基于AMI的紡織產(chǎn)品化學(xué)品足跡核算與評(píng)價(jià)

冀 祥，李 一，錢佳鴻，田澤君，徐平華，王來(lái)力

（1.浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院，浙江杭州 310018；2.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，浙江杭州 310018；3.浙江省絲綢與時(shí)尚文化研究中心，浙江杭州 310018）

印染行業(yè)作為紡織工業(yè)的重要組成部分，是紡織產(chǎn)品生產(chǎn)鏈中產(chǎn)品深加工，提升產(chǎn)品品質(zhì)、功能和價(jià)值的重要環(huán)節(jié)，是高附加值面料、家用紡織品和產(chǎn)業(yè)用紡織品等的重要技術(shù)支撐［1］。但在染整加工過(guò)程中所使用的大量化學(xué)品會(huì)以液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)污染物的形式排入生態(tài)環(huán)境中，其中不乏重金屬、壬基酚等有毒有害化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)生物與生態(tài)健康造成嚴(yán)重的影響［2］。當(dāng)前的化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)防控管理僅限于指出禁用限用化學(xué)品的危害性，并不能對(duì)化學(xué)品造成的環(huán)境影響給出定性、定量的綜合性評(píng)價(jià)［3］。因此化學(xué)品足跡作為一種足跡類指標(biāo)，為化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)管理提供了新的思路。

化學(xué)品足跡通過(guò)量化人類活動(dòng)排放化學(xué)品對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的壓力來(lái)表征不同時(shí)間或空間層面的環(huán)境負(fù)荷。Bg?rn 等［4］將USEtox 模型與區(qū)域稀釋能力概念運(yùn)用于化學(xué)品的足跡核算，從空間上量化了歐洲2004 年排放的173 種物質(zhì)所產(chǎn)生的化學(xué)品足跡；從時(shí)間上量化了丹麥1999—2011 年農(nóng)藥使用所產(chǎn)生的化學(xué)品足跡。Roos 等［5］借助USEtox 模型，從全生命周期的角度評(píng)估了醫(yī)用長(zhǎng)袍漂白前后的人體毒性與生態(tài)毒性。結(jié)果表明，由于漂白延長(zhǎng)了服裝的使用壽命，使得漂白后的衣服毒性相對(duì)更低。杜翠紅等［6］提出了化學(xué)品、生態(tài)系統(tǒng)以及環(huán)境空間3 者相聯(lián)系的化學(xué)品足跡概念，并介紹了現(xiàn)有化學(xué)品足跡的計(jì)算方法以及將各種方法應(yīng)用于不同環(huán)境空間尺度下的研究案例，討論了化學(xué)品足跡研究過(guò)程中存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。田澤君等［7］綜述了化學(xué)品足跡概念及其研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了紡織服裝產(chǎn)品化學(xué)品足跡核算與評(píng)價(jià)中的核算邊界、核算方法、結(jié)果評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問(wèn)題并進(jìn)行了展望。錢佳鴻等［8］借助USEtox 模型，對(duì)1 kg 牛仔織物染整過(guò)程中的化學(xué)品足跡進(jìn)行核算與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：經(jīng)紗加工過(guò)程的化學(xué)品足跡高于緯紗加工過(guò)程，主要的化學(xué)品污染物是二甲基（硅氧烷與聚硅氧烷）、二氧化硅的反應(yīng)產(chǎn)物以及甲基異噻唑啉酮，污染物主要來(lái)源于消泡劑與洗滌劑。

當(dāng)前化學(xué)品足跡方法的研究主要借助USEtox 模型，然而該模型數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)化學(xué)品的特征因子覆蓋率有限，難以對(duì)核算清單中的所有化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行核算，增加了產(chǎn)品化學(xué)品足跡核算與評(píng)價(jià)的不確定性。且USEtox 模型目前尚不能自定義環(huán)境參數(shù)，難以體現(xiàn)高空間分辨率下地區(qū)環(huán)境的差異性［9］。

為彌補(bǔ)現(xiàn)有USEtox 模型算法的不足，本研究以牛仔織物為例，基于化學(xué)品足跡理論，借助平均影響評(píng)價(jià)方法（AMI）對(duì)牛仔織物染整加工過(guò)程進(jìn)行化學(xué)品足跡核算與評(píng)價(jià)示范，對(duì)結(jié)果進(jìn)行逆向追溯，識(shí)別出需要優(yōu)先管控的化學(xué)品污染物，為紡織服裝產(chǎn)品化學(xué)品使用和化學(xué)品污染物排放管控提供參考。

1 化學(xué)品足跡的核算與評(píng)價(jià)

1.1 核算邊界

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行化學(xué)品足跡核算前，首先需要確定核算邊界，以確保結(jié)果的可比性［10］，核算邊界如圖1所示。時(shí)間邊界為牛仔織物染整過(guò)程中主要的兩個(gè)工序段：經(jīng)紗加工與緯紗加工；空間邊界為選定工序段內(nèi)所投入與排放的化學(xué)品。

圖1 牛仔織物化學(xué)品足跡的核算邊界

1.2 核算方法

化學(xué)品足跡可以理解為稀釋污染物到一定濃度所需要水的體積，而這個(gè)濃度要確保絕大部分物種不受影響，即不能超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)閾值。AMI 是一種用于計(jì)算生態(tài)閾值的方法，該方法綜合考慮了化學(xué)品對(duì)不同類別生物的毒性效應(yīng)，可以在一定程度上體現(xiàn)化學(xué)品對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中不同生物的平均毒性效應(yīng)［11］。基于AMI的化學(xué)品足跡核算方法如下：

式中，ChF 表示稀釋某污染物至安全質(zhì)量濃度所需要的水體體積，L；ρwi表示i物質(zhì)通過(guò)自然歸趨后分配于環(huán)境水體中的質(zhì)量濃度，kg/L；V表示環(huán)境水體的體積，L；HC5(NOEC)i表示i物質(zhì)的水生生態(tài)系統(tǒng)安全閾值，kg/L。

水生生態(tài)系統(tǒng)安全閾值可以通過(guò)公式（2）計(jì)算：

式中，HC50(EC50)是根據(jù)EC50擬合得出的物種敏感度分布曲線上物種潛在影響比例為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度，其對(duì)數(shù)值近似等于EC50的對(duì)數(shù)值；γ=146.97［12-13］。

1.3 核算數(shù)據(jù)

以1 kg 牛仔織物為功能單位，對(duì)核算邊界內(nèi)的化學(xué)品足跡進(jìn)行核算。化學(xué)品投入與排放物質(zhì)的數(shù)據(jù)源自參考文獻(xiàn)［14］。物質(zhì)的歸趨結(jié)果可以借助The Canadian Centre for Environmental Modelling and Chemistry 開發(fā)的level Ⅲ（version 2.80）得出分配于環(huán)境水體中的濃度。

核算所建立的毒性數(shù)據(jù)庫(kù)包括排放物質(zhì)、急慢性、物種種類、物種名稱、測(cè)試效應(yīng)、測(cè)試終點(diǎn)［E(L)C50，NOEC］和暴露時(shí)間，物質(zhì)原始毒性數(shù)據(jù)來(lái)源于USEtox、ECOTOX、PAN Pesticide 等數(shù)據(jù)庫(kù)。每種排放物質(zhì)選擇至少3 個(gè)能代表食物鏈不同營(yíng)養(yǎng)層級(jí)生物門類的毒性數(shù)據(jù)，確定不同生物毒性數(shù)據(jù)的急慢性標(biāo)準(zhǔn)［15］，結(jié)果如表1所示。

表1 急慢性毒性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

借助EC50與NOEC 的外推因子，將測(cè)試終點(diǎn)統(tǒng)一為E(L)C50，EC50acute/NOECacute外推因子為3.3，EC50chronic/NOECchronic外推因子為4.8。將同一物種同一毒性效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的多個(gè)E(L)C50數(shù)據(jù)取幾何均值作為該物種毒性效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的唯一E(L)C50。對(duì)同一物種的多個(gè)毒性效應(yīng)，選取最小值作為該物種對(duì)應(yīng)的唯一E(L)C50。最后將各物種的E(L)C50對(duì)數(shù)值取算數(shù)平均值作為HC50(EC50)的對(duì)數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

由圖2 可知，經(jīng)紗加工產(chǎn)生的總化學(xué)品足跡為3.43×104L，其中染色工藝對(duì)經(jīng)紗加工工序的化學(xué)品足跡貢獻(xiàn)率為72.98%，高于其他工藝。這是由于在染色過(guò)程中使用的染料、助劑種類和用量較多且降解周期長(zhǎng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成持續(xù)的影響。緯紗加工工序的化學(xué)品足跡為2.81×104L，其中前處理工序的貢獻(xiàn)率最大，為74.38%。這是由于在緯紗加工過(guò)程中，前處理使用的堿劑與螯合劑會(huì)直接影響水的pH，對(duì)水中pH 敏感的浮游生物等造成較大的危害。

圖2 各工藝鏈段化學(xué)品足跡

由表2 可看出，2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮產(chǎn)生的化學(xué)品足跡最大，為1.86×104L，對(duì)總化學(xué)品足跡的貢獻(xiàn)率為29.8%；其次為過(guò)氧化氫，化學(xué)品足跡為1.38×104L，占總化學(xué)品足跡的22.1%。其中，2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮的排放量雖然只占0.06%，但由于溶解度高，在水中的半衰期長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)自然歸趨后分配于水中的比例高，且對(duì)藻類生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，在一些魚類體內(nèi)難以降解并導(dǎo)致胚胎畸形，對(duì)藻類、魚類表現(xiàn)為高毒性。因此該物質(zhì)產(chǎn)生的化學(xué)品足跡大［16］。因過(guò)氧化氫排放質(zhì)量最大，占總質(zhì)量的22.3%，所以對(duì)總化學(xué)品足跡貢獻(xiàn)較大，并且過(guò)量的過(guò)氧化氫會(huì)對(duì)生物造成一定的危害。通過(guò)對(duì)化學(xué)品污染物溯源可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響最明顯的物料為消泡劑和過(guò)氧化氫漂白劑，化學(xué)品足跡分別為2.23×104L和1.37×104L。其中消泡劑產(chǎn)生的污染物不僅難以降解，而且會(huì)影響水生生物的生長(zhǎng)與發(fā)育，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成較大威脅。過(guò)氧化氫漂白劑在水中的溶解度很高，并且過(guò)量的過(guò)氧化氫會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷，加速生物老化，引發(fā)器官癌變，尤其是能產(chǎn)生過(guò)量的羥基自由基，可參與生物體內(nèi)的羥基化反應(yīng)及電子轉(zhuǎn)移，造成生物體細(xì)胞的壞死或病變，從而危害生物健康［17］。

表2 化學(xué)品污染物來(lái)源及其化學(xué)品足跡

3 結(jié)論

（1）核算單元牛仔織物染整加工過(guò)程中產(chǎn)生的總化學(xué)品足跡為6.24×104L，其中經(jīng)紗加工產(chǎn)生的化學(xué)品足跡比緯紗加工高22.06%。

（2）對(duì)化學(xué)品足跡貢獻(xiàn)最大的污染物是2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮，占總化學(xué)品足跡的29.8%，其次為過(guò)氧化氫，占總化學(xué)品足跡的22.1%。

（3）化學(xué)品足跡的污染物主要來(lái)源于物料中的消泡劑和過(guò)氧化氫漂白劑，二者共占總化學(xué)品足跡的57.7%。