生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)是一种对产品、工艺或活动从最初的资源开采、原料生产，到产品生产、运输、使用、回用、维护，以及最终处置等整个生命周期阶段有关的环境负荷进行评价的过程。LCA通过辨识和量化整个生命周期过程中能量和物质的消耗和环境释放，并对其进行全面评价，进而识别出潜在的环境改善机会，为达到产品的生态最优化提出改进建议。国际标准化组织(ISO)给出了LCA的定义：对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价[1]。相对而言，传统的环境影响评价只是针对建设项目或规划本身对环境的影响进行评价，因此，可以说LCA是站在一个更高、更全面的角度进行评价，可以对产品整个生命周期所涉及到的整体环境进行全局评价。
国外LCA经过三十多年的应用和发展，在工业产品及其工艺的设计、废弃物管理、环境影响评价，以及制定环境政策等方面得到广泛应用，并已成为环境影响评价、环境管理、制定工业发展战略的重要工具[2]。国内在工业、农业、能源、化工、运输、废物处理等领域也已经应用LCA开展了一些研究和应用[3-12]。
DUF6是铀浓缩过程中产生的尾料，随着铀浓缩的生产，DUF6产生量也会相应增加。我国正在积极推进DUF6的转化，《核安全与放射性污染防治“十三五”规划及2025年远景目标》[13]中提出“推动贫化六氟化铀再利用和稳定化处理”。本文根据LCA的基本概念和研究框架，对DUF6转化设施进行LCA评价，为我国今后建设相应设施提供参考。
1 材料与方法 1.1 生命周期评价的基本框架根据ISO 14040标准的定义，生命周期评价过程包含目标与范围的定义、生命周期清单分析、生命周期影响评价和结果解释四个组成部分，如图 1所示。
|
图 1 生命周期评价的基本结构 |
LCA评价首先需要确定评价目标和范围。通过确定LCA的评价目标，进而界定评价对象的功能、功能单位、系统边界、环境影响类型等。
1.1.2 清单分析清单分析是进行LCA评价的基础，通过收集研究范围内的系统与功能单位相关的所有投入和产出数据，形成产品系统投入和产出的数据清单。
1.1.3 生命周期影响评价生命周期影响评价是对清单分析中所确定环境负荷进行定量或定性的影响评价。LCA的核心内容是生命周期影响评价，包括定性研究和定量评价，评价步骤通常包括影响分类、特征化、量化评价和结果解释。
(1) 影响分类
按环境影响的类型将投入和产出的清单分析数据进行分类，环境影响类型通常包括资源消耗、人体健康影响和生态影响三大类。
(2) 特征化
特征化是即以某影响类型中某一种影响因子为基准，把其影响潜力视为1，然后将等量的影响因子与其比较，从而得出各类影响因子的相对影响潜力大小即当量系数，进而计算出各种影响类型的环境影响潜值。
(3) 量化评价
如果需要对各环境影响类型进行综合评价，需要对特征化结果进行归一化加权。
(4) 结果解释
生命周期解释是对影响评价结果做出分析解释，识别出产品的薄弱环节和潜在改善机会，为达到产品的生态最优化目的提出改进建议。
1.2 DUF6转化设施LCA评价目前，共有五条商业化运行的DUF6转化生产线，其中法国两条、美国两条、俄罗斯一条，其采用的转化工艺相同。本文以美国朴茨茅斯(Portsmouth)DUF6转化设施为例，对该设施进行LCA评价。
1.2.1 评价范围和目标朴茨茅斯DUF6转化设施采用的是干法连续转化工艺，DUF6经蒸发气化后，与水蒸气和氢气在流化床内反应，转化产生铀氧化物混合物(主要是U3O8)和氢氟酸。DUF6转化设施的转换能力为13 500吨DUF6/年，设施寿期为18年。由于设施操作物料的放射性水平较低，其运行所致厂址周围最大个人有效剂量仅为2.1×10-7mSv/a[14]，远低于我国规定的公众个人有效剂量限值(1 mSv/a)。在LCA评价中，主要考虑辐射影响外的其它影响类型。
本文以DUF6转化设施的建设期和运营期为研究对象开展LCA评价，主要目的是了解不同环境影响类型的相对贡献，为进一步改善环境影响提出建议。
1.2.2 清单分析DUF6转化设施生命周期中的系统投入主要包括化石燃料、电力、水资源、化工原料、建筑材料等；系统产出主要包括废气、废水和固体废物。整个DUF6转化设施生命周期的投入产出数据见表 1。
|
表 1 DUF6转化设施生命周期的投入产出数据[14] |
环境影响类型筛选，综合考虑了国内外政策关注的重点，尤其是我国国民经济与社会发展规划纲要和环境保护规划中的相关要求，并根据设施的清单分析结果最终确定分析的环境影响类型。投入的化石燃料、电力、化工原料、建筑材料、水资源，在其生产过程中会涉及到“一次能源消耗(PED)”、“中国非生物资源消耗(CADP)”和“淡水消耗(water use)”，设施的废气排放对应的是“全球暖化(GWP)”、“可吸入无机物(RI)”和“酸化(AP)”类型，废水排放对应的是“富营养化(EP)”类型，固体废物对应的是“固体废弃物(waste solids)”类型。
1.2.4 特征化在数据清单特征化过程中，采用国内开发的LCA软件eBalance建立LCA模型，计算出DUF6转化设施的生命周期清单，并对不同环境影响类型的清单数据进行了特征化，见表 2。eBalance软件内置有中国生命周期基础数据库CLCD(Chinese Reference Life Cycle Database)、欧盟生命周期基础数据库ELCD(European Reference Life Cycle Database)、及瑞士的Ecoinvent商业数据库。
|
|
表 2 生命周期特征化结果 |
表 3为对表 2中特征化结果进行归一化的结果，表 4为各单元过程对不同环境影响类型贡献比例。归一化基准值是根据中国环境统计年鉴[15]和国际应用系统分析研究所[16]统计的中国排放或消耗总量数据计算得到的。
|
|
表 3 各环境影响类型的归一化结果 |
|
|
表 4 各单元过程对不同环境影响类型贡献比例 |
表 5为各环境影响类型的权重因子，该因子是第二届中国生命周期管理会议期间，根据与会专家对环境影响类型的重要性打分并对结果进行层次分析法(AHP)分析得出的结果。
|
|
表 5 各环境影响类型的权重因子 |
由表 4可以看出，对于全球变暖、富营养化、酸化和可吸入无机物指标，主要贡献都来自运营期的发电过程，这是因为对于这几种指标的主要贡献物质CO2、SO2、NOx、PM2.5等大部分都是在燃煤发电过程中产生的，这是我国以煤为主要电力能源的实际情况决定的。对于可吸入无机物指标，设施建设过程对其贡献是除电力过程外的主要影响因素，但建设期相对较短，其影响在短期内可消失。对于中国资源消耗指标，主要贡献来自天然气生产过程，此外混凝土生产、工艺用水生产和氮气生产也有部分贡献。对于一次能源消耗指标，最大贡献来自氮气生产，其次为工艺用水生产和混凝土生产。对于固体废弃物指标，主要贡献来自混凝土生产、发电过程和氮气生产过程。对于淡水消耗指标，主要贡献来自发电过程、工艺用水生产和氮气生产过程。
由表 6可知，对于整个生命周期而言，运营期的环境影响要高于建设期，对于各类环境影响类别而言，一次能源消耗指标的贡献最大，固体废弃物指标也占一定比例。
|
|
表 6 各环境影响类型的加权值及其贡献值 |
综上所述，通过减少氮气生产、工艺用水生产和混凝土生产中一次能源的消耗，对于混凝土生产、发电过程和氮气生产过程中产生的固体废弃物进行综合利用，可有效降低DUF6转化设施整个生命周期对环境的影响。
3 讨论LCA为国际公认的一种较权威的环境评价方法，在国外各领域得到迅速发展，国内工业领域研究较多，而对于核设施LCA尚未开展相关研究。本文借鉴国内外相关成果，尝试对DUF6转化设施开展LCA评价，通过评价，找出了DUF6转化设施生命周期中环境影响的主要影响类型以及相应的影响过程。LCA作为一种环境影响分析方法和工具，不仅可以识别对环境影响最大的过程和生命周期阶段，而且可以对能耗、物耗进行全面平衡，既可降低产品成本，又可帮助改进设计[1, 17-18]。本文只是对DUF6转化设施进行了初步生命周期评价，今后还将利用LCA开展更详细、全面的评价，为不断提高核设施的环境效益和社会的可持续发展作出贡献。
| [1] |
Institution B S. BS EN ISO 14040: 2006 Environmental management-Life cycle assessment-Principles and framework[M]. 2006.
|
| [2] |
Thmos D Foust. Environmental life cycle assessment. Cincinnati: The McGraw-Hill Commpanies. 1996: 5-15.
|
| [3] |
刘伟.典型蓄电池生命周期评价研究[D].济南: 山东大学, 2017. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10422-1017174122.htm
|
| [4] |
郭金花.典型设施蔬菜生产系统水肥、农药投入及环境影响的生命周期评价[D].北京: 中国农业大学, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10019-1017000839.htm
|
| [5] |
王红彦.基于生命周期评价的秸秆沼气集中供气工程能值分析[D].北京: 中国农业科学院, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-82101-1016171344.htm
|
| [6] |
项东.煤制烯烃过程技术经济分析与生命周期评价[D].广州: 华南理工大学, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10561-1016737726.htm
|
| [7] |
谢小天, 孙荃, 张培栋, 等. 城市生活垃圾处理方式生命周期评价的比较研究[J]. 环境污染与防治, 2015, 37(4): 106-110. |
| [8] |
黄希望, 罗小勇, 李轶, 等. 污水处理厂生命周期评价及不同工艺污水处理系统的环境影响比较分析[J]. 水资源保护, 2014, 30(1): 90-94. DOI:10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.018 |
| [9] |
杨洁, 王洪涛, 周君. 铁路运输生命周期评价初探[J]. 环境科学研究, 2013, 26(9): 1029-1034. |
| [10] |
罗小勇, 黄希望, 王大伟, 等. 生命周期评价理论及其在污水处理领域的应用综述[J]. 环境工程, 2013, 31(4): 118-122. |
| [11] |
钱宇, 杨思宇, 贾小平, 等. 能源和化工系统的全生命周期评价和可持续性研究[J]. 化工学报, 2013, 64(1): 133-147. DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2013.01.016 |
| [12] |
洪竞科, 王要武, 常远. 生命周期评价理论及在建筑领域中的应用综述[J]. 工程管理学报, 2012, 26(1): 17-22. DOI:10.3969/j.issn.1674-8859.2012.01.004 |
| [13] |
环境保护部(国家核安全局), 国家发展和改革委员会, 财政部等.核安全与放射性污染防治"十三五"规划及2025年远景目标[S].北京: 中国环境科学出版社, 2017.
|
| [14] |
U.S. Department of Energy. Final environmental impact statement for construction and operation of a depleted uranium hexafluoride conversion facility at the portsmouth, Ohio, site[R]. DOE/EIS-0360, 2004
|
| [15] |
国家统计局.环境统计数据[OL]. http://www.stats.gov.cn/ztjc/ztsj/hjtjzl/2010/
|
| [16] |
International Institute for Applied Systems Analysis (ⅡASA). Energy and carbon emissions inventories database[OL]. http://www.iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/TransitionstoNewTechnologies/EnergyCarbonDatabase.en.html.
|
| [17] |
肖汉雄, 杨丹辉. 基于产品生命周期的环境影响评价方法及应用[J]. 城市与环境研究, 2018, 5(1): 88-105. |
| [18] |
韩润平, 魏爱卿, 陆雍森. 环境影响评价的工具——生命周期评价[J]. 郑州大学学报(理学版), 2003, 35(2): 83-88. DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.2003.02.024 |