隨著我國經濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，固體廢物持續(xù)呈現(xiàn)產生強度高、利用不充分、處理處置能力不足的狀態(tài)，造成了嚴重的資源浪費和環(huán)境風險[1]。實現(xiàn)固體廢物的“減量化、資源化、無害化”，是當前我國生態(tài)文明建設的重要任務之一。近年來，我國相繼出臺多項政策法令，加快固體廢物管理制度改革。2020年，《固體廢物污染環(huán)境防治法》修訂實施，將多項原則入法，強化政府及相關部門監(jiān)督管理責任，強調不同固體廢物污染防治的差異化管理[2]。隨著我國固體廢物制度建設的完善，我國固體廢物管理工作進入提速階段。
固體廢物的風險防控是固體廢物管理工作的關鍵內容之一[3]。固體廢物，主要包括生活垃圾、農業(yè)固體廢物、工業(yè)固體廢物、危險廢物等，含有的污染物種類繁多、性質復雜，隨意傾倒、堆放等不合理的處理處置造成了潛在的環(huán)境風險[4]。我國近年來發(fā)生的重大環(huán)境風險事件，如江蘇響水特大爆炸事故、廣東北江鎘污染、云南陽宗海砷污染等，多與固體廢物管理不當有關，尤其是新冠肺炎疫情發(fā)生以來，我國醫(yī)療廢物處置能力呈現(xiàn)嚴重不足的狀態(tài)，增加了病毒傳播及作業(yè)人員的感染風險[5]。隨著風險意識和底線思維的強化，將生態(tài)環(huán)境風險納入常態(tài)化管理，系統(tǒng)構建全過程、多層級生態(tài)環(huán)境風險防范體系成為我國環(huán)境管理工作的重要指導思想之一[6]。固體廢物處理鏈條長，從產生至最終處置的全過程中均可能對水體、大氣、土壤等多種環(huán)境介質造成污染，環(huán)境風險范圍廣、不確定性高，因此精確評估固體廢物的環(huán)境風險是實現(xiàn)科學管控的前提。
目前，國內外學者針對固體廢物的環(huán)境風險開展了一定研究，基于不同固體廢物處理處置技術過程中污染物的遷移轉化機理[7-8]，開發(fā)了不同的模型預測污染物釋放潛力[9-10]，并結合污染物的多介質遷移轉化模型評估其環(huán)境風險[11]。然而，大部分研究僅關注處置環(huán)節(jié)中產生的環(huán)境風險，缺乏對固體廢物全過程環(huán)境風險類型和強度的系統(tǒng)性分析，并且鮮有研究探討固體廢物環(huán)境風險的時空分布規(guī)律以及環(huán)境風險與區(qū)域發(fā)展特征的內在關系。綜上，我國固體廢物風險評估基礎研究仍較為薄弱，尚未建立系統(tǒng)的固體廢物環(huán)境風險評估模式. 因此，針對固體廢物風險的多變性和時空變異性，該文基于環(huán)境風險場理論及系統(tǒng)管理思想，提出我國固體廢物全過程精細化環(huán)境風險評估框架。
環(huán)境風險是指由自然原因或人類活動引起的，通過降低環(huán)境質量，進而對人體健康和自然生態(tài)產生損害的事件，可以用其發(fā)生的后果及其概率表示。環(huán)境風險的發(fā)生主要包括3個過程：①風險因子釋放，即環(huán)境風險源的形成及釋放；②風險因子轉運，即環(huán)境風險因子在環(huán)境空間中經一系列過程形成特定的時空分布特征；③風險受體暴露和受損，即環(huán)境空間中的風險因子損害某種風險受體。環(huán)境風險場是風險因子、環(huán)境介質、風險受體三要素共同作用形成的，區(qū)域性是環(huán)境風險場的最顯著特征之一[12]，它由環(huán)境風險源的分布特征和環(huán)境風險場形成過程共同決定?？坍媴^(qū)域環(huán)境風險場，是識別風險管理目標、邊界、優(yōu)先序的重要基礎. 固體廢物的管理涉及到技術、經濟、社會等多個策略層面，是一個由多個子系統(tǒng)交互影響、共同作用形成的復雜體系[13]。因此，近年來，系統(tǒng)分析理論越來越多的應用于固體廢物管理中[14-17]。
圖1 固體廢物環(huán)境風險評估的內涵
Fig.1 Conceptual model of environmental risk assessment for solid waste
基于環(huán)境風險場和系統(tǒng)分析理論，固體廢物環(huán)境風險評估的具體內涵為，綜合評估固體廢物產生、貯存、收集、運輸、處置、利用全過程中對人群健康及自然生態(tài)系統(tǒng)可能造成的危害，辨析固體廢物全生命周期中釋放風險因子的核心環(huán)節(jié)和產生環(huán)境風險的重要途徑，繪制精細固體廢物環(huán)境風險時空分布圖，為固體廢物環(huán)境風險的管控策略提供依據。傳統(tǒng)的環(huán)境風險主要由風險來源、暴露途徑、風險受體三部分組成，該文以傳統(tǒng)的環(huán)境風險評估為基礎，結合固體廢物全生命周期過程，解析固體廢物環(huán)境風險評估的內涵(見圖1)。
從固體廢物全生命周期的角度考量，固體廢物產生至最終處置的全過程均存在向環(huán)境介質釋放污染物的可能，固體廢物產生、貯存、收集、運輸、處置、利用環(huán)節(jié)均為固體廢物環(huán)境風險的來源[18]。風險因子主要包括固體廢物全生命周期過程中由于污染物的直接釋放對受體產生的危害，如危險廢物運輸過程中污染物的泄漏等. 固體廢物環(huán)境風險的受體主要包括自然生態(tài)系統(tǒng)和人群兩個方面。風險因子經過多介質轉運和多途徑暴露，對自然環(huán)境產生的風險結果主要包括環(huán)境質量的降低(如水體富營養(yǎng)化、溫室效應等)和對人群產生的健康風險[19]。因此，固體廢物的環(huán)境風險為多來源、多危害、多受體共同作用產生的風險結果在空間上的分布格局. 固體廢物環(huán)境風險評估的關鍵科學問題包括3個方面：①在“多來源”方面，包括[h1] 固體廢物產生的時空分布特征、基于不同處理技術的固體廢物全生命周期路徑、全過程不同環(huán)節(jié)物質/能源的投入產出以及污染物的排放清單等；②在“多危害”方面，包括不同固體廢物的核心風險因子類型、風險因子的關鍵釋放環(huán)節(jié)及釋放機理、風險因子在多介質中的遷移轉化規(guī)律等。③在“多受體”方面，包括受體的風險感知能力以及最大風險可接受能力評估等。
2. 固體廢物環(huán)境風險的規(guī)律特征析
固體廢物種類多、來源廣、特性復雜，導致其風險因子多元，增加了風險管理的難度。首先，固體廢物的復雜特性直接導致了污染物類型及相應風險因子的多元化，包括重金屬、有機污染物、微塑料、溫室氣體等. 對于有機質組分含量較高的生活垃圾，2015年美國生活垃圾填埋過程中排放的CH4占美國CH4總排放量的17.7%[20]。廢物焚燒是我國多氯化萘排放的重要來源，2014年占我國排放總量的38.8%[21]。同時，Yu等[22]調研顯示，生活垃圾填埋顯著增加了填埋場附近水域中藥物及個人護理品的濃度和人體健康風險。其次，危險廢物的易燃易爆、毒性高的特性容易引發(fā)突發(fā)性環(huán)境風險，并造成次生環(huán)境風險，尤其隨著區(qū)域尺度上產業(yè)的發(fā)展和行業(yè)間關聯(lián)程度的提高，進一步增加了固體廢物相關的系統(tǒng)性環(huán)境風險發(fā)生的概率[23]。
固體廢物環(huán)境風險呈現(xiàn)較強的空間異質性
區(qū)域的發(fā)展特征是影響固體廢物環(huán)境風險空間格局的重要因素。一方面，區(qū)域的技術、經濟、社會特征直接影響固體廢物產量。以生活垃圾為例，按照人口、GDP、建成區(qū)面積對2018年我國671個城市進行K-means聚類分析，將其分為四類，其中第I類城市2018年年均生活垃圾清運量為643.9×104 t，為第IV類城市的40倍以上，地區(qū)城鎮(zhèn)化水平是影響生活垃圾產量的主要社會經濟要素[24]。產量的快速增加和處理設施負荷的加重，直接導致生活垃圾環(huán)境風險的增加[25]。對于工業(yè)固體廢物和危險廢物，其產量體現(xiàn)出較強的行業(yè)集中性。統(tǒng)計2015年全國41個工業(yè)行業(yè)固廢產量可知，產量排名前六的黑色金屬礦采選業(yè)、電力熱力生產和供應業(yè)、黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè)、有色金屬礦采選業(yè)、化學原料和化學制品制造業(yè)占總量的87.9%[26]。行業(yè)依賴性導致工業(yè)固體廢物產量的空間分布與行業(yè)分布呈較強的相關性。 通過對我國31個省(自治區(qū)、直轄市)(不包括港澳臺的數(shù)據)工業(yè)固廢與危險廢物產量的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)工業(yè)固廢產量較高的地區(qū)包括河北省、遼寧省、內蒙古自治區(qū)，屬于資源集中型或者重工業(yè)行業(yè)較為發(fā)達的地區(qū)。
另一方面，區(qū)域的技術、經濟、政策特征通過影響固體廢物的流動以及處理處置方式決定環(huán)境風險的空間格局。不同國家對于固體廢物監(jiān)管政策和法規(guī)的差異導致固體廢物的區(qū)域間流動，大部分為高收入地區(qū)向低收入地區(qū)流動。Heacock等[27]調研表明，2014年中國和非洲部分國家接收了全球超過80%的電子廢棄物。在加納的Agbogbloshie地區(qū)，由于西歐地區(qū)電子廢棄物的大量進口，以及該地區(qū)工業(yè)、商業(yè)和居住區(qū)的高度重疊，使該地區(qū)環(huán)境風險極其嚴重。經濟發(fā)展水平的差異也導致固體廢物處理行為的不同和相應的環(huán)境不公平性，Kang等[28]調研顯示，長江經濟帶的固體廢物傾倒事件中，85%發(fā)生在農村地區(qū)，而只有5%發(fā)生在城市地區(qū)。此外，在固體廢物的處理處置技術方面，Zhou等[29]基于我國垃圾焚燒廠的地理位置以及人口分布密度計算得知，垃圾焚燒煙氣吸入導致的人體非致癌風險較高的地區(qū)為我國東部、京津冀以及廣東省，均為垃圾焚燒設施建設較為發(fā)達的地區(qū)，且風險熱點與垃圾焚燒廠的空間位置呈現(xiàn)較強的相關性。Cai等[30]研究顯示，如果針對我國填埋場推廣覆蓋層甲烷氧化技術等低碳措施，將顯著降低我國東部和東北地區(qū)填埋場因CH4排放產生的溫室效應風險，CH4減排量分別占總減排量的31.4%和18.1%。
表1 2018年我國671個城市基于K-means聚類分析的社會經濟特征
Table 1 Socio-economic characteristics of 671 Chinese cities in 2018 based on K-means cluster analysis
由于全過程鏈條長、技術復雜，導致固體廢物可能對多介質產生環(huán)境污染，尤其在固體廢物貯存和處置利用的重點區(qū)域，污染物向水體、土壤、大氣環(huán)境的持續(xù)釋放易造成累積性環(huán)境風險。我國廣東貴嶼地區(qū)由于電子廢棄物處理處置行業(yè)較集中，水體、沉積物、土壤中重金屬污染明顯[31]，直接導致該地區(qū)兒童血鉛濃度遠高于風險閾值[32]。受體的廣泛性進一步導致其累積的環(huán)境風險在短時間內難以消除。Wu等[33]在一個廢棄的電子廢棄物處理場地檢測到，在電子廢棄物場地關閉10年后，場地內蘋果螺(生物指示物)體內的多氯聯(lián)苯含量仍為空白地區(qū)的11倍。Zhang等[34]總結1987—2017年我國兒童血鉛濃度水平以及空間特征，發(fā)現(xiàn)生活在電子廢棄物拆解、回收地區(qū)的兒童血鉛濃度高居不下。
圍繞固體廢物環(huán)境風險評估，國內外已提出相關固體廢物環(huán)境風險評估方法并開展應用。美國EPA基于傳統(tǒng)的健康風險評價模型，提出了危險廢物綜合比較的風險評估方法[35]，包括危害識別、污染物環(huán)境遷移轉化分析、暴露評估、環(huán)境影響和健康風險計算、不確定性分析五部分內容。目前，國內對固體廢物環(huán)境風險評估的研究類型主要是工業(yè)固廢[36]和危險廢物[37]，具體來說，現(xiàn)有的固體廢物環(huán)境風險評估方法主要集中在源項分析、污染物暴露與健康風險評估兩個方面。
源項分析主要應用于突發(fā)型環(huán)境風險的評估，即綜合分析固體廢物處置流程相關節(jié)點中發(fā)生環(huán)境事故的原因，并進行事故概率的定量計算，識別關鍵源項. 事件樹、故障樹、決策樹分析法是常用的環(huán)境事故概率分析方法[38-39]，如劉華峰等[40]對危險廢物焚燒設施的危險源進行了識別，并針對事故情景，采用故障樹分析法確定環(huán)境風險發(fā)生概率，計算事故后果；于可利等[41]采取健康風險評價方法和故障樹結合的辦法對危險廢物填埋場滲濾液污染地下水事故進行環(huán)境風險評價。隨著事故分析研究的深入，致因模式從鏈式事故致因模型逐漸演化為系統(tǒng)化的網絡致因模型，復雜貝葉斯網絡建模技術被應用于事故概率分析，為多狀態(tài)復雜情境下的事故不確定性分析提供了定量研究的方法，特別是人工智能技術的發(fā)展，支撐了貝葉斯網絡建模技術的應用[42]。 陸瑩[43]使用貝葉斯網絡結合Bow-Tie模型的方法，計算了中小型電鍍廠退役搬遷過程中危險廢物泄露事故造成土壤污染的概率. 除了針對環(huán)境事故的源項分析，圍繞累積性環(huán)境風險，毒性浸出等方法被廣泛應用于污染物從固體廢物中釋放的潛力評估[44]。張晶等[45]總結了固體廢物中重金屬的浸出方法, 討論了固體廢物作為瀝青路面再利用過程中，污染物釋放定量表征方法的適宜性。
污染物暴露與健康風險評估方法主要應用于源項分析后，對污染物遷移轉化規(guī)律進行研究并評估其對人體產生的健康風險?，F(xiàn)有應用于固體廢物中污染物遷移轉化的方法包括水污染物遷移模型(WASP模型[46]、Landsim模型[47]等)、大氣污染物擴散模(拉格朗日模型[48]、高斯煙羽模型[49]等)以及多孔介質污染物遷移模型(分數(shù)微分對流-彌散模型[50]、隨機遷移模型[51]等)。健康風險評估方法主要包括綜合指數(shù)法、EPA健康風險計算模型等[52]，其中綜合指數(shù)法首先設定不同的指標表征固體廢物的健康風險，如污染物的接觸水平、毒性、使用量等，之后采用層次分析法等設定指標權重并進行多指標綜合。EPA健康風險計算模型是基于污染物在不同環(huán)境介質中的濃度，進行人群暴露定量評估，并通過污染物-人群暴露曲線，得到健康風險結果。 如美國環(huán)境保護局針對危險廢物焚燒設施[53]、無機固體廢物(如氯酸鈉生產廢物、無機氰化氫生產廢物)填埋設施[54]等具體污染物遷移過程和場景，建立了環(huán)境風險評估模型。 此外，健康風險評估方法在國內也被廣泛應用，如季文佳等[55]基于美國EPACMTP模型和健康風險評價模型，分別針對危險廢物貯存和填埋處置場景進行地下水環(huán)境健康風險評價；韓旭等[56]結合我國37家危險廢物填埋場資料，考慮危險廢物填埋場本身的風險和污染物水平和垂向遷移風險，利用層次分析-風險熵法進行風險指數(shù)排序；Zhou等[29]基于人口加權的健康風險計算方法評估了我國垃圾焚燒煙氣吸入導致的人體健康風險。
總體來說，現(xiàn)有的固體廢物環(huán)境風險評估方法主要針對特定環(huán)節(jié)或設施開展定量或半定量的評估，缺乏對全過程的系統(tǒng)性分析，因此無法從全局上評估固體廢物的環(huán)境風險水平，并且針對區(qū)域尺度上固體廢物環(huán)境風險水平的評估方法仍存在一定的局限性。
4.固體廢物全過程環(huán)境風險的精細化評估框架
針對固體廢物環(huán)境風險的全過程系統(tǒng)性以及多源頭、多受體的復雜性，提出固體廢物環(huán)境風險的精細化評估框架，主要包括固體廢物全生命周期路徑梳理及特征識別、風險因子及其釋放轉運過程辨析、受體的最大可接受環(huán)境風險水平評估、基于多評價指標的固體廢物環(huán)境風險的量化四方面內容。
該文確定的系統(tǒng)邊界為，從固體廢物產生到最終處置和利用，2020年修正的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》中明確提出，主要包括產生、貯存、收集、運輸、處置、利用環(huán)節(jié). 風險評估必須考慮固體廢物非法堆放、擅自傾倒等行為產生的環(huán)境風險，例如，秸稈的就地焚燒可產生大量顆粒物并產生人體健康風險[57]。因此該文中廣義的“貯存”包括科學儲存、就地堆放、隨意排放等所有系統(tǒng)收運前的過程。
不同固體廢物全生命周期過程的差異性主要體現(xiàn)在處置和利用環(huán)節(jié)。填埋是一種最常見的固體廢物處理處置技術，然而，近年來，隨著固體廢物資源化理念的加強以及資源/能源化技術的發(fā)展，固體廢物處理處置技術與方法逐漸豐富[58]。以生物質為主要成分的生活垃圾和農業(yè)固體廢物的資源/能源化技術主要包括焚燒、厭氧消化、好氧堆肥、熱解氣化，其中焚燒的主要目的是減量化和回收固體廢物中的熱值，厭氧消化、熱解氣化著眼于生活垃圾和農業(yè)固體廢物中含量較高的有機碳，以實現(xiàn)生物質能源化. 好氧堆肥是以營養(yǎng)元素(如P)和穩(wěn)定有機質(如腐殖質)為目標的資源回收處理手段。以無機物為主要成分的工業(yè)固體廢物和危險廢物的處理方法主要包括焚燒、水泥窯協(xié)同處理、固化穩(wěn)定化[59]。水泥窯協(xié)同處理與固化穩(wěn)定化的目的均是基于物理/物理化學包裹作用將有毒有害物質進行固定，而后實現(xiàn)固體廢物的建材化利用或安全填埋。準確識別固體廢物的全過程特征，包括固體廢物產生的空間格局、技術方法特點、全生命周期清單等，是評估其環(huán)境風險的重要前提。
考慮固體廢物種類的多樣性，需針對特定固體廢物類型，基于其固體廢物全生命周期路徑、含有的污染物類型以及污染物的遷移轉化過程進行風險因子的初步篩選和排序。以生活垃圾為例，相較于焚燒和填埋，填埋潛在的溫室效應風險更加顯著，而焚燒的生態(tài)毒性和人體健康風險優(yōu)先級更高[60]。以畜禽糞便為例，在其堆放或者土地利用的過程中，關鍵風險因子主要為氮磷等營養(yǎng)元素及重金屬等污染物[61]。
在掌握風險因子類型的基礎上，需要初步識別風險因子的關鍵釋放環(huán)節(jié)，為后續(xù)環(huán)境風險評估環(huán)節(jié)的聚焦提供初步判斷。從固體廢物的全過程考量，風險因子的釋放主要包括兩種類型，一種是全過程的無序釋放，主要是由于固體廢物未得到合法或合理的處理處置，導致風險因子的釋放，如在堆放過程中尾礦礦渣含有的重金屬隨降雨向土壤、水體遷移，造成附近區(qū)域嚴重的重金屬污染風險[62]。第二種是處置利用過程中，與技術特點相關風險的有序釋放，例如，水泥窯回收利用飛灰后，重金屬隨降雨從水泥制品中釋放[63]。值得注意的是，對于危險廢物而言，由于我國危險廢物利用處置能力結構性失調，存在處置能力地區(qū)不均衡、處置設施不匹配的現(xiàn)象，且與其他三類固體廢物相比，危險廢物的跨區(qū)域運輸短時間內無法避免[3]。EPA的統(tǒng)計數(shù)據顯示，2018年美國超過10%的危險廢物存在州際運輸?shù)那闆r[64]。危險廢物較高的流動性造成了區(qū)域內風險源的移動以及一定程度的風險轉移。
風險因子釋放后，在多介質中遷移轉化，并通過多種暴露途徑對受體產生風險結果，其中受體的風險感知能力及風險最大接受水平是決定風險強度的重要因素[65]。隨著研究尺度的擴大，以及社會發(fā)展呈現(xiàn)出的人口、行業(yè)、污染的高密度集聚，受體脆弱性和感知能力的空間異質性更加顯著[66]。區(qū)域自然、經濟、社會特征，包括人口要素(如人口總量、人口密度)、土地資源要素(如土地利用方式、建成區(qū)面積、土地承載力閾值)、能源要素(如能源利用結構、能源消費總量、清潔能源比率、單位GDP能耗)、自然環(huán)境要素(如生態(tài)安全閾值、生態(tài)環(huán)境質量、碳排放強度)等，是影響受體的最大可接受環(huán)境風險水平以及風險感知能力的重要因素。例如，區(qū)域人口密度的上升將降低醫(yī)療資源強度，增加人群健康脆弱性。然而，現(xiàn)有研究在開展固體廢物環(huán)境風險評價的過程中，對區(qū)域自然、經濟、社會特征與受體脆弱性和感知能力的關聯(lián)考慮不充分，為了準確刻畫固體廢物的風險場，需要深入解析區(qū)域自然、經濟、社會特征與風險受體的脅迫相應關系并進行量化表征。
基于多評價指標的固體廢物環(huán)境風險的量化
在明晰固體廢物風險源、風險因子、釋放環(huán)節(jié)、暴露途徑后，需要對受體的暴露量以及相應的風險結果進行定量計算，并結合風險受體的最大可接受環(huán)境風險水平對固體廢物的風險強度進行綜合評估。
首先，在定量計算評估的過程中，需構建固體廢物環(huán)境風險事故庫、特征污染物指紋數(shù)據庫、處理技術特征庫，分析風險因子無序釋放的事故概率、不同固體廢物的特征污染物類型、處置利用技術過程和產品，量化得到全過程的環(huán)境風險。其次，綜合考慮固體廢物處理處置對生態(tài)系統(tǒng)和人群產生的多種風險類型，構建多指標風險評價體系。由于固體廢物環(huán)境風險具有受體廣泛、風險因子多元的特點，針對單一受體的單一類型風險評估結果無法為風險管理提供全景信息，特別在進行風險管理的過程中，單一的技術和政策很難達到多類型風險最小化目標的同步實現(xiàn)，因此必須綜合考慮固體廢物處理處置對生態(tài)系統(tǒng)和人群產生的多種風險類型，構建多指標風險評價體系. 在構建固體廢物環(huán)境風險評價體系的過程中，應秉持精細化的管理思路，針對所研究的特定固體廢物的關鍵風險因子類型，設置合理的風險評價指標，并將區(qū)域特征與風險的耦合關系量化到多指標風險評價體系中。依據所選風險因子與區(qū)域特征之間的脅迫關系，在指標標準化、指標賦權、指標聚合的過程中定量體現(xiàn)區(qū)域特征對環(huán)境風險結果的影響。