基于AMI的纺织产品化学品足迹核算与评价

冀 祥，李 一，钱佳鸿，田泽君，徐平华，王来力

（1.浙江理工大学服装学院，浙江杭州 310018；2.浙江省服装工程技术研究中心，浙江杭州 310018；3.浙江省丝绸与时尚文化研究中心，浙江杭州 310018）

印染行业作为纺织工业的重要组成部分，是纺织产品生产链中产品深加工，提升产品品质、功能和价值的重要环节，是高附加值面料、家用纺织品和产业用纺织品等的重要技术支撑［1］。但在染整加工过程中所使用的大量化学品会以液态、气态、固态污染物的形式排入生态环境中，其中不乏重金属、壬基酚等有毒有害化学物质，会对生物与生态健康造成严重的影响［2］。当前的化学品风险防控管理仅限于指出禁用限用化学品的危害性，并不能对化学品造成的环境影响给出定性、定量的综合性评价［3］。因此化学品足迹作为一种足迹类指标，为化学品风险管理提供了新的思路。

化学品足迹通过量化人类活动排放化学品对生态环境造成的压力来表征不同时间或空间层面的环境负荷。Bgørn 等［4］将USEtox 模型与区域稀释能力概念运用于化学品的足迹核算，从空间上量化了欧洲2004 年排放的173 种物质所产生的化学品足迹；从时间上量化了丹麦1999—2011 年农药使用所产生的化学品足迹。Roos 等［5］借助USEtox 模型，从全生命周期的角度评估了医用长袍漂白前后的人体毒性与生态毒性。结果表明，由于漂白延长了服装的使用寿命，使得漂白后的衣服毒性相对更低。杜翠红等［6］提出了化学品、生态系统以及环境空间3 者相联系的化学品足迹概念，并介绍了现有化学品足迹的计算方法以及将各种方法应用于不同环境空间尺度下的研究案例，讨论了化学品足迹研究过程中存在的问题与挑战。田泽君等［7］综述了化学品足迹概念及其研究进展，重点阐述了纺织服装产品化学品足迹核算与评价中的核算边界、核算方法、结果评价等关键问题并进行了展望。钱佳鸿等［8］借助USEtox 模型，对1 kg 牛仔织物染整过程中的化学品足迹进行核算与评价。结果表明：经纱加工过程的化学品足迹高于纬纱加工过程，主要的化学品污染物是二甲基（硅氧烷与聚硅氧烷）、二氧化硅的反应产物以及甲基异噻唑啉酮，污染物主要来源于消泡剂与洗涤剂。

当前化学品足迹方法的研究主要借助USEtox 模型，然而该模型数据库中对化学品的特征因子覆盖率有限，难以对核算清单中的所有化学物质进行核算，增加了产品化学品足迹核算与评价的不确定性。且USEtox 模型目前尚不能自定义环境参数，难以体现高空间分辨率下地区环境的差异性［9］。

为弥补现有USEtox 模型算法的不足，本研究以牛仔织物为例，基于化学品足迹理论，借助平均影响评价方法（AMI）对牛仔织物染整加工过程进行化学品足迹核算与评价示范，对结果进行逆向追溯，识别出需要优先管控的化学品污染物，为纺织服装产品化学品使用和化学品污染物排放管控提供参考。

1 化学品足迹的核算与评价

1.1 核算边界

对产品进行化学品足迹核算前，首先需要确定核算边界，以确保结果的可比性［10］，核算边界如图1所示。时间边界为牛仔织物染整过程中主要的两个工序段：经纱加工与纬纱加工；空间边界为选定工序段内所投入与排放的化学品。

图1 牛仔织物化学品足迹的核算边界

1.2 核算方法

化学品足迹可以理解为稀释污染物到一定浓度所需要水的体积，而这个浓度要确保绝大部分物种不受影响，即不能超过生态系统的生态阈值。AMI 是一种用于计算生态阈值的方法，该方法综合考虑了化学品对不同类别生物的毒性效应，可以在一定程度上体现化学品对生态系统中不同生物的平均毒性效应［11］。基于AMI的化学品足迹核算方法如下：

式中，ChF 表示稀释某污染物至安全质量浓度所需要的水体体积，L；ρwi表示i物质通过自然归趋后分配于环境水体中的质量浓度，kg/L；V表示环境水体的体积，L；HC5(NOEC)i表示i物质的水生生态系统安全阈值，kg/L。

水生生态系统安全阈值可以通过公式（2）计算：

式中，HC50(EC50)是根据EC50拟合得出的物种敏感度分布曲线上物种潜在影响比例为50%时对应的质量浓度，其对数值近似等于EC50的对数值；γ=146.97［12-13］。

1.3 核算数据

以1 kg 牛仔织物为功能单位，对核算边界内的化学品足迹进行核算。化学品投入与排放物质的数据源自参考文献［14］。物质的归趋结果可以借助The Canadian Centre for Environmental Modelling and Chemistry 开发的level Ⅲ（version 2.80）得出分配于环境水体中的浓度。

核算所建立的毒性数据库包括排放物质、急慢性、物种种类、物种名称、测试效应、测试终点［E(L)C50，NOEC］和暴露时间，物质原始毒性数据来源于USEtox、ECOTOX、PAN Pesticide 等数据库。每种排放物质选择至少3 个能代表食物链不同营养层级生物门类的毒性数据，确定不同生物毒性数据的急慢性标准［15］，结果如表1所示。

表1 急慢性毒性数据标准

借助EC50与NOEC 的外推因子，将测试终点统一为E(L)C50，EC50acute/NOECacute外推因子为3.3，EC50chronic/NOECchronic外推因子为4.8。将同一物种同一毒性效应所对应的多个E(L)C50数据取几何均值作为该物种毒性效应所对应的唯一E(L)C50。对同一物种的多个毒性效应，选取最小值作为该物种对应的唯一E(L)C50。最后将各物种的E(L)C50对数值取算数平均值作为HC50(EC50)的对数值。

2 结果与讨论

由图2 可知，经纱加工产生的总化学品足迹为3.43×104L，其中染色工艺对经纱加工工序的化学品足迹贡献率为72.98%，高于其他工艺。这是由于在染色过程中使用的染料、助剂种类和用量较多且降解周期长，对生态系统造成持续的影响。纬纱加工工序的化学品足迹为2.81×104L，其中前处理工序的贡献率最大，为74.38%。这是由于在纬纱加工过程中，前处理使用的碱剂与螯合剂会直接影响水的pH，对水中pH 敏感的浮游生物等造成较大的危害。

图2 各工艺链段化学品足迹

由表2 可看出，2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮产生的化学品足迹最大，为1.86×104L，对总化学品足迹的贡献率为29.8%；其次为过氧化氢，化学品足迹为1.38×104L，占总化学品足迹的22.1%。其中，2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮的排放量虽然只占0.06%，但由于溶解度高，在水中的半衰期长，经过自然归趋后分配于水中的比例高，且对藻类生长有明显的抑制作用，在一些鱼类体内难以降解并导致胚胎畸形，对藻类、鱼类表现为高毒性。因此该物质产生的化学品足迹大［16］。因过氧化氢排放质量最大，占总质量的22.3%，所以对总化学品足迹贡献较大，并且过量的过氧化氢会对生物造成一定的危害。通过对化学品污染物溯源可以发现，对生态环境影响最明显的物料为消泡剂和过氧化氢漂白剂，化学品足迹分别为2.23×104L和1.37×104L。其中消泡剂产生的污染物不仅难以降解，而且会影响水生生物的生长与发育，对生态环境造成较大威胁。过氧化氢漂白剂在水中的溶解度很高，并且过量的过氧化氢会对细胞造成损伤，加速生物老化，引发器官癌变，尤其是能产生过量的羟基自由基，可参与生物体内的羟基化反应及电子转移，造成生物体细胞的坏死或病变，从而危害生物健康［17］。

表2 化学品污染物来源及其化学品足迹

3 结论

（1）核算单元牛仔织物染整加工过程中产生的总化学品足迹为6.24×104L，其中经纱加工产生的化学品足迹比纬纱加工高22.06%。

（2）对化学品足迹贡献最大的污染物是2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮，占总化学品足迹的29.8%，其次为过氧化氢，占总化学品足迹的22.1%。

（3）化学品足迹的污染物主要来源于物料中的消泡剂和过氧化氢漂白剂，二者共占总化学品足迹的57.7%。