好文推荐 | 固体废物全过程精细化环境风险评估框架研究
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本文提出固体废物全过程精细化环境风险评估框架，包括固体废物全生命周期路径梳理及特征识别、风险因子及其释放转运过程辨析、受体的最大可接受环境风险水平评估、基于多评价指标的固体废物环境风险的量化，以期为实现固体废物环境风险精细化管控提供支撑。固体废物全过程精细化环境风险评估框架研究
作者：方 文1,3, 黄玉洁1, 刘苗苗1,3, 黄 蕾1, 马宗伟1,3, 刘建国2, 毕 军1,3*
1.南京大学环境学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏 南京 210023
2.清华大学环境学院，北京 100084
3.南京信息工程大学，大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
文章来源：《环境科学研究》，2021.12.1
摘要
要
伴随着我国经济发展和城镇化进程，固体废物产生呈强度高、利用不充分的状态，造成了严重的资源浪费和环境污染。随着风险意识的加强，准确评估固体废物的环境风险，已经成为确定固体废物管控目标、边界、优先序的重要基础。由于固体废物的特性复杂、处理链条长、流动过程受区域发展特征的影响，其环境风险呈现风险因子多元、空间异质性强、不确定性高、易产生长期累积性风险等规律。现有的固体废物环境风险评估大多基于源项分析，针对特定环节或设施开展定量或半定量的污染物暴露与健康风险评估，缺乏对全过程的系统性分析，无法从全局及区域上综合评估固体废物的环境风险水平。因此，本文提出固体废物全过程精细化环境风险评估框架，包括固体废物全生命周期路径梳理及特征识别、风险因子及其释放转运过程辨析、受体的最大可接受环境风险水平评估、基于多评价指标的固体废物环境风险的量化，以期为实现固体废物环境风险精细化管控提供支撑。
关键词：固体废物；环境风险；全过程；精细化评估；风险管理
A Refined Framework on Assessing Whole-Process Environmental Risk of Solid Waste in China
Abstract:
With the high-speed growth of economic and urbanization development in China, the generation of solid waste increased rapidly in recent years, but the insufficient treatment capacities and illegal transfer/dumping activities of solid waste have resulted in serious resource waste and environmental risk. Assessing the environmental risk forms the basis for solid waste management since it can provide quantitative information to identify the management objective, boundaries, and priorities. Since solid waste has been characterized with complex properties and its flow among different regions is influenced by the regional technology and economy development level, the environmental risk of solid waste presents factor diversification, high spatial heterogeneity, high uncertainties, and long-term. To assess environmental risk of solid waste, most previous studies were conducted by quantitative or semi-quantitative method for specific process, including source term analysis, pollutant exposure calculation, and health risk assessment, while there still lacked a systematic analysis of the whole process. Therefore, this paper proposed a refined framework on assessing whole-process environmental risk of solid waste. The framework mainly included four steps: (1) Describe the life-cycle processes of solid waste, including generation, storage, collection, transportation, treatment, and utilization; (2) Identify the risk factors and their transfer mechanism; (3) Evaluate maximum acceptable levels of environmental risk for different receptors; (4) quantify the environmental risk based on multiple indicators.
Keywords: solid waste; environmental risk; whole-process; refined assessment; risk management
引言
随着我国经济发展和城镇化进程的加快，固体废物持续呈现产生强度高、利用不充分、处理处置能力不足的状态，造成了严重的资源浪费和环境风险[1]。实现固体废物的“减量化、资源化、无害化”，是当前我国生态文明建设的重要任务之一。近年来，我国相继出台多项政策法令，加快固体废物管理制度改革。2020年，《固体废物污染环境防治法》修订实施，将多项原则入法，强化政府及相关部门监督管理责任，强调不同固体废物污染防治的差异化管理[2]。随着我国固体废物制度建设的完善，我国固体废物管理工作进入提速阶段。
固体废物的风险防控是固体废物管理工作的关键内容之一[3]。固体废物，主要包括生活垃圾、农业固体废物、工业固体废物、危险废物等，含有的污染物种类繁多、性质复杂，随意倾倒、堆放等不合理的处理处置造成了潜在的环境风险[4]。我国近年来发生的重大环境风险事件，如江苏响水特大爆炸事故、广东北江镉污染、云南阳宗海砷污染等，多与固体废物管理不当有关，尤其是新冠肺炎疫情发生以来，我国医疗废物处置能力呈现严重不足的状态，增加了病毒传播及作业人员的感染风险[5]。随着风险意识和底线思维的强化，将生态环境风险纳入常态化管理，系统构建全过程、多层级生态环境风险防范体系成为我国环境管理工作的重要指导思想之一[6]。固体废物处理链条长，从产生至最终处置的全过程中均可能对水体、大气、土壤等多种环境介质造成污染，环境风险范围广、不确定性高，因此精确评估固体废物的环境风险是实现科学管控的前提。
目前，国内外学者针对固体废物的环境风险开展了一定研究，基于不同固体废物处理处置技术过程中污染物的迁移转化机理[7-8]，开发了不同的模型预测污染物释放潜力[9-10]，并结合污染物的多介质迁移转化模型评估其环境风险[11]。然而，大部分研究仅关注处置环节中产生的环境风险，缺乏对固体废物全过程环境风险类型和强度的系统性分析，并且鲜有研究探讨固体废物环境风险的时空分布规律以及环境风险与区域发展特征的内在关系。综上，我国固体废物风险评估基础研究仍较为薄弱，尚未建立系统的固体废物环境风险评估模式. 因此，针对固体废物风险的多变性和时空变异性，该文基于环境风险场理论及系统管理思想，提出我国固体废物全过程精细化环境风险评估框架。
1. 固体废物环境风险评估的内涵
环境风险是指由自然原因或人类活动引起的，通过降低环境质量，进而对人体健康和自然生态产生损害的事件，可以用其发生的后果及其概率表示。环境风险的发生主要包括3个过程：①风险因子释放，即环境风险源的形成及释放；②风险因子转运，即环境风险因子在环境空间中经一系列过程形成特定的时空分布特征；③风险受体暴露和受损，即环境空间中的风险因子损害某种风险受体。环境风险场是风险因子、环境介质、风险受体三要素共同作用形成的，区域性是环境风险场的最显著特征之一[12]，它由环境风险源的分布特征和环境风险场形成过程共同决定。刻画区域环境风险场，是识别风险管理目标、边界、优先序的重要基础. 固体废物的管理涉及到技术、经济、社会等多个策略层面，是一个由多个子系统交互影响、共同作用形成的复杂体系[13]。因此，近年来，系统分析理论越来越多的应用于固体废物管理中[14-17]。
图1 固体废物环境风险评估的内涵
Fig.1 Conceptual model of environmental risk assessment for solid waste
基于环境风险场和系统分析理论，固体废物环境风险评估的具体内涵为，综合评估固体废物产生、贮存、收集、运输、处置、利用全过程中对人群健康及自然生态系统可能造成的危害，辨析固体废物全生命周期中释放风险因子的核心环节和产生环境风险的重要途径，绘制精细固体废物环境风险时空分布图，为固体废物环境风险的管控策略提供依据。传统的环境风险主要由风险来源、暴露途径、风险受体三部分组成，该文以传统的环境风险评估为基础，结合固体废物全生命周期过程，解析固体废物环境风险评估的内涵(见图1)。
从固体废物全生命周期的角度考量，固体废物产生至最终处置的全过程均存在向环境介质释放污染物的可能，固体废物产生、贮存、收集、运输、处置、利用环节均为固体废物环境风险的来源[18]。风险因子主要包括固体废物全生命周期过程中由于污染物的直接释放对受体产生的危害，如危险废物运输过程中污染物的泄漏等. 固体废物环境风险的受体主要包括自然生态系统和人群两个方面。风险因子经过多介质转运和多途径暴露，对自然环境产生的风险结果主要包括环境质量的降低(如水体富营养化、温室效应等)和对人群产生的健康风险[19]。因此，固体废物的环境风险为多来源、多危害、多受体共同作用产生的风险结果在空间上的分布格局. 固体废物环境风险评估的关键科学问题包括3个方面：①在“多来源”方面，包括[h1] 固体废物产生的时空分布特征、基于不同处理技术的固体废物全生命周期路径、全过程不同环节物质/能源的投入产出以及污染物的排放清单等；②在“多危害”方面，包括不同固体废物的核心风险因子类型、风险因子的关键释放环节及释放机理、风险因子在多介质中的迁移转化规律等。③在“多受体”方面，包括受体的风险感知能力以及最大风险可接受能力评估等。
2. 固体废物环境风险的规律特征析
2.1
废物来源广泛、特性复杂导致风险因子多元
固体废物种类多、来源广、特性复杂，导致其风险因子多元，增加了风险管理的难度。首先，固体废物的复杂特性直接导致了污染物类型及相应风险因子的多元化，包括重金属、有机污染物、微塑料、温室气体等. 对于有机质组分含量较高的生活垃圾，2015年美国生活垃圾填埋过程中排放的CH4占美国CH4总排放量的17.7%[20]。废物焚烧是我国多氯化萘排放的重要来源，2014年占我国排放总量的38.8%[21]。同时，Yu等[22]调研显示，生活垃圾填埋显著增加了填埋场附近水域中药物及个人护理品的浓度和人体健康风险。其次，危险废物的易燃易爆、毒性高的特性容易引发突发性环境风险，并造成次生环境风险，尤其随着区域尺度上产业的发展和行业间关联程度的提高，进一步增加了固体废物相关的系统性环境风险发生的概率[23]。
2.2
固体废物环境风险呈现较强的空间异质性
区域的发展特征是影响固体废物环境风险空间格局的重要因素。一方面，区域的技术、经济、社会特征直接影响固体废物产量。以生活垃圾为例，按照人口、GDP、建成区面积对2018年我国671个城市进行K-means聚类分析，将其分为四类，其中第I类城市2018年年均生活垃圾清运量为643.9×104 t，为第IV类城市的40倍以上，地区城镇化水平是影响生活垃圾产量的主要社会经济要素[24]。产量的快速增加和处理设施负荷的加重，直接导致生活垃圾环境风险的增加[25]。对于工业固体废物和危险废物，其产量体现出较强的行业集中性。统计2015年全国41个工业行业固废产量可知，产量排名前六的黑色金属矿采选业、电力热力生产和供应业、黑色金属冶炼和压延加工业、煤炭开采和洗选业、有色金属矿采选业、化学原料和化学制品制造业占总量的87.9%[26]。行业依赖性导致工业固体废物产量的空间分布与行业分布呈较强的相关性。 通过对我国31个省(自治区、直辖市)(不包括港澳台的数据)工业固废与危险废物产量的统计，发现工业固废产量较高的地区包括河北省、辽宁省、内蒙古自治区，属于资源集中型或者重工业行业较为发达的地区。
另一方面，区域的技术、经济、政策特征通过影响固体废物的流动以及处理处置方式决定环境风险的空间格局。不同国家对于固体废物监管政策和法规的差异导致固体废物的区域间流动，大部分为高收入地区向低收入地区流动。Heacock等[27]调研表明，2014年中国和非洲部分国家接收了全球超过80%的电子废弃物。在加纳的Agbogbloshie地区，由于西欧地区电子废弃物的大量进口，以及该地区工业、商业和居住区的高度重叠，使该地区环境风险极其严重。经济发展水平的差异也导致固体废物处理行为的不同和相应的环境不公平性，Kang等[28]调研显示，长江经济带的固体废物倾倒事件中，85%发生在农村地区，而只有5%发生在城市地区。此外，在固体废物的处理处置技术方面，Zhou等[29]基于我国垃圾焚烧厂的地理位置以及人口分布密度计算得知，垃圾焚烧烟气吸入导致的人体非致癌风险较高的地区为我国东部、京津冀以及广东省，均为垃圾焚烧设施建设较为发达的地区，且风险热点与垃圾焚烧厂的空间位置呈现较强的相关性。Cai等[30]研究显示，如果针对我国填埋场推广覆盖层甲烷氧化技术等低碳措施，将显著降低我国东部和东北地区填埋场因CH4排放产生的温室效应风险，CH4减排量分别占总减排量的31.4%和18.1%。
表1 2018年我国671个城市基于K-means聚类分析的社会经济特征
Table 1 Socio-economic characteristics of 671 Chinese cities in 2018 based on K-means cluster analysis
2.3
受体广泛性易造成长期累积性的环境风险
由于全过程链条长、技术复杂，导致固体废物可能对多介质产生环境污染，尤其在固体废物贮存和处置利用的重点区域，污染物向水体、土壤、大气环境的持续释放易造成累积性环境风险。我国广东贵屿地区由于电子废弃物处理处置行业较集中，水体、沉积物、土壤中重金属污染明显[31]，直接导致该地区儿童血铅浓度远高于风险阈值[32]。受体的广泛性进一步导致其累积的环境风险在短时间内难以消除。Wu等[33]在一个废弃的电子废弃物处理场地检测到，在电子废弃物场地关闭10年后，场地内苹果螺(生物指示物)体内的多氯联苯含量仍为空白地区的11倍。Zhang等[34]总结1987—2017年我国儿童血铅浓度水平以及空间特征，发现生活在电子废弃物拆解、回收地区的儿童血铅浓度高居不下。
3.固体废物环境风险评估方法及应用
围绕固体废物环境风险评估，国内外已提出相关固体废物环境风险评估方法并开展应用。美国EPA基于传统的健康风险评价模型，提出了危险废物综合比较的风险评估方法[35]，包括危害识别、污染物环境迁移转化分析、暴露评估、环境影响和健康风险计算、不确定性分析五部分内容。目前，国内对固体废物环境风险评估的研究类型主要是工业固废[36]和危险废物[37]，具体来说，现有的固体废物环境风险评估方法主要集中在源项分析、污染物暴露与健康风险评估两个方面。
3.1
源项分析方法
源项分析主要应用于突发型环境风险的评估，即综合分析固体废物处置流程相关节点中发生环境事故的原因，并进行事故概率的定量计算，识别关键源项. 事件树、故障树、决策树分析法是常用的环境事故概率分析方法[38-39]，如刘华峰等[40]对危险废物焚烧设施的危险源进行了识别，并针对事故情景，采用故障树分析法确定环境风险发生概率，计算事故后果；于可利等[41]采取健康风险评价方法和故障树结合的办法对危险废物填埋场渗滤液污染地下水事故进行环境风险评价。随着事故分析研究的深入，致因模式从链式事故致因模型逐渐演化为系统化的网络致因模型，复杂贝叶斯网络建模技术被应用于事故概率分析，为多状态复杂情境下的事故不确定性分析提供了定量研究的方法，特别是人工智能技术的发展，支撑了贝叶斯网络建模技术的应用[42]。 陆莹[43]使用贝叶斯网络结合Bow-Tie模型的方法，计算了中小型电镀厂退役搬迁过程中危险废物泄露事故造成土壤污染的概率. 除了针对环境事故的源项分析，围绕累积性环境风险，毒性浸出等方法被广泛应用于污染物从固体废物中释放的潜力评估[44]。张晶等[45]总结了固体废物中重金属的浸出方法, 讨论了固体废物作为沥青路面再利用过程中，污染物释放定量表征方法的适宜性。
3.2
污染物暴露与健康风险评估方法
污染物暴露与健康风险评估方法主要应用于源项分析后，对污染物迁移转化规律进行研究并评估其对人体产生的健康风险。现有应用于固体废物中污染物迁移转化的方法包括水污染物迁移模型(WASP模型[46]、Landsim模型[47]等)、大气污染物扩散模(拉格朗日模型[48]、高斯烟羽模型[49]等)以及多孔介质污染物迁移模型(分数微分对流-弥散模型[50]、随机迁移模型[51]等)。健康风险评估方法主要包括综合指数法、EPA健康风险计算模型等[52]，其中综合指数法首先设定不同的指标表征固体废物的健康风险，如污染物的接触水平、毒性、使用量等，之后采用层次分析法等设定指标权重并进行多指标综合。EPA健康风险计算模型是基于污染物在不同环境介质中的浓度，进行人群暴露定量评估，并通过污染物-人群暴露曲线，得到健康风险结果。 如美国环境保护局针对危险废物焚烧设施[53]、无机固体废物(如氯酸钠生产废物、无机氰化氢生产废物)填埋设施[54]等具体污染物迁移过程和场景，建立了环境风险评估模型。 此外，健康风险评估方法在国内也被广泛应用，如季文佳等[55]基于美国EPACMTP模型和健康风险评价模型，分别针对危险废物贮存和填埋处置场景进行地下水环境健康风险评价；韩旭等[56]结合我国37家危险废物填埋场资料，考虑危险废物填埋场本身的风险和污染物水平和垂向迁移风险，利用层次分析-风险熵法进行风险指数排序；Zhou等[29]基于人口加权的健康风险计算方法评估了我国垃圾焚烧烟气吸入导致的人体健康风险。
总体来说，现有的固体废物环境风险评估方法主要针对特定环节或设施开展定量或半定量的评估，缺乏对全过程的系统性分析，因此无法从全局上评估固体废物的环境风险水平，并且针对区域尺度上固体废物环境风险水平的评估方法仍存在一定的局限性。
4.固体废物全过程环境风险的精细化评估框架
针对固体废物环境风险的全过程系统性以及多源头、多受体的复杂性，提出固体废物环境风险的精细化评估框架，主要包括固体废物全生命周期路径梳理及特征识别、风险因子及其释放转运过程辨析、受体的最大可接受环境风险水平评估、基于多评价指标的固体废物环境风险的量化四方面内容。
4.1
固体废物全生命周期路径梳理及特征识别
该文确定的系统边界为，从固体废物产生到最终处置和利用，2020年修正的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中明确提出，主要包括产生、贮存、收集、运输、处置、利用环节. 风险评估必须考虑固体废物非法堆放、擅自倾倒等行为产生的环境风险，例如，秸秆的就地焚烧可产生大量颗粒物并产生人体健康风险[57]。因此该文中广义的“贮存”包括科学储存、就地堆放、随意排放等所有系统收运前的过程。
不同固体废物全生命周期过程的差异性主要体现在处置和利用环节。填埋是一种最常见的固体废物处理处置技术，然而，近年来，随着固体废物资源化理念的加强以及资源/能源化技术的发展，固体废物处理处置技术与方法逐渐丰富[58]。以生物质为主要成分的生活垃圾和农业固体废物的资源/能源化技术主要包括焚烧、厌氧消化、好氧堆肥、热解气化，其中焚烧的主要目的是减量化和回收固体废物中的热值，厌氧消化、热解气化着眼于生活垃圾和农业固体废物中含量较高的有机碳，以实现生物质能源化. 好氧堆肥是以营养元素(如P)和稳定有机质(如腐殖质)为目标的资源回收处理手段。以无机物为主要成分的工业固体废物和危险废物的处理方法主要包括焚烧、水泥窑协同处理、固化稳定化[59]。水泥窑协同处理与固化稳定化的目的均是基于物理/物理化学包裹作用将有毒有害物质进行固定，而后实现固体废物的建材化利用或安全填埋。准确识别固体废物的全过程特征，包括固体废物产生的空间格局、技术方法特点、全生命周期清单等，是评估其环境风险的重要前提。
4.2
风险因子及其释放转运过程辨析
考虑固体废物种类的多样性，需针对特定固体废物类型，基于其固体废物全生命周期路径、含有的污染物类型以及污染物的迁移转化过程进行风险因子的初步筛选和排序。以生活垃圾为例，相较于焚烧和填埋，填埋潜在的温室效应风险更加显著，而焚烧的生态毒性和人体健康风险优先级更高[60]。以畜禽粪便为例，在其堆放或者土地利用的过程中，关键风险因子主要为氮磷等营养元素及重金属等污染物[61]。
在掌握风险因子类型的基础上，需要初步识别风险因子的关键释放环节，为后续环境风险评估环节的聚焦提供初步判断。从固体废物的全过程考量，风险因子的释放主要包括两种类型，一种是全过程的无序释放，主要是由于固体废物未得到合法或合理的处理处置，导致风险因子的释放，如在堆放过程中尾矿矿渣含有的重金属随降雨向土壤、水体迁移，造成附近区域严重的重金属污染风险[62]。第二种是处置利用过程中，与技术特点相关风险的有序释放，例如，水泥窑回收利用飞灰后，重金属随降雨从水泥制品中释放[63]。值得注意的是，对于危险废物而言，由于我国危险废物利用处置能力结构性失调，存在处置能力地区不均衡、处置设施不匹配的现象，且与其他三类固体废物相比，危险废物的跨区域运输短时间内无法避免[3]。EPA的统计数据显示，2018年美国超过10%的危险废物存在州际运输的情况[64]。危险废物较高的流动性造成了区域内风险源的移动以及一定程度的风险转移。
4.3
受体的最大可接受环境风险水平评估
风险因子释放后，在多介质中迁移转化，并通过多种暴露途径对受体产生风险结果，其中受体的风险感知能力及风险最大接受水平是决定风险强度的重要因素[65]。随着研究尺度的扩大，以及社会发展呈现出的人口、行业、污染的高密度集聚，受体脆弱性和感知能力的空间异质性更加显著[66]。区域自然、经济、社会特征，包括人口要素(如人口总量、人口密度)、土地资源要素(如土地利用方式、建成区面积、土地承载力阈值)、能源要素(如能源利用结构、能源消费总量、清洁能源比率、单位GDP能耗)、自然环境要素(如生态安全阈值、生态环境质量、碳排放强度)等，是影响受体的最大可接受环境风险水平以及风险感知能力的重要因素。例如，区域人口密度的上升将降低医疗资源强度，增加人群健康脆弱性。然而，现有研究在开展固体废物环境风险评价的过程中，对区域自然、经济、社会特征与受体脆弱性和感知能力的关联考虑不充分，为了准确刻画固体废物的风险场，需要深入解析区域自然、经济、社会特征与风险受体的胁迫相应关系并进行量化表征。
4.4
基于多评价指标的固体废物环境风险的量化
在明晰固体废物风险源、风险因子、释放环节、暴露途径后，需要对受体的暴露量以及相应的风险结果进行定量计算，并结合风险受体的最大可接受环境风险水平对固体废物的风险强度进行综合评估。
首先，在定量计算评估的过程中，需构建固体废物环境风险事故库、特征污染物指纹数据库、处理技术特征库，分析风险因子无序释放的事故概率、不同固体废物的特征污染物类型、处置利用技术过程和产品，量化得到全过程的环境风险。其次，综合考虑固体废物处理处置对生态系统和人群产生的多种风险类型，构建多指标风险评价体系。由于固体废物环境风险具有受体广泛、风险因子多元的特点，针对单一受体的单一类型风险评估结果无法为风险管理提供全景信息，特别在进行风险管理的过程中，单一的技术和政策很难达到多类型风险最小化目标的同步实现，因此必须综合考虑固体废物处理处置对生态系统和人群产生的多种风险类型，构建多指标风险评价体系. 在构建固体废物环境风险评价体系的过程中，应秉持精细化的管理思路，针对所研究的特定固体废物的关键风险因子类型，设置合理的风险评价指标，并将区域特征与风险的耦合关系量化到多指标风险评价体系中。依据所选风险因子与区域特征之间的胁迫关系，在指标标准化、指标赋权、指标聚合的过程中定量体现区域特征对环境风险结果的影响。
a) 基于固体废物环境风险的规律可知，废物来源广泛、特性复杂，导致其风险因子多元，区域性特征显著，受体广泛性易造成长期累积性的环境风险。因此，随着我国固体废物产量的持续增加，亟需开展我国区域的固体废物环境风险评估，绘制精细的固体废物环境风险时空分布图，有望对固体废物环境风险管控目标、边界、优先序的制定提供基础信息。
b) 针对固体废物环境风险的全过程系统性以及多源头、多受体的复杂性，该文提出的固体废物环境风险的精细化评估框架主要包括固体废物全生命周期路径梳理及特征识别、风险因子及其释放转运过程辨析、受体的最大可接受环境风险水平评估、基于多评价指标的固体废物环境风险的量化四方面内容。
c) 未来的研究展望主要包括：①构建固体废物污染特性、事故情景、风险清单等基础数据库；②明晰我国不同固体废物环境风险的时空分布规律及区域性特征；③深入探究固体废物环境风险与区域自然、经济、社会特征之间的响应机制。
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