第2章 生命周期评价发展及概念

第2章生命周期评价发展及概念2.1生命周期评价的起源和发展生命周期评价是一种评价产品整个生命周期（即从摇篮到坟墓）的环境影响和资源消耗的方法。生命周期评价最初是在物质和能量流分析的基础上发展而来的。世界上的第一个生命周期评价的案例是1969年美国中西部研究所（MRI）对可口可乐的饮料瓶进行的从最初的原材料采掘到最终的废弃物处理的全过程跟踪和定量分析，这是公认的生命周期评价研究开始的标志，也给目前的生命周期清单分析方法确定了基础。20世纪70年代早期，美国和欧洲的其他一些公司也完成了类似的生命周期清单分析。这种把产品资源利用和环境排放量化的过程逐渐被认为是“资源和环境纲要分析(ResourceandEnvironmentalProfileAnalysis，REPA)”，在美国已经得到实践证实。这种过程在欧洲被称为生态平衡(Ecobalance)。20世纪70年代到80年代，生命周期评价还仅在很小的范围内展开，而且评价考虑的因素很少。到了20世纪80年代以后，欧美从事工艺研究和环境评价的一些大学和顾问公司发展了生命周期评价这一方法，把“物质能量流平衡方法”引入到工业产品整个寿命周期的分析中，以考察工艺过程的各个环节，即原料的开掘、制造、运输与分发、使用、循环使用，直至废弃的整个过程对环境的综合影响，并逐渐在企业中得到了应用，但由于方法的不规范，以致评价的结果很难达成一致，所以并没有广泛地展开。20世纪90年代以后，国际环境毒理学和化学学会组织（SETAC）在有关生命周期评价的国际研讨会上首次提出了“生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）”的概念。经过20多年的实践，在国际环境毒理学和化学学会组织和国际标准组织（ISO）的共同努力下，生命周期评价方法论的国际标准化取得了重要进展，于1997至2000年相继推出了ISO14040-ISO14043等相关标准。2.2生命周期评价的概念目前，生命周期评价的定义有很多种提法，政府、企业和一些机构站在各自的立场对它都有一番描述，如：(1)美国环保局的定义：对自最初从地球中获得原材料开始，到最终所有的残留物质返归地球结束的任何一种产品或人类活动所带来的污染物排放及其环境影响进行估测的方法；(2)国际环境毒理学和化学学会(SETAC)的定义：是一个评价与产品、工艺或行动相关的环境负荷的客观过程，它通过识别和量化能源与材料使用和环境排放，评价这些能源与材料使用和环境排放的影响，并评估和实施影响环境改善的机会。该评价涉及产品、工艺或活动的整个生命周期，包括原材料提取和加工，生产、运输和分配，使用、再使用和维护，再循环以及最终处置；(3)美国3M公司的定义：在从制造到加工、处理乃至最终作为残留物有害废物处置的全过程中，检查如何减少或消除废物的方法；(4)P＆G公司的定义：显示产品制造商对其产品从设计到处置全过程中所造成的环境负荷承担责任的态度，是保证环境确实而不是虚假地得到改善的定量方法；(5)国际标准化组织GB／T24040-1999(ISO14040-1997)：对在一个产品系统的生命中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。(6)联合国环境规划署(UNEP)的定义：生命周期评价是评价一个产品系统生命整个阶段一从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置一的环境影响的工具。其中以国际环境毒理学和化学学会（SETAC）和国际标准化组织（ISO）的定义最有权威性。将这些概念归结起来，可以将生命周期评价表述为：它是对产品的生命周期全过程(包括原料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回收以及最终处理等)的环境影响评价的一种思想和方法。它首先辨识和量化整个生命周期阶段中能量和物质的消耗以及环境的释放，然后评价这些消耗和释放对环境的影响，最后辨识和评价减少这些影响的机会，生命周期评价是注重研究系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的环境影响的一种评价方法。2.3生命周期评价的基本框架根据ISO14040标准所定义的生命周期评价技术框架，LCA的评价过程包括4个有机联系的部分：目的与范围的确定（GoalandScopeDefinition）、生命周期清单分析（LifeCycleInventoryAnalysis）、生命周期影响评价（LifeCycleImpactAssessment）和生命周期解释（LifeCycleInterpretation），如图2.1所示。图2.1生命周期基本框架目的与范围的确定清单分析影响评价结果解释2.3.1目的与范围的确定目的与范围的确定是生命周期评价的第一个环节，其重要性在于它将决定所进行生命周期评价的目的以及阐述所要研究对象的系数和数据形式。它是生命周期评价的出发点和立足点，影响着研究方向的广度和深度。生命周期评价的目的应根据研究的具体对象来确定，应明确阐述其使用意图、开展研究的理由及它的使用对象。研究的目标分为三类：观念的、初步的和完全的产品生命周期评价。①观念的产品生命周期评价用于解决产品－环境系统的基本问题，主要向消费者描述环境标志产品应有的品质。②初步的产品生命周期评价为半定量或定量地确定产品存在的主要环境问题，为产品的设计、开发及企业内部环境管理服务，也可于政府部门的有关环境的决策研究。③完全的产品生命周期评价则需要大量数据来支持产品环境体系的全面评价，用于环境标志的认证、企业的外部宣传和政府的法规制定。研究范围的界定主要是为了保证研究的广度和深度与要求的目标相一致，主要有功能单位、系统边界、环境影响类型、假定条件、系统条件等。这些工作虽研究目的的不同会产生很大地变化，没有一个标准的模式可以套用，但必须要反应出资料收集了影响分析的根本方向。另外，LCA研究是一个反复的过程，根据收集到的数据和信息，可能要修正最初设定的范围来满足研究的目标。2.3.2清单分析清单分析是生命周期评价基本数据的一种表达，是进行生命周期影响评价的基础。生命周期清单分析包括数据的收集和计算程序。它是对生命周期全过程的物质流和能量流进行汇编和量化的过程。在所确定的系统中，针对每个单元过程，建立基于功能单位的输入输出系统清单。在产品系统的每个子系统内，物质和能量都要遵循物质和能量守恒定律。清单分析既是LCA中影响评价的基础，又可直接于指导实践之用。清单分析开始于原材料采购直到产品的最终消费和处置，其一般范围如图2.2所示。清单分析的步骤可以用图2.3简要表示，可以看出它是一个不断重复的过程。图2.2清单分析系统输入与输出输入输入废气废水废渣产品其他原材料采集与生产产品制造产品使用和维护废弃与再利用原材料能源2.3.3影响评价生命周期影响评价是在完成目标确定及清单分析的基础上进行的，是将生命周期评价得到的各种排放物对现实环境影响进行定性定量的评价，这是生命周期评价最重要的阶段，也是最困难的阶段。到目前为止，还缺乏公认的科学方法。影响评价是对清单阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的表征评价，即确定产品系统的物质、能源交换对其外部环境的影响。国际标准组织（ISO）、环境毒理学与化学学会（SETAC）和美国环境保护局（EPA）都倾向于把影响评价定义图2.3清单分析程序略图要求增加数据或单元过程已确认的数据各单元过程的已确认数据各功能单位的已确认数据经过计算处理的清单收集的数据数据收集单修改后的数据收集分配与再循环目的与范围的确定数据收集的准备数据的确认将数据与单元过程相连数据与功能单位的关联数据汇总数据的收集系统边界的修改完成的清单为一个“三步走”的模型，这三步是：分类，特征化和量化。分类是一个将清单分析的结果划分到不同影响类型的过程。由于清单分析的结果，即与产品和产品系统相联系的环境交换(输出和输入)因子之间常常存在复杂的因果链关系(图2.4)，因此对生态系统和人体造成的环境影响也常常难以归为某一因子的单独作用。不同环境影响类型受不同环境干扰因子影响，同一干扰因子可能会对不同的环境影响都有贡献，如氮氧化物，同时对酸化和富营养化都有影响。由于环境影响所造成的最终结果可能和环境环境干扰的强度及人类关注的程度有关，因此分类阶段的一个重要假设条件是：环境干扰因子和环境影响类型存在一种线性关系，这在某种程度上是对研究过程的一种简化。特征化的目的是将每一个影响类别中的不同物质转化和汇总成为统一的影响单元。特征化的意义在于，选择一种衡量影响的方式，透过特定评估工具的应用，将不同的负荷或排放因子在各环境形态问题中的潜在影响加以分析，并量化成相同的形态或是同单位的大小。量化是确定不同环境影响类型的相对贡献大小或权重系数，以求得到总的影响水平的过程。经过特征化之后，得到的是单项环境问题类别的影响总值，评价则是将这些不同的各类别环境影响为体给予相对的权重，以得到整合性的影响指标，并能对各种环境影响类型贡献进行对比，使决策者在决策的过程中，能够完善地捕捉及衡量全部的影响因素。2.3.4结果解释生命周期解释是从前三个阶段中的一个或几个得出结论，提出建议。它是一个系统的过程，可以对结果信息进行识别、判定、检查和评价，并对此加以一定的表述，以满足评价目的和范围所规定的应用要求。CO2CH4NOXSO2VOCHCLHCFC-22全球变暖富营养化酸雨光化学光雾臭氧层破坏人类死亡全球增温区域气候变化极端气候条件物种消失生态消失农作物减产生活质量下降鱼类死亡生态系统破坏紫外辐射增加皮肤免疫系统损害呼吸道疾病植物破坏材料破坏森林破坏湖泊酸化藻类茂盛水体缺氧环境干扰因子环境影响环境效益后果图2.4环境影响因果图理想化的解释是在前三个步骤完成之后进行的，表现为两种形式：事前性的环境设计（DFE）和事后性的污染控制，范围确定和清单分析阶段的有些有价值的行为也可在此阶段发挥作用，这是LCA的最终目的。根据ISO14043标准，生命周期解释主要由以下3个要素组成，如图2.5所示。（1）基于生命周期评价中清单分析和影响评价得出的结果识别重要问题；（2）评估，包含完整性、敏感性和一致性检测；（3）形成结论、提出建议并报告。2.4生命周期评价的基本方法生命周期评价的基本方法主要是指LCA第三个阶段即影响评价的评价的方法，这也是目前LCA研究的一个热点、难点，目前正处于探索阶段。对于上文提到的影响评价“三步走”中的分类和特征化存在的分歧不大，而主要的分歧是针对量化来展开的，这也是目前研究的重点和开发对象。对于现阶段，主要有两种观点：环境影响评价是一个涉及政治、经济、社会等诸多因素的主观评价过程，可通过确定各环境影响因子相对重要性的大小(即确定权重)，将总的影响表达为一个定量的数值。由于权重的确定是一个主观的过程，对于相同的研究系统，不同的评价者可能得出不同的甚至截然相反的结论，从而大大影响评价结果的可信性：另一种观点认为，为了得到一个客观的评价结果，应尽量避免主观权重的使用或者用客观的单位来对环境影响进行表征。针对所获得数据的特性，同时针对上述两种量化的观点，可以把LCA方法分为下面三类：（1）基于确定数据的LCA方法；（2）基于不确定数据的LCA方法；（3）基于不完全数据的LCA方法。（1）基于确定数据的LCA方法，是目前的普遍采用的一种影响评价方法，基本上可分为两步：①采用当量因子法，对各种环境干扰因子进行标准化：②采用目标距离原则，即用当前环境效应水平与要求达到的目标水平之间的距离，确目标和范围的确定清单分析影响评价重大问题识别2.评估完整性检查敏感性检查一致性检查其他检查结论、建议和报告解释阶段图2.5LCA解释阶段的要素和其他阶段之间的关系定某种环境类型的重要程度即确定权重。此外，也可采用专家打分、层次分析等确定权重的方法。（2）基于不确定数据的LCA方法，考虑到指标数据及其重要程度的存在的不确定性，Geldermann等在模糊理论的基础上提出了一种模糊优序评价模型，该方法是多准则评价的一个子群，适用于对模糊数据的评价；但准确确定隶属函数是很困难的，为此，LeTeno等提出用区间数表示数据的不确定性的评价方法。这两种方法不足之处是都需要确定权重。为了避