傅滬鳴

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市 200092）

垃圾焚燒飛灰自然堆積過程中細(xì)顆粒擴(kuò)散的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

傅滬鳴

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市 200092）

通過分析不同粒徑飛灰細(xì)顆粒重金屬和二噁英含量以及15個(gè)垃圾焚燒飛灰重金屬和二噁英總量,評(píng)估我國飛灰中PM10及PM2.5重金屬和二噁英平均含量。利用USEPA AP-42及SCREEN3估算飛灰在自然堆積時(shí)PM10及PM2.5的散逸濃度,進(jìn)而分析得到,飛灰自然堆積時(shí),操作現(xiàn)場(chǎng)、最大落地點(diǎn)32 m及800 m處可能受影響人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)(Risk)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)(HQ)均超過工業(yè)場(chǎng)地及居住用地風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。主要風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)是重金屬,二噁英引起的風(fēng)險(xiǎn)極小。

垃圾焚燒；飛灰；細(xì)顆粒；散逸；健康風(fēng)險(xiǎn)

0 引言

飛灰作為一種危廢,其中含有大量的重金屬、二噁英和二噁英類物質(zhì)。飛灰中重金屬和二噁英含量主要受垃圾組分、焚燒溫度、煙氣冷卻停留時(shí)間等[1,2]因素影響。重金屬和二噁英均屬于致癌物質(zhì),研究者[3,4]嘗試建立重金屬總量與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系,但是結(jié)果通常比較模糊,重金屬總量可以預(yù)測(cè)元素的富集,但是無法預(yù)測(cè)重金屬在環(huán)境中的毒性行為。

美國EPA發(fā)布的《生活垃圾焚燒殘余物的環(huán)境釋放與暴露評(píng)估方法》[5]指出,飛灰在處理處置過程中容易導(dǎo)致飛灰散逸釋放到環(huán)境[6]。因此,飛灰細(xì)顆粒的散逸必將對(duì)飛灰處理處置現(xiàn)場(chǎng)的操作工人以及周邊居民的健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn),重金屬會(huì)在細(xì)顆粒中富含[7],說明細(xì)顆粒引起的風(fēng)險(xiǎn)要高于原灰。本研究針對(duì)垃圾焚燒飛灰自然堆積條件下飛灰中細(xì)顆粒的散逸,評(píng)估飛灰細(xì)顆粒中富集的重金屬及二噁英對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員及周圍居民造成的致癌及非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

試驗(yàn)用飛灰取自15個(gè)省市生活垃圾焚燒廠（S1、S2、……、S15）,并分析其重金屬含量。采用Andersen大氣采樣裝置篩分上海御橋垃圾焚燒發(fā)電廠不同粒徑的飛灰。收集的粒徑區(qū)間分別是DP＞10（大于10 μm),DP10-5（粒徑區(qū)間為5μm到10 μm）,DP5-2.5（粒徑區(qū)間為2.5 μm到5 μm）, DP2.5-1（粒徑區(qū)間為1 μm到2.5 μm）,和DP＜1 (小于1 μm)。

重金屬分析:消解稱取0.2 g干燥樣品置于聚四氟乙烯消解管中,依次加入10 mL HNO3+5 mL HClO4+10 mL HF,使用石墨消解儀進(jìn)行消解。使用ICP-AES檢測(cè)重金屬濃度。

二噁英:稱取20 g飛灰樣品,用經(jīng)處理過的濃硫酸萃取,濃縮液經(jīng)硝酸銀/硅膠柱和活性炭/硅膠柱凈化。PCDD/Fs和dl-PCBs的濃度檢測(cè)采用高分辨率氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行分析。四氯取代至六氯取代PCDD/Fs的分析使用——CP-Sil88 for dioxins‖分離柱,七氯取代和八氯取代PCDD/Fs以及dl-PCBs的分析使用DB-5ms毛細(xì)管柱。

1.2 特征污染物的識(shí)別

通過對(duì)危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)滲濾液中重金屬種類及濃度分析,能直觀判斷填埋飛灰中污染物質(zhì)成分。依據(jù)本課題組以往研究中獲得的危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)滲濾液中重金屬污染物種類及濃度可以發(fā)現(xiàn),Zn、Pb、Cr、Ni、Cd和Cu都為填埋場(chǎng)滲濾液主要金屬污染物。除Ni數(shù)據(jù)缺失不做考慮外,將Zn、Pb、Cr、Cd、Cu和二噁英列為本研究的關(guān)注污染物。

1.3 擴(kuò)散模型及參數(shù)選擇

飛灰在處理過程、卸載、運(yùn)輸設(shè)備經(jīng)過和風(fēng)力擾動(dòng)等過程均會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵。本研究在飛灰顆粒物擴(kuò)散速率方面主要考慮了飛灰處理過程及風(fēng)力作用兩種情況。產(chǎn)生量除通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)外,利用USEPA提供的AP-42模型[8]進(jìn)行評(píng)估。AP-42模型在PM10及PM2.5的擴(kuò)散[9-11]中有廣泛應(yīng)用。

通過USEPA AP-42估算飛灰處理過程顆粒物排放速率E（單位:g/m2·y）:

風(fēng)蝕過程產(chǎn)生顆粒物排放速率EF（單位: g/m2·y）:

顆粒物（PM10、PM2.5）擴(kuò)散濃度選用SCREEN3進(jìn)行模擬,用于模擬污染物在大氣中的擴(kuò)散[12]。粒徑模擬PM10與PM2.5,因此不考慮沉降。表1為參數(shù)選擇。

表1 參數(shù)選擇

1.4 風(fēng)險(xiǎn)表征

根據(jù)飛灰細(xì)顆粒中重金屬含濃度及細(xì)顆粒的擴(kuò)散,可評(píng)估飛灰細(xì)顆粒對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員及周圍居民的致癌風(fēng)險(xiǎn)。本研究模擬的場(chǎng)景是細(xì)顆粒呼吸道攝入。飛灰中關(guān)注污染物質(zhì)毒性參數(shù)主要采集于IRIS,同時(shí)參考了IARC及WHO等機(jī)構(gòu)發(fā)布的毒性因子。

致癌暴露劑量CDIair-c:

致癌暴露劑量CDIair-nc:

其中Cfa為飛灰關(guān)注污染物濃度。

則飛灰細(xì)顆粒物揚(yáng)塵的致癌風(fēng)險(xiǎn)RISKinhalation及非致癌風(fēng)險(xiǎn)HQinhalation可計(jì)算為:

2 結(jié)果與分析

2.1 飛灰細(xì)顆粒中重金屬含量

圖1 飛灰樣品中重金屬含量

在所有樣品中均檢測(cè)到PCDD/Fs和dl-PCBs。PCDDs、PCDFs和Dl-PCBs總濃度及毒性當(dāng)量見表3。其中毒性當(dāng)量濃度根據(jù)WHO-TEF 2005[15]計(jì)算。

表3 灰樣品中二噁英濃度值（ng/g）和毒性當(dāng)量濃度值（ng-TEQ/g）

圖2表示的是對(duì)上海御橋垃圾焚燒發(fā)電廠飛灰粒徑分類后,不同粒徑飛灰細(xì)顆粒中重金屬及二噁英濃度。其中對(duì)應(yīng)PM10和PM2.5百分含量為36.9%和10.6%,將圖1中15種樣品重金屬及二噁英含量設(shè)定為飛灰中重金屬及二噁英的設(shè)計(jì)值,可得到表4中飛灰細(xì)顆粒中關(guān)注污染物質(zhì)的濃度。

圖2 飛灰中不同粒徑細(xì)顆粒中重金屬及二噁英含量

表4 飛灰細(xì)顆粒中關(guān)注污染物質(zhì)的濃度 mg/kg

2.2 飛灰顆粒物的擴(kuò)散濃度

假設(shè)場(chǎng)地處理飛灰5 t/h（根據(jù)上海市某危廢填埋場(chǎng)灰日處理飛量估算得）,堆存飛灰場(chǎng)地為45 m×45 m（該面積為美國環(huán)保局固廢處置場(chǎng)地大小缺失時(shí)的默認(rèn)值）,則通過USEPA AP-42提供模型可估算得到表5中飛灰在處理過程中細(xì)顆粒物的排放速率及風(fēng)蝕過程產(chǎn)生顆粒物排放速率。

表5 飛灰細(xì)顆粒物的排放速率

圖3是利用SCREEN3模擬的飛灰細(xì)顆粒擴(kuò)散濃度分布。飛灰散逸的PM10和PM2.5均在擴(kuò)散至32 m時(shí)出現(xiàn)最大濃度。圖3中800 m處的飛灰細(xì)顆粒含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）規(guī)定的居住區(qū)PM10和PM2.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)年,因此,選擇32 m和800 m作為暴露點(diǎn)用于本研究評(píng)估。由于該模型僅模擬1 h中最差風(fēng)力條件下的最大濃度,本文選取0.2行校正（見表6）。

圖3 飛灰自然堆存時(shí)細(xì)顆粒擴(kuò)散模擬結(jié)果

表6 飛灰自然堆放時(shí)不同暴露點(diǎn)顆粒物校正濃度 mg/m3

2.3 暴露點(diǎn)飛灰顆粒物中特征污染物濃度

由表4中細(xì)顆粒中關(guān)注物質(zhì)濃度及表6中32 m和800 m處PM10和PM2.5濃度可得到32 m和800 m處各關(guān)注污染物濃度（見表7）。

表7 飛灰自然堆放時(shí)不同暴露點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)暴露濃度 mg/m3

2.4 飛灰揚(yáng)塵散逸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

表8中可得,PM10對(duì)操作現(xiàn)場(chǎng)工人的致癌風(fēng)險(xiǎn)總值為4.96E-04,超過工業(yè)場(chǎng)地致癌風(fēng)險(xiǎn)概率值1.0E-04,其中有PM2.5引起的風(fēng)險(xiǎn)占總風(fēng)險(xiǎn)的27%。貢獻(xiàn)最大是Cr,其風(fēng)險(xiǎn)值為4.86E-04,貢獻(xiàn)率為98%。在顆粒物最大落地點(diǎn)32 m處總風(fēng)險(xiǎn)值為 9.17E-04,大于工業(yè)場(chǎng)地致癌風(fēng)險(xiǎn)概率值1.0E-04。在800 m處,PM10對(duì)居民的致癌總風(fēng)險(xiǎn)值為 1.23E-06,超過居住用地風(fēng)險(xiǎn)概率值1.0E-06,風(fēng)險(xiǎn)最大貢獻(xiàn)者也為Cr,貢獻(xiàn)率為98%。

由表9可得,在最大落地點(diǎn)32 m處PM10對(duì)人體產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險(xiǎn)總值為2.92,大于閾值1,存在風(fēng)險(xiǎn)。其主要風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)為Cd,占總風(fēng)險(xiǎn)的61%,其次為Pb,占總風(fēng)險(xiǎn)29%。操作現(xiàn)場(chǎng)PM10的非致癌風(fēng)險(xiǎn)總值為1.97,大于1,其主要風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)為Cd,占總風(fēng)險(xiǎn)的62%,其次為Pb,占總風(fēng)險(xiǎn)29%。PM2.5在最大落地點(diǎn)處、操作現(xiàn)場(chǎng)和800 m處的非致癌風(fēng)險(xiǎn)值均小于1,僅占總風(fēng)險(xiǎn)值的20%左右。

3 結(jié)論與展望

我國生活垃圾焚燒飛灰中PM10和PM2.5百分含量為36.9%和10.6%。自然堆存狀態(tài)中在操作現(xiàn)場(chǎng)和飛灰揚(yáng)塵最大落地點(diǎn)處由呼吸攝入PM10引起的致癌風(fēng)險(xiǎn)（Risk）和非致癌風(fēng)險(xiǎn)（HQ）均超標(biāo), PM2.5在Risk和HQ中的貢獻(xiàn)率分別為27和20%。PM10對(duì)距離800 m處居民引起的Risk超過居民區(qū)風(fēng)險(xiǎn)概率值,引起致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要物質(zhì)為Cr,引起非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要重金屬為Cd,其次為Pb。

表8 飛灰自然堆放致癌暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

表9 飛灰自然堆放非致癌暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

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X82

A

1009-7716（2017）07-0266-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.081

2017-03-06

傅滬鳴（1959-）,男,江蘇睢寧人,從事固廢設(shè)計(jì)運(yùn)營工作。