二次电池生产场地环境风险评价软件开发与应用*

李茜 王雨琪 张之琦 黄凯 郁亚娟

(1.北京理工大学材料学院 北京100081； 2.赛默飞世尔科技(中国)有限公司 北京 100013；3.北京林业大学环境科学与工程学院 北京 100083)

0 引言

随着插电式混合动力车和电池电动车的使用，锂离子电池逐渐占据市场的主导地位[1]。据国家统计局统计，2018年我国锂离子电池产量为139.88亿(约124.2 GWh)，实现了电池产量的快速增长[2]。预计到2020年我国锂离子电池需求量为125 GWh，而对应的废旧电池量将达到32 GWh，折合重量约50万t[3]。如此大量的废旧电池如不处理达标，会导致大量重金属元素渗入土壤，对生态环境及人体健康产生严重危害。

生态风险评价是一种定量检测由人为行动或自然变化引起生态系统的结构或组成改变，进而导致功能受损风险值的办法[4]。1983年，生态风险评价由美国国家科学院首次提出，发展经历Suter(1993)、EPA(1998)模型、MMSOILS等多介质模型。目前，生态风险评价已基本形成体系，并添加沉积物和地质累积指数用于重金属潜在生态风险评价[5]。近年来，国内相关研究主要集中于污染评价方法的应用、土壤重金属浓度的测定、与土壤有关的作物重金属污染等方面[6-9]。但是现阶段，有关二次电池生产场地土壤重金属评价的研究并不多见。

人体健康风险评价是环境风险评价的重要组成部分[10]，其实现了人体健康和环境污染有机结合。这种评价体系的主要特点是评价指标定量化，能准确地用数字显示污染因子对人体产生怎样的、何种程度的危害。我国的健康风险评价研究始于上世纪90年代。被列入国家通关计划后，健康风险评价取得了较大进展，一些学者对土壤重金属污染进行了人体健康风险评价[11-13]。

目前，国内已有部分应用于环境评价的软件研究，但并没有相关的对二次电池生产场地进行生态污染评价及对从业人员进行健康风险评价的系统软件。因此针对国内电池生产场地土壤重金属污染的现状，基于生态风险评价和人体健康风险评价方法建立模型，设计场地生态风险和人体健康风险评价平台，本研究具有一定的创新性。其次，“十三五”以来国家越来越重视环保的发展，增加环境监管力度[14]，导致二次电池生产企业对于环境评价的需求大大增加。此外，目前国内新能源领域发展迅速，二次电池生产企业不断增多，本软件将具有广泛的市场及不断扩大的市场需求。

经过验证，该软件能成功对二次电池生产场地的生态风险进行评价，为治理环境土壤污染提供精确便捷的、有针对性的措施及软件支持，这对于监管不同场地的生态风险、保护人体健康具有重要意义。

1 软件设计思路

数量日益增长的二次电池生产场地存在造成土壤重金属污染以及危害人体健康等潜在问题，因此以环境评价计算方法为基础，设计二次电池生产场地生态风险和人体健康风险评价平台。由于风险评价体系运用于评价电池生产场地员工的案例较少，考虑将本软件推广使用于评价各二次电池生产场地，使得大部分电池生产场地员工的职业风险都可以依据该系统进行评价。

具体设计思路如图1所示。该软件内置土壤重金属背景值、毒理学系数等相关参数，并且可以对参数进行添加、修改和删除；也应内置生态风险评价(选择地积累指数法和潜在生态危害指数法[15-17])和人体健康风险评价(进行致癌风险计算和非致癌风险计算[18-20])的计算方法；此外还应具有相应的输入和输出界面，输出结果应包含图表分析、评价结果对比等界面。作为综合性的评价平台，此软件还应具有数据储存的功能，以便相关数据库的建立[21]。

图1 软件设计流程

2 软件实现

2.1 软件运行环境和软件安装

选用Java语言编写场地环境风险评价系统，软件符合J2EE规范，以WAR压缩包形式发布。软件可在WINDOW8，WINDWOS10，LINUX操作系统平台下运行，网页浏览器可用IE8.0或火狐、谷歌浏览器。软件以Tomcat8.0作为应用服务器，以Mysql5.5作为后台数据库。

计算机需安装JDK.exe，Tomcat8.0.exe，Mysql5.5.exe，具备风险评价软件运行的基本环境。找到安装软件包并打开。访问该系统时，需要打开浏览器，输入地址栏后回车，即可登录风险评价软件。

2.2 系统操作

在运行环境下成功安装软件后，可选取实例进行系统操作演示。拟选取长江三角洲某电池生产场地为实例，进行场地风险评价分析与计算，主要关注Cd，Cu，Co，Mn和Ni这5种重金属元素。输入用户名和密码登陆系统后，进入系统首页面。点击工厂评价模块，首先输入新建场地的名称，然后选择需要的重金属名称并输入各重金属元素在土壤中的浓度值，如图2所示。

电池生产场地的重金属种类和含量添加完毕后，点击完成即可出现地积累指数法、潜在生态危害指数法、人体健康风险的评价结果。评价结果通过图表或数据的形式进行展示，可以根据不同需求进行查看。

3 系统功能模块

3.1 软件模块结构设计

通过该软件，将需要被评价场地的土壤重金属数据输入，即可得到该电池生产场地产生的生态风险以及人体健康风险数据。为满足用户的不同需要，该软件能生成同一场地不同类型的数据图表，还可以比较不同场地间的风险值。作为合格软件应具备管理功能，可对各种理论参数进行修改，对用户身份进行审核。该软件系统的功能模块结构如图3所示。

图2 新建工厂与数据导入界面

图3 系统的功能模块结构

由图3可以看出，电池生产场地生态风险和人体健康风险评价平台共包括8个功能模块，分别为工厂评价、电池厂柱图对比、电池厂饼图对比、金属元素柱图对比、工厂管理、工厂重金属管理、重金属配置和后台管理。

3.2 评价分析类模块

评价分析类模块主要为满足用户查看或比较场地风险结果的不同需求而设计。软件具备柱图、饼图、表格3种不同数据展示类型，供用户选择进行综合评价分析。除此之外，用户可以同时采集数十个企业的土壤重金属数据进行横向比较，也可以采集同一生产场地不同生产车间的数据进行纵向比较。下面主要对电池厂柱图对比、电池厂饼图对比、金属元素柱图对比3类功能模块进行介绍。

点击电池厂柱图对比，用户可以添加不同电池生产场地，点击对比即产生各场地重金属污染及人体健康风险指数柱状图，如图4所示。

图4 电池厂柱图对比

点击电池厂饼图对比，选择一个电池生产场地，点击分析后结果如图5所示。可以分别显示该场地各元素的地积累指数对比，潜在生态危害指数对比，非致癌风险和致癌风险值对比。

点击金属元素柱图对比，可以选择多个场地进行横向对比，分别选择地积累指数对比、潜在生态危害指数对比、非致癌风险和致癌风险值对比可以出现4次不同元素的柱图对比，如图6所示。

3.3 系统管理类模块

系统管理类模块主要满足用户的参数设置、功能管理需求。工厂管理模块可以对已创建的电池生产场地进行管理，在工厂管理界面，可对已有的电池生产场地进行删除和查看。点击重金属配置模块，将出现如图7所示界面。界面左上角可添加新的或查询已有的重金属元素，点击修改或者删除按钮可以对已有重金属数据进行管理。

图5 电池厂饼图对比

图6 金属元素柱图对比

图7 重金属配置

4 结论

针对二次电池生产企业所带来的环境问题，以及随之而来的员工职业健康风险，本研究设计了二次电池生产场地生态风险和人体健康风险评价平台。本研究阐述了软件的评价方法、设计思路和系统功能模块类型，并以长江三角洲电池生产场地为实例进行软件操作演示，证实该软件具有可行性。该软件的使用，比原来较为传统的评价方法更精确、便捷，节省了人工成本；通过不断的置入基础数据，如不同地区的土壤背景值参数、各元素的毒理学系数等，可以使所评价的范围更加广泛；通过不断的对基础数据进行更新、维护，使得软件的使用周期更为长久。通过该软件的普及、数据库不断的丰富，未来甚至可以期望其拥有较为完备的国内二次电池生产场地的土壤数据，保护从业人员身体健康。

科学技术不断发展的21世纪，是互联网的时代也是大数据的时代[22]。本研究将计算机系统与环境评价相结合，期望有助于环境保护实现科技化和便捷化。可以预期，随着此类软件的普及，可以使政府更好的采取有针对性的、科技含量高的、规模较大的环境土壤治理措施及手段，这对于监管不同区域的环境生态风险、降低人体健康风险具有重要意义。