王宇珊， 鐘昌琴， 劉成堅, 陳曉燕， 吳仕森， 陳繼鑫， 楊文超， 黃道建*

(1. 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所， 廣州 510655； 2. 廣州開發(fā)區(qū)環(huán)境監(jiān)測站， 廣州 510663； 3. 陽春市環(huán)境監(jiān)測站， 陽江 529600)

近年來垃圾焚燒發(fā)電已在各大、中型城市建設(shè)并廣泛應(yīng)用，成為我國主要的垃圾減量化處置方式. 垃圾焚燒廠向周邊環(huán)境排放污染物，如重金屬(Cr、As和Pb等[1])和二噁英類化合物(主要為17種劇毒化合物，統(tǒng)稱為PCDD/Fs)，因此存在一定的環(huán)境風(fēng)險，尤其是二噁英類化合物會對人體健康產(chǎn)生較大危害且在環(huán)境中的存在具有持久性[2]，導(dǎo)致公眾對垃圾焚燒廠的建設(shè)表現(xiàn)出明顯的鄰避反應(yīng)現(xiàn)象. 為明確垃圾焚燒廠帶來的危害，國內(nèi)外已有學(xué)者在垃圾焚燒廠周邊開展了環(huán)境健康風(fēng)險研究[3-5]，但國內(nèi)學(xué)者對垃圾焚燒廠周邊開展PCDD/Fs風(fēng)險評價時，主要監(jiān)測的環(huán)境介質(zhì)為環(huán)境空氣和土壤，較少涉及對飛灰進(jìn)行風(fēng)險評估. 實際上飛灰作為垃圾焚燒中二噁英的主要捕集途徑，含有一半以上的二噁英[6]，因此研究飛灰PCDD/Fs健康風(fēng)險對研究垃圾焚燒廠潛在健康風(fēng)險具有非常重要的意義.

本文分析了珠三角某垃圾焚燒廠的廠內(nèi)環(huán)境(空氣和飛灰)、鄰近敏感點環(huán)境(空氣和土壤)中的PCDD/Fs分布情況(毒性學(xué)量以I-TEQ計)采用USEPA風(fēng)險評價模型和蒙特卡洛模擬對該垃圾焚燒廠的廠內(nèi)工人和敏感點周邊村民(下文簡稱“村民”，包括兒童、青少年和成人)的健康風(fēng)險進(jìn)行評估，為我國垃圾焚燒廠排放PCDD/Fs對廠內(nèi)工人和周邊敏感點村民可能帶來的健康風(fēng)險提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

該研究中的垃圾焚燒廠位于珠三角地區(qū)某市，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，高溫多雨濕潤，多年平均氣溫為22.6 ℃左右，多年平均降水量為1 953 mm，全年主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)，其次是東南風(fēng).

該垃圾焚燒廠一期工程于2015年7月建成投產(chǎn)，二期工程于2018年5月建成投產(chǎn)，設(shè)計焚燒爐規(guī)模分別為2×350 t/d(表示2個處理規(guī)模為350 t的焚燒爐，全文同)和1×350 t/d，年處理垃圾量分別約為2.79×105t和1.28×105t. 焚燒煙氣采用“SNCR+半干式旋轉(zhuǎn)噴霧吸收塔+干法脫酸+活性炭噴射系統(tǒng)+布袋除塵器”組合工藝.

1.2 樣品采集和檢測

為評估垃圾焚燒廠的廠內(nèi)工人的二噁英健康風(fēng)險，本研究采集了廠內(nèi)環(huán)境空氣和飛灰樣品，飛灰樣品取自垃圾焚燒廠固化飛灰存放間，包括2017年(2個樣)、2018年(3個樣)和2019年(1個樣)共計7個樣品；廠界環(huán)境空氣樣品采集自廠界內(nèi)4個監(jiān)測點(1個上風(fēng)向和3個下風(fēng)向)，采樣時間為2017年冬季、2018年夏季和2019年夏季(每年4個樣品)，共計12個樣品；為評估垃圾焚燒廠鄰近敏感點的二噁英健康風(fēng)險，本研究選取在下風(fēng)向鄰近的村落(以煙囪為起點約1.5 km處)布設(shè)環(huán)境空氣和土壤采樣點，環(huán)境空氣采樣分別于2017年冬季(1個樣)、2018年夏季(2個樣)和2019年夏季(1個樣)進(jìn)行，共采集4個樣品；土壤采樣分別于2017年冬季(1個樣)、2018年春季(1個樣)和2019年春季(1個樣)進(jìn)行，共采集3個樣品.

各環(huán)境介質(zhì)采樣位置見圖1,其中A1～A4為廠界環(huán)境空氣采樣點，A5為鄰近敏感點環(huán)境空氣采樣點，F(xiàn)為飛灰采樣點，S為鄰近敏感點土壤采樣點.

圖1 飛灰、環(huán)境空氣和土壤采樣位置圖Figure 1 The sampling spots of PCDD/Fs in fly ash, air and soil

環(huán)境空氣采樣方法和檢測方法均參照HJ 77.2—2008《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》. 采集的飛灰樣品為經(jīng)固化處理后的飛灰，采樣方法參照HJ/T 20—1998《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范》中的簡單隨機(jī)采樣法，檢測方法參照HJ 77.3—2008《固體廢物 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》；土壤樣品采集方法參照HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中的梅花點法采集表層土壤(深度為0～20 cm)，檢測方法參照HJ 77.4—2008《土壤和沉積物 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》.

1.3 健康風(fēng)險評估

對暴露在PCDD/Fs環(huán)境(空氣、飛灰和土壤)的垃圾焚燒廠廠內(nèi)工人(成人)和居住于垃圾焚燒廠下風(fēng)向鄰近敏感點的村民(成人、青少年和兒童)進(jìn)行健康風(fēng)險評估.

1.3.1 USEPA風(fēng)險評估公式 廠內(nèi)工人以8 h在廠內(nèi)、16 h在鄰近敏感點計算，接觸飛灰、土壤的二噁英暴露量和接觸環(huán)境空氣二噁英的暴露質(zhì)量濃度計算公式如下：

(1)飛灰暴露量

(1)

(2)

(3)

(2)土壤暴露量

(4)

(5)

(6)

(3)環(huán)境空氣暴露質(zhì)量濃度

(7)

以24 h在鄰近敏感點計算村民的健康風(fēng)險，接觸的土壤二噁英暴露量和環(huán)境空氣二噁英暴露質(zhì)量濃度的計算公式如下：

(1)土壤暴露量

(8)

(9)

(10)

(2)環(huán)境空氣暴露質(zhì)量濃度

(11)

飛灰/土壤暴露的二噁英健康風(fēng)險和環(huán)境空氣暴露的健康風(fēng)險計算公式如下：

(1)飛灰/土壤暴露的健康風(fēng)險

(12)

(13)

(2)環(huán)境空氣暴露的健康風(fēng)險

CRair=ECair×IUR,

(14)

HIair=ECair/RfC.

(15)

式(1)～(15)中，cFA和cS分別為飛灰和土壤中PCDD/Fs毒性當(dāng)量(mg TEQ/kg)；CDIinh、CDIderm和CDIing分別為口鼻吸入暴露量、皮膚接觸暴露量和意外經(jīng)口攝入暴露量(mg/(kg·d))；CR為飛灰和土壤致癌風(fēng)險(無量綱)，HI為飛灰和土壤非致癌風(fēng)險(無量綱). 環(huán)境空氣健康風(fēng)險采用USEPA的新方法[7-8]，ECair為暴露質(zhì)量濃度(μg TEQ/m3)，cair-MSWI和cair-village分別為廠界環(huán)境空氣和鄰近敏感點環(huán)境空氣中PCDD/Fs毒性當(dāng)量(μg TEQ/kg)；CRair和HIair分別為環(huán)境空氣致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險；其余參數(shù)見表1.

1.3.2 蒙特卡洛模擬 蒙特卡洛模擬是一種利用隨機(jī)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計試驗的方法，近年來常被應(yīng)用到風(fēng)險評價工作中. 通過模擬不同輸入變量得到大量模擬結(jié)果并進(jìn)行統(tǒng)計分析[9]. 由表1可知，部分參數(shù)為固定值，部分參數(shù)為呈現(xiàn)統(tǒng)計分布的數(shù)組. 本研究采用Oracle Crystal Ball 11.1軟件對健康風(fēng)險進(jìn)行蒙特卡洛模擬計算，廠內(nèi)工人健康風(fēng)險計算運行100 000次，村民健康風(fēng)險計算運行50 000次.

表1 USEPA計算中的參數(shù)Table 1 The values and parameters for health risk assessment in USEPA

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰、環(huán)境空氣和土壤的PCDD/Fs質(zhì)量水平

垃圾焚燒廠內(nèi)的飛灰、鄰近敏感點的土壤和環(huán)境空氣以及廠界環(huán)境空氣中的PCDD/Fs質(zhì)量水平統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，質(zhì)量濃度和毒性當(dāng)量的百分比如表3所示.

表2 飛灰、土壤和環(huán)境空氣中PCDD/Fs的毒性當(dāng)量水平Table 2 The PCDD/Fs TEQ concentration levels in fly ash, soil and air

表3 飛灰、環(huán)境空氣和土壤中PCDD/Fs單體的質(zhì)量濃度和毒性當(dāng)量的百分比Table 3 The PCDD/Fs congener profiles in fly ash, air and soil for concentrations and TEQ concentrations %

由表2可知，固化后的飛灰樣品中PCDD/Fs質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為225.00～7 500.00 ng/kg，毒性當(dāng)量范圍為8.99～240.00 ng/kg，低于SUN等[12]研究中的固化飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)(70.7～774.2 ng TEQ/kg)，因固化處理可降低飛灰中大部分PCDD/Fs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此本研究的固化飛灰PCDD/Fs質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于其他研究中飛灰的PCDD/Fs質(zhì)量分?jǐn)?shù)(59 600 ng/kg[13]，2 593～2 704 ng TEQ/kg[14])，滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)中飛灰進(jìn)入生活垃圾填埋場二噁英毒性當(dāng)量限值要求(低于3 μg TEQ/kg).

鄰近敏感點土壤中PCDD/Fs質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為150.84～484.25 ng/kg，平均值為351.55 ng/kg，毒性當(dāng)量為0.81～2.04 ng TEQ/kg，其平均值為1.58 ng TEQ/kg，低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中“第一類用地”風(fēng)險篩選值(10 ng TEQ/kg).

廠界環(huán)境空氣和鄰近敏感點環(huán)境空氣中PCDD/Fs毒性當(dāng)量范圍為0.03～0.20 pg TEQ/m3，低于《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)生物質(zhì)發(fā)電項目環(huán)境影響評價管理工作的通知》環(huán)發(fā)〔2008〕要求參照的日本年均濃度標(biāo)準(zhǔn)(0.6 pg TEQ/m3). 廠界環(huán)境空氣和鄰近敏感點的環(huán)境空氣PCDD/Fs質(zhì)量濃度差別不大，平均值分別為0.07 pg TEQ/m3和0.10 pg TEQ/m3，總體低于其他研究中垃圾焚燒廠周邊環(huán)境空氣的PCDD/Fs質(zhì)量濃度水平(0.178 pg TEQ/m3[15]、0.11～1.8 pg TEQ/m3[16])，與ZHANG等[17]研究結(jié)果較接近(焚燒廠周邊環(huán)境空氣PCDD/Fs質(zhì)量濃度平均值為0.078～0.10 pg TEQ/m3).

2.2 PCDD/Fs單體的分布特征

飛灰、廠界環(huán)境空氣、鄰近敏感點土壤和環(huán)境空氣的17種PCDD/Fs單體分布特征見表3，對質(zhì)量水平貢獻(xiàn)較高的單體主要有：OCDD、1,2,3,4,6,7,8-HpCDD和1,2,3,4,6,7,8-HpCDF，其中OCDD在飛灰、廠界環(huán)境空氣、鄰近敏感點環(huán)境空氣和土壤中均為占比最高的單體，比例分別為41.54%、39.92%、24.32%和92.69%，貢獻(xiàn)率明顯高于其他單體. OCDD在土壤PCDD/Fs質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比遠(yuǎn)高于其在其余環(huán)境介質(zhì)中的占比，說明土壤PCDD/Fs可能受到除垃圾焚燒廠之外其他來源的影響. 在飛灰、廠界環(huán)境空氣和鄰近敏感點環(huán)境空氣中，PCDD/Fs毒性當(dāng)量占比較大的單體是2,3,4,7,8-PeCDF，貢獻(xiàn)率分別為36.23%、32.69%和31.21%. 其他文獻(xiàn)結(jié)果[17-18]表明，在垃圾焚燒廠周邊環(huán)境空氣中，PCDD/Fs毒性當(dāng)量占比最大的單體通常是2,3,4,7,8-PeCDF(占31.01%～53.00%). 本研究的土壤樣品PCDD/Fs毒性當(dāng)量分布與環(huán)境空氣、飛灰分布不太一致，對毒性當(dāng)量貢獻(xiàn)最高的單體為OCDD(19.92%)，其次為2,3,4,7,8-PeCDF(18.52%)和1,2,3,7,8-PeCDD (12.02%). 總體上，飛灰、廠內(nèi)環(huán)境空氣和鄰近敏感點環(huán)境空氣的PCDD/Fs單體分布特征更加接近，土壤PCDD/Fs單體分布特征與其他環(huán)境介質(zhì)的稍有差別.

2.3 廠內(nèi)工人和村民的健康風(fēng)險評估

將飛灰、廠界環(huán)境空氣、土壤和鄰近敏感點環(huán)境空氣樣品的毒性當(dāng)量最大值分別代入式(1)～(15)，通過對表1中存在統(tǒng)計分布的參數(shù)采用蒙特卡洛抽樣模擬，并進(jìn)行隨機(jī)抽樣，計算健康風(fēng)險結(jié)果，采用風(fēng)險統(tǒng)計結(jié)果的第95%值作為風(fēng)險值的上限.

2.3.1 致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險統(tǒng)計結(jié)果 廠內(nèi)工人和村民(成人、青少年和兒童)的致癌風(fēng)險(CR)合計和非致癌風(fēng)險(HI)合計統(tǒng)計結(jié)果如表4所示.

表4 廠內(nèi)工人和村民(成人、青少年和兒童)的二噁英致癌風(fēng)險(CR)和非致癌風(fēng)險(HI)Table 4 The carcinogenic risk (CR) and non-carcinogenic risk (HI) of PCDD/Fs to on-site workers and villagers (adults, teens and children) at the adjacent sensitive spot

一般情況下，致癌風(fēng)險CR高于1.00×10-4則說明具有較高致癌風(fēng)險[19]，低于1.00×10-5可視為可接受范圍[20]. 由表4可知，廠內(nèi)工人CR合計第95%值為6.04×10-6，村民中的成人、青少年和兒童CR合計第95%值分別為3.94×10-6、4.55×10-7和8.50×10-7，均低于1.00×10-5，說明致癌風(fēng)險屬于可接受范圍. 4種暴露人群的CR合計第95%值排序為：廠內(nèi)工人>成人>兒童>青少年. 廠內(nèi)工人CR合計第95%值最高，分別是村民成人、青少年和兒童的1.54、13.27和7.11倍. 廠內(nèi)工人和成人村民的CR相對較高，第95%值分別為6.04×10-6和3.94×10-6.

非致癌風(fēng)險HI超過1表示具有非致癌風(fēng)險[21]. 由圖4可知，廠內(nèi)工人HI合計第95%值為4.28×10-2，村民中的成人、青少年和兒童HI合計第95%值分別為4.61×10-3、5.81×10-3和6.90×10-3，遠(yuǎn)低于1，說明非致癌風(fēng)險極低.

2.3.2 廠內(nèi)工人和成人CR暴露途徑占比分析 由上文可知,廠內(nèi)工人和鄰近敏感點的成人村民CR相對較高，第95%值分別占風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值(1.00×10-5)的60 %和39%，因此對這兩類人群的CR暴露途徑進(jìn)行分析.

每種暴露途徑CR及其在總風(fēng)險(即CR合計)的占比同樣采用蒙特卡洛模擬進(jìn)行50 000次隨機(jī)抽樣計算，廠內(nèi)工人各暴露途徑CR和占比見圖2，成人村民各暴露途徑CR和占比見圖3.

圖2 廠內(nèi)工人各暴露途徑CR及其占比Figure 2 The CR values and percentages of individual exposure pathways for on-site workers

圖3 成人村民各暴露途徑CR及其占比Figure 3 The CR values and percentages of individual exposure pathways for adult villagers

由圖2可知，廠內(nèi)工人的8種暴露途徑中，平均占比最高的前三項暴露途徑分別是敏感點空氣吸入(42.43%)、飛灰經(jīng)口攝入(38.43%)和廠內(nèi)空氣吸入(12.69%)，CR統(tǒng)計結(jié)果平均值分別為1.36×10-6、1.23×10-6和4.06×10-7. 由圖3可知，成人村民CR的4種暴露途徑中，敏感點空氣吸入占絕對主導(dǎo)地位，平均占比達(dá)到97.79%，對應(yīng)的CR為2.03×10-6. 其他關(guān)于垃圾焚燒廠周邊居民的健康風(fēng)險研究[11]均表明，環(huán)境空氣吸入是致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險中最主要的暴露途徑，這與成人村民CR暴露途徑中環(huán)境空氣吸入占主導(dǎo)的規(guī)律相符. 廠內(nèi)工人由于暴露介質(zhì)包括了二噁英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的飛灰，因此飛灰意外經(jīng)口攝入CR達(dá)到1.23×10-6，貢獻(xiàn)了總CR的38.43%；但環(huán)境空氣吸入(包括廠內(nèi)空氣和敏感點空氣)仍然是對廠內(nèi)工人CR貢獻(xiàn)最高的暴露途徑，CR之和為1.76×10-6，占55.12%. 建議加強(qiáng)對環(huán)境空氣二噁英監(jiān)控和廠內(nèi)飛灰經(jīng)口攝入的風(fēng)險管控.

3 結(jié)論

(1)固化飛灰PCDD/Fs毒性當(dāng)量(以I-TEQ計)范圍為8.99～240.00 ng TEQ/kg，廠外土壤監(jiān)測點土壤中PCDD/Fs毒性當(dāng)量范圍為0.81～2.04 ng TEQ/kg. 廠界環(huán)境空氣和鄰近敏感點環(huán)境空氣中PCDD/Fs毒性當(dāng)量范圍為0.03～0.20 pg TEQ/m3，均低于《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)生物質(zhì)發(fā)電項目環(huán)境影響評價管理工作的通知》(環(huán)發(fā)〔2008〕)要求參照的日本年均濃度標(biāo)準(zhǔn)0.6 pg TEQ/m3.

(2) 飛灰、廠內(nèi)環(huán)境空氣和鄰近敏感點環(huán)境空氣的PCDD/Fs單體分布特征更加接近，土壤PCDD/Fs單體分布特征與飛灰和環(huán)境空氣的有輕微差別.

(3)廠內(nèi)工人和村民(成人、青少年和兒童)的致癌風(fēng)險CR合計第95%值范圍為4.55×10-7～6.04×10-6，低于1.00×10-5，為可接受風(fēng)險范圍；非致癌風(fēng)險HI合計第95%值范圍為4.61×10-3～4.28×10-2，遠(yuǎn)低于1，非致癌風(fēng)險極低.

(4) 廠內(nèi)工人和成人村民CR合計相對較高，第95%值占風(fēng)險安全值的60 %和39%；廠內(nèi)工人的環(huán)境空氣吸入(包括在敏感點和在廠內(nèi))和飛灰經(jīng)口攝入CR占比最高，比例達(dá)55.12%和38.43%；成人村民的環(huán)境空氣吸入在總CR中起主導(dǎo)作用，占比達(dá)97.79%.