3-eq的富營養化減排。

2.2.3 紙制品回收帶來的生態效率

計算紙制品回收利用所帶來的生態效率,書籍資料回收利用在資源消耗、全球變暖潛值、富營養化排放3個方面實現的生態效率分別為61.63%,61.57%,63.89%。書籍資料回收利用可以局部實現節能減排目標,對資源消耗、全球變暖、富營養化3種環境影響類型均帶來一定的減量效應(生態效率),這主要得益于部分書籍資料的回收利用使得紙制品的生命周期被“延長”,原本將進入回收處理(焚燒、填埋等)環節的書本能再次進入消費利用環節,且因為多為同?；蛲瑢I內轉讓消費,避免了二次運輸的環境影響,可節約對應的資源消耗,并減少溫室氣體排放。但由于規范回收途徑尚未建立,書籍資料回收及其所帶來的生態效率仍存在較大的提升空間。

單就高校紙張造成的全球變暖來看,從實證高校2021年紙張利用環境負荷態勢,可概略推算出南京高校學生紙張消耗造成的生態負荷,以碳排放為例,南京高校學生用紙導致的人均CO2等溫室氣體排放量大致相當于完全燃燒約30 kg的燃料,與交通、電力、熱力等行業相比,該結果并不突出。但由于部分大城市高校學生密集,如南京高校學生人數眾多,2021年南京市普通高等學校(含成人高校)在校學生數就達113萬人,全市高校學生紙張消費產生的溫室氣體排放及其他環境影響總量十分龐大。

3 結論、建議與討論

3.1 結論

運用改進的產品生命周期評價法,測算南京信息工程大學2021年紙制品消費利用對應的潛在生態負荷及生態效率大小,進而對南京市高校紙品消費的整體碳排放態勢進行分析。

實證高校學生由于紙制品消費而催生的潛在環境負荷較高,2021年學生紙制品消費造成的資源消耗高達230.04 t Fe-eq、溫室氣體排放達853.05 t CO2-eq、富營養化污染約為40.26 t NO3-eq。

得益于書籍資料部分有效回收利用,實證高校學生研究期內紙制品消費在碳排放與生態損耗上實現了一定減量。在資源消耗、全球變暖潛值、富營養化排放3個方面實現的生態效率分別為61.63%,61.57%,63.89%。生態節約效果具有一定的顯著性,但仍存在較大的提升空間。

南京市高校學生紙張消耗造成的人均CO2等溫室氣體排放量大致相當于完全燃燒約30 kg的燃料,與交通、電力、熱力等行業相比,該結果并不突出,但大城市高校學生數量龐大,其紙張消耗對全球變暖造成的影響不可小覷。

3.2 建議

目前,南京市高校紙張回收利用工作仍處于滯后階段。如南京高校二手書市場尚未形成完整的“收購-整理-出售/借閱”服務體系,又如學生群體對零散紙張回收利用意識差、學校缺少專門回收點和相應回收制度。鑒于此,可通過建立高?？闪鲃邮綀D書館來打破既往掣肘?？蓮臋M向上打通校際多節點合作共建模式、發揮企業中介作用實現高校-企業聯動減排,縱向上推行“線上+線下”圖書一號通、推行高校駐點“館長制”管理機制等方法,構建一套規范的具有前瞻性與可行性的策略路徑,減少高校紙張利用對環境的影響。

3.3 討論

目前,環境科學與資源利用、建筑科學與工程、工業經濟領域基于生命周期評價進行環境影響的研究主要聚焦于工業產品[16-17]、特定產業[18]、廢棄物處理方式[19]、特定區域環境系統[20]等方面,涉及全國、城市、園區等多空間尺度。本研究針對書籍與紙張等紙制品,在已有傳統生命周期評價模型基礎上,提出納入回收環節(而不僅是焚燒處理)、構建紙制品有效回收與循環利用所帶來的生態效率的計算方法,緊扣校園情景加以分析,相較中觀與宏觀尺度研究,雖顯微小但更具可操作性和相對準確性。但仍存在一些不足。如調查問卷設計問題的嚴密性仍有待提升;對進入回收商的書籍紙張處理情況缺少調查,導致用于計算有效回收利用的書籍資料重量可能偏大;在造紙行業全生命周期中紙張回收階段只考慮了焚燒帶來的碳排放問題,而未精細兼顧考慮可能帶來的其他環境負荷問題;限于數據獲取難度,紙制品生命周期階段中的資源開采(備料)階段,在清單分析及模型中并未納入,未來需對這些方面進行補充或進一步兼顧。