二次電池生產(chǎn)場地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件開發(fā)與應(yīng)用*

李茜 王雨琪 張之琦 黃凱 郁亞娟

(1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院 北京100081； 2.賽默飛世爾科技(中國)有限公司 北京 100013；3.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083)

0 引言

隨著插電式混合動(dòng)力車和電池電動(dòng)車的使用，鋰離子電池逐漸占據(jù)市場的主導(dǎo)地位[1]。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2018年我國鋰離子電池產(chǎn)量為139.88億(約124.2 GWh)，實(shí)現(xiàn)了電池產(chǎn)量的快速增長[2]。預(yù)計(jì)到2020年我國鋰離子電池需求量為125 GWh，而對(duì)應(yīng)的廢舊電池量將達(dá)到32 GWh，折合重量約50萬t[3]。如此大量的廢舊電池如不處理達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致大量重金屬元素滲入土壤，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種定量檢測由人為行動(dòng)或自然變化引起生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或組成改變，進(jìn)而導(dǎo)致功能受損風(fēng)險(xiǎn)值的辦法[4]。1983年，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)由美國國家科學(xué)院首次提出，發(fā)展經(jīng)歷Suter(1993)、EPA(1998)模型、MMSOILS等多介質(zhì)模型。目前，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已基本形成體系，并添加沉積物和地質(zhì)累積指數(shù)用于重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[5]。近年來，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中于污染評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用、土壤重金屬濃度的測定、與土壤有關(guān)的作物重金屬污染等方面[6-9]。但是現(xiàn)階段，有關(guān)二次電池生產(chǎn)場地土壤重金屬評(píng)價(jià)的研究并不多見。

人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要組成部分[10]，其實(shí)現(xiàn)了人體健康和環(huán)境污染有機(jī)結(jié)合。這種評(píng)價(jià)體系的主要特點(diǎn)是評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化，能準(zhǔn)確地用數(shù)字顯示污染因子對(duì)人體產(chǎn)生怎樣的、何種程度的危害。我國的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究始于上世紀(jì)90年代。被列入國家通關(guān)計(jì)劃后，健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)取得了較大進(jìn)展，一些學(xué)者對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行了人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[11-13]。

目前，國內(nèi)已有部分應(yīng)用于環(huán)境評(píng)價(jià)的軟件研究，但并沒有相關(guān)的對(duì)二次電池生產(chǎn)場地進(jìn)行生態(tài)污染評(píng)價(jià)及對(duì)從業(yè)人員進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的系統(tǒng)軟件。因此針對(duì)國內(nèi)電池生產(chǎn)場地土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，基于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法建立模型，設(shè)計(jì)場地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)平臺(tái)，本研究具有一定的創(chuàng)新性。其次，“十三五”以來國家越來越重視環(huán)保的發(fā)展，增加環(huán)境監(jiān)管力度[14]，導(dǎo)致二次電池生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于環(huán)境評(píng)價(jià)的需求大大增加。此外，目前國內(nèi)新能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，二次電池生產(chǎn)企業(yè)不斷增多，本軟件將具有廣泛的市場及不斷擴(kuò)大的市場需求。

經(jīng)過驗(yàn)證，該軟件能成功對(duì)二次電池生產(chǎn)場地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為治理環(huán)境土壤污染提供精確便捷的、有針對(duì)性的措施及軟件支持，這對(duì)于監(jiān)管不同場地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)人體健康具有重要意義。

1 軟件設(shè)計(jì)思路

數(shù)量日益增長的二次電池生產(chǎn)場地存在造成土壤重金屬污染以及危害人體健康等潛在問題，因此以環(huán)境評(píng)價(jià)計(jì)算方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)二次電池生產(chǎn)場地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)平臺(tái)。由于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系運(yùn)用于評(píng)價(jià)電池生產(chǎn)場地員工的案例較少，考慮將本軟件推廣使用于評(píng)價(jià)各二次電池生產(chǎn)場地，使得大部分電池生產(chǎn)場地員工的職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)都可以依據(jù)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。該軟件內(nèi)置土壤重金屬背景值、毒理學(xué)系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，并且可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行添加、修改和刪除；也應(yīng)內(nèi)置生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(選擇地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法[15-17])和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(進(jìn)行致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算和非致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算[18-20])的計(jì)算方法；此外還應(yīng)具有相應(yīng)的輸入和輸出界面，輸出結(jié)果應(yīng)包含圖表分析、評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比等界面。作為綜合性的評(píng)價(jià)平臺(tái)，此軟件還應(yīng)具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的功能，以便相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立[21]。

圖1 軟件設(shè)計(jì)流程

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件運(yùn)行環(huán)境和軟件安裝

選用Java語言編寫場地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，軟件符合J2EE規(guī)范，以WAR壓縮包形式發(fā)布。軟件可在WINDOW8，WINDWOS10，LINUX操作系統(tǒng)平臺(tái)下運(yùn)行，網(wǎng)頁瀏覽器可用IE8.0或火狐、谷歌瀏覽器。軟件以Tomcat8.0作為應(yīng)用服務(wù)器，以Mysql5.5作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

計(jì)算機(jī)需安裝JDK.exe，Tomcat8.0.exe，Mysql5.5.exe，具備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件運(yùn)行的基本環(huán)境。找到安裝軟件包并打開。訪問該系統(tǒng)時(shí)，需要打開瀏覽器，輸入地址欄后回車，即可登錄風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件。

2.2 系統(tǒng)操作

在運(yùn)行環(huán)境下成功安裝軟件后，可選取實(shí)例進(jìn)行系統(tǒng)操作演示。擬選取長江三角洲某電池生產(chǎn)場地為實(shí)例，進(jìn)行場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析與計(jì)算，主要關(guān)注Cd，Cu，Co，Mn和Ni這5種重金屬元素。輸入用戶名和密碼登陸系統(tǒng)后，進(jìn)入系統(tǒng)首頁面。點(diǎn)擊工廠評(píng)價(jià)模塊，首先輸入新建場地的名稱，然后選擇需要的重金屬名稱并輸入各重金屬元素在土壤中的濃度值，如圖2所示。

電池生產(chǎn)場地的重金屬種類和含量添加完畢后，點(diǎn)擊完成即可出現(xiàn)地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、人體健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)結(jié)果通過圖表或數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行展示，可以根據(jù)不同需求進(jìn)行查看。

3 系統(tǒng)功能模塊

3.1 軟件模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過該軟件，將需要被評(píng)價(jià)場地的土壤重金屬數(shù)據(jù)輸入，即可得到該電池生產(chǎn)場地產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及人體健康風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)。為滿足用戶的不同需要，該軟件能生成同一場地不同類型的數(shù)據(jù)圖表，還可以比較不同場地間的風(fēng)險(xiǎn)值。作為合格軟件應(yīng)具備管理功能，可對(duì)各種理論參數(shù)進(jìn)行修改，對(duì)用戶身份進(jìn)行審核。該軟件系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 新建工廠與數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面

圖3 系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)

由圖3可以看出，電池生產(chǎn)場地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)平臺(tái)共包括8個(gè)功能模塊，分別為工廠評(píng)價(jià)、電池廠柱圖對(duì)比、電池廠餅圖對(duì)比、金屬元素柱圖對(duì)比、工廠管理、工廠重金屬管理、重金屬配置和后臺(tái)管理。

3.2 評(píng)價(jià)分析類模塊

評(píng)價(jià)分析類模塊主要為滿足用戶查看或比較場地風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果的不同需求而設(shè)計(jì)。軟件具備柱圖、餅圖、表格3種不同數(shù)據(jù)展示類型，供用戶選擇進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。除此之外，用戶可以同時(shí)采集數(shù)十個(gè)企業(yè)的土壤重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，也可以采集同一生產(chǎn)場地不同生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較。下面主要對(duì)電池廠柱圖對(duì)比、電池廠餅圖對(duì)比、金屬元素柱圖對(duì)比3類功能模塊進(jìn)行介紹。

點(diǎn)擊電池廠柱圖對(duì)比，用戶可以添加不同電池生產(chǎn)場地，點(diǎn)擊對(duì)比即產(chǎn)生各場地重金屬污染及人體健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)柱狀圖，如圖4所示。

圖4 電池廠柱圖對(duì)比

點(diǎn)擊電池廠餅圖對(duì)比，選擇一個(gè)電池生產(chǎn)場地，點(diǎn)擊分析后結(jié)果如圖5所示。可以分別顯示該場地各元素的地積累指數(shù)對(duì)比，潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)比，非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)比。

點(diǎn)擊金屬元素柱圖對(duì)比，可以選擇多個(gè)場地進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，分別選擇地積累指數(shù)對(duì)比、潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)比、非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)比可以出現(xiàn)4次不同元素的柱圖對(duì)比，如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)管理類模塊

系統(tǒng)管理類模塊主要滿足用戶的參數(shù)設(shè)置、功能管理需求。工廠管理模塊可以對(duì)已創(chuàng)建的電池生產(chǎn)場地進(jìn)行管理，在工廠管理界面，可對(duì)已有的電池生產(chǎn)場地進(jìn)行刪除和查看。點(diǎn)擊重金屬配置模塊，將出現(xiàn)如圖7所示界面。界面左上角可添加新的或查詢已有的重金屬元素，點(diǎn)擊修改或者刪除按鈕可以對(duì)已有重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

圖5 電池廠餅圖對(duì)比

圖6 金屬元素柱圖對(duì)比

圖7 重金屬配置

4 結(jié)論

針對(duì)二次電池生產(chǎn)企業(yè)所帶來的環(huán)境問題，以及隨之而來的員工職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)，本研究設(shè)計(jì)了二次電池生產(chǎn)場地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)平臺(tái)。本研究闡述了軟件的評(píng)價(jià)方法、設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)功能模塊類型，并以長江三角洲電池生產(chǎn)場地為實(shí)例進(jìn)行軟件操作演示，證實(shí)該軟件具有可行性。該軟件的使用，比原來較為傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法更精確、便捷，節(jié)省了人工成本；通過不斷的置入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如不同地區(qū)的土壤背景值參數(shù)、各元素的毒理學(xué)系數(shù)等，可以使所評(píng)價(jià)的范圍更加廣泛；通過不斷的對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、維護(hù)，使得軟件的使用周期更為長久。通過該軟件的普及、數(shù)據(jù)庫不斷的豐富，未來甚至可以期望其擁有較為完備的國內(nèi)二次電池生產(chǎn)場地的土壤數(shù)據(jù)，保護(hù)從業(yè)人員身體健康。

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的21世紀(jì)，是互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代也是大數(shù)據(jù)的時(shí)代[22]。本研究將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與環(huán)境評(píng)價(jià)相結(jié)合，期望有助于環(huán)境保護(hù)實(shí)現(xiàn)科技化和便捷化?？梢灶A(yù)期，隨著此類軟件的普及，可以使政府更好的采取有針對(duì)性的、科技含量高的、規(guī)模較大的環(huán)境土壤治理措施及手段，這對(duì)于監(jiān)管不同區(qū)域的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、降低人體健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。