垃圾焚燒廠周邊土壤的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

王宇珊, 劉成堅(jiān), 陳曉燕， 陳繼鑫， 吳仕森， 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，我國垃圾產(chǎn)量不斷攀升，2010—2018年城市生活垃圾清運(yùn)量由1.58億t增至2.28億t[1]. 與填埋和堆肥等技術(shù)相比，焚燒處理能夠回收熱能，且顯著降低垃圾存量(可減少80%～95%體積[2-3])，我國垃圾焚燒處理量從2010年占比16.2%[4]增長至2017年的39.7%[5]. 同時(shí)由于垃圾焚燒會(huì)向環(huán)境排放易揮發(fā)態(tài)重金屬(如Hg[6]、Pb和Zn[7])，這些重金屬會(huì)隨煙氣遷移、沉降到土壤中，因此垃圾焚燒廠周邊會(huì)存在土壤重金屬污染帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

評價(jià)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)方法包括潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法，國內(nèi)對垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬的污染評價(jià)多采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法[8]，包括單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染指數(shù)法等，此類方法基于土壤實(shí)測重金屬含量與參照值的比值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)劃分；人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法包括美國環(huán)保署(USEPA)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型(以下簡稱“USEPA模型”)以及生態(tài)環(huán)境部在2019年發(fā)布的《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2019)，此類方法基于污染物含量和暴露人群參數(shù)對受污染土壤周邊居民的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行劃分.

目前，對垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬污染起主要貢獻(xiàn)的重金屬結(jié)論有所差異，例如蘇州某垃圾焚燒廠周邊土壤中Zn質(zhì)量濃度超過背景值且對污染程度的貢獻(xiàn)最大[9]；上海某垃圾焚燒廠周邊土壤中Cd對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)貢獻(xiàn)率最高[10]；嘉興垃圾發(fā)電廠周邊土壤重金屬復(fù)合污染最大貢獻(xiàn)源自Pb元素[11]；珠三角東部某垃圾焚燒廠周邊土壤結(jié)果顯示Hg和Cd對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)貢獻(xiàn)最大[12]. 為全面評價(jià)珠三角某垃圾焚燒廠周邊土壤的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，明確起主要貢獻(xiàn)的重金屬元素，本研究采用了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估和健康風(fēng)險(xiǎn)評估(USEPA模型)2種方法，對該垃圾焚燒廠周邊土壤的As、Hg、Pb、Cu、Zn和Cd元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)分別進(jìn)行了評估. 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級通過單因子污染指數(shù)Pi和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI進(jìn)行評價(jià)，用USEPA模型分析該區(qū)域男性、女性和兒童的健康風(fēng)險(xiǎn)，并對該垃圾焚燒廠周邊土壤需加以關(guān)注和監(jiān)控的污染物進(jìn)行歸納總結(jié)，為環(huán)境主管部門提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究對象及采樣布點(diǎn)

本研究中的垃圾焚燒廠位于珠三角地區(qū)某市(以下簡稱“A市”)，A市地屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，高溫多雨濕潤，多年平均氣溫22.6 ℃左右，多年平均降水量為1 952.9 mm.

該垃圾焚燒廠一期工程于2015年7月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)焚燒爐規(guī)模為2×350 t/d(表示2個(gè)處理規(guī)模為350 t/d的焚燒爐，下同)，實(shí)際年處理垃圾量約27.94萬t；該項(xiàng)目二期工程于2018年5月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)焚燒爐規(guī)模為1×350 t/d，實(shí)際年處理垃圾量約12.78萬t. 該垃圾焚燒廠焚燒煙氣采用“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. 一期工程和二期工程均采用機(jī)械爐排爐，主要用于焚燒生活垃圾.

為評估垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬對附近居民可能帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)，本研究結(jié)合區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)向以及垃圾焚燒廠周邊敏感點(diǎn)分布情況進(jìn)行布點(diǎn)采樣，該廠周邊環(huán)境敏感點(diǎn)主要集中在廠區(qū)西側(cè)及西北側(cè)，故本次研究在主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向約1.5 km(以煙囪為起點(diǎn)，下同)處的S1(A村)以及對土壤環(huán)境質(zhì)量要求較高的S3(農(nóng)業(yè)示范基地)布設(shè)采樣點(diǎn)，同時(shí)選取位于焚燒廠上風(fēng)向距離約4.5 km處的S2(B村)作為對照點(diǎn). 分別于2016—2019年在這些監(jiān)測點(diǎn)采集土壤樣品(每年各采集1次)進(jìn)行監(jiān)測. 采樣位置圖見圖1.

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 The distribution of sampling sites

土壤樣品使用潔凈木鏟通過五點(diǎn)梅花法采集，主要采集表層土壤(深度為0～20 cm)，將采集的樣品充分混合后放入密封袋保存. 樣品送回實(shí)驗(yàn)室后，將樣品中植物、石頭等異類物質(zhì)去除，冷凍干燥，用研缽磨碎后過篩(孔徑為0.15 mm，即100目)，再用四分法取對稱的2份作為分析樣品，冷藏備用.

1.2 檢測儀器和方法

土壤樣品干燥、過篩后，根據(jù)不同檢測項(xiàng)目按照不同的國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測分析. Pb、Cd、Cu和Zn的測定參照《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(暫行) 附錄A》(HJ 350-2007)，主要實(shí)驗(yàn)儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ELAN-DRC-e，PerkinElmer)；Hg和As的測定參照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的 測定微波消解/原子熒光法》(HJ 680-2013)，主要檢測儀器為原子熒光光度計(jì)(PF5-2，北京譜析通用儀器有限公司).

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

1.3.1 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 用單因子污染指數(shù)法[13]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)法[14]，對土壤重金屬污染進(jìn)行分析評價(jià)，單因子污染指數(shù)公式如下：

Pi=wi/Si，

(1)

其中：Pi為土壤中重金屬元素i的單因子污染指數(shù)；wi為某重金屬元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測值；Si為重金屬元素i質(zhì)量分?jǐn)?shù)的參照值，本研究取土壤標(biāo)準(zhǔn)限值中較為嚴(yán)格的《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)pH≤5.5“其他”土地類型的風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為參照值.

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)計(jì)算公式：

(2)

(3)

其中，Ei為單個(gè)重金屬元素i的潛在生態(tài)污染系數(shù)，Ti為重金屬元素i的毒性系數(shù)，RI為多種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，本研究中6種重金屬元素Ti由大到小分別為：Hg(THg=40)、Cd(TCd=30)、As(TAs=10)、Pb(TPb=5)、Cu(TCu=5)、Zn(TZn=1)[14].Ei風(fēng)險(xiǎn)分級的第一級上限值為非污染物的污染系數(shù)(Pi=1)與參評污染物最大毒性系數(shù)(本研究最大毒性系數(shù)為THg=40)的乘積[10]，其他風(fēng)險(xiǎn)級別的上限值采用上一級風(fēng)險(xiǎn)值的2倍. RI分級調(diào)整：先根據(jù)Hakanson的第一級分級值150除以8種污染物(Hakanson研究沉積物中PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn) 的毒性系數(shù)總值133，得到單位毒性系數(shù)的RI分級值為1.13[10]；將單位毒性系數(shù)分級值1.13乘以本研究中的6種重金屬元素的毒性系數(shù)總值91，取十位數(shù)整數(shù)獲得RI第一界限值100，剩下各級界限值由上一級界限值乘以2得到. 分級標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 單因子污染指數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級Table 1 The grading standards for single pollution index and potential ecological risk index

1.4.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型 健康風(fēng)險(xiǎn)暴露途徑僅考慮土壤顆粒在經(jīng)口攝入、皮膚接觸和呼吸吸入土壤顆粒3種. 采用USEPA健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型[14-15]先計(jì)算在男性、女性和兒童在3種土壤顆粒暴露途徑中單個(gè)重金屬的暴露量(包括經(jīng)口攝入暴露量，皮膚接觸暴露量和呼吸吸入土壤顆粒暴露量)，然后計(jì)算單個(gè)重金屬的致癌風(fēng)險(xiǎn)(Risk)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)(HQ)，最后計(jì)算所有重金屬的致癌風(fēng)險(xiǎn)合計(jì)(CR)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)合計(jì)(HI)，具體計(jì)算公式和參數(shù)如表2所示.

表2 USEPA健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)計(jì)算公式及參數(shù)[16-17]Table 2 The equations and parameters of health risk assessment in USEPA

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量水平

將2016—2019年共12個(gè)土壤樣品重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析(土壤pH范圍為4.71～6.22)，以該垃圾焚燒廠一期工程環(huán)境影響報(bào)告書中的土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(采樣時(shí)間為2012年)作為該區(qū)域土壤重金屬含量背景值(下稱“背景值”)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3. As、Hg、Pb、Cu、Zn和Cd含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中(pH≤5.5和6.536%為高度變異[18]. 本研究中As、Hg、Cd、Cu和Zn的CV屬于高度變異；Pb的CV屬于中度變異. 總體上，As和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2016—2019年的平均值與該區(qū)域背景值相比沒有增加，而Hg、Pb、Cd和Cu的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯增加.

表3 2016—2019年土壤重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)及背景值Table 3 The average contents and background values of heavy metals in all soil samples in 2016—2019

與國內(nèi)其他垃圾焚燒廠相比，本研究垃圾焚燒廠周邊土壤中Hg和Pb的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高，其他重金屬與文獻(xiàn)[21]中同為珠三角地區(qū)的垃圾焚燒廠周邊的土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最為接近(表4).

表4 不同地區(qū)垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 The average contents of heavy metals in soils in the vicinity of different MSWIs

綜上所述，土壤樣品中Hg和Pb的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比該區(qū)域背景值有所增加，且普遍高于其他垃圾焚燒廠周邊土壤對應(yīng)重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此應(yīng)對該區(qū)域土壤中Hg和Pb的含量加以關(guān)注.

2.2 污染評價(jià)

2.2.1 單因子污染指數(shù)(Pi)分析 將各樣品重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別代入式(1)得到各年S1～S3采樣點(diǎn)單因子污染指數(shù)Pi結(jié)果(表5). 5種重金屬元素Pi的平均值小于1(表5)，平均Pi由大到小排序?yàn)椋篜Pb>PCu>PCd>PZn>PHg>PAs. 所有土壤樣品的As、Hg、Zn的Pi范圍為0.012～0.838，均低于1，屬于低污染；而Pb、Cd和Cu的Pi為0.083～1.608，屬于低污染至中等污染范圍，其中Pi達(dá)中等污染范圍(即Pi>1)的樣品數(shù)量比例分別為50%、8.3%和25%，即存在該比例樣品的Pb、Cd和Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)(pH≤5.5)的相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)篩選值(參照值). Pb的Pi均值最高(0.900)，達(dá)到中度污染范圍的樣品比例也最高(占50%)，同時(shí)Pb屬于垃圾焚燒中會(huì)揮發(fā)并對周邊土壤產(chǎn)生影響的重金屬之一[7]，因此需在該研究區(qū)域加強(qiáng)對Pb含量的重點(diǎn)監(jiān)控.

表5 所有土壤樣品的單因子污染指數(shù)Table 5 The results of single pollution index for all soil samples

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 將各個(gè)樣品重金屬含量代入式(2)和式(3)，計(jì)算得到Ei和RI的結(jié)果(表6).

表6 生活垃圾焚燒廠的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染指數(shù)Table 6 The potential risk index of heavy metals in soils around MSWI

結(jié)合表3的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級可知：本研究中垃圾焚燒廠附近土壤樣品Ei范圍為0.115～33.538，低于40，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Ei平均值從高到低排序?yàn)镋Hg>EPb>ECu>ECd>EAs>EZn. Hg因毒性系數(shù)較高(THg=40)，因此其Ei平均值最高.

所有土壤樣品的RI范圍為8.687～49.983，均小于100，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn). RI平均值為17.178，Hg (Ei=6.164)和Pb(Ei=4.502)的Ei平均值對RI貢獻(xiàn)最大，分別占比35.9%和26.2%. 2016—2018的平均RI較接近(14.368～16.250)，而2019年的RI較高(23.165)，比前3年約提高了42.6%～61.2%，原因在于S3處的Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)比前3年增加了1.03～2.40倍，導(dǎo)致此處RI明顯增加，因此需要在S3處加強(qiáng)對土壤中Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的監(jiān)控.

2.2.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 將2016—2019年所有樣品重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)代入表2的公式，得到成年男性、成年女性和兒童3類人群的非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果(表7～表8).

表7 成年男性、成年女性和兒童的非致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果Table 7 The non-carcinogenic risk assessment results of health risk to males, females and children

表8 成年男性、成年女性和兒童的非致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果Table 8 The non-carcinogenic risk assessment results of males, females and children

成年男性、成年女性和兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)合計(jì)(HI)均值分別為0.172、0.285和0.498(表7)，風(fēng)險(xiǎn)暴露人群從高到低的排序?yàn)閮和?、女性、男性，與CHEN等[15]的研究結(jié)果相似. 所有樣品的HI范圍為0.092～0.731，為可接受范圍(HI<1[15])， 但兒童的HI值第95百分位值(0.717)較接近風(fēng)險(xiǎn)安全值1. 三類暴露人群中，6種重金屬的HQ平均值從高到低排序均為：HQPb>HQCd>HQAs>HQHg>HQCu>HQZn，Pb對HI的貢獻(xiàn)最大，在男性、女性和兒童的HI中分別占比92.2%、69.0%和73.4%，Cu和Zn的HQ值極低.

成年男性、成年女性和兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)總風(fēng)險(xiǎn)(CR)均值分別為7.99×10-6、8.74×10-6和3.59×10-6(表8)，所有樣品的CR范圍為3.72×10-7～1.56×10-5，其中約88.8%的CR結(jié)果屬于可接受范圍(1×10-6

綜上所述，目前該區(qū)域HI和CR均在可接受范圍內(nèi)，但兒童HI結(jié)果的第95百分位值0.717與風(fēng)險(xiǎn)限值1較接近，且對HI貢獻(xiàn)最高的Pb元素是垃圾焚燒過程中常見的排放重金屬之一[7]，因此建議對該區(qū)域土壤Pb的質(zhì)量濃度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)管控.

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)域土壤中As、Hg、Pb、Cu、Zn和Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但Hg、Pb、Cd和Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別超過該區(qū)域重金屬含量背景值的7.00、0.91、0.15和1.40倍；Hg和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值普遍高于國內(nèi)其他垃圾焚燒廠周邊土壤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值.

(2)所有土壤樣品As、Hg和Zn的單因子污染指數(shù)(Pi) 范圍為0.012～0.838，均低于1，屬于低污染范圍；而Pb、Cd和Cu的Pi范圍為0.083～1.608，屬于低污染至中度污染，Pb的質(zhì)量濃度達(dá)中度污染范圍的樣品數(shù)量比例最高(達(dá)50%).Ei范圍為0.115～33.538(<40)，RI范圍為8.687～49.983(<100)，均屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg和Pb元素的Ei平均值對RI的貢獻(xiàn)最大(平均值分別占比35.9%和26.2%).

(3)所有土壤樣品的非致癌總風(fēng)險(xiǎn)(HI)范圍為0.092～0.731，致癌風(fēng)險(xiǎn)值合計(jì)(CR)范圍為3.72×10-7～1.56×10-5，均為可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍；但兒童HI計(jì)算結(jié)果的第95百分位值0.717與風(fēng)險(xiǎn)安全值1較接近，同時(shí)Pb是HI中的主要占比重金屬(在成年男性、成年女性和兒童的HI均值中分別占比92.2%、69.0%和73.4%).

(4)綜合6種重金屬元素的質(zhì)量濃度變化、單因子污染指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果，建議對該研究區(qū)域中Hg和Pb的質(zhì)量濃度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)管控.