歐美日化學物質環境排放場景體系對比及啟示(上)

王蕾，汪貞，古文，范德玲，周林軍，劉濟寧，石利利

生態環境部南京環境科學研究所，南京 210042

暴露評估是化學物質風險評估的重要內容之一，主要目的是評估化學物質對環境受體或人體的暴露濃度或劑量，一般可以用實測法和模型法進行評估[1-2]。所謂實測法，是基于對暴露點濃度、頻率的實際檢測來表征暴露水平；所謂模型法是基于暴露場景將暴露量、暴露頻率、周期等與暴露劑量關聯，間接進行暴露評估，也稱場景評估[3]。其中排放場景是確定生產、配制、加工、個人使用及回收/處置過程中化學物質進入水、氣和固廢等介質的排放量的一系列條件，包括源排放條件、排放途徑、生產過程和使用類型等[4]，屬于暴露場景的一部分。

排放場景不僅能用來評估其生產、加工使用和廢棄處置過程中向環境排放化學物質情況，而且能夠用于對比化學物質及其替代品的風險情況，在污染物釋放和轉移登記(pollutant release and transfer register, PRTR)中估算化學物質排放量，化學物質排放途徑的定性判斷也有助于危害評估中識別重點評估對象，還有利于管理部門、上下游企業、消費者在化學物質環境暴露方面的信息共享和交流[4]。

歐美發達國家或地區自20世紀90年代就開始開發化學物質環境排放場景，目前已經構建起比較系統的環境排放場景技術體系。日本環境排放場景主要參考歐盟方法建立，但在評估方法等方面做出一定調整。整體而言，歐美日均已建立了層級化的化學物質環境排放場景技術體系，設置了各層級排放估值原則，確立了從保守評估到接近實際排放評估的逐層精細化遞進模式，滿足了迭代風險評估的需求。但由于化學品環境管理法規、技術框架設計及理論方法的差異，歐美日環境排放場景技術體系在擁有共性框架結構的同時，在模型預測方法及構建原理、結果表征方法、場景內容等方面還存在一定差異。鑒于我國目前尚未建立系統的環境排放場景技術體系，深入調研歐美日發達國家或地區的環境排放場景體系，解析相關場景體系的差異及適用性，對于我國構建環境排放場景技術體系具有重要借鑒意義。

1 歐盟(European Union, EU)

為了支持新化學物質風險評估指令(93/67/EEC)和現有化學物質風險評估法規(EC No. 1488/94)，歐盟早在1996年就制訂了指導新化學物質和現有化學物質環境風險評估的技術導則[1]。后來根據已經完成的100余種現有化學物質和數百種新化學物質環境風險評估的實際經驗，歐洲化學品管理局(European Chemicals Bureau, ECB)修訂發布了化學物質風險評估技術導則[1,5-7]，該導則進一步滿足了生物殺滅劑售賣指令(98/8/EC)下生物殺滅劑的風險評估要求。除了實測法之外，該導則給出了2種排放預測方法，即A-B表法(第3章附件Ⅰ)和排放場景文件(Emission Scenario Documents, ESDs)法(第7章)，并且規定在缺少目標化學物質實際的生產、加工使用等信息時，優先使用ESDs法評估化學物質排放量[1]。

為了梳理排放源類型，根據新化學物質登記法規實施首個7年內歐盟新化學物質登記的用途和功能，歐盟確立了化學品生產使用相關的行業類型(Industrial Categories, IC)、功能/使用類型(Function/Use Categories, FC/UC)清單。同時根據現有化學物質的優先級設定和風險評估框架，又增加了用以描述化學物質使用相關的暴露條件的主要類型(Main Categories, MC)清單，IC、FC/UC和MC被認為是化學物質固有特性之外能夠影響化學物質環境排放的主要因素[1]，可以作為排放場景的主要描述符。目前，IC、FC分別包括16種和55種類型，MC主要包括密閉系統內使用、添加到物品內部或表面、非分散性使用和廣泛分散使用4種類型[1]。其中A-B表法覆蓋了所有的行業類型，而ESDs法當時僅發布了化工合成、個人/家庭及公共領域等10個行業領域的9種工業化學物質ESDs，后續新建立的其他行業ESDs主要通過經濟合作與發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)發布(表1)。

2008年歐洲化學品管理局(European Chemicals Agency, ECHA)替代ECB開展化學物質風險評估與管理工作。為配合《化學品注冊、評估、許可和限制》(Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals, REACH)法規的實施，ECHA新頒布了化學物質用途描述[8]、暴露場景中的風險控制措施和操作條件[9]、職業暴露評估[10]、消費者暴露評估[11]和環境暴露評估[12]等系列技術指南文件，其中環境暴露評估指南中再次明確了環境排放場景對于環境排放評估的支撐作用，同時將A-B表簡化為一般環境排放類型(environmental release category, ERC)排放因子表，作為ESDs缺失時評估環境排放速率的保守默認值[12]。值得注意的是，在環境排放場景方面，除了接受歐盟及OECD發布的ESDs外，環境暴露評估導則文件特別強調了特定環境排放類型(Specific Environmental Release Categories, SPERCs)對環境排放評估的重要作用[12]。

表1 經濟合作與發展組織(OECD)發布的排放場景文件Table 1 Emission scenario documents published by Organization for Economic Co-operation and Development (OECD)

1.1 排放場景框架

歐盟化學物質環境排放評估考慮不同用途條件下化學物質通過不同途徑進入不同空間范圍的排放。特定用途的排放取決于操作條件(operating conditions, OCs；如溫度、壓強、設備的密閉性等)和風險管控措施。化學物質在不同用途條件下可以通過廢水、廢氣、土壤、地下(適用直接進入地下的物質用途，如用于水力壓裂的物質)和固體廢棄物5種途徑排放[12]。

工業點源通過廢水、廢氣排放的化學物質在局部和區域水平均予以考慮，直接排入土壤的化學物質僅在區域水平考慮，通過廢氣中化學物質的沉降以及污水處理廠處理相關廢水后的活性污泥回用于農田造成的間接排放在局部水平考慮。對于個人/家庭消費等廣泛分散特點的面源排放而言，其向大氣和土壤的直接排放僅在區域尺度考慮，其通過生活廢水進入污水處理廠(sewage treatment plant, STP)處理后的排放按照STP排放進行估算。對于STP這一特殊排放點源，其廢氣及通過土壤的排放參照工業點源排放處理，各類排放源排入STP的廢水經處理后直接排入地表水，一般默認區域尺度上進入STP的廢水占80%[12]。點源和面源產生的固體廢物則通過回用或者專業固廢處理處置機構進行處理，而這種固廢處理處置機構又可以作為一類特殊的工業點源產生廢水、廢氣等的排放[13]。

在確定了排放場景的基礎上，歐盟建立了局部和區域尺度的排放估算基本模型(式(1)和式(2))，對點源或面源排放均設定默認排放因子，該因子與點源、面源中化學物質的用量相乘得到該排放源的排放率。除此之外，歐盟還對涉及生物降解、化學轉化等復雜過程的排放環節建立了專門的預測模型，如STP Simple Treat模型[12]、固廢處理處置排放模型[13]，從而構建起涵蓋所有排放源的排放估算方法。

局部尺度排放率的計算[12]

Elocal,j=Qdaily·RRF,j·1000

(1)

式中：Elocal,j為化學物質通過途徑j在局部尺度的排放率(kg·d-1)；Qdaily為化學物質排放點源日用量或標準城鎮日均用量(t·d-1)；RRF,j為化學物質排入環境介質j的排放因子(%或kg·kg-1)。

區域尺度排放率計算公式[12]

Eregional,IU,j=Qregional,daily,IU·RRF,IU,j·1000

(2)

式中：Eregional,IU,j為化學物質的已知用途IU通過途徑j在區域尺度的排放率(kg·d-1)；Qregional,daily,IU為化學物質已知用途IU的區域日均用量(t·d-1)；對于工業點源，該用量為區域所有點源年用量除以時間(365 d)；對于分散使用面源，該用量為區域年用量的10%除以時間(365 d)；RRF,IU,j為化學物質在已知用途IU上排入環境介質j的排放因子(%或kg·kg-1)。

1.2 排放估算方法

歐盟現有化學物質排放評估方法主要包括A-B表法、ESDs法、ERCs法和SPERCs法。這些方法主要基于排放估算基本模型，并在不同程度上完善了排放場景相關參數。

A-B表法的核心內容是A表和B表2個數據集，1995年由歐盟在化學物質風險評估導則開發過程中提出，并于2003年納入化學物質風險評估導則中發布，在缺少實際環境排放信息和環境排放場景的情況下供風險評估者參考使用。其中，A表列出的是化學物質向廢水、廢氣、土壤和(或)固體廢物中的排放因子，這些排放因子根據不同的IC、UC、MC、化學物質理化特性及產量/用量等因素設定；B表列出的是化學物質的環境排放周期、排放源區域占比等排放源規模參數[1]。A-B表最早的來源是20世紀90年代的荷蘭新化學物質風險評估系統[14-15]和現有化學物質優先級設定系統[16]，列入ECB技術導則文件(Technical Guideline Document, TGD)時，增加了MC或特定使用類型等參數及相應的排放因子，增加了工業活動規模參數的B表以適用高產量物質(highproduction volume chemicals, HPVCs)的排放評估，同時新增了第16種工業類型——“engineering industries”。使用A-B表開展排放評估時，需要首先確認待評估化學物質生產使用場景所屬的MC、IC和UC類別，據此查找A-B表，獲得相應的排放因子、排放周期等參數，利用式(3)或式(4)進行計算。

化學物質生命周期i階段局部尺度的排放速率[1]

(3)

化學物質生命周期i階段區域尺度的排放

(4)

式中：Elocali,j為化學物質生命周期i階段在局部尺度向環境介質j的日排放率(kg·d-1)；Eregionalj為化學物質在區域尺度向環境介質j的年均總排放率(kg·d-1)；Fmainsourcei為化學物質生命周期i階段局部主要排放源占比(量綱為1)；Temissioni為化學物質生命周期i階段的年排放時間(d·a-1)；Ri,j為化學物質生命周期i階段向環境介質j的日排放量(t·a-1)，通過相應排放場景中化學物質生產使用量乘以相應的排放因子得到。

由此可見A-B表的排放估算公式主要是對排放估算基本模型進一步細化，增加了排放周期、排放源占比的考慮，使其能夠適用HPVCs的排放評估。

ESDs法是基于ESDs文件規定的模型和參數進行排放評估的方法。這些ESDs文件由不同的成員國主管部門和相關行業組織在開展相關研究的基礎上開發，由并由OECD暴露評估工作組審核，主要反映實際最壞排放情形(常用90th位數)或者代表性排放情形下的排放濃度[17]，目前開發的ESDs文件如表1所示。ESDs對相應行業特定用途的化學物質排放環節和途徑進行了更有針對性的詳細分析，為了更加精確地估算排放量，有些ESDs中根據特定操作條件和工藝對排放估算基本模型進行了修正，并給出了相應參數默認值。如紡織整理ESDs文件[18]印染過程中，浸染工藝處理排放廢水中的化學物質排放量利用公式(5)計算，Qtextile×Fproduct×Qproduct×Csubstance的結果即相當于基本模型中的Qdaily，(1-Ffixation)相當于基本模型中的排放因子，但公式(5)中的參數與紡織印染實際操作直接相關，更便于應用。

Elocal water=Qtextile×Fproduct×Qproduct×Csubstance×(1-Ffixation)

(5)

式中：Elocalwater為局部尺度的廢水中化學物質日排放量(kg·d-1)；Qtextile為每日處理的紡織品量(t·d-1)；Fproduct為含待評估化學物質的染料、助劑或基礎化學品每日處理紡織品的比率(量綱為1)；Qproduct為單位質量織物的染料、助劑或基礎化學品用量(kg·t-1)；Csubstance為制劑中有效成分質量含量(kg·kg-1)；Ffixation為固著度(量綱為1)。

ERCs法屬于一種保守的簡化排放估算方法，包含12大類排放場景和排放因子，其中7類屬于工業生產、配制和使用場景，5類屬于廣泛分散使用和物品耗損場景，未考慮固體廢物利用處置場景。每一類場景的排放因子都是代表性用途的最高排放因子，取自于A表的一般性排放場景。為了確保排放因子設計的保守性，ERCs法假定未采取任何風險控制措施，在大氣、水和土壤三相的分配過程也不考慮化學物質的理化特性[12]。

SPERCs是對特定良好操作條件及該條件下化學物質向水、氣、土和廢物中的排放因子的描述，是由上下游行業性組織或相關研究機構共同開發，用以根據行業實際情況修正基于最壞情況保守假設的ERCs排放因子[1]。SPERCs由歐洲化學工業委員會(European Chemical Industry Council, Cefic)統一組織開發管理，目前已經吸引歐洲汽車工業協會、全球汽修國家貿易組織全球聯合會等多個行業協會或研究機構開發了涂料在汽車工業的使用等14類用途的SPERCs文件(表2)[19]，成為ECB ESDs的有益補充。因此，SPERCs和ESDs類似，均屬于環境排放場景；然而由于現有ESDs主要基于實際最壞排放情形假設[17]，因此其排放濃度預測結果一般比基于SPERCs的預測結果保守。

2 美國(United States)

2.1 排放場景框架

美國環境保護局(U.S. Environmental Protection Agency, US EPA)認為暴露評估是估計或測量試劑發生暴露的強度、頻率及持續時間，以及種群發生暴露的規模和特征[20]，暴露是應激源環境濃度、遷移和轉化過程以及時間的函數。美國暴露評估概念框架始于化學物質的源排放，經環境介質的遷移和轉化、人體暴露，最終導致一定生物效應和結局。因此源排放一般在暴露評估方案設計時同時考慮，源排放影響的地理范圍、待評估的環境介質等相關要素均根據評估目標、待評估排放源及受體情況、成本及其他限制因素等實際情況確定。

US EPA根據排放特征將排放源分為點源和非點源，從相對較小的區域或點釋放化學物質的情形適用于點源排放，如工廠煙囪、焚燒爐、鍋爐和污水排管等的排放；從多個小點源釋放、或者是很大區域釋放化學物質的情形適用于非點源排放，如城市汽車尾氣排放及農田農藥施用排放。除此之外，US EPA還根據暴露評估的需要定義了室內源、背景源。其中，室內源包括室內燃料、建筑材料、家具、消費品等的使用以及室外揮發性化學物質或者放射性元素的侵入，背景源指化學物質的存在背景，包括自然本底含量水平(如地下水中的砷)以及具有遠距離傳輸能力、能夠持久存在于環境中的化學物質濃度(如多氯聯苯、多環芳烴和汞)[21]。

US EPA推薦采用從篩選水平到具體場地模擬的3層次化學物質暴露評估策略，評估的復雜性、成本隨層級升高而升高。大多數化學品的評估都是以篩選水平及保守形式開展，如果風險不可接受，可再開展更高水平的暴露模擬確定更加準確的環境濃度[20]。作為工業源排放篩選水平暴露評估的支撐文件，一般性排放場景描述了常用工業或商業操作，并給出一系列相關過程的默認參數，可評估相關操作導致化學物質向空氣(有組織排放和無組織排放)、水或進入填埋、焚燒等處置設施的排放量，以及職業暴露評估[22]。在實際排放數據缺失時，一般性場景可以保守預測化學物質的排放量和職業暴露量。目前，US EPA開發了60個排放場景文件(表3)，主要依據行業及操作類型[22]進行分類，同時考慮揮發性液體、非揮發性液體和固體的差異。US EPA暴露場景文件不僅定義了化學品生產、使用過程中向水、氣、土壤的排放量計算方法，也定義了作業場所職業工人的吸入、經口、經皮暴露計算方法甚至暴露量。其中12份US EPA排放場景文件已轉化為OECD ESDs，3份已經形成OECD ESDs草案。

對于消費品中化學物質，US EPA開發了篩選水平的消費者暴露評估場景，包括一般消費品暴露場景和用戶自定義的暴露場景，其中包括了家用清潔劑、乳膠漆、衣物保護劑、噴涂劑、液體衣物消毒劑、固體空氣清新劑、肥皂和機油等產品的暴露場景[23]。但這些場景主要用于評估消費者經皮和吸入途徑的暴露量，未明確室內環境暴露量，本文不再展開論述。

2.2 排放估算方法

對于工業源排放，US EPA主要通過將生產場所的生產、加工操作過程(operation)逐個分解，再識別出各個過程包含的活動(activity)，最后采用相關的環境排放模型或職業暴露模型預測各個活動的排放和暴露[24]。對于排放源而言，一般場景包含默認的排放源以及其中貢獻率較為顯著的排放途徑的排放模型，如轉移、運輸和設備清洗等操作產生的排放，模型參數可以根據容器容量、化學物質狀態等選擇默認值，同時允許根據實際操作或暴露條件選擇其他替代模型或自定義新的模型。對于汽車噴涂、循環水冷凝和電鍍等行業性的特征操作也預設了默認的特定排放源模型，但這些模型一般不建議更改。

一般排放場景的排放計算方法包括單點源日排放量(DDR) (kg·d-1)和多點源年度排放量(AAR) (kg·a-1)的計算，不同排放源的AAR計算方法相同(公式(11))，但DDR有所不同。一般性的轉移、運輸和清洗過程主要采用公式(6)和公式(7)計算，容器中化學物質向水中的排放適用于公式(8)。除此之外，對于電鍍行業的特征操作導致的氣相和非氣相排放量，還制定專門的計算公式(9)和公式(10)[24]。

單點源化學物質日排放量(DDR) (kg·d-1)計算公式包括式(6)～式(10)：

空氣排放模型：

DDR=G×OOHa×(3600 s·h-1)/(1000 g·kg-1)

(6)

多介質排放模型：

DDR=LLF×AAmt1

(7)

水飽和損失排放模型：

DDR=WWSchem×CCF×AAmt2/1000

(8)

表2 已開發的特定環境排放類型(SPERCs)文件Table 2 Specific environmental release categories (SPERCs) developed

表3 美國環境保護局(US EPA)一般排放場景Table 3 Generic emission scenarios developed by United States Environmental Production Agency (US EPA)

式中：OOHa為每個場所每天該活動的持續時間(h)；G為化學品揮發速率(g·s-1)，通過化學物質的蒸氣壓以及表面積計算；LLF為損失比例(%)；AAmt1為用于計算排放的操作過程使用的化學物質質量(kg·d-1)；AAmt2為容器中溶解化學物質的水的質量(kg·d-1)；WWSchem為化學物質的水溶解度(g·L-1)；CCF為校正因子，包括已知的AAmt、水溶解度等的校正因子。

電鍍件清洗操作的化學物質排放模型：

DDR=Vrinse×Yrinse×Drinse×(1-RrinseE)

(9)

式中：Vrinse為每點源每日產生的清洗水體積(L·d-1)；Yrinse為清洗水中化合物預申報濃度(量綱為1)；Drinse為清洗水的密度(kg·L-1)；RrinseE為清洗水回用率(量綱為1)。

電鍍液更換操作的化學物質排放模型：

DDR=Vbath×Ybath×Dbath

(10)

式中：Vbath為每日更換電鍍液體積(L·d-1)；Ybath為電鍍液中化學物質濃度(量綱為1)；Dbath為電鍍液密度(kg·L-1)。

多點源化學物質年排放量(AAR) (kg·a-1)計算公式：

AAR=DDR×F×NNS

(11)

式中：F為化學物質排放頻率(d·a-1)；NNS為點源數量。

3 日本(Japan)

日本的化學物質風險評估采用層級評估法，包括對所有優先評估化學物質的一級風險評估、對獲得長期毒性數據的目標優先化學物質的二級風險評估，其中一級風險評估又包含Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3個階段。在排放量評估方面，第Ⅰ和Ⅱ階段均利用申報信息(如生產/進口量)乘以相關用途分類的排放因子估算每個假設排放源的排放量，不同的是第Ⅱ階段除基于申報信息(如生產/進口量)進行排放量預測外，還考慮現有的污染物排放與轉移登記制度(pollutant release and transfer register, PRTR)數據(針對PRTR目標物質)和監測數據(針對環境監測目標物質)；第Ⅲ階段則重點考慮第Ⅱ階段確定的風險關注排放源的實際排放情況。此外，第Ⅰ和第Ⅱ階段，考慮的排放源類型和尺度有所不同：第Ⅰ階段主要基于生產量、進口量等申報數據估測供應鏈上游至中游固定排放源的局地排放情況，第Ⅱ階段則還要估算區域排放情況，如已申報信息中涉及的家庭使用、商業使用和產品長期使用的排放量[25]。

日本將化學物質目標排放源分為化學物質生產使用(制備或工業用途)源和終端產品排放源(例如家用/專業使用、長期使用的產品)，相應的排放場景分別作為基本場景和基于用途的場景。基本場景主要基于歐盟排放因子A表，根據化學物質實際排放情況調整后形成日本的風險評估排放因子表[26]。該排放因子表涵蓋50個使用類型(use category)，從篩選水平和常規評估水平分別設置評估因子，其中常規評估水平將50個UC細分成更多的使用亞型(sub use category)，并從生產、配制、工業使用、家用/專業使用和長期使用階段分別設定排放因子；篩選水平僅給出一般化學物質和聚合物在50個使用類型下的排放因子，不細分化學物質生命周期階段和使用亞型。需要指出的是，日本排放因子表僅給出大氣和水中的排放因子，土壤中化學物質主要考慮大氣中化學物質經沉降進入土壤的量。在確定上述排放因子的基礎上，生產階段向大氣、水中的排放量以生產量乘以對應的大氣和水中排放因子計算得到，特定用途的配制及使用階段的排放量以該用途使用量乘以該用途對應的大氣和水中排放因子計算得到。基于用途的場景目前主要有非點源水生場景、非點源大氣場景、船底漆和魚網防污劑使用場景、地下水污染場景。

由此可見，日本排放場景在歐盟排放場景基礎上進一步簡化。在實際操作時，日本排放場景為基本場景和基于用途的場景，其中基本場景未按行業細分，而是先分為常規評估水平和篩選水平；常規評估水平再按生產、配制、使用階段細分，生產階段排放因子簡并為一類，配制、使用階段的排放因子按照中間體、溶劑和非溶劑三大類簡化區分，每一類排放因子再根據水溶解度分別設定；篩選水平排放因子僅以中間體、溶劑和非溶劑三大類區分，不再考慮不同生命周期、水溶解度和蒸氣壓的影響。

4 小結與展望(Summary and prospect)

歐美日等發達國家化學物質環境管理起步早，包括環境排放評估技術體系在內的風險評估技術體系已比較成熟完善。在整個技術體系方面，歐美是化學品環境排放評估的先行者，相應的技術和模型更加豐富，評估結果更趨精細化；日本則在歐盟的基礎上采取相對簡化的保守評估方法，缺少高層級的精細化排放評估模型。在具體排放評估技術方面，基于模型的排放評估場景是各國重點發展和依托的手段。

由于化學物質環境排放評估涉及公式和參數較多，為便于計算、降低計算失誤率，ECB組織荷蘭國家公共衛生及環境研究院開發了歐盟化學物質評估系統(European Union Chemical Substances Assessment System, EUSES)，并將A-B表的環境排放參數嵌入。用戶可根據行業分類、用途直接調用相關的評估參數，并能夠根據排放源實際情況自定義排放周期、區域占比等參數值，優化了用戶體驗，促進了A-B表法的推廣和應用。2016年，為便于企業在REACH法規下開展化學物質安全性評估，在整合EUSES和另外的職業暴露與消費者暴露工具ECETOC TRA基礎上，ECHA組織開發了Chesar軟件。類似地，為了實現基于場景的源排放評估，US EPA開發了EPA暴露工具箱(EPA ExpoBox)，涵蓋了一系列不同排放源排放情況的信息平臺以及針對人體的暴露、危害等信息的軟件工具。化學品暴露和環境排放篩選工具(ChemSTEER)是其中預測化學物質環境排放的重要工具，內置了一般性排放場景模型和參數，用戶也可以根據需要自定義操作場景。由于上述評估軟件工具的開發和應用，環境排放場景模型在歐美化學物質環境風險評估中得到廣泛應用，相應的行業性精細化SPERCs也得到充分的發展。

歐美的排放場景技術體系已成為企業參與化學物質環境風險評估，提高企業工藝水平、風險管理水平的重要工具，也是企業和政府之間完成風險溝通、達成風險控制協定的重要途徑，這一作用將在未來全球化學品環境管理精細化過程中更加凸顯。在我國構建以企業為主體的現代化污染治理體系的今天，借鑒發達國家成功經驗，建立并完善排放評估技術體系必將成為化學物質環境風險評估管理的重要內容。