环境科学  2023, Vol. 44 Issue (9): 5316-5324   PDF    
引用本文
陈源, 蔡震, 李金惠. 综合环境社会经济指标的优先污染物筛选方法研究：以电子废物拆解为例[J]. 环境科学, 2023, 44(9): 5316-5324.
CHEN Yuan, CAI Zhen, LI Jin-hui. Research on the Screening Method of Priority Pollutants with Integrated Environmental Socio-economic Indicators: Example of E-waste Dismantling[J]. Environmental Science, 2023, 44(9): 5316-5324.
综合环境社会经济指标的优先污染物筛选方法研究：以电子废物拆解为例
陈源1, 蔡震2, 李金惠2     
1. 清华大学巴塞尔公约亚太区域中心, 北京 100084;
2. 青海大学财经学院, 西宁 810016
收稿日期: 2022-09-22; 修订日期: 2022-11-23
基金项目: 国家重点研发计划项目(2019YFC1904800)
作者简介: 陈源(1981~), 女, 博士, 研究员, 主要研究方向为固体废物管理政策与资源化利用技术、化学品环境管理政策, E-mail：chenyuan227@tsinghua.edu.cn
通信作者: 李金惠, E-mail: jinhui@tsinghua.edu.cn
摘要: 电子信息技术的快速更新迭代以及日常生活中的正常使用造成的磨损, 导致众多电器电子产品被淘汰, 产生了大量的电子废物, 因此电子废物拆解量逐年增加.针对当前我国电子废物拆解污染现状和监测评价的需求, 提出利用层次分析法和系统聚类方法相结合的筛选模型.在对电子废物拆解评价因子进行赋值和评分的基础上进行层次分析, 得出污染物综合评分并进行聚类分析, 将聚类结果中潜在危险优先等级最高的一类, 即二英类和多环芳烃(PAHs)作为优先控制污染物, 为中国电子废物治理提供了有参考意义的指标体系.
关键词: 电子废弃物      优先控制污染物      层次分析法(AHP)      系统聚类法      指标体系     
Research on the Screening Method of Priority Pollutants with Integrated Environmental Socio-economic Indicators: Example of E-waste Dismantling
CHEN Yuan1 , CAI Zhen2 , LI Jin-hui2     
1. Basel Convention Regional Centre for Asia and the Pacific, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. School of Finance and Economics, Qinghai University, Xining 810016, China
Abstract: While benefiting mankind, electronic information technology has led to the elimination of many electrical and electronic products due to its rapid update and iteration speed. In addition, the normal use in daily life causes the wear and tear of electronic products, resulting in a large amount of electronic waste. With the increase in electronic products, the amount of electronic waste dismantling has also increased yearly. Therefore, it becomes an important to accurately screen the priority control pollutants generated in e-waste process. In view of the current situation of e-waste dismantling pollution and the needs of monitoring and evaluation in China, this study proposed a screening model that combined analysis at levels and systematic clustering methods and performed a comprehensive score of pollutants and cluster analysis on the basis of assigning and scoring the evaluation factors of e-waste dismantling, taking the most potentially dangerous class in the cluster results as the priority control pollutant.
Key words: e-waste dismantling      priority control pollutant      analytic hierarchy process(AHP)      system clustering method      index system     

在联合国发布的《2020全球电子废物监测》[1]报告中, 2019年全球产生的电子废物总量达5 360万t, 预计2030年达到7 400万t.在这些电子废物中, 约有82.6%的电子废物去向不明, 约17.4%电子废物(932.64万t)能得到回收利用, 这部分得到回收利用的电子废物主要靠拆解获取其中的原材料及各类金属.然而电子废物不仅包含经济价值较高的各类原材料, 还包含对人体及自然环境有害的物质.如何在电子拆解作业场所, 从众多有害物质中识别出需优先控制的因子并针对性开展防治措施, 成为目前亟需解决的问题.

国内外开展了大量优先控制污染物筛选研究[2~5].美国是最早开始优先控制污染物检测和筛选的国家, 美国研究人员在对有毒物质进行大量研究的基础上, 结合污染物的检出频率和产生量等因素进行了综合评价, 最终得到65类129种优先控制污染物名单[6]; 欧盟根据大量的监测数据, 计算污染物暴露和毒性效应的总得分, 基于风险排序和专家评判筛选出水环境的优先控制污染物[7]; 我国在1990年以污染物排放和监测数据, 结合污染物毒性及现有排放量, 通过专家评审筛选出符合中国国情的68种水中优先控制污染物黑名单[8].面对日益增多的电子废物和愈加繁重的拆解现状, 国内外学者研究了污染物筛选方法, 然而多数筛选方法或以污染物单项因子作为筛选指标, 或以筛选专家的主观判断作为筛选标准, 无法全面和准确地评价污染物在电子废物拆解过程中危害程度.因此基于环境综合信息处理的多指标、定性化和定量化相结合的筛选优先控制污染物是污染物筛选方法的研究方向.

层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是美国运筹学家T. L. Saaty教授于20世纪70年代初期结合网络系统理论和目标综合评价方法得到的层次权重决策分析方法.采用这种方法对社会安全风险涉及的各类因素进行梳理并分层, 将这个复杂的问题所包含的复杂因素和指标进行简化, 建立层次结构图, 构造判断矩阵, 进行层次排序和一致性检验之后得到权值, 根据权值排列遴选出合适的电子废物拆解优先污染物.层次分析法是把定性与定量融合得较好的一种方法, 它对于解决多层次多目标的决策系统优化问题行之有效, 具有高度逻辑性、灵活性和简洁性等特点[9, 10].聚类方法一般包括系统聚类法、K-means聚类法和二阶聚类方法等[11~13].聚类是指将不同的数据按照一定的规则分为不同的类或者簇的过程[14].电子废物拆解污染物聚类主要对层次分析后污染物的综合得分值进行聚类, 因主要考虑各综合得分的相对距离, 故选择系统聚类方法.系统聚类方法又称“分层聚类方法”, 是目前使用最多的聚类方法之一, 主要原理为：将所有待聚类的样品或变量各自看成一类, 然后确定类与类之间的相似统计量, 选择相对接近的两类或若干类合并成一个新类, 以此类推, 直至合并成一类[15].

本文主要基于层次分析法和系统聚类方法, 以电子废物拆解过程产生的污染物为对象, 探索基于社会、经济和环境为重要指标的优先污染物筛选.提出层次分析法结合加权评分法对电子废物拆解优先控制污染物进行计算排序, 并根据层次分析的污染物综合得分值进行系统聚类, 系统化和层次化地筛选出优先控制污染物[16~18].

1 我国电子废物拆解污染控制现状 1.1 我国电子产品产量现状

废弃电器电子产品, 俗称电子废物, 主要包括废弃的电视机、电冰箱、洗衣机、空调、个人电脑、手机和照相机等电子类产品和其生产过程中产生的废料等.据中国统计年鉴[19], 如表 1所示, 受疫情居家影响, 2020年我国家用电冰箱数量激增, 其他主要电器电子设备如房间空气调节器、家用电风扇、家用吸尘器和微型计算机设备的生产量逐年增加, 复印和胶版印刷设备在2021年产量开始回调; 以全国居民平均每百户年末主要耐用消费品拥有量进行统计, 如表 2显示, 电动助力车、洗衣机、电冰箱(柜)、空调、热水器、排油烟机和移动电话每百户拥有量逐年增加.通过表 1和表 2数据分析得出中国社会购买力正不断提高.

表 1 2016~2021年中国主要电器电子产品产量1) Table 1 Output of major electrical and electronic products in China, 2016-2021

表 2 全国居民平均每百户年末主要耐用消费品拥有量1) Table 2 Ownership of major consumer durables per 100 households at the end of the year

1.2 我国电子废物拆解产生的环境污染问题受到关注

目前国内对电子废物的处理处置过程主要是进行拆解. 电子废物中有许多有用的资源, 如各类稀贵金属、玻璃和塑料等, 具有很高的再利用价值, 通过对电子废物中提取的各类有用资源的再利用, 成本要远低于从矿石等原材料冶炼加工获取的资源.但越来越多数据表明, 在电子废物拆解过程, 会产生并释放出大量的污染物, 包括大量POPs和PTS类污染物, 特别是在早期, 手工作坊式的电子废物拆解存在不规范处置现象, 如露天焚烧和非法倾倒等, 导致大量重金属、溴系阻燃剂[如多溴联苯醚(PBDEs)]和二英类污染物进入环境中, 对拆解场地周边的空气、土壤和水环境造成严重污染[20~23].同时, 这些污染物具有“三致”效应、遗传毒性和内分泌干扰效应等毒害作用, 可通过在环境介质中的传播与人体暴露, 对周边人群健康和环境安全产生危害[24].

在《有害空气污染物排放标准》[25]、《水污染防治行动计划》(“水十条”)[26]和《土壤污染防治行动计划》[27]等相关政策文件中均对Cd、Hg、As、Pb和Cr等重金属和PAHs、石油烃等有机污染物存在和含量做了规定, 然而由于电子废物拆解现场污染物众多, 在对污染物进行管理中无法对每种污染物逐一进行调查和监测, 因此需要筛选出一组具有较大潜在危害性的物质, 这类物质被称为优先污染物.

2 污染物筛选模型构建

本研究结合层次分析法和系统聚类方法, 选取环境综合信息作为指标因子, 对电子废物拆解污染物进行筛选, 得到电子废物拆解和周边环境的优先污染物, 模型框架如图 1所示.

图 1 优先污染物筛选模型框架 Fig. 1 Priority pollutant screening model framework

2.1 优先污染物初筛

电子废物集中处置区优先控制污染物的特征污染物包括电子废物自身含有的有毒有害物质、电子废物处理处置过程中释放的污染物和各种污染物在环境中迁移转化的产物.以上物质可分为与电子废物处理处置过程相关的污染物和与污染场地评价相关的污染物两类, 前者包括电子废物自身含有的有毒有害物质, 以及电子废物处理处置过程中释放的污染物; 后者主要指各种污染物在环境中迁移转化的产物.

特征污染物名录可基于电子废物拆解种类, 结合现有拆解工艺水平、国内外标准或调研资料等信息初选出可能产生的污染物, 同时参考国内外经验, 保留国内外优先污染物名单或相关标准和文献中污染物出现频率在20%以上的污染物作为特征污染物[28~36], 如表 3所示.

表 3 电子废物特征污染物 Table 3 Characteristic pollutants of e-waste

对电子废物拆解特征污染物进行简单初筛, 在表 3中选取对环境和生态系统的危害性大且对电子废物处理处置过程具有指示性(主要依据电子废物组成和其处理处置可能产生的污染物确定)的污染物, 分为8种无机化学物质和5类有机化学物质, 共30种污染物.

2.2 基于环境、社会和经济因素的衡量指标确定

对电子废物拆解污染物筛选之前, 需要确定环境综合信息指标.环境综合信息可分为社会经济影响、电子废物拆解市场需求、政策干预、处理处置技术和污染物特性等5个大类, 对于每类中的指标需要根据不同情况选取.孔留安等[37]在分析影响安全生产的社会经济影响中, 选取7个社会经济影响指标(农业产值占GDP的百分比、人均GDP、第三产业占GDP的百分比、居民消费水平、科研投入占GDP比例、教育经费占GDP比例和城镇人口比例)作为评价生产活动对社会经济影响的影响指标; 市场需求根据电子废物产生量变化趋势、拥有电子废物拆解资质的企业和电子废物处置利用率进行判定; 处理处置技术可分为电子废物拆解方式和污染物处理处置方式两类指标; 在污染物特性方面, 可根据污染物的毒性、致癌性、环境稳定性和在拆解环境中的出现频次作为筛选指标[38].丁佳俊等[39]在对地方政府政策评价指标研究中将政策的诊断功能、导向功能、激励功能和监控功能作为政策评价指标, 结合政策评价指标和电子废物拆解周边地方政府政策情况, 选取政策强制性、健全性、激励性和监控能力作为政策评价指标.综上, 在电子废物拆解中选出20种电子废物拆解评价指标.

如表 4, 根据筛选的评价指标, 构建层次分析模型.共有3层分别为：目标层、准则层和指标层.

表 4 电子废物拆解优先污染物筛选指标 Table 4 Screening index of priority pollutants for e-waste dismantling

2.3 专家打分原则和计算方法

本文通过与相关标准对接和在专家咨询基础上, 明确电子废物拆解优先污染物筛选各项指标的打分原则, 根据前期文献调研整理结果, 将各标准层中的各项指标分为5种情况, 采用9分制赋分, 进行模型应用示范, 如表 5所示.对各指标进行赋值(1~9), 基于赋值结果对每个指标的权重系数和一致性检验进行计算, 得出指标层相对目标层的权重系数, 如表 6所示.

表 5 电子废物拆解产生污染物风险评估指标打分原则1) Table 5 Scoring principles of e-waste dismantling risk assessment index

表 6 各指标权重系数计算结果 Table 6 Calculation results of weight coefficients of each index

表 6结果表明, 城镇人口占比(Wi=0.738 2)对电子废物拆解风险影响最大, 农业产值占GDP比例(Wi=0.059 1)对电子废物拆解风险影响最小.经济发达地区的第二产业发展迅速, 人民物质需求较大, 与不发达地区相比, 产生更多的电子废物, 提高了电子废物拆解风险.

电子废物变化趋势(Wi=0.493 0)是反映市场需求波动的主要因素.不同的电子废物含有的污染物种类及含量也不同.

法规强制性(Wi=0.697 0)对政策干预影响最大, 政策补贴(Wi=0.059 0)对政策干预影响最小.例如在中国执行环境法规方面, 河北省中央环保督察组的干预有效地推进了环保政策的执行, 减少了电子废物产生的污染物[40].

拆解方式(Wi=0.700 0)和污染物处理处置方式(Wi=0.700 0)对处理处置技术影响较大[41, 42].生物浸出[43]和湿法冶金[44]可以同时高效地提取Cu和Ni.超临界流体技术因其环保、回收率高、溶剂可回收和回收产物质量高等优点备受关注.这些新兴技术[45]是传统处理方式焚烧的良好替代方案.

致癌性(Wi=0.272 1)是污染物特性中的关键影响因素.有研究表明, 在电子废物倾倒场及其周围的土壤中易检测到重金属, 且与成人相比, 儿童的非致癌风险略高[46].因此对工人的培训和提高安全回收技术水平是科学管理电子废物的必要条件.

根据随机一致性比率CR计算结果, 矩阵完全满足CR < 0.10, 具有一致性, 将各物质进行分类, 得到8种无机化学物和5类有机化学物.

式中, P为各物质综合得分, Pi为各指标赋值打分值.利用P和各物质的赋值打分表(表 7), 计算各化学物质综合得分(表 8).

表 7 各指标赋值打分明细 Table 7 Details of each index assignment and scoring

表 8 各污染物综合得分 Table 8 Comprehensive scores of each pollutant

应用软件SPSS 26.0, 采用瓦尔德法, 并以平方欧氏距离(squared euclidean distance)为测度, 以所选的13类电子废物拆解污染物的综合得分为指标进行聚类分析, 划分污染物优先等级(综合得分越大, 优先等级越高), 结果如图 2.

图 2 污染物聚类分析谱系 Fig. 2 Pedigree of pollutant cluster analysis

如图 2所示, 所选取的电子废物拆解污染物可被聚为3类, 优先等级最高的一类为二英类和PAHs, 其次为Cd、Ni、Be和Cr(+6价), 最后为Cu、双酚类、Pb、Sb、As、PBB和PBDEs.

国内学者在拆解场地发现, PBDEs在拆解地各个环境介质中的最高平均含量出现在拆解过的电子垃圾碎屑中, 最高含量(以dw计算)可达16 000 ng ·g-1, 且拆解地区总含量高出化工区和农业背景对照点含量2~3个数量级, 其中十溴联苯醚(BDE-209)是PBDEs类污染物主导物质[47~49].国外废弃电器电子产品处理处置污染研究主要分为南亚及东南亚地区国家、非洲地区国家和其他地区国家这3个部分, 在对印度废弃电器电子产品处理场地研究中, 回收车间检测结果中, 二英类的含量占比为53%, 且非正规废弃电器电子产品的回收场地中有害污染物的释放量远高于其他场地类型[50]; 拆解场地中, 颗粒粒径较大的土壤中重金属残留量大于颗粒粒径较小的土壤样品; 对5个国家的溴化阻燃剂含量的分析表明, PDBEs的含量和距离废弃电器电子产品处理区域的距离呈负相关关系, 且污染物在土壤中的水平和分布中源效应随迭代次数增多而降低; 澳大利亚废弃电器电子产品处理厂中PBDEs的整体含量(以dw计)在0.1~98 000 ng ·g-1[51].

由此可见, 拆解场地中污染物多集中于二英类和PDBEs等物质.本研究结果与已有研究结果重合率为50%, 存在偏差的原因在于, 层次分析样本量选取较少和指标打分存在社会经济影响、市场需求和政策干预方面, 打分不具有区分度, 可在此后研究中对以上两方面改进后进行电子废物拆解污染物筛选.

3 展望

(1) 应用层次分析法对电子废物拆解污染物进行筛选, 得到二英类和PAHs作为优先控制污染物, 对比国内外相关研究成果, 可改进本筛选模型的样本量和指标打分方面后进行电子废物拆解污染物筛选.

(2) 利用层次分析法筛选优先污染物虽能较全面、客观地反映电子废物拆解过程和所在地实际情况, 但该方法在判断过程中仍会有主观偏见, 因此, 标度各层次元素间的判断比例时应广泛征求专家咨询意见, 争取客观评价.

(3) 电子废物拆解污染物筛选的综合评价指标众多, 本研究根据前人的探索, 仅选择了部分代表性指标, 对电子废物拆解场地和污染物的综合特性进行评价, 其他指标还需进一步研究和探索.在应用中要根据实际情况, 对指标变量进行取舍、增减或重新分类, 然后再利用层次分析法进行综合评价.

(4) 本文在进行方法应用时, 仅对已有电子废物拆解污染物备选清单进行筛选, 并根据文献和前期研究成果直接对污染物指标进行赋值, 在后续的研究探索中仍需广泛征求专家意见.

4 结论

(1) 受经济结构及经济发展水平影响, 城镇地区人均拥有电子电器产品数量高于农村地区, 因此城镇人口占比对电子废物拆解风险影响最大, 农业产值占GDP比例对电子废物拆解风险影响最小.

(2) 电子废物变化趋势是反映市场需求波动的主要因素, 同时影响电子废物拆解区的污染物种类及含量.通过文献计算, 二英和PAHs数量最多.

(3) 法规强制性有良好的矫枉过正作用, 规范了电子废物处理处置行为, 对政策干预影响最大.

(4) 致癌性是人们普遍关注的污染物特性, 也是污染物特性中的关键影响因素.

(5) 通过模型计算, 在挑选的特征污染物中筛选出2类优先污染物：二英类和PAHs, 且与文献研究结果重合率为50%, 说明此模型筛选的污染物中这两类物质可作为潜在危害最大的污染物进行重点管控.

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