垃圾焚燒廠的環(huán)境空氣、飛灰和土壤二噁英水平研究及風險評價

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、中型城市建設并廣泛應用，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)境風險，尤其是二噁英類化合物會對人體健康產生較大危害且在環(huán)境中的存在具有持久性[2]，導致公眾對垃圾焚燒廠的建設表現(xiàn)出明顯的鄰避反應現(xiàn)象. 為明確垃圾焚燒廠帶來的危害，國內外已有學者在垃圾焚燒廠周邊開展了環(huán)境健康風險研究[3-5]，但國內學者對垃圾焚燒廠周邊開展PCDD/Fs風險評價時，主要監(jiān)測的環(huán)境介質為環(huán)境空氣和土壤，較少涉及對飛灰進行風險評估. 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健康風險對研究垃圾焚燒廠潛在健康風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(毒性學量以I-TEQ計)采用USEPA風險評價模型和蒙特卡洛模擬對該垃圾焚燒廠的廠內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)的健康風險進行評估，為我國垃圾焚燒廠排放PCDD/Fs對廠內工人和周邊敏感點村民可能帶來的健康風險提供數(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，全年主導風為東風，其次是東南風.

該垃圾焚燒廠一期工程于2015年7月建成投產，二期工程于2018年5月建成投產，設計焚燒爐規(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工人的二噁英健康風險，本研究采集了廠內環(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4個監(jiān)測點(1個上風向和3個下風向)，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險，本研究選取在下風向鄰近的村落(以煙囪為起點約1.5 km處)布設環(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)進行，共采集3個樣品.

各環(huán)境介質采樣位置見圖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規(guī)范》中的簡單隨機采樣法，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-高分辨質譜法》.

1.3 健康風險評估

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

1.3.1 USEPA風險評估公式 廠內工人以8 h在廠內、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)境空氣暴露質量濃度

(7)

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

(1)土壤暴露量

(8)

(9)

(10)

(2)環(huán)境空氣暴露質量濃度

(11)

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

(1)飛灰/土壤暴露的健康風險

(12)

(13)

(2)環(huán)境空氣暴露的健康風險

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險(無量綱)，HI為飛灰和土壤非致癌風險(無量綱). 環(huán)境空氣健康風險采用USEPA的新方法[7-8]，ECair為暴露質量濃度(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毒性當量(μg TEQ/kg)；CRair和HIair分別為環(huán)境空氣致癌風險和非致癌風險；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數(shù)進行統(tǒng)計試驗的方法，近年來常被應用到風險評價工作中. 通過模擬不同輸入變量得到大量模擬結果并進行統(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軟件對健康風險進行蒙特卡洛模擬計算，廠內工人健康風險計算運行100 000次，村民健康風險計算運行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 結果與討論

2.1 飛灰、環(huán)境空氣和土壤的PCDD/Fs質量水平

垃圾焚燒廠內的飛灰、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質量水平統(tǒng)計結果如表2所示，質量濃度和毒性當量的百分比如表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單體的質量濃度和毒性當量的百分比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質量分數(shù)范圍為225.00～7 500.00 ng/kg，毒性當量范圍為8.99～240.00 ng/kg，低于SUN等[12]研究中的固化飛灰質量分數(shù)(70.7～774.2 ng TEQ/kg)，因固化處理可降低飛灰中大部分PCDD/Fs的質量分數(shù)，因此本研究的固化飛灰PCDD/Fs質量分數(shù)低于其他研究中飛灰的PCDD/Fs質量分數(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準》(GB16889-2008)中飛灰進入生活垃圾填埋場二噁英毒性當量限值要求(低于3 μg TEQ/kg).

鄰近敏感點土壤中PCDD/Fs質量分數(shù)范圍為150.84～484.25 ng/kg，平均值為351.55 ng/kg，毒性當量為0.81～2.04 ng TEQ/kg，其平均值為1.58 ng TEQ/kg，低于《土壤環(huán)境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》中“第一類用地”風險篩選值(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毒性當量范圍為0.03～0.20 pg TEQ/m3，低于《關于進一步加強生物質發(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準(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]研究結果較接近(焚燒廠周邊環(huán)境空氣PCDD/Fs質量濃度平均值為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，對質量水平貢獻較高的單體主要有：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%，貢獻率明顯高于其他單體. OCDD在土壤PCDD/Fs質量分數(shù)占比遠高于其在其余環(huán)境介質中的占比，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毒性當量占比較大的單體是2,3,4,7,8-PeCDF，貢獻率分別為36.23%、32.69%和31.21%. 其他文獻結果[17-18]表明，在垃圾焚燒廠周邊環(huán)境空氣中，PCDD/Fs毒性當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毒性當量分布與環(huán)境空氣、飛灰分布不太一致，對毒性當量貢獻最高的單體為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)境介質的稍有差別.

2.3 廠內工人和村民的健康風險評估

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，并進行隨機抽樣，計算健康風險結果，采用風險統(tǒng)計結果的第95%值作為風險值的上限.

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

表4 廠內工人和村民(成人、青少年和兒童)的二噁英致癌風險(CR)和非致癌風險(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，致癌風險CR高于1.00×10-4則說明具有較高致癌風險[19]，低于1.00×10-5可視為可接受范圍[20]. 由表4可知，廠內工人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：廠內工人>成人>兒童>青少年. 廠內工人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.

非致癌風險HI超過1表示具有非致癌風險[21]. 由圖4可知，廠內工人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，遠低于1，說明非致癌風險極低.

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

每種暴露途徑CR及其在總風險(即CR合計)的占比同樣采用蒙特卡洛模擬進行50 000次隨機抽樣計算，廠內工人各暴露途徑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%)和廠內空氣吸入(12.69%)，CR統(tǒng)計結果平均值分別為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地位，平均占比達到97.79%，對應的CR為2.03×10-6. 其他關于垃圾焚燒廠周邊居民的健康風險研究[11]均表明，環(huán)境空氣吸入是致癌風險和非致癌風險中最主要的暴露途徑，這與成人村民CR暴露途徑中環(huán)境空氣吸入占主導的規(guī)律相符. 廠內工人由于暴露介質包括了二噁英質量分數(shù)較高的飛灰，因此飛灰意外經(jīng)口攝入CR達到1.23×10-6，貢獻了總CR的38.43%；但環(huán)境空氣吸入(包括廠內空氣和敏感點空氣)仍然是對廠內工人CR貢獻最高的暴露途徑，CR之和為1.76×10-6，占55.12%. 建議加強對環(huán)境空氣二噁英監(jiān)控和廠內飛灰經(jīng)口攝入的風險管控.

3 結論

(1)固化飛灰PCDD/Fs毒性當量(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毒性當量范圍為0.03～0.20 pg TEQ/m3，均低于《關于進一步加強生物質發(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準0.6 pg TEQ/m3.

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

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