基于毒性足跡的污染源頭管控研究

靳 強 李 琛 劉 蓮 蘇凌寒 申哲民 單愛黨

(1.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240；2.上海交通大學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.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240；2.上海交通大學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)

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

毒性足跡；人體健康；環(huán)境管理；生命周期

1 以人體健康為目標的管控指標

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。當前針對行業(yè)排放的管控指標分為單一指標和綜合指標，這些指標在環(huán)境保護的過程中起到了非常重要的作用，但同時也顯示了嚴重的缺陷。

綜合指標主要為COD和BOD等常規(guī)指標，用來指示各類耗氧有機物總量大小，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指標對于以人類健康為目的的管控并不科學[1]。

單一指標又分為常規(guī)指標和非常規(guī)指標。氮和磷等為常規(guī)性管控指標，對于指示點源排水對水體富營養(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聯(lián)性也較弱。非常規(guī)單一指標，如砷、隔、鉻、鉛等，是在考慮對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生協(xié)同和拮抗等復合毒性作用[2]，因此，單一指標不能反映多種污染物之間的聯(lián)合作用，難以作為簡便有效的指標應用于源污染的管控策略。

毒性指標能夠有效克服上述現(xiàn)行指標的不足，適用于難以提出特定污染物排放控制的要求，綜合表征點源排放對環(huán)境生物的影響大小，是一種專門以人體健康為管控目標是科學方法。德國在排水性質比較復雜的有機化工、鋼鐵、印染等行業(yè)的排放標準中引入了綜合毒性指標。目前，我國污染物排放標準中對于綜合毒性指標的應用還處于起步階段，僅在2008年制藥行業(yè)系列排放標準(GB21903～GB21908)中首次以HgCl2急性毒性當量引入綜合毒性指標[3]。以綜合毒性為人體健康管控指標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用方面進行初步探討。

2 基于毒性足跡的方法論

為制定以人體健康目標的區(qū)域管控策略，需要對眾多點源進行準確的毒性排放核算，以及大量的毒性測試。當前缺乏科學且簡便的核算方法，如果按照常規(guī)方法，工作量相當巨大甚至難以實現(xiàn)。通過美國環(huán)保局和環(huán)境毒理與化學學會提供了USEtox模型[4]，可以計算目標區(qū)域的人體健康和生態(tài)毒性，但是需要詳細的排放數(shù)據。一些發(fā)達國家具有完善的污染物排放申報制度，相繼建立了點源排放的國家級數(shù)據庫，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)據庫免費在線，有的甚至嵌入Google Earth，使用方便，與USEtox Model結合可以計算目標區(qū)域的毒性足跡[5]。中國當前雖然有排污申報制度，但是數(shù)據的可靠性及保密性導致USEtox Model無法應用，不適于中國國情。

基于前期的相關工作，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建快速準確地核算點源毒性當量排放的技術框架。碳足跡方法從全生命周期的角度深度分析碳排放的整個過程，能夠從源頭上制定科學合理的碳減排計劃[6]。隨后又有人提出了水足跡、化學品足跡等概念[7，8]，應用于水的高效利用和目標污染物的控制等目的。類似地，以人類健康為管控目標，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1，4-二氯苯為基準物，采用毒性當量法表示毒性排放大小，計算公式：

其中，TEQ是指總毒性排放當量，TPi點源i的毒性當量因子，mi表示點源的活動強度。

生命周期評價是匯總和評估一個產品(或服務)體系在整個壽命周期的所有投入及產出對環(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)境指標之一。技術框架如圖1所示[10]。

圖1 點源的毒性當量計算方法

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

對于目標區(qū)域，結合點源的地理信息(GIS)和區(qū)域物質流分析，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)域毒性當量及分布的計算方法

本方法第二個創(chuàng)新點是，利用現(xiàn)有的大型數(shù)據庫避免了海量的毒性測試，能夠直接計算獲得毒性排放當量。在數(shù)據庫之外可以調研進行補充。

3 可行性分析

3.1 毒性計算和測試簡便可靠

任取某一化合物為基準物，按公式1進行計算可得到排放毒性當量。我國國家標準中采用HgCl2毒性當量，風險評價中ReCiPe方法采用1，4-二氯苯毒性當量[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算毒性排放當量。毒性測試方法也很成熟，從急、慢性毒性測試，到測試生物的代表性都進行了大量的研究和應用，甚至制定了相應的行業(yè)標準[11]。

3.2 生命周期評價和區(qū)域物質流分析成熟可靠

生命周期評價方法已由國際化標準組織標準化(ISO140040)，并成功應用于產品環(huán)境性能的改進和公共政策的制定等諸多方面，如各類環(huán)境標志一般按照生命周期方法(ISO14020)設立的。物質流分析的理論基礎是剛性的物料平衡，為系統(tǒng)中物質的流向和流量提供清楚的分析工具[12]，2001年歐盟統(tǒng)計局為物質流制定了一個方法指南。

3.3 相關基礎數(shù)據庫豐富

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

4 管理應用

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源毒性排放基礎上，定量計算毒性排放當量在行業(yè)分布，識別毒性貢獻較大的行業(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數(shù)據。也可以定量計算出毒性排放的區(qū)域分布，為功能區(qū)劃和環(huán)境容量提供定量化的科學依據。

4.2 構建區(qū)域人體健康管理指標體系

在確定目標區(qū)域毒性排放較大的行業(yè)基礎上，進一步識別起主要作用的排放因子及其貢獻，構建以人體健康為目標的區(qū)域管理指標體系。

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

5 研究小結

源頭控制仍為根本性的污染防治措施。當前針對行業(yè)排放的管控指標分為單一指標和綜合指標，這些指標在環(huán)境保護的過程中起到了非常重要的作用，但同時也顯示了嚴重的缺陷。綜合指標主要為COD和BOD等常規(guī)指標，用來指示各類耗氧有機物總量大小，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指標對于以人類健康為目的的管控并不科學。實際上，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生協(xié)同和拮抗等復合毒性作用，因此，單一指標不能反映多種污染物之間的聯(lián)合作用，難以作為簡便有效的指標應用于源頭污染的管控策略。毒性指標能夠有效克服上述現(xiàn)行指標的不足，適用于難以提出特定污染物排放控制的要求，綜合表征點源排放對環(huán)境生物的影響大小，是一種專門以人體健康為管控目標是科學方法。德國在排水性質比較復雜的有機化工、鋼鐵、印染等行業(yè)的排放標準中引入了綜合毒性指標。目前我國污染物排放標準中對于綜合毒性指標的應用還處于起步階段。

以綜合毒性為人體健康管控指標尚有諸多問題需要解決，本文從分析毒性足跡對于以人體健康為目標的污染源頭管控的重要性出發(fā)，基于生命周期數(shù)據庫，構建了一條適合中國國情的目標區(qū)域人體毒性計算的簡便途徑，從方法論和數(shù)據庫的角度，分析了實際操作的可行性，最后進一步指出了基于毒性足跡的管理在確定區(qū)域和行業(yè)的毒性分布及構建人體健康的管理指標體系的重要意義。

[1]靳強，楊艷.關于毒性排污權交易初探 [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.綜合毒性指標在水污染物排放標準中的應用探討[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)水污染物排放標準[S].北京：國家質檢總局，2008.

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

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[11]余若禎，穆玉峰，王海燕等.排水綜合評價中的生物毒性測試技術.環(huán)境科學研究，2014，27 (4)：390-397.

[12]張玲，袁增偉，畢軍.物質流分析方法及其研究進展.生態(tài)學報，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，億科環(huán)境.中國生命周期核心數(shù)據庫(CLCD).http：//www.ike-global.com/products-2/clcd-intro.

[16]鄭秀君，胡彬.我國生命周期評價(LCA)文獻綜述及國外最新研究進展.科技進步與對策，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 (2014ZX07204-008)

靳強，博士，副教授，研究方向為污染預防與資源化、生命周期評價(Life Cycle Assessment，即LCA)

文獻格式：靳 強 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

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