許 靜，姜青苗，余豐毅， 湯營茂，莊凌峰,，羅永晉，謝偉杰，劉維麗,，錢慶榮，陳慶華

(1.福建師范大學(xué)聚合物資源綠色循環(huán)利用教育部工程研究中心，福建 福州 350007；2.福建技術(shù)師范學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，福建 福清 350300)

全球石材行業(yè)每生產(chǎn)2.5 t石材成品，就會產(chǎn)生1 t石材廢料漿，而加工過程中產(chǎn)生的廢料通常采取堆放和填埋的方式處理．石材廢料的堆放和填埋不僅浪費(fèi)大量的土地資源，還可能導(dǎo)致土壤、水體和大氣等污染[1]．隨著全球石材行業(yè)的快速發(fā)展，中國已成為主要的石材開采和生產(chǎn)國家．同時，由于技術(shù)等原因限制，石材浪費(fèi)量巨大，目前我國石材浪費(fèi)達(dá)到數(shù)億t以上．因此，石材固廢的資源化利用成為石材行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，同時也是推動我國生態(tài)文明建設(shè)、實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展的重要途徑之一．石材固廢資源化利用過程中兼具污染物減排的協(xié)同效益，無疑是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的重要方式．

當(dāng)前，溫室氣體(GHG)排放導(dǎo)致氣候變化已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，遏制全球變暖、削減碳排放量，已成為21世紀(jì)世界各國的共識．許多石材固廢具有回收利用的價值，可進(jìn)行資源化利用，部分或全部替代生產(chǎn)過程中所需的原材料．因此，資源化利用石材固體廢棄物不僅能減少固體廢棄物在堆放或處理過程中排放的CO2，還可以降低原材料利用階段產(chǎn)生的碳排放，具有良好的碳減排效益．目前國內(nèi)外學(xué)者對石材廢棄物的研究主要側(cè)重于資源量、資源化利用途徑、溫室氣體排放量的研究，而對石材廢棄物資源化利用的碳減排效益研究較少．通過文獻(xiàn)資料可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用石材廢料制備再生混凝土?xí)r，每立方米混凝土能達(dá)到2.50%～8.50%不等的碳減排率，利用石材固廢制備再生骨料時，每噸骨料能達(dá)到28%～65%的減排率，利用石材固廢制備再生水泥時，能達(dá)到46%～75%的減排率．從石材固廢資源化利用角度出發(fā)，碳減排效益主要反映資源化利用技術(shù)對石材生產(chǎn)加工過程碳排放強(qiáng)度的影響，也可用碳減排率來表示，其計(jì)算公式為:

(1)

式中a表示利用天然石材生產(chǎn)1 t產(chǎn)品的碳排放量，b表示利用廢棄石材生產(chǎn)1 t產(chǎn)品的碳排放量．

本文系統(tǒng)回顧了國內(nèi)外現(xiàn)有的石材固廢資源化利用過程中的碳減排效益研究，分析了不同石材固廢資源化利用的生命周期環(huán)境影響結(jié)果數(shù)據(jù)．通過比較固廢資源化利用的生命周期碳排放量，總結(jié)其資源化利用的碳減排效益，以期推動我國固體廢棄物資源化利用和碳減排相關(guān)研究的開展．

1 石材固廢資源化利用研究現(xiàn)狀

我國近年工業(yè)固廢排放量在40億t以上，整體綜合利用率只約為一半，每年產(chǎn)生接近10億t的工業(yè)固廢未能被利用處置，歷年來累積堆存量超過100億t，針對這一問題，我國確立了3R原則，即“減量化(reduce)、資源化(resource)、再利用(recycle)”的處理原則[2]．目前，廢石材資源化利用主要集中在廢石材中有用礦物或元素的分離與回收[3],以及廢石材制備其他有用材料．石材固體廢棄物中的廢混凝土、廢磚瓦、廢石材等無機(jī)硬質(zhì)組分，在回收再生利用循環(huán)過程中，經(jīng)過粉碎和篩分設(shè)備進(jìn)行處理后，可以獲得兩種類型的再生產(chǎn)品(再生集料和再生原料)[4]．本文研究的資源化利用技術(shù)主要為利用石材廢料制備再生混凝土、再生骨料和再生水泥，并基于生命周期評價方法研究資源化利用技術(shù)的環(huán)境效益．

1.1 利用石材廢料制備再生混凝土

在利用石材廢料制備再生混凝土方面，Yang 等[5]認(rèn)為混凝土強(qiáng)度等級與環(huán)境影響關(guān)系密切；肖建莊等[6]建立了生命周期下的1 m3再生混凝土碳排放量化模型，發(fā)現(xiàn)對比普通混凝土，再生混凝土在CO2減排上具有更優(yōu)的環(huán)境價值；Tait[7]認(rèn)為混凝土可以在不損失性能的情況下生產(chǎn)，同時顯著減少其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境影響；高唱[8]研究發(fā)現(xiàn)用建筑垃圾制備再生骨料替代天然砂石骨料生產(chǎn)的1 m3再生混凝土全球變暖潛在影響是312 kg CO2eq，相對于原生混凝土，每生產(chǎn)1 m3再生混凝土全球變暖潛在影響降低了8 kg CO2eq；Nakic[9]研究結(jié)果表明，用粉煤灰替代10%水泥產(chǎn)生的混凝土具有與普通混凝土相同的技術(shù)特性，同時能減少9%的環(huán)境影響；Marian等[10]認(rèn)為在混凝土制備過程中用粉煤灰代替25%的水泥，可以降低高達(dá)17%的全球變暖潛值；Park等[11]提出了一種利用混凝土的抗壓強(qiáng)度來評估混凝土生產(chǎn)生命周期CO2排放的方法．

1.2 利用石材廢料制備再生骨料

針對石材廢料制備再生骨料進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)大部分研究只關(guān)注利用再生骨料制備透水磚的工藝參數(shù)和透水磚性能，較少關(guān)注制備過程中的環(huán)境影響．王卓等[12]利用再生骨料制備燒結(jié)透水磚，得出適宜的工藝參數(shù)、燒成溫度和抗壓強(qiáng)度；陳連發(fā)等[13]利用建筑垃圾鐵板砂制備透水磚，抗壓強(qiáng)度達(dá)25 MPa，張良[14]利用建筑垃圾為骨料制備建筑垃圾透水路面磚；冷玲倻等[15]利用廢棄混凝土作為骨料制作透水磚，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法確定配比．之后，F(xiàn)lower 等[16]研究發(fā)現(xiàn)水泥生產(chǎn)是混凝土產(chǎn)生CO2排放的主要來源，占CO2排放總量的74%～81%，混凝土中CO2排放的下一個主要來源是粗骨料，占CO2排放總量的13%～20%．因此，科學(xué)家開始關(guān)注再生骨料帶來的環(huán)境影響．Hossain等[17]發(fā)現(xiàn)用回收的建筑拆除廢棄物和廢玻璃生產(chǎn)再生骨料可以實(shí)現(xiàn)可觀的凈環(huán)境效益；李志明等[18]發(fā)現(xiàn)，相比于天然石材破碎重鋪，利用廢舊水泥混凝土再生石材，每t產(chǎn)品溫室氣體排放減少了4.46 kg CO2eq；Rahman等[19]研究表明，開采1 t天然骨料的CO2排放量約為3.31 kg，而用建筑拆除廢棄物再生1 t骨料的CO2排放量約為2.36 kg，約減少了29%的排放量；Estanqueiro等[20]對混凝土生產(chǎn)中使用的天然和再生粗骨料進(jìn)行生命周期評估比較，其結(jié)果表明再生粗骨料可以比天然骨料產(chǎn)生更高的環(huán)境效益；Marinkovi 等[21]對再生骨料混凝土和天然骨料混凝土進(jìn)行環(huán)境評價比較，介紹了以天然砂礫、天然碎石為原料的混凝土和再生混凝土的生命周期評價結(jié)果．

1.3 利用石材廢料制備再生水泥

根據(jù)文獻(xiàn)資料，王波[22]研究表明：與直接填埋相比，每噸建筑廢棄物資源化利用溫室氣體排放大約可以減少610.86 kg CO2eq；Medina等[23]探討了含有花崗巖淤泥的水泥的能量性能和量熱行為；2017年Ren 等[24]探討了用工業(yè)固體廢物替代傳統(tǒng)原料生產(chǎn)硫鋁酸鹽熟料的可行性；Zulc?o等[25]發(fā)現(xiàn)觀賞石廢料可用作水泥部分替代，且在高替代水平(超過50%)下具有令人滿意的環(huán)境效益；Sanchez等[26]的研究結(jié)果顯示大理石廢渣替代石灰石制備1 kg水泥的CO2排放量為0.85 kg，與普通硅酸鹽水泥相比，減少了約34%CO2排放量；宋曉玲等[27]認(rèn)為使用固體廢棄物替代傳統(tǒng)原料生產(chǎn)水泥具有更低的環(huán)境影響；沈燕等[28]研究發(fā)現(xiàn)，利用廢渣制備硫鋁酸鹽水泥具有一定可行性，不僅可以降低水泥生產(chǎn)成本，而且有利于水泥的低碳生產(chǎn)．

上述再生混凝土、再生骨料、再生水泥的資源化利用技術(shù)見表1．

表1 石材固廢資源化利用技術(shù)Tab.1 Resource utilization technology for solid waste stone waste

上述各種資源化利用技術(shù)，其產(chǎn)品的生命周期全過程均能產(chǎn)生環(huán)境效益，不僅能改善傳統(tǒng)固廢處置方式帶來的土地占用和環(huán)境污染，還能減少原材料開采和運(yùn)輸過程的能耗與排放，是實(shí)現(xiàn)固廢的無害化和資源化處置，綠色循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展的重要途徑之一．

2 生命周期評價方法的碳排放核算體系

2.1 碳排放核算國際標(biāo)準(zhǔn)

ISO14060系列標(biāo)準(zhǔn)是特別針對溫室氣體管理所制定，ISO14064-1[29]對組織層面溫室氣體排放的量化與監(jiān)測進(jìn)行了規(guī)范，確定了溫室氣體排放的邊界、排放閾值；而ISO14064-2[30]對項(xiàng)目層面溫室氣體排放的量化與監(jiān)測進(jìn)行了規(guī)范，不僅確定了溫室氣體排放的邊界、排放閾值，還對具體的減排措施、項(xiàng)目以及規(guī)劃提出了要求．據(jù)童慶蒙等[31]研究表明，溫室氣體議定書(GHG Protocol)2001是產(chǎn)品碳足跡國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14067規(guī)范的重要參考來源之一,得到了中國等發(fā)展中國家的認(rèn)可．

2.2 生命周期碳排放核算方法

碳排放核算是量化碳排放變化趨勢、研究碳排放影響因素和設(shè)計(jì)減排路徑的基礎(chǔ)．碳排放核算方法是碳排放研究中的一個基本問題，也是對碳排放進(jìn)行定量分析并確定排放主體承擔(dān)相應(yīng)社會責(zé)任的重要基礎(chǔ)[32]．近年來，學(xué)者從不同的角度對碳排放核算方法進(jìn)行分析和探討，比較而言，從全生命周期視角 (life cycle assessment，LCA) 進(jìn)行的碳排放研究受到了更多的關(guān)注．一方面，這一視角的研究更有利于讓人們了解碳排放的源頭及全過程；另一方面，有利于人們在實(shí)踐中對碳排放進(jìn)行系統(tǒng)性和綜合性的治理．目前，國際上公認(rèn)的碳排放核算方法有3種，分別是物料衡算法、實(shí)測法和碳排放因子法．國內(nèi)對于全生命周期碳排放核算的研究主要集中在碳排放程度比較高的幾大行業(yè)，包括建筑業(yè)、煤化工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)等[33]．

2.3 生命周期碳排放核算方法的應(yīng)用

近年來，由于城市化進(jìn)程加快，我國建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，由此帶來的碳排放得到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注．李靜等[34]研究了基于全生命周期的建筑工程碳排放計(jì)算模型，將建筑全生命周期的碳排放活動歸結(jié)為能源、建筑材料、機(jī)械的碳排放．Zhang等[35]采用自下而上的基于過程的分析方法，對中國30個地區(qū)2004—2013年建筑行業(yè)碳排放進(jìn)行了核算；Moussavi 等[36]利用碳排放因子法對15種不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建筑物在不同生命周期階段產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行了計(jì)算；蔡偉光等[37]基于排放因子法和能源平衡表建立了建筑能耗拆分模型，并對全國2000—2017年建筑碳排放量進(jìn)行了計(jì)算和分析．煤炭燃燒是CO2排放的主要來源，因此許多研究集中在煤化工業(yè)的碳排放．武娟妮等[38]對新型煤化工業(yè)的生命周期碳排放趨勢進(jìn)行了研究，分析了從煤炭生產(chǎn)到產(chǎn)品消費(fèi)整個產(chǎn)業(yè)鏈的碳排放現(xiàn)狀和趨勢；王悅等[39]對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的全生命周期碳排放進(jìn)行了分析，將碳排放過程劃分為風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)和風(fēng)力發(fā)電業(yè)2個階段；崔亞蕾等[40]將煤制天然氣的全生命周期分為5個階段，分別是煤炭開采、煤炭運(yùn)輸、 煤制天然氣生產(chǎn)、管道運(yùn)輸和終端消費(fèi)．由于交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，其能源消費(fèi)總量提升較快，導(dǎo)致其碳排放量上升較快，引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注．陳進(jìn)杰等[41]根據(jù)生命周期理論，將高速鐵路生命周期劃分為建材生產(chǎn)階段、施工建設(shè)階段、運(yùn)營維護(hù)階段和報(bào)廢拆除處置4個階段．孫涵潔[42]將電動汽車生命周期排放過程劃分為電動汽車制造過程、使用過程和回收過程3個階段．

全生命周期碳排放核算方法是基于一般性的碳排放核算方法，是對一般性理論的進(jìn)一步延伸，突出對碳排放全過程的跟蹤、綜合評價及估算．它不僅是一種核算方法，更是一種診斷方法，通過比較分析，能夠有效發(fā)現(xiàn)一個企業(yè)或一個行業(yè)碳排放價值鏈中主要的排放點(diǎn)，從而為碳排放的治理提供直接的依據(jù)，因而具有廣泛的實(shí)踐應(yīng)用價值．

3 石材固廢資源化利用的碳排放量

3.1 再生混凝土的全球變暖影響

根據(jù)查閱文獻(xiàn)，制備再生混凝土所產(chǎn)生的環(huán)境影響如表2所示．肖建莊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生粗骨料取代率的提高，1 m3混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為30 N·mm-2的再生混凝土生命周期碳排放量逐漸降低，當(dāng)取代率為100%時，每立方米混凝土的碳排放量為301.4 kg，與天然骨料混凝土相比降低了約20 kg；根據(jù)Tait等[7]的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)每立方米粉煤灰混凝土和高爐礦渣混凝土分別減少了32%和62%的CO2排放；高唱[8]通過計(jì)算未采用廢棄物生產(chǎn)混凝土?xí)r與采用廢棄物生產(chǎn)混凝土?xí)r的混凝土制品的生命周期環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)在保證混凝土的性能一致，采用廢棄混凝土生產(chǎn)時，其全球變暖潛值降低8 kg CO2eq；根據(jù)Nakic[9]的研究，與原生混凝土相比，制備每立方米污水污泥灰混凝土全球變暖潛值減少了20 kg CO2eq；Marian等[10]研究發(fā)現(xiàn)，每立方米只含有天然骨料水泥的混凝土碳排放量在323～332 kg CO2eq之間，而通過用粉煤灰代替25%的水泥，碳排放值可以降低高達(dá)17%．

從表2可以發(fā)現(xiàn)，在再生混凝土的產(chǎn)品生產(chǎn)和廢棄物處置全生命周期過程均產(chǎn)生了環(huán)境效益，使CO2排放降低．這是由于原生混凝土的生產(chǎn)會產(chǎn)生大量導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體，如生產(chǎn)過程中的化石燃料的燃燒和原材料運(yùn)輸過程的柴油燃燒會產(chǎn)生大量CO2排放；并且再生混凝土使用再生骨料生產(chǎn)，很大程度上減少了石材固體廢棄物填埋、堆積等環(huán)節(jié)對大氣造成的污染．

3.2 再生骨料的全球變暖影響

再生骨料的環(huán)境影響如表3所示．Hossain 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，利用碎石生產(chǎn)1 t天然粗骨料的全球變暖潛值為32 kg CO2eq，而用建筑材料廢料生產(chǎn)1 t再生粗骨料的全球變暖潛值為11 kg CO2eq，比天然粗骨料減少了約65%的碳排放；據(jù)李志明等[18]的研究，開采1 t原生骨料的CO2排放量為4.09 kg，而利用廢舊混凝土再生1 t骨料的CO2排放量為1.71 kg，比原生骨料減少了約52%的CO2排放；Rahman等[19]的研究表明，開采1 t天然骨料的CO2排放量約為3.31 kg，而用建筑拆除廢棄物再生1 t骨料的CO2排放量約為2.36 kg，約減少了29%的排放量．

表3 再生骨料生命周期的全球變暖影響結(jié)果Tab.3 Global warming impact results on the life cycle of recycled aggregate

表3表明，使用石材廢料制備再生骨料以替代天然骨料時，能顯著降低CO2的排放量．這是由于天然骨料開采過程中排放大量的CO2，天然骨料運(yùn)輸過程中的柴油燃燒也產(chǎn)生CO2，因此利用石材廢料制備再生骨料不僅能節(jié)約天然資源，還能減少CO2排放．

3.3 再生水泥的全球變暖影響

再生水泥的環(huán)境影響如表4所示．在水泥制造過程中(挖掘、破碎、研磨、燒結(jié)、制造和運(yùn)輸)，有84%以上的CO2排放產(chǎn)生在燒結(jié)過程中．Sanchez等[26]計(jì)算了普通硅酸鹽水泥(OPC)和再生水泥在燒結(jié)過程中的CO2排放，并進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示與天然水泥相比生產(chǎn)再生水泥的碳排放量的減少高達(dá)54%(從每克水泥90 g-CO2到每克水泥48.1 g-CO2)；據(jù)宋曉玲等[27]的研究，每噸全工業(yè)固廢制備水泥的CO2排放量為146 kg水泥，而每噸普通水泥的CO2排放量為597 kg；Zulc?o等[25]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀賞石廢料被用作水泥的替代品時，GWP可以減少高達(dá)8%．

表4 再生水泥生命周期的全球變暖影響結(jié)果Tab.4 Global warming impact results on the life cycle of recycled cement

從表4可以發(fā)現(xiàn)，利用廢料制備水泥可以大幅度減少水泥生產(chǎn)過程的CO2排放量，這是由于天然水泥生產(chǎn)過程中，熟料煅燒過程會排放大量CO2，而固廢制備水泥，可以通過使用固廢替代熟料，從而減少煅燒過程的排放．

3.4 石材固廢資源化利用的碳減排效益

針對表1的石材固廢資源化利用方案，根據(jù)3.1-3.3的各類石材資源化利用環(huán)境影響結(jié)果，匯總石材固廢資源化利用的環(huán)境影響減少量和碳減排率數(shù)據(jù)，如表5所示．

表5 石材固廢資源化利用的碳減排效益Tab.5 Carbon emission reduction benefits of resource utilization of stone waste

從表5可以看出，無論何種資源化利用技術(shù)，其產(chǎn)品生產(chǎn)和廢棄物處置的全生命周期中均產(chǎn)生環(huán)境效益．對于再生混凝土、再生水泥、廢渣制備水泥及水泥基建材，其CO2減排率在2%～75%不等，其中大多數(shù)資源化利用技術(shù)減排率集中在20%～40%，這充分說明石材固廢的資源化利用對實(shí)現(xiàn)碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)具有重要意義．

4 結(jié)論

在碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下，石材快速發(fā)展的背景下，石材固廢的產(chǎn)生量逐年增長．目前，對于石材固體廢棄物的常規(guī)處理是將其轉(zhuǎn)運(yùn)至廢料場堆積或填埋．然而石材固體廢棄物在自然條件下降解困難，專門的廢料場不但占用了土地資源，且易造成二次污染．因此，石材固廢資源化利用的減污降碳的重要性凸顯[43]．本文根據(jù)閱讀文獻(xiàn)及總結(jié)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論．

(1)目前，國內(nèi)外石材廢棄物的研究主要側(cè)重于資源量、資源化利用途徑、溫室氣體排放量的研究，而對于其資源化利用的碳減排效益研究較少，故采用生命周期評價方法計(jì)算石材固廢資源化利用的碳排放量，以此研究其碳減排效益具有重要意義．

(2)石材固廢回收利用不僅可以避免天然石材開采過程中的電力消耗和原材料運(yùn)輸過程的柴油燃燒，還可以減少固體廢棄物填埋所帶來的土地占用，從而降低石材固廢再生利用生命周期過程的溫室氣體排放，有助于實(shí)現(xiàn)碳排放強(qiáng)度下降．

(3)石材固廢資源化利用具有良好的環(huán)境效益，利用石材廢料再生混凝土的CO2減排率在2.5%～62%不等，在再生骨料的過程中CO2減排率在28%～65%之間，而再生水泥的CO2減排率為45%～75%，諸多研究表明無論何種固廢資源化利用方式均能減少CO2排放．

綜上所述，在石材固廢資源化利用方案中，將廢石材加工制備成再生骨料和再生水泥均具有較高的碳減排效益，這是由于當(dāng)利用廢石料替代水泥中的熟料時，可以減少熟料煅燒過程中的CO2排放，從而減少了水泥生產(chǎn)過程中的碳排放量．可見，石材固體廢棄物資源化利用是推動我國生態(tài)文明建設(shè)、實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)發(fā)展和碳減排的有效途徑之一．然而，目前的生命周期碳排放核算均是以固定量的產(chǎn)品為功能單位進(jìn)行環(huán)境影響評估，而由于不同資源化利用方案的廢棄石材添加量有所不同，故無法評估何為最優(yōu)方案．今后的研究可將廢石材的添加量作為功能單位進(jìn)行環(huán)境影響評估，從而評判何種資源化利用方式可達(dá)到最高的碳減排效益．同時，對于廢棄石材資源化利用的影響評估不能只局限于碳減排效益，要兼顧經(jīng)濟(jì)社會效益及工藝的可行性．