靳 強(qiáng) 李 琛 劉 蓮 蘇凌寒 申哲民 單愛黨

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)中國城市治理研究院，上海 200030；3.安微省蚌埠市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，蚌埠 233040；4.安徽省蚌埠市環(huán)境信息中心，蚌埠 233040)

基于毒性足跡的污染源頭管控研究

靳 強(qiáng)1，2李 琛4劉 蓮3蘇凌寒3申哲民1單愛黨1

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)中國城市治理研究院，上海 200030；3.安微省蚌埠市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，蚌埠 233040；4.安徽省蚌埠市環(huán)境信息中心，蚌埠 233040)

論述了毒性足跡對(duì)于以人體健康為目標(biāo)的污染源頭管控的重要性；基于生命周期數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了一條適合中國國情的目標(biāo)區(qū)域人體毒性計(jì)算的簡(jiǎn)便途徑；從方法論和數(shù)據(jù)庫的角度，分析了實(shí)際操作的可行性；最后，指出了基于毒性足跡的管理在確定區(qū)域和行業(yè)的毒性分布及構(gòu)建人體健康的管理指標(biāo)體系的重要意義。

毒性足跡；人體健康；環(huán)境管理；生命周期

1 以人體健康為目標(biāo)的管控指標(biāo)

研究表明，污染物末端治理的空間已十分有限，源頭控制仍為根本性的污染防治措施。當(dāng)前針對(duì)行業(yè)排放的管控指標(biāo)分為單一指標(biāo)和綜合指標(biāo)，這些指標(biāo)在環(huán)境保護(hù)的過程中起到了非常重要的作用，但同時(shí)也顯示了嚴(yán)重的缺陷。

綜合指標(biāo)主要為COD和BOD等常規(guī)指標(biāo)，用來指示各類耗氧有機(jī)物總量大小，在表征影響水體黑臭方面有重要作用，但是與影響人體健康的毒性大小關(guān)聯(lián)性較弱。而且，不同行業(yè)的排水成分往往不同，相同COD的廢水在毒性方面差別巨大，因此COD指標(biāo)對(duì)于以人類健康為目的的管控并不科學(xué)[1]。

單一指標(biāo)又分為常規(guī)指標(biāo)和非常規(guī)指標(biāo)。氮和磷等為常規(guī)性管控指標(biāo)，對(duì)于指示點(diǎn)源排水對(duì)水體富營養(yǎng)化的影響程度特別有效，但與影響人體健康的毒性大小的關(guān)聯(lián)性也較弱。非常規(guī)單一指標(biāo)，如砷、隔、鉻、鉛等，是在考慮對(duì)人類健康的影響下制定的，但是數(shù)量有限且僅適于單一污染物的管控。實(shí)際上，排水中往往還含有大量的其它污染物甚至未知污染物，而且多種污染物往往還產(chǎn)生協(xié)同和拮抗等復(fù)合毒性作用[2]，因此，單一指標(biāo)不能反映多種污染物之間的聯(lián)合作用，難以作為簡(jiǎn)便有效的指標(biāo)應(yīng)用于源污染的管控策略。

毒性指標(biāo)能夠有效克服上述現(xiàn)行指標(biāo)的不足，適用于難以提出特定污染物排放控制的要求，綜合表征點(diǎn)源排放對(duì)環(huán)境生物的影響大小，是一種專門以人體健康為管控目標(biāo)是科學(xué)方法。德國在排水性質(zhì)比較復(fù)雜的有機(jī)化工、鋼鐵、印染等行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)中引入了綜合毒性指標(biāo)。目前，我國污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于綜合毒性指標(biāo)的應(yīng)用還處于起步階段，僅在2008年制藥行業(yè)系列排放標(biāo)準(zhǔn)(GB21903～GB21908)中首次以HgCl2急性毒性當(dāng)量引入綜合毒性指標(biāo)[3]。以綜合毒性為人體健康管控指標(biāo)尚有諸多問題需要解決，本文從方法論、可行性分析和管理應(yīng)用方面進(jìn)行初步探討。

2 基于毒性足跡的方法論

為制定以人體健康目標(biāo)的區(qū)域管控策略，需要對(duì)眾多點(diǎn)源進(jìn)行準(zhǔn)確的毒性排放核算，以及大量的毒性測(cè)試。當(dāng)前缺乏科學(xué)且簡(jiǎn)便的核算方法，如果按照常規(guī)方法，工作量相當(dāng)巨大甚至難以實(shí)現(xiàn)。通過美國環(huán)保局和環(huán)境毒理與化學(xué)學(xué)會(huì)提供了USEtox模型[4]，可以計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的人體健康和生態(tài)毒性，但是需要詳細(xì)的排放數(shù)據(jù)。一些發(fā)達(dá)國家具有完善的污染物排放申報(bào)制度，相繼建立了點(diǎn)源排放的國家級(jí)數(shù)據(jù)庫，如歐洲的E-PRTR、美國的TRI、加拿大的NPRI、澳大利亞的NPI等。這些數(shù)據(jù)庫免費(fèi)在線，有的甚至嵌入Google Earth，使用方便，與USEtox Model結(jié)合可以計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的毒性足跡[5]。中國當(dāng)前雖然有排污申報(bào)制度，但是數(shù)據(jù)的可靠性及保密性導(dǎo)致USEtox Model無法應(yīng)用，不適于中國國情。

基于前期的相關(guān)工作，借鑒碳足跡的概念，本文提出了毒性足跡(Toxicity Footprint)的概念，并以此為核心嘗試構(gòu)建快速準(zhǔn)確地核算點(diǎn)源毒性當(dāng)量排放的技術(shù)框架。碳足跡方法從全生命周期的角度深度分析碳排放的整個(gè)過程，能夠從源頭上制定科學(xué)合理的碳減排計(jì)劃[6]。隨后又有人提出了水足跡、化學(xué)品足跡等概念[7，8]，應(yīng)用于水的高效利用和目標(biāo)污染物的控制等目的。類似地，以人類健康為管控目標(biāo)，毒性足跡能夠定量地描述毒性排放過程，有利于從源頭消減綜合毒性的策略制定。以1，4-二氯苯為基準(zhǔn)物，采用毒性當(dāng)量法表示毒性排放大小，計(jì)算公式：

其中，TEQ是指總毒性排放當(dāng)量，TPi點(diǎn)源i的毒性當(dāng)量因子，mi表示點(diǎn)源的活動(dòng)強(qiáng)度。

生命周期評(píng)價(jià)是匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品(或服務(wù))體系在整個(gè)壽命周期的所有投入及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成的和潛在的影響的環(huán)境管理工具[9]，人體毒性是其主要環(huán)境指標(biāo)之一。技術(shù)框架如圖1所示[10]。

圖1 點(diǎn)源的毒性當(dāng)量計(jì)算方法

由圖1可知，通過全生命周期分析可以得到單位產(chǎn)量的毒性排放當(dāng)量，進(jìn)而可以求出點(diǎn)源的總毒性當(dāng)量；還可以建立毒性當(dāng)量與單一排放物的定量關(guān)系，測(cè)定某一特定污染物來計(jì)算毒性排放當(dāng)量，從而使人體毒性的計(jì)算變得容易，這是本方法的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

對(duì)于目標(biāo)區(qū)域，結(jié)合點(diǎn)源的地理信息(GIS)和區(qū)域物質(zhì)流分析，扣除外輸入和外輸出后可得到該區(qū)域的毒性排放總量及其地理分布，如圖2所示。

圖2 區(qū)域毒性當(dāng)量及分布的計(jì)算方法

本方法第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是，利用現(xiàn)有的大型數(shù)據(jù)庫避免了海量的毒性測(cè)試，能夠直接計(jì)算獲得毒性排放當(dāng)量。在數(shù)據(jù)庫之外可以調(diào)研進(jìn)行補(bǔ)充。

3 可行性分析

3.1 毒性計(jì)算和測(cè)試簡(jiǎn)便可靠

任取某一化合物為基準(zhǔn)物，按公式1進(jìn)行計(jì)算可得到排放毒性當(dāng)量。我國國家標(biāo)準(zhǔn)中采用HgCl2毒性當(dāng)量，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中ReCiPe方法采用1，4-二氯苯毒性當(dāng)量[10]。由于排放毒性與排放污染物成正比，甚至指定任一污染物即可計(jì)算毒性排放當(dāng)量。毒性測(cè)試方法也很成熟，從急、慢性毒性測(cè)試，到測(cè)試生物的代表性都進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用，甚至制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

3.2 生命周期評(píng)價(jià)和區(qū)域物質(zhì)流分析成熟可靠

生命周期評(píng)價(jià)方法已由國際化標(biāo)準(zhǔn)組織標(biāo)準(zhǔn)化(ISO140040)，并成功應(yīng)用于產(chǎn)品環(huán)境性能的改進(jìn)和公共政策的制定等諸多方面，如各類環(huán)境標(biāo)志一般按照生命周期方法(ISO14020)設(shè)立的。物質(zhì)流分析的理論基礎(chǔ)是剛性的物料平衡，為系統(tǒng)中物質(zhì)的流向和流量提供清楚的分析工具[12]，2001年歐盟統(tǒng)計(jì)局為物質(zhì)流制定了一個(gè)方法指南。

3.3 相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫豐富

美國國家環(huán)境保護(hù)局(EPA)提供了豐富的化合物毒性數(shù)據(jù)庫(IRIS)[13]，免費(fèi)向全球公開，毒性當(dāng)量因子不需要測(cè)試也可以很容易計(jì)算出來。Ecoinvent是世界上最大最全的產(chǎn)品環(huán)境排放數(shù)據(jù)庫[14]，非歐盟國家的教育機(jī)構(gòu)可以免費(fèi)使用，還有ELCD和USLCI等著名的數(shù)據(jù)庫也可以免費(fèi)使用。中國生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)中1/3是免費(fèi)的且是基礎(chǔ)性的[15]，中國第一次污染源普查和即將啟動(dòng)的第二次污染源普查報(bào)告中含各行各業(yè)的排放因子，全部是公開用免費(fèi)的。此外，為了提高使用效率，不同機(jī)構(gòu)還為上述數(shù)據(jù)庫編寫了應(yīng)用軟件，比較著名的有：Gabi，SimaPro，OpenLCA，Ebalance[16]。

4 管理應(yīng)用

4.1 確定行業(yè)和區(qū)域毒性排放分布

在帶有地理信息的點(diǎn)源毒性排放基礎(chǔ)上，定量計(jì)算毒性排放當(dāng)量在行業(yè)分布，識(shí)別毒性貢獻(xiàn)較大的行業(yè)，并確定這些行業(yè)的排放限值，為行業(yè)的毒性排放控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。也可以定量計(jì)算出毒性排放的區(qū)域分布，為功能區(qū)劃和環(huán)境容量提供定量化的科學(xué)依據(jù)。

4.2 構(gòu)建區(qū)域人體健康管理指標(biāo)體系

在確定目標(biāo)區(qū)域毒性排放較大的行業(yè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識(shí)別起主要作用的排放因子及其貢獻(xiàn)，構(gòu)建以人體健康為目標(biāo)的區(qū)域管理指標(biāo)體系。

4.3 制定區(qū)域人體健康的定量化管控策略

基于區(qū)域人體健康管理指標(biāo)體系，通過情景分析和政策模擬，考察各種政策對(duì)區(qū)域毒性排放當(dāng)量的影響，幫助管理層科學(xué)制定更有利于區(qū)域人體健康的管控政策。

5 研究小結(jié)

源頭控制仍為根本性的污染防治措施。當(dāng)前針對(duì)行業(yè)排放的管控指標(biāo)分為單一指標(biāo)和綜合指標(biāo)，這些指標(biāo)在環(huán)境保護(hù)的過程中起到了非常重要的作用，但同時(shí)也顯示了嚴(yán)重的缺陷。綜合指標(biāo)主要為COD和BOD等常規(guī)指標(biāo)，用來指示各類耗氧有機(jī)物總量大小，在表征影響水體黑臭方面有重要作用，但是與影響人體健康的毒性大小關(guān)聯(lián)性較弱。而且，不同行業(yè)的排水成分往往不同，相同COD的廢水在毒性方面差別巨大，因此COD指標(biāo)對(duì)于以人類健康為目的的管控并不科學(xué)。實(shí)際上，排水中往往還含有大量的其它污染物甚至未知污染物，而且多種污染物往往還產(chǎn)生協(xié)同和拮抗等復(fù)合毒性作用，因此，單一指標(biāo)不能反映多種污染物之間的聯(lián)合作用，難以作為簡(jiǎn)便有效的指標(biāo)應(yīng)用于源頭污染的管控策略。毒性指標(biāo)能夠有效克服上述現(xiàn)行指標(biāo)的不足，適用于難以提出特定污染物排放控制的要求，綜合表征點(diǎn)源排放對(duì)環(huán)境生物的影響大小，是一種專門以人體健康為管控目標(biāo)是科學(xué)方法。德國在排水性質(zhì)比較復(fù)雜的有機(jī)化工、鋼鐵、印染等行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)中引入了綜合毒性指標(biāo)。目前我國污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于綜合毒性指標(biāo)的應(yīng)用還處于起步階段。

以綜合毒性為人體健康管控指標(biāo)尚有諸多問題需要解決，本文從分析毒性足跡對(duì)于以人體健康為目標(biāo)的污染源頭管控的重要性出發(fā)，基于生命周期數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了一條適合中國國情的目標(biāo)區(qū)域人體毒性計(jì)算的簡(jiǎn)便途徑，從方法論和數(shù)據(jù)庫的角度，分析了實(shí)際操作的可行性，最后進(jìn)一步指出了基于毒性足跡的管理在確定區(qū)域和行業(yè)的毒性分布及構(gòu)建人體健康的管理指標(biāo)體系的重要意義。

[1]靳強(qiáng)，楊艷.關(guān)于毒性排污權(quán)交易初探 [J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016 (6)：7-8.

[2]任春，盧延娜，張虞等.綜合毒性指標(biāo)在水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用探討[J].工業(yè)水處理，2014，34(12)：4-7，21.

[3]GB 21903-2008，發(fā)酵類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：國家質(zhì)檢總局，2008.

[4]UNEP/SETAC.USEtox 2.0 Model (CP/DK).http：//www.usetox.org/.

[5]M.Nordborg，R.Arvidsson，G.Finnveden，et al.Updated indicators of Swedish national human toxicity and ecotoxicity footprints using USEtox 2.01 [J].Environmental Impact Assessment Review，2017 (62)：110-114.

[6]T.Liu，Q.W.Wang，B.Su.A review of carbon labeling：Standards，implementation，and impact [J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2016 (53)：68-79.

[7]L.Cucek，J.J.Klemes，P.S.Varbanov，et al.Significance of environmental footprints for evaluating sustainability and security of development [J].Clean Technologies and Environmental Policy，2015，17(8)：2125-2141.

[8]杜翠紅，王中鈺，陳景文等.化學(xué)品足跡：概念、研究進(jìn)展及挑戰(zhàn).生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016，11(2)：18-26.

[9]ISO14040，Environmental management-Life cycle assessment - Principles and framework.Brussels：European Committee for Standardisation，2009.

[10]M.Goedkoop，R.Heijungs，M.Huijbregts，et al.ReCiPe 2008：A life cycle impact assessment method which comprises harmonised category indicators at the midpoint and the endpoint level [R].Netherlands：Ministry of Housing，Spatial Planning and Environment，2012.

[11]余若禎，穆玉峰，王海燕等.排水綜合評(píng)價(jià)中的生物毒性測(cè)試技術(shù).環(huán)境科學(xué)研究，2014，27 (4)：390-397.

[12]張玲，袁增偉，畢軍.物質(zhì)流分析方法及其研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009 (11)：6189-6198.

[13]United States Environmental Protection Agency (EPA).Integrated Risk Information System.https：//www.epa.gov/iris.

[14]The ecoinvent Association.Ecoinvent Database.http：//www.ecoinvent.org/home.html.

[15]四川大學(xué)，億科環(huán)境.中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫(CLCD).http：//www.ike-global.com/products-2/clcd-intro.

[16]鄭秀君，胡彬.我國生命周期評(píng)價(jià)(LCA)文獻(xiàn)綜述及國外最新研究進(jìn)展.科技進(jìn)步與對(duì)策，2013 (6)：155-160.

Environmental Management on Environmental Pollution Point Sources by Toxicity Footprint

JIN Qiang1，2LI Chen4LIU Lian3SU Ling-han3SHEN Zhemin1SHAN Aidang1

(1.School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China； 2.China Institute of Urban Governance，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China； 3.Bengbu Environmental Monitoring Center，Bengbu 233040，Anhui China； 4.Bengbu′s Bureau of Environmental Information，Bengbu 233040，Anhui China)

Toxicity footprint is very suitable for indicating the regional environment of human health. Based on the basic databases of life cycle assessment，an easy-to-use framework was set up for calculating toxicity footprint of target region. The feasibility and importance of environmental management on toxicity footprint were also discussed.

toxicity footprint；human health；environmental management；Life cycle thinking

國家水體污染控制與冶理科技重大專項(xiàng) (2014ZX07204-008)

靳強(qiáng)，博士，副教授，研究方向?yàn)槲廴绢A(yù)防與資源化、生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，即LCA)

文獻(xiàn)格式：靳 強(qiáng) 等.基于毒性足跡的污染源頭管控研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(4)：19-21.

X21

A

1673-288X(2017)04-0019-03