（材料学专业论文）生命周期评价体系中我国水体重金属影响因子研究及应用.pdf

摘要 摘要 随着材料产业的高速发展，能源与矿产资源的消耗持续增长，环境污染也曰 益严重，其中工业废水中大量有害物质的排放( 主要是重金属) 已经严重危害到了 我国的生态环境安全与人民的身体健康。为实现社会的可持续发展，必须对这些 严重污染环境的物质进行评价，以指导决策人员制定策略时作出合理的选择。 科学地认识和评价水体重金属污染的环境影响，对l c a 研究与实施具有重要 意义。虽然国内对l c a 的研究起步较早，也取得了很大的进展，但是到目前为止， 还没有系统地提出对重金属的评价方法的研究。因此论文首先对国际上现有的主 要水体重金属评价方法进行比较与分析。然后，对国际上普遍应用的e p a 推荐方 法、生态指数法和当量模型法进行具体介绍和对比研究，得到如下结果：e p a 推 荐方法缺乏参数数据，并且不考虑陆生生态系统的影响，导致了评价结果的偏差； 生态指数法则由于模型和数据繁多，可操作性较差：当量模型法相对而言更合理、 方法实用性更强，并将其作为本论文案例分析的使用方法。 然而此方法还存在着有待完善之处，如特征化因子来源于发达国家，由于实 际生产水平的差异，这些数据可能不完全适用于我国，所以在此基础上开展了适 用于我国的特征化因子的研究。通过计算得到了汞、镉、六价铬、铅和砷等几种 主要的城市污水重金属的本地化的影响当量因子，为我国l c a 的实施，实现水体 重金属l c a 评价参数的本土化提供基础数据；并得到了2 0 0 0 年中国水体重金属的 人类健康影响和生态系统影响潜值，为全面掌握我国水体重金属污染的整体状况 提供参考。 最后采用当量模型法，以混凝土为例，说明了本论文所研究的方法和结果可 以通过归一化与其他环境影响类别相互比较，经过加权后便可得到生命周期评价 的单一指标结果。 关键词水体重金属；生命周期评价；当量模型法；混凝土 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l si n d u s t r y ，m o r ea n dm o r ee n e r g ya i l dm i n e r a l r e s o u r c e sh a v eb e e nc o n s u m e d ，a n de n v i r o m n e n tp 0 1 1 u t i o ni si n c r e a s 伽g l ys e r i o u s t h ee m i s s i o no fh a z a r d o u ss u b s t a n c ei nm ei n d u s t r i a lw a s t ew a t e r ，w h i c hm a i l l l y r e f e r st oh e a v vm e t a l s 、h a v ed o n eh 踟t oe n v i r o r m l e ma n dh u m a nh e a l m w es h o u l d a s s e s st 1 1 ew a s t ew h i c hg u i d eg o v e m o ro rp o i i c ym a k e rt om a k eu pr e a s o n a b l ec h o i c e o rp o i i c i e sf o rc o m i n u a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y s c i e n t m c a l l yc o m p r e h e n d i n ga i l de v a l u a t i n gt h ei m p a c to f h e a v ym e t a l si nw a s t e w a t e ri sv e r yi m p o r t a mt ol c ar e s e a r c h a 1 t h o u g ht h el c ar e s e a r c hi nc h i n a d e v e l o p e de a r l ya n dm a d eg r e a tp r o g r e s s ，r e s e a r c ho nh e a v ym e 酬sa s s e s s m e n t h a v e n tb e e n s y s t e m i c a l l yp u t f b 刑a r d u p t on o wt h e r e f o r e ， t h e p r i ma r ) r c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d sf o rh e a v ym e t a l sc o n t a m i n a t i o ni nm ew o r l dw a sc o m p a r e d a n da n a l y z e di n t h i st h e s i s s e c o n d l y e p am e t 王1 0 d ，e c o i n d i c a t o ra n de q u i v a i e n c y a s s e s s m e mm o d e lw e r es e l e c t e dt op e r f o r mi nc a s es m d y t h ee p am e t h o dh a s n t e n o u 曲p a r a m e t e ra n dt a k en oa c c o u n to ft e r r e s t r i a le c o t o x i c i t y ，u ，h i c hl e a d st 0e r r o r o fr e s u l t ；t h ee c o i n d i c a t o ri s n to p e r a b l ea si t sm o d e l sn e e d sal o to fd a l a ；t h e e q u i v a l e n c ya s s e s s m e n tm o d e li sm o r er e a s o n a b l ea j l dp r a c t i c a lc o h e s p o n d j n g 】y a s ar e s u l t ，w ec h o o s ee q u i v a l e n c ya s s e s s m e n tm o d e l i nt h ep a p e l h o w e v e r ，t h em e t h o di s n ts op e r f e c t ，f o re x a m p l e ，t l l ec h a r a c t e r i z a t i o nf a c t o r s a r e 硒md e v e l 叩e dc o u n 城e sa n di s n t a p p l i c a b j ei nc h i n ab e c a u s eo fd j f f e r e n t p r o d u c t i v i t y o nm i s c o n d i t i o n ，i t i s p r o p o s e d t 1 1 a ti ti s i m p o n a n tt os t u d y c h a r a c t e r i z a t i o nf a c t o r si nc h i n a t h ec h a r a c t e r i z 砒i o nf a c t o r so fh e a v ym e t a l si n w a s t ew a t e rs u c ha sh g ，c d ，c r ，p ba n da sw e r ec a i c u l a t e d ，a n dc o u i db ea p p l i e d d i r e c t l yi nl c a e x e c u t i o ni nc h i n at os o l v et h ed i 街c u l t yo f1 0 c a l i z a t i o n i tp r o v i d e s b a s i cd a t af o ri i a n h e rs t u d yo fl c ao fp r o d u c ti nc h i n a h u m a nt o x i c i t yp o t e n t i a la n d e c o t o x i c i t yp o t e n t i a io fh e a v ym e t a i si nw a t e ri n2 0 0 0w e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h er e s u l t w o u l dp r o v i d er e f e r e n c ed a t at ot h ei n v e s t i g a t j o no nh e a v ym e t a l sc o n t a m i n a “d nj n c l l i n a a tt h ee n do f 恤i sp 印e r ，m e m o da n dr e s u l t so fm i sp a p e rr e s e a r c h e da r e e x p l a i n e db yc o n c r e t ep r o d u c “o n ，、v h 沁hs h o w st h a tj tc a nc o m p a r ew “ho t h e ri m p a c t c a t e 铲i e st h o u g hn o r m a l i z a t i o na j l dc a no b t a i ns i n 9 1 es c o r eo fl c a t h r o u g hw e i g h t i n g 1 i i 北京工业大学工学硕士学位 k e yw o r d sh e a v ym e t a l s ；1 i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) ；e q u i v a l e n c ya s s e s s m e n t m o d e l ：c o n c e r t e v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：j 鲢日期：i ! ! ：垒驾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：塞盏导师签名 1 日期：圭! 型! ：兰2胁 第l 章结论 第1 章绪论 人类只有一个地球，既不能以掠夺的方式发展经济，也不能走所谓的“零增 长”( z e r oo r o w l l l ) 道路而放弃发展。人类应该拥有光明的未来，关键在于如何 处理好人与自然界的芙系。材料产业的发展亦是如此。改进或改造粗放型生产的 传统材料，同时开发新型生态环境材料，使材料生产与使用能够节约能源与资源 并与环境协调，是材料产业实现可持续发展的必由之路。对材料及其产品进行生 命周期分析( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，或译生命周期评价，简称l c a ) 研究，是改造 乃至淘汰该材料产品或生产工艺的基础牲工作，也是开发新型生态环境材料的前 瞻性工作正是目前世界各国研究的热点。 1 1 研究背景 1 1 _ l 材料产业的快速发展 材料是人类用于制造生产和生活用的机器、构件、器件和产品的物质，是人 类赖以生存和发展的物质基础。历史学家曾把材料作为人类社会进步的里程碑和 划时代的标志，如石器时代、陶器时代、青铜时代、铁器时代等。人类社会文明 进步的历史就是一部不断发现和应用新材料的历史。每一种重要新材料的发现和 j 虹用都把人类利用自然、改造自然的能力提高到一个新水平引发一场生产技术 的巨大变革，甚至导致一场划时代的工业革命，把人类物质文明和精神文明推向 前进，极大地加速社会发展的历史进程。 改革开放二十年来，我国材料1 业进入快速发展时期。至2 0 0 3 年，生铁、钢、 水泥、平板玻璃、化学纤维咀及铝、锌、铅、钨、钼、稀土等年产量均跃居世界 首位【1 ，我国已成为基础原材料生产大国。 进入2 l 世纪，我国每年进入经济循环的直接物质投入量和直接物质消耗量均 已超过6 0 亿吨【2 】。由于国民经济持续稳定的发展，在今后较长的时间内，我国对原 材料的需求还将继续保持增长趋势。 1 1 2 材料产业的反思与忧虑 作为当代高科技三大支柱之，材料是世界各国优先发展的关键领域。人们 作为当代高科披三大支柱之一，材料是世界各国优先发展的关键领域。人们 北京工业大学工学硕士学位论文 有理由期盼材料及材料科学与工程将有更大的发展、更辉煌的成就和更卓越的贡 献。但同时，也必须清醒地认识到，材料作为环境物质生产的主体，是地球资源、 能源的主要消耗者，也是造成破坏和污染生态环境的重要责任者【卜“。 ( 1 ) 能源与资源消耗巨大 作为世界上第二大能源生产国和能源消费 国，2 0 0 3 年我国能源生产总量和消费总量均超过1 6 亿t 标准煤【6 】。钢铁冶金和有色 金属工业大都是以品味很低的矿产资源为对象进行提取和生产，2 0 0 3 年生产能耗 占全国能源消费总量的1 5 【_ ”。整个建材产业也以矿产资源为原料，2 0 0 3 年生产能 耗占全国能源消费总量的7 9 【8 】。我国材料产业的高能耗主要是因为设备陈旧、 生产工艺落后、科技含量低和产业结构不合理而造成的。高能耗不仅消耗了大量 的资源，而且增加成本，造成经济效益低下。 尽管我国矿产资源的总量还比较丰富，但长期的过度甚至掠夺式开发，资源 短缺、某些资源枯竭已成现实。在1 4 种最重要能源和金属矿产中，除煤和锑外， 我国的人均占有量都低于世界平均水平，人均占有量不及美国的1 1 0 【9 1 。现阶段， 我国4 5 种主要矿产的探明储量已有相当部分不能满足经济发展的需求，而到2 0 2 0 年，资源保证程度就更低，特别是绝对需求量大的石油、铁、铜、铝、硫、磷等重 要矿产。但直至如今，全国范围内对矿产资源进行掠夺式开采、乱采乱挖的现象 并没有得到有效的遏制，这不仅进一步加剧了资源的短缺，对环境的污染与破坏 也与日俱增。 ( 2 ) 环境污染严重2 0 0 3 年，我国黑色金属冶炼及压延加工业排放的废气和 废水分别占到全国工业总排放量的1 7 o 和8 4 ；而有色金属工业产生的以尾矿 和废渣为主的工业固体废弃物超过3 0 0 0 万t ，年贮存量超过1 0 0 0 万t ，其生产过 程中排放的二氧化硫、氟化氢、砷等废气，则是有毒废气的主要源头之一。2 0 0 3 年全国水泥工业粉尘年排放量高达4 6 0 万t ，是整个工业粉尘排放的最主要来源。 表1 1 列出2 0 0 3 年我国8 种主要原材料工业的废物排放统计数据【1 0 】。由表1 1 可知， 以当年工业废物排放总量为基础，这8 种主要原材料工业的废物排放分别占工业 废水和废气排放量的1 7 7 和4 47 ，占固体废弃物堆放总量的1 3 5 。 第l 章绪论 表1 12 0 0 3 年我国主要原材料工业污染物排放情况 1 曲l el lt h ei n d u g 【r i “p o l l u t a n t so f m a t e r i a l s n d u s 晡e so f c h 缸a 王n2 0 0 3 如上分析，材料产业是能源消耗和环境污染的主要责任者。面对有限资源的 过度开发和自然环境的同益恶化，材料工作者必须冷静思考、积极探索，既要保证 材料生产的质量和数量，又要做到节约资源、降低能耗和保护环境。制定材料的 可持续发展战略是材料产业发展的唯一出路。 1 1 3 材料产业可持续发展评价研究 材料与环境如何协调发展的问题日益受到人们的重视，2 0 世纪9 0 年代初出现 了“生态环境材料”( e c o m a t e r i a l s ) 的概念，要求材料在满足使用性能要求的同 时还具有良好的全寿命过程的环境协调性，赋予材料及材料产业以环境协调功 能。生态环境材料是材料界环境伦理觉醒的产物，是自然科学与人文科学结合的 产物，是材料可持续发展的必然趋势。在环境材料研究与开发过程中，首先遇到的 问题就是如何评价一种材料是否属于环境材料的范畴，即需要解决材料生产和应 用过程中对环境系统的影响和评价问题环境协调性评价问题。 北京工业太学工学硕士学位论文 1 2 材料的环境影响评价方法与标准 早期曾采用单因子方法来评价材料的环境影响，如测量材料的生产过程中的 废气排放量，用以评价该材料对大气的影响：测量其废水排放量，评价其对水污染 的影响；测量其废渣的排放量，评价其对固体废弃物污染的影响。后来，科学家发 现，采用单因子评价不能反映其对环境的综合影响，如全球温室效应、能耗、资源 效率等。而且，由于材料是一个大系统，在其全循环周期内，每个阶段都相互联系 和相互影响，因此必须采用系统的而非孤立的、全面的而非片面的、战略的而非 短浅的观点来看待生产过程与自然生态系统的关系。在这种思想的指导下，生命 周期评价( l c a ) 这种全面评价产业活动生态影响潜力的方法已逐渐成为对材料 及其产品进行环境协调性评价的主导方法。 1 2 1l c a 的起源与发展 生命周期评价最早出现在6 0 年代末7 0 年代初的美国。1 9 6 9 年美国中西部研究 所( m i d w e s tr e s e a r c hi n s t i l u t e ，简称m r i ) 对可口可乐公司的饮料包装瓶进行评价 研究，该研究试图从原材料采掘到废弃物最终处置，进行全过程的跟踪与定量研 究，揭开了生命周期评价的序幕。当时把这一分析方法称为资源与环境状况分析 ( r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a lp r o f i l ea n a l y s i s ，简称r e p a ) 】1 】。这一研究结束后，美 国国家环保局又展开了一系列对饮料包装等i 也p a 的研究。与此同时，欧洲一些 国家的研究机构和私人咨询公司也相继开展了类似的研究。 7 0 年代中期由于能源危机，r e p a 有关能源分析的工作倍受关注。一方面人们 认识到化石燃料消耗殆尽需进行有效的资源保护，另一方面认识到能源生产也是 污染物的主要排放源，因此7 0 年代中期r e p a 研究注重的是能源问题。8 0 年代末 开始，随着区域性和全球性环境问题的日益严重以及全球环境意识的提高，特别 是“垃圾船”事件的出现，使人们再次关注r e p a 。 1 9 9 0 年8 月国际环境毒理学和化学学会( s e l a c ) 举办首期有关生命周期评价 的国际研讨会，首次提出了“生命周期评价”的概念，并成立了l c a 顾问组，专门 负责l c a 方法论和应用方面的研究。从1 9 9 0 年开始，s e t a c 已在不同国家和地区 举办了2 0 多期有关l c a 的研讨班，发表了一些具有重要指导意义的文献，对l c a 方法论的发展和完善以及应用的规范化作出了巨大的贡献1 1 2 。 i s 0 成立的“环境管理标准技术委员会”( t c 2 0 7 ) 在i s o1 4 0 0 0 系列中为l c a 第l 章绪论 预留了l o 个标准号，即i s o1 4 0 4 0 i s 01 4 0 4 9 ，其中1 s o1 4 0 4 0 ( 原则与框架) 已于 1 9 9 7 年6 月正式颁布，i s o1 4 0 4 1 ( 清单分析) 、l s o1 4 0 4 2 ( 影响分析) 和i s o 1 4 0 4 3 ( 结果解释) 也于2 0 0 0 年颁布，从而有效地指导各国l c a 工作的展开，为确定 环境标志和产品环境标准提供统一的标准。 与此同时，欧洲一些国家制定了一些促进l c a 的政策和法规，如“生态标志计 划”、“生态管理与审计法规”、“包装及包装废物管理准则”等【1 4 1 。因此，这一阶 段出现了大量l c a 案例，如日本已完成数十种产品的l c a ，丹麦用3 年时间对1 0 种 产品类型进行了l c a 等f l “。 1 2 2 国内外l c a 方法的发展现状 在l ：a 方法的研究方面，由i s o 制定的环境管理标准( i s o1 4 0 0 0 系列) 中的相关研究最有影响，体现了世界范围内l c a 研究的共识。目前，l c a 方法 的主要研究方向包括生命周期清单分析方法和生命周期影响评价方法，l c a 分 析工具的开发则主要包括基础数据库的研究和l c a 评估软件的开发等。 其中，生命周期清单分析方法包括制定数据收集规范、整理各工业清单内容、 建立统计模型、用统计方法和输入输出法整理数据。由于有关l c a 的基本原则 ( i s o1 4 0 4 0 ) 和生命周期清单分析的标准( i s o1 4 0 4 1 ) 已经基本定型，所以该 研究方向理论方法趋于完善，侧重结合工业应用要求而对数据的规范化。 生命周期影响评价方法研究包括指标体系研究( 包括分类方法、表征方法研 究) 、结果解释及案例分析、结果的报告形式规范化。这是最容易引起争论的研 究方向，国际上对环境影响评估( i i n p a c t a s s e s s m e n t ) 的实施提出了多种方法， 如单位消耗的物质强度方法( m i p s ) 、c m l 方法、环境分数方法( e c o _ d o i n t s ) 、 生态指数方法( e c o 一1 n d i c a t o r ) 和环境优先级方法( e p s ) 等。主要进展体现在 系列环境损害类型的提出和寿命损害数学模型的建立，以及污染物对人体健康和 生态系统毒性的衡量与确定。 到目前为止，生命周期评价的目的与范围的确定和生命周期清单分析这两个 部分发展相对比较完善。生命周期影响评价是l c a 中技术含量最高、难度最大， 同时也是发展最不完善的一个技术环节。 在中国，l c a 研究起步较早，发展也非常迅速，已成为学术界关注的焦点 和研究熟点。在政府的引导和支持下，国内大量研究人员围绕l c a 方法开展了 北京工业大学工学硕士学位论文 卓有成效的研究工作，包括生命周期清单分析中的分配方法、环境影响类型分配 体系、中国环境影响特征因子和权重因子的确定等等。1 9 9 9 年，国家质量技术 监督局发布等同于i s o1 4 0 4 0 的生命周期评价原则与框架国家标准( g b t 2 4 0 4 0 ) ，2 0 0 0 年发布等同于i s o1 4 0 4 1 的生命周期评价目的与范围的确定 和清单分析国家标准( g b 玎2 4 0 4 1 ) 。2 0 0 2 年，又发布了分别等同于i s o1 4 0 4 2 和i s o1 4 0 4 3 的生命周期评价生命周期影响评价国家标准( g b t2 4 0 4 2 ) 与生命周期评价生命周期解释国家标准( g b t2 4 0 4 3 ) 。 在国内的l c a 研究方面，材料生命周期评价( m l c a ) 方面的研究及应用 是目前最主要的研究方向之一，也一直是环境材料研究中的重要组成部分。1 9 9 8 年起，国家“九五”高技术研究计划( 8 6 3 计划) 支持了首项“材料环境协调性 评价研究”课题，由北京工业大学牵头主持，重庆大学、北京航空航天大学、清 华大学、西安交通大学和四川大学等联合承担，与国内一些主要材料企业合作， 对国内几大类主要基础材料进行了全面的m l c a 评估。该项目对我国钢铁、水 泥、铝、工程塑料、建筑涂料、陶瓷等七类典型量大面广的代表性材料进行了生 命周期评价研究，初步获得了以上代表性材料的环境负荷基础数据。从2 0 0 1 年 开始，北京工业大学等又联合承担了国家“十五”8 6 3 计划“材料环境协调性评 价技术及其应用”项目，对整体m l c a 技术框架、动态m l c a 方法和环境负荷 的三层次理论进行深入研究。中科院生态环境研究中心的杨建新等人以丹麦的 e d i p 模型方法为基础，通过选择中国环境影响类型，并确定相应的模型参数， 讨论了确定中国产品生命周期影响评价所需的标准化基准和权重的确定方法和 程序。 在国家8 6 3 计划的支持下，中国材料生命周期评价研究取得了很大的进展， 已经深入到材料工业的各个领域，有望为材料产业的可持续发展和清洁生产的实 现提供明确的依据。我国的材料环境协调性评价中心( c h i n e s ec e n t e rf o r m a t e r i a l s l i f ec v c l ea s s e s s m e n t ) 已在北京工业大学筹建，目前就环境材料研究和m l c a 研究同欧洲、加拿大、日本等国的一些大学和研究机构建立了各种国际合作关系， 并已开展了大量的学术交流与合作研究。 国内对生命周期评价的研究主要体现在环境因子累积模型1 8 】的研究、泛 环境函数法f 1 9 1 的研究、环境影响定量计算模型的开发、权重系数的影响规律及其 取值依据研究、关联度定权( 动态定权) 法的提出与应用、标准流程对照法的提 第1 章绪论 出与实践【2 0 、综合比例系数法的提出、整体( w h 0 1 e ) l c a ( m l c a + p l c a ) 评 价概念与思路的提出，以及材料环境认证标准等构想的提出等【2 l 】。 总之，l c a 的发展包括理论研究和应用实践两大方向【2 2 j 。理论研究包括，流 向分析和环境损害分析数学物理模型的完善，进一步解决环境影响尚未考虑或难 以考虑的类型并建立其数学物理模型，得到更大范围内的统计数据，解决不同影 响类型综合评价的相互联系，以及根据理论模型给出更多物质的标准数值。实践 上包括收集完整的数据，以l c a 指导产品的绿色设计。 1 2 _ 3l c a 的概念与方法学框架 生命周期评价方法，又称为环境协调性评价、生命周期评估、寿命周期评 价等，已经成为对材料或产品进行环境表现分析的一种重要方法。所谓生命周期 ( 1 i f ec y c l e ) 是指产品从自然中来再回到自然中去的全部过程，即“从摇篮到坟 墓”( f r o mc r a d l e t og r a v e ) 的整个生命周期各阶段的总和，具体包括从自然中获 取最初的资源、能源，经过开采、原材料加工、产品生产、包装运输、产品销售、 产品使用、再使用以及产品废弃处置等过程，从而构成了一个完整的物质转化的 生命周期盼2 4 1 。 1 9 9 7 年i s 0 1 4 0 4 0 标准定义的技术框架，包含目的与范围的确定( 2 0 a la n d s c o p ed e f i n i t i o n ) 、清单分析( i n v e n t o r ya j l a l y s i s ) 、影响评价( i m p a c ta s s e s s m e n t ) 和结果解释( 1 i f ec y c l ei 1 1 t e r p r e t a t i o n ) 等4 个组成部分瓯2 6 ，27 1 ，如图1 1 所示。 生命周期评价框架 直接应用： 产品开发与改进 方案决策 公共政策制订 市场营销 其他 圈l l l c a 的评估过程及技术框架 f i g 1 - 1 l c ap c e s sa n di t st e c h n i q u ef r a m e 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 目标与范围的确定这是生命周期评价的第一步，必须明确地规定l c a 研究的耳的与范围，并使之适合于应用意图【2 8 】。 ( 2 ) 清单分析清单分析1 2 9 1 3 0 1 是对一种产品、工艺和活动在其整个生命周 期内的能量与原材料需要量、以及对环境的排放( 包括废气、废水、固体废弃物 及其他环境释放物) 进行以数据为基础的客观量化过程。该分析评价贯穿于产品 的整个生命周期，即原材料的提取、加工、制造和销售、使用和用后处理队3 2 1 。 ( 3 ) 影响评价影响评价口3 】是对清单分析阶段所识别的环境影响压力进行 定量或定眭的表征评价，即确定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响。 这种评价应考虑对生态系统、人体健康、资源和能源消耗等方面的影响。影响 评价的方法有许多，但基本上都包含四个步骤：分类、特征化、归一化和加权。 分类是将清单条目与环境损害种类相联系并分组排列的过程，它是一个定性 的、基于自然科学知识的过程【3 ”。特征化就是对比分析和量化这种程度的过程。 它是一个定量的、基本上基于自然科学的过程。通常在表征中都采用了计算“当 量”的方法来比较和量化这种程度上的差别”1 。归一化是指根据基准计算类型 参数结果的相对值的过程。该步骤是以类型参数计算结果除以选定的基准值来加 以转换39 1 。加权的目的是试图比较和量化不同种类的损害【40 1 。 ( 4 ) 结果解释 结果解释1 4 l j 是将清单分析和环境影响评估的结果结合在一 起，并得出结论或建议，向决策者提供直接需要的相关信息【42 1 。 1 3 论文选题依据 利用l c a 方法对材料产业进行评价，已经成为实现材料产业可持续发展的 重要分析方式，在国内外得到迅速发展。但直至目前，材料产业l c a 分析的实施 与发展尚面临诸多实际问题，主要包括l c a 方法本身的不完善、l c a 实施的本 地化以及如何与材料产业实际情况相结合等问题。 13 1 中国材料产业i ，c a 指标体系研究现状 生命周期评价的首要问题便是指标体系的确定。这就首先面临影响类型、类 型参数和特征化模型的选择，尽量采取国际上已经达成共识的研究成果，结合我 国材料生产的具体环境行为，确定我国材料产业l c a 指标体系，总体上分为4 级 指标，如表1 2 所示： 第l 章绪论 表1 2 中国生命周期评价指标体系 t a b l e1 - 2l i f ec y c l ea s s e s s m e n ts ) ，s t e mf 研c h i n a 如上表1 2 所示，目前研究的重点是确定引起各影响类型( 三级指标) 的具体 物质( 四级指标) 的影响因子，从而为进一步全面开展对中国材料与产品生命周期 评价提供定量依据。 1 3 2 我国水体污染现状 中国水污染形势十分严竣，2 0 0 3 年全国废污水排放总量达6 8 0 亿吨，比1 9 8 0 年增加了2 倍多【4 3 】。中国每年约有1 3 的工业废水和2 3 的生活污水未经处理直接 排入水中。2 0 0 3 年全国七大江河水系的4 0 9 个重点监测断面中，仅有3 8 1 可作集 中式饮用水源。目前全国7 0 以上的河流湖泊遭受不同程度污染，对全国5 2 个主 要湖泊评价的结果显示，5 个受到污染，2 6 个严重污染。珠江三角洲、长江三角 洲等水资源相对丰富的地区，也出现了因水体污染而导致的水质型缺水。目前全 国有3 亿多人饮水不安全，其中有1 9 亿人饮用水有害物质含量超标【4 4 舢l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 我们根据“中国环境状况公报”总结而得，我国饮用水源中的微污染物主要是 有机污染物和重金属。工业生产排出的废水中含有锰、铬、铅、锌、镍、铜、钴、 镉、汞、钛、铝、锂等金属离子，其中毒性较大的是铬、铅、汞、镉等重金属离 子。在饮用水中，六价铬浓度为0 1 m g 几以上时，就会引起呕吐、腹泻、甚至肾 炎、尿毒症等；而铅对人体各种组织均有毒性作用，它通过呼吸、食物、和饮水 等途径进入人体内后，大部分可排出体外，但铅在人体中有积聚作用，人体吸入 o 5 9 铅就可以致命。镉的氧化物也有很大的危害。骨痛病就是由镉污染引起的 h “。同时，这些元素还会影响植物的代谢、生长，在废弃之后处于不同的自然环 境中也会溶出而污染水源、土壤等。 1 3 _ 3 国内外对水体重金属污染的评价现状 如上所述，重金属是具有潜在危害的重要污染物，它会被湖泊或海洋中的沉 积物或悬浮物所吸附，并在生物体内富集，成为持久污染物，对环境造成严重的污 染。因此，对水体重金属污染的评价是很有必要的，也很有价值。国内外评价重金 属污染的方法很多，包括地质累积指数法、潜在生态危害指数法、生物效应浓度 法、脸谱图法、元素相关图法、回归过量分析法、综合指数法、尼梅罗综合指数 法、污染负荷指数法、沉积物富集系数法和次生相富集系数法等。在生命周期评 价的各种环境影响类型中，水体中重金属排放引起的环境负荷评价研究方法存在 颇多争议。回顾国内外现有的重金属污染评价方法，目前普遍采用的方法主要有 地质累积指数法、潜在生态危害指数法、综合指数法、尼梅罗综合指数法、污染 负荷指数法、沉积物富集系数法和次生相富集系数法。 1 4 研究目标和内容 本论文的选题目的是在国内外研究的基础上，提出与国际接轨的、符合我国 国情的并且实用的水体重金属特征化方法，这不仅非常有利于目前的生产决策和 水域污染治理工作，而且可为进一步全面开展对中国材料与产品生命周期评价提 供定量依据。 虽然国内对l c a 的研究起步较早，也取得了很大的进展，但是到目前为止， 还没有系统地提出对重金属的评价方法的研究。所以，本论文的研究目标是： ( 1 ) 发展一种科学实用的水体重金属排放对环境影响大小的评价方法； 第l 章绪论 ( 2 ) 计算我国水体主要重金属( 铬、铅、汞、镉、砷) 的特征化因子。 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 研究几种水体重金属的评价方法，分析将其应用于国内所存在的问题， 并提出解决办法； ( 2 ) 计算出我国水体主要重金属的特征化因子，并与国际因子进行比较； ( 3 ) 通过将得到的特征化因子应用于实际案例分析进一步验证模型的可行 性。 第2 章计算模型的耕识与选择 第2 章计算模型的辨识与选择 2 1 水体重金属污染的评价现状及简要述评 回顾国内外现有的重金属污染评价方法，大致可以归为以下几类： ( 1 ) 地质累积指数法最早是由德国海德堡大学沉积物研究所m i l l e r ( 1 9 6 9 ) f 4 7 】 提出，是一种研究水体沉积物中重金属污染的定量指标，被广泛用于研究现代沉 积物中重金属污染的评价，采用公式( 2 一1 ) 计算： j 聊= l 。9 2 ( c 。柚。) ( 2 1 ) 式中如。一地质累积指数； g 重金属n 在沉积物中的实测含量： b 。沉积岩( 即普通页岩) 中所测元素的地球化学背景值； 站一考患到成岩作用可能引起的背景值变动而设定的常数，一般k = 1 5 ( 2 ) 潜在生态危害指数法是瑞典学者h a k a l l s o n 于1 9 8 0 年建立的一套应用沉 积学原理评价重金属污染及生态危害的方法【4 8 】，采用公式( 2 2 ) 计算： 一f 掣= 。c ，= ，寻 ( 2 2 ) 乙h 式中e 重金属i 的潜在生态危害系数： 重金属毒性响应系数： c ：重金属釉污染系数： c r 一重金属f 的实测浓度： c ：重金属啪评价参比值 ( 3 ) 综合污染指数法的评价模式为： 单因子评价依据质量分指数模式进行，采用公式( 2 3 ) 计算： 只= c ，s 。 ( 2 3 ) 式中只鹕染因子的质量分指数： c ，f 污染因子的实测浓度： s ，f 污染因子的评价标准，一般选用国家标准。 北京工业大学工学硕士学位论文 多因子评价采用加权评价模式，即把各污染因子的质量分指数乘以各因子的权 重值，再综合成沉积物的环境质量总指数，然后进行评价。 ( 4 ) 尼梅罗综合指数法也是一种多因子综合评价方法【4 9 1 ，采用公式( 2 4 ) 计 算： 尸=( 2 4 ) 式中尸一尼梅罗污染指数： 0 。，南底泥中各污染因子污染指数的最大值平均值 ( 5 ) 污染负荷指数法是t o m 】i n s o n 等在从事重金属污染水平的分级研究中提 出来的一种评价方法。该指数由评价区域所包含的多种重金属成分共同构成，它 能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度，以及重金属在时间、空间上的变化 趋势，应用比较方便，其评价公式如下( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 与( 2 7 ) ： p 。m = 可，凡2 凡3 ，p l n ( 2 - 5 ) j 儿= 叫f l xf 2 弓 ( 2 6 ) = c ，c o ： ( 2 - 7 ) 式中，止。流域污染负荷指数： r 评价点的个数( 即采样点的个数) ： ，p l 某点的污染负荷指数： 卅评价元素的个数： f 元素f 的最高污染系数： c ，元素f 的实测含量： c o ，元素柏评价标准，一般选用全球平均值作为重金属的评价标准 ( 6 ) 沉积物富集系数法是b u a t m e n a r dp 和c h e s s e l e tr 于1 9 7 9 年提出的，用 于评价重金属污染程度的方法1 5 们，采用公式( 2 8 ) 计算： k s e f = b n | sr 1 a ，| ar q - 鼢 式中k 肼沉积物中重金属富集系数； s 。沉积物中参比元素的含量； 第2 苹计算模型的辨识与选择 a 。未受污染沉积物中重金属含量，即重金属的背景值； 。，未受污染沉积物中参比元素的含量，即参比元素的背景值 沉积物中重金属富集系数越大，表示沉积物被重金属污染程度越高口“。 ( 7 ) 次生相与原生相分布比法和次生相富集系数法 t h o m a s 和m e y b e c k 指出，在未受污染的条件下，大部分重金属分布于矿物 晶格中和存在于颗粒物包裹膜的f e 、m n 氧化物中，而在污染条件下，人为源的 重金属主要以被吸附的形态存在于颗粒物表面或与颗粒物中的有机质结合，因 此，陈静生根据水体颗粒物各地球化学相自身的起源和其中重金属的来源，按传 统地球化学观念，把颗粒物中的原生矿物称为原生地球化学相，把原生矿物的风 化产物和外来的次生物质统称为次生地球化相，并提出用存在于原生相中重金属 的百分含量的比值来反映沉积物中重金属的来源和污染水平，即次生相与原生相 分布比法，应用于鄱阳湖沉积物铜污染的评价研究中，获得理想效果m 5 ”。 纵观上述每种评价方法均有其优点与不足之处。污染负荷指数法优点是该指 数由评价区域所包含的多种重金属成分共同构成，并使用了求积的统计法，能避 免污染指数加和关系造成对评价结果歪曲的现象，并且对任意给定的区域进行定 量的判断，但该方法没能考虑不同污染源所引起的背景差别：地质累积指数法综 合考虑了人为活动对环境的影响，但该方法并未考虑不同金属的毒性效应的差别 潜在生态危害指数法综合考虑了重金属的毒性、在沉积物中的迁移转化规律和评 价区域对重金属污染的敏感性以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异， 但该方法未考虑沉积物粒度效应：而沉积物富集系数法有效地进行了有关沉积物 粒度的校正，但它不能反映重金属来源、化学活动性和生物可利用性。次生相与 原生相分布比法能较为客观地对研究区是否受到人类活动的影响作出判断，但并 未给出人类对污染的接受程度的评价。综合指数法能对受污染的沉积物做出简捷 快速的评价，方法也较为简便：尼梅罗指数法同时兼顾了单因子污染指数的平均 值和最高值，可阻突出污染较重的污染物的作用，但这两种方法未能考虑金属的 毒性差别。 根据以上分析，目前尚不存在一种方法能够在各个方面都满足评判标准。相 对而吉，e p a ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ) 推荐方法、生态指数法和当量模型 法的评价模型比较完善，在国际上也具有比较广泛的影响。因此，本文选用这三 种方法进行具体介绍和对比研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 e p a 推荐方法 e p a 推荐方法主要是采用相关性的方法来进行特征化。其确定方式是用影 响类目中的物质与参照物之间的比较后测算出一个系数，从而计算整个影响类目 的影响范围。 根据e p a 的研究，对1 2 种影响因子提出了具体的计算方法和模型，我们以 水体重金属污染涉及到的影响因子为例进行阐述： ( 1 ) 潜在健康影响 在生命周期评价中人类健康影响类目是计算长期性的 影响，包括致癌的和非致癌的影响以及美学影响。长期人类健康的影响主要考虑 对公众的影响。 在清单分析项目中对人类健康有影响的类目是有害物质。有害物质的毒性 可以从其毒性相关资料中查阅得到。 对公众健康影响而言，影响指标是指对居民的潜在健康影响潜能，包括致 癌、长期暴露在有毒或有害物质下的影响。这些影响包括致癌物质、二次毒性、 神经毒性、免疫毒性、行为毒性、光敏感性、辐射影响以及对其他组织或身体系 统的影响，如血液、心脏、呼吸、肾脏、肝脏等影响。 a 致癌影响 一，= 嚣芒 ( 2 - 9 ) 式中产，化合物j 的口入致癌影响； o ，d 璺化合物f 的致癌斜率系数，m g ( k g d ) ； d r 日堪已。! _ 一所有口入致癌斜率系数的几何平均数，0 7 lm g ( k g d ) b 非致癌影响 l ( ) f = 旱 ( 2 1 0 ) n o a n 。 式中f 日7 ，c ) 厂化合物f 的非致癌影响； 0 _ 皿广化合物棚非致癌n o a e l f 非显性不利影响) ； 0 _ e l