劉 音，馬吉燕，程興娜，*，陳 森，杜玉嬌，王婷婷

(1. 山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

0 引 言

城市污泥是污水處理廠對(duì)污水進(jìn)行凈化后產(chǎn)生的固體或液體物質(zhì)，由于水、鹽、揮發(fā)性物質(zhì)、重金屬、致病菌和微量有機(jī)物含量高，城市污泥難以被生物降解，對(duì)城市環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。污泥產(chǎn)量大，生長(zhǎng)速度快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月，我國(guó)城市污泥年產(chǎn)生量共計(jì)5 000多萬(wàn)t(以含水率80%計(jì)，不含工業(yè)污泥)，預(yù)計(jì)到2022年將突破8 909 萬(wàn)t[3]。目前處理城市污泥的主要方法是物理填埋[4-6]。然而，這種方法占用土地資源，甚至可能會(huì)造成二次污染。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高度重視對(duì)城市污泥的利用和處置，鼓勵(lì)開(kāi)展污泥廢棄物的研究和污泥安全環(huán)保工作[7-9]。有專(zhuān)家學(xué)者提出將污泥應(yīng)用于礦山充填領(lǐng)域，為污泥的處置提供了一種新的思路，然而污泥成分比較復(fù)雜，有害物質(zhì)較多，因此有必要對(duì)污泥基充填體對(duì)地下水的水質(zhì)影響進(jìn)行研究。目前，國(guó)內(nèi)外的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法[10-13]。單因子評(píng)價(jià)法以最差指標(biāo)等級(jí)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守。綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法沒(méi)有將權(quán)重納入評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果較為主觀。綜合評(píng)價(jià)法綜合考慮指標(biāo)與權(quán)重的關(guān)系，評(píng)價(jià)結(jié)果較具綜合性[14]。王晴晴等[15]以臺(tái)州市河網(wǎng)水系為研究對(duì)象，利用熵權(quán)法與主成分分析法相結(jié)合的方法對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)；夏凡等[16]采用主成分分析法對(duì)丹江口16條入庫(kù)河流進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法進(jìn)行了對(duì)比分析；楊麗芝[17]等采用改進(jìn)的潛在危害指數(shù)法對(duì)水源地的地下水樣品有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)；尤龍鳳[18]對(duì)太原市不同類(lèi)型的飲用水進(jìn)行研究，引入健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)其致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。劉久潭[19]等運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、水化學(xué)、模糊綜合評(píng)價(jià)以及因子分析等方法對(duì)西海岸新區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上，針對(duì)水質(zhì)狀況的研究多采用單一水質(zhì)評(píng)價(jià)方法或應(yīng)用健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而將兩者結(jié)合以評(píng)價(jià)水質(zhì)的研究卻鮮有報(bào)道。將水質(zhì)評(píng)價(jià)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)合使用有助于全面掌握水質(zhì)狀況和科學(xué)地管理維護(hù)水樣。

本文對(duì)污泥基充填體的環(huán)境友好性問(wèn)題進(jìn)行了研究，并將和諧度方程引入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，利用和諧度“綜合程度評(píng)價(jià)”法進(jìn)行水質(zhì)綜合等級(jí)評(píng)定，并將健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)引入安全評(píng)價(jià)，為污泥基充填體浸出水樣水質(zhì)狀況研究提供了新的思路和方法。

1 材料與方法

1.1 充填體試件及監(jiān)測(cè)水樣制備

前期試驗(yàn)證明摻加10%污泥的充填體與未摻加污泥的充填體相比，其28 d強(qiáng)度下降了70.8%，但仍然以達(dá)到2 MPa，可以滿足目前采空區(qū)強(qiáng)度需求。另外污泥的摻加有效地縮短了凝結(jié)時(shí)間，初凝與終凝時(shí)間較未摻加污泥的充填體縮短64.4% 和59.5%。按照污泥∶水泥∶粉煤灰=1∶2∶3制備試件，生石灰作為激發(fā)劑摻量為4%，料漿濃度為70%，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。將制備好的污泥基充填體試件養(yǎng)護(hù)28 d后浸泡在裝有礦井水的水桶中，固液比為1∶10，浸泡60 d后，取上清液即為待檢水樣。本研究選取了10項(xiàng)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行研究。這些指標(biāo)大致可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為一般化學(xué)指標(biāo)，包括pH值、總硬度、濁度、溶解性總固體這4項(xiàng)指標(biāo)，另一類(lèi)為毒性離子指標(biāo)，包括Zn、Cr、Cu、Mn、Pb和氟化物(F-)這6項(xiàng)指標(biāo)。分別進(jìn)行四組試驗(yàn)互為對(duì)照補(bǔ)充。評(píng)價(jià)指標(biāo)及其等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

浸出水樣的pH值采用數(shù)字式pH計(jì)(pHS-3E型)進(jìn)行測(cè)量，使用電導(dǎo)率儀(DDSJ-308F型)進(jìn)行溶解性總固體測(cè)量，使用濁度計(jì)(WZS-200型)測(cè)定水樣的濁度。重金屬離子以及氟離子等毒性離子濃度采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(型號(hào)ICAP6300)進(jìn)行測(cè)定，地下水水質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)及水樣各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表2 水樣檢測(cè)結(jié)果

1.2 和諧度評(píng)價(jià)法

左其亭教授最早將研究“和諧”行為的理論和方法體系稱為和諧論，并進(jìn)一步定義“和諧論是研究多方參與者共同實(shí)現(xiàn)和諧行為的理論和方法”[20]。和諧度方程是和諧論實(shí)現(xiàn)量化的基礎(chǔ)，和諧度評(píng)價(jià)法是依據(jù)和諧度方程計(jì)算單指標(biāo)和諧度，進(jìn)而通過(guò)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算多指標(biāo)綜合和諧度，進(jìn)而判斷指標(biāo)的分類(lèi)等級(jí)。

1.2.1 單因素和諧度方程

HDk=ai-bj

(1)

式(1)中：HDk為和諧度，其取值范圍為[-1，1]；a為統(tǒng)一度，b為分歧度，a、b∈[0，1]；i為和諧系數(shù)，j為不和諧系數(shù)，i、j∈[0，1]。

和諧度方程各指標(biāo)含義如表3所示。

表3 和諧度方程各指標(biāo)介紹

1.2.2 多因素和諧度方程

(2)

式(2)中：HD為綜合和諧度，n表示因素個(gè)數(shù)，ωk表示各指標(biāo)權(quán)重。

1.2.3 和諧度方程各參數(shù)確定方法

(1)統(tǒng)一度a的計(jì)算

a=φ(A1,A2)

(3)

式(3)中：φ(A1，A2)為和諧行為A1與A2之間的關(guān)聯(lián)程度隸屬度，通常對(duì)指標(biāo)體系建立線性函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(2)分歧度b的計(jì)算

分歧度b與統(tǒng)一度a表達(dá)的意思相反，且a+b=1，故:

b=1-φ(A1,A2)

(4)

(3)和諧系數(shù)i的計(jì)算

本文和諧系數(shù)計(jì)算運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)思想，對(duì)和諧系數(shù)進(jìn)行分級(jí)，按照地下水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分為1、1～0.67、0.67～0.33、0.33～0、0五類(lèi)，數(shù)據(jù)與劃分等級(jí)對(duì)號(hào)入座進(jìn)行匹配，根據(jù)和諧系數(shù)兩節(jié)點(diǎn)公式進(jìn)行計(jì)算，即按公式(4)確定指標(biāo)和諧系數(shù)：

(5)

(4)不和諧系數(shù)j的計(jì)算

不和諧系數(shù)j反映和諧參與者對(duì)存在分歧現(xiàn)象的重視程度，可以根據(jù)分歧度計(jì)算確定，即j=b。

1.2.4 和諧度方程評(píng)價(jià)流程

基于和諧度分析的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)和諧度評(píng)價(jià)法確定地下水水質(zhì)等級(jí)，其流程見(jiàn)圖1。

圖1 和諧度方程“綜合程度評(píng)價(jià)”評(píng)價(jià)流程圖Fig.1 The evaluation flow chart of the “comprehensive degree evaluation” of the harmony degree equation

1.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)重金屬進(jìn)入人體后產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)，主要?jiǎng)澐譃榛瘜W(xué)致癌物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和化學(xué)非致癌物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)兩類(lèi)，計(jì)算公式分別為[21]：

D=V×C/W

(6)

(7)

(8)

假設(shè)飲用水中化學(xué)致癌物質(zhì)與化學(xué)非致癌物質(zhì)對(duì)人體健康的危害呈相加關(guān)系而非協(xié)同或拮抗關(guān)系，故飲用水總健康危害風(fēng)險(xiǎn)為：

(9)

化學(xué)致癌物質(zhì)與化學(xué)非致癌物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型中參數(shù)Qi和RfDj的值見(jiàn)表4，其余參數(shù)值見(jiàn)表5。

表4 模型參數(shù)Qi 和RfDj值

表5 我國(guó)男性、女性的平均體重、壽命及飲水量

2 結(jié)果與討論

2.1 和諧度評(píng)價(jià)

計(jì)算出水樣各指標(biāo)和諧度參數(shù)值，通過(guò)式(1)確定子和諧度，結(jié)合權(quán)重以及式(2)確定綜合和諧度值，結(jié)果見(jiàn)表6。權(quán)重的確定采用層次分析法，邀請(qǐng)地下水污染方面專(zhuān)家打分，通過(guò)對(duì)各因素進(jìn)行分析、比較和計(jì)算，確定pH值、溶解性總固體、濁度、Cu、Zn、Cr、Mn、Pb、氟化物和總硬度10項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

表6 各指標(biāo)和諧度值

由于四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有同等作用，對(duì)評(píng)價(jià)的影響相當(dāng)，故權(quán)重均為0.25，把四組數(shù)據(jù)的和諧度再次進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，最終得出浸出液水質(zhì)和諧度，HD=0.45。

通過(guò)運(yùn)用和諧度方程得出污泥煤矸石充填膏體浸出液水質(zhì)和諧度值，根據(jù)表7確定水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)水，可適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水。

表7 水質(zhì)和諧度劃分標(biāo)準(zhǔn)

雖然污泥煤矸石充填膏體浸出液總體符合Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但部分指標(biāo)超過(guò)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在污泥用作充填材料時(shí)，需要特別注意超標(biāo)項(xiàng)目。pH超過(guò)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這是由于污泥在消化過(guò)程中本身添加堿性消化材料，而且在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中添加了生石灰促進(jìn)水化反應(yīng)，在以后的應(yīng)用過(guò)程中可添加弱酸進(jìn)行地下水的中和。濁度略大于Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，污泥松散易溶于水，粒徑小，顏色深，導(dǎo)致浸泡液濁度個(gè)別偏大。

2.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

經(jīng)和諧度評(píng)價(jià)結(jié)果表明污泥基充填體浸出水樣適用于用作集中飲用水水源或工農(nóng)業(yè)用水，故對(duì)其進(jìn)行和諧度評(píng)價(jià)以外再進(jìn)行水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也是十分必要的。

從表8可知，本試驗(yàn)選取指標(biāo)中的致癌金屬鉻在食入途徑下的個(gè)人平均致癌年風(fēng)險(xiǎn)值在0.438×10-5～1.237×10-5之間波動(dòng)，此數(shù)值低于USEPA規(guī)定的最大風(fēng)險(xiǎn)值1×10-4，但是高于荷蘭建設(shè)和環(huán)境部所能接受的最大風(fēng)險(xiǎn)水平1×10-6，總體屬于中等風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。表明污泥基充填體浸出水樣在食入途徑下給人體帶來(lái)的潛在危害不容忽視，在食入前需對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理。污泥基充填體浸出水樣中的非致癌金屬銅、鋅、錳、鉛在食入途徑下的總平均致癌風(fēng)險(xiǎn)值位于3.916×10-9～8.706×10-9之間，且風(fēng)險(xiǎn)值以錳最大，鉛、銅次之，鋅最小，總體屬于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。四種非致癌金屬風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到荷蘭建設(shè)和環(huán)境部的可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平1×10-8，即化學(xué)致癌物質(zhì)對(duì)人體健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)是非致癌物質(zhì)的105倍左右，即污泥基充填體浸出水樣的總體個(gè)人健康危害年均值以致癌物質(zhì)鉻健康危害風(fēng)險(xiǎn)為主，故應(yīng)加強(qiáng)對(duì)充填采空區(qū)水環(huán)境中重金屬鉻的監(jiān)測(cè)。

表8 致癌物質(zhì)和非致癌物質(zhì)通過(guò)飲水途徑的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)值Table 8 Carcinogenic health risk values of carcinogens and non-carcinogens through the drinking water route

3 結(jié) 論

利用和諧度評(píng)價(jià)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)污泥基充填體浸出水樣的水質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)和諧度評(píng)價(jià)結(jié)果表明污泥基充填體浸出液和諧度值為0.45，總體符合Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)狀況良好。但部分指標(biāo)超過(guò)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需要特別注意超標(biāo)項(xiàng)目，尤其是浸出液pH，可減少堿性試劑使用量或者對(duì)地下水進(jìn)行中和反應(yīng)后再利用。

(2)污泥基充填體浸出水樣的重金屬年均致癌風(fēng)險(xiǎn)值位于4.379×10-5～9.414×10-5之間，此數(shù)值介于USEPA(1×10-4)和荷蘭建設(shè)和環(huán)境部(1×10-6)規(guī)定的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)值之間。重金屬年均非致癌風(fēng)險(xiǎn)值位于3.916×10-9～8.706×10-9之間，達(dá)到荷蘭建設(shè)和環(huán)境部的可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平(1×10-8)，故健康危害主要取決于致癌重金屬鉻。

(3)除了對(duì)污泥基充填體浸出液進(jìn)行常規(guī)的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)(和諧度評(píng)價(jià))，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也具有重要意義，將兩者結(jié)合使用可以更加全面科學(xué)地評(píng)估水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，從而加強(qiáng)對(duì)充填采空區(qū)及周邊水質(zhì)的管理監(jiān)測(cè)及治理保護(hù)。