某城鎮(zhèn)污水處理廠壓濾污泥重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)分析

方宇媛，韓光磊，王紅新

1.池州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，安徽池州,247000；2.安徽池州九華發(fā)電有限公司，安徽池州,247000

城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理過(guò)程產(chǎn)生的污泥具有數(shù)量巨大、有一定的污染物等特征，給城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行和管理帶來(lái)很大壓力，若其處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染[1-2]。鑒于此，學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)污水處理廠污泥危害展開(kāi)研究。李勃等[3]研究了堆肥污泥改性土壤對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)及植株重金屬吸收的影響。袁玉清等[4]、劉亞納等[5]、耿源濛等[6]和杜慶才等[7]分析了不同地區(qū)污水處理廠污泥中多種重金屬含量，并進(jìn)行污泥的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，研究結(jié)果顯示，由于污水來(lái)源不同，水質(zhì)存在差異，其污泥中重金屬含量也會(huì)呈現(xiàn)明顯不同。因此，其農(nóng)用過(guò)程的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起關(guān)注。

不同區(qū)域污泥的處理方式、重金屬種類(lèi)和含量差異造成其主要風(fēng)險(xiǎn)因子、健康風(fēng)險(xiǎn)水平有明顯不同，且不同暴露途徑下污泥健康風(fēng)險(xiǎn)也存在顯著差異[8]。杜慶才等[7]研究了蚌埠市污水處理廠污泥的健康風(fēng)險(xiǎn)水平，結(jié)果表明其污泥健康防風(fēng)險(xiǎn)水平屬于可接受范圍。李清芳等[9]發(fā)現(xiàn)重慶市某污水處理廠污泥中Cu和Mn的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高，且手—口攝入為產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。因此，開(kāi)展污泥重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以評(píng)價(jià)特定收水范圍、污水處理工藝和污泥處理工藝條件下污泥中不同重金屬對(duì)不同人群的健康風(fēng)險(xiǎn)，便于采取針對(duì)性管理對(duì)策和措施。為明確池州市某城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬含量和健康風(fēng)險(xiǎn)水平，采集其壓濾處理后的污泥，檢測(cè)其重金屬(Cd、Hg、Pb、Cr、As、Ni、Zn和Cu)含量，開(kāi)展健康風(fēng)險(xiǎn)分析，研究結(jié)論可為該城鎮(zhèn)污水處理廠采取更加合理的污泥處置途徑提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與保存

采集壓濾干化處理后污泥，平鋪于實(shí)驗(yàn)室土壤樣品盤(pán)中并自然風(fēng)干，用木錘壓碎，進(jìn)行四分法取樣，研磨后過(guò)100目尼龍篩。過(guò)篩后再進(jìn)行四分法取樣，樣品混勻備用。

1.2 樣品檢測(cè)方法

根據(jù)《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》CJ/T221-2005[10]，采用原子熒光法測(cè)定Hg含量，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定Cd、Pb、Cr、As、Ni、Zn和Cu的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

1.3.1 污染水平評(píng)價(jià)

單因子指數(shù)法常用于污泥中各種重金屬污染水平評(píng)價(jià)，計(jì)算公式見(jiàn)(1)式[8]：

(1)

其中，Pi為第i種重金屬的單因子指數(shù)；Ci為第i種重金屬含量實(shí)測(cè)值，mg·kg-1；C0i為第i種重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)限值，mg·kg-1。C0i依據(jù)《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB 4284-2018[11]確定。

1.3.2 污泥重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)分析

參考土壤重金屬的暴露途徑、暴露參數(shù)和暴露模型[7,8,12]，本研究的暴露對(duì)象選擇兒童和成人。由于Hg易揮發(fā)，因此選擇三種主要暴露途徑為：手—口攝入途徑、皮膚接觸攝入途徑和呼吸攝入途徑。其中，第i種重金屬手—口攝食途徑攝入量ADDi手—口，mg·(kg·d)-1、皮膚接觸攝入量ADDi皮膚，mg·(kg·d)-1和呼吸攝入量ADDi呼吸，mg·(kg·d)-1的計(jì)算公式分別見(jiàn)(2)式、(3)式和(4)式。不同污染物在不同暴露途徑下總攝入量為ADD總，mg·(kg·d)-1，計(jì)算公式見(jiàn)(5)式。

(2)

(4)

(5)

式中，Ci為第i種重金屬測(cè)定值，mg·kg-1；IR為重金屬手—口攝入速率，mg·d-1；CF為單位轉(zhuǎn)換因子，kg·mg-1；EF為暴露頻率，d·a-1；ED為暴露年限，a；BW為暴露對(duì)象的體重，kg；AT為平均暴露作用時(shí)間，a；SA為皮膚可能暴露的面積，cm2·d-1；SL為皮膚對(duì)污泥的黏附能力，mg·m-2；ABS為皮膚對(duì)重金屬的吸附能力；VF為蒸發(fā)系數(shù)。公式(2)—(5)中相應(yīng)參數(shù)的參考值見(jiàn)表1。

分別按照致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)來(lái)開(kāi)展健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。As和Cd屬于化學(xué)致癌物，Pb、Cr、Hg、Ni、Zn和Cu為非致癌物[13]。采用HQij表示第i種污染物第j種暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)(6)式；第i種污染物多種暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為HIi，計(jì)算公式見(jiàn)(7)式；第j種暴露途徑下多物

表1 環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中各參數(shù)的取值

質(zhì)的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)HIj計(jì)算方法見(jiàn)(8)式；多污染多途徑聯(lián)合的非致癌風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)HI，計(jì)算公式見(jiàn)(9)式。對(duì)于第i種污染物第j種暴露途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)采用Rij表示，屬于低風(fēng)險(xiǎn)水平(Rij<0.01)的致癌風(fēng)險(xiǎn)值Rij計(jì)算方法見(jiàn)(10)式；第i種污染物多種暴露途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ri計(jì)算方法見(jiàn)(11)式；第j種暴露途徑下多物質(zhì)的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Rj計(jì)算方法見(jiàn)(12)式；對(duì)于多個(gè)污染物多種暴露途徑的綜合致癌風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)用R表示，計(jì)算公式見(jiàn)(13)式。

(6)

(7)

(8)

(9)

Rij=ADDij×SF

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：i代表污染物種類(lèi)，j代表污染途徑；RfDij為第i種污染物第j種暴露途徑的參考劑量，mg·(kg·d)-1；SF代表斜率系數(shù)，(kg·d)·mg-1。RfDij和SF具體取值見(jiàn)表2。

表2 RfDij和SF參考值

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥重金屬含量分析

重金屬含量分析結(jié)果見(jiàn)表3。從結(jié)果可知，該污泥中八種重金屬含量差異較大，其中Zn含量最高，達(dá)848 mg·kg-1，而Hg含量最低，為0.52 mg·kg-1。各重金屬單因子指數(shù)排序?yàn)镃d>Zn>As>Cu>Ni>Hg>Pb>Cr，其中Cd單因子指數(shù)大于1。

表3 重金屬含量及Pi計(jì)算結(jié)果

2.2 污泥重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 重金屬暴露量分析與討論

不同接觸途徑下污泥中重金屬暴露量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，不同暴露途徑條件下，成人的重金屬暴露總量排序?yàn)槭帧跀z入量>皮膚接觸量>呼吸攝入量(汞蒸汽)；而兒童的重金屬暴露總量排序?yàn)槭帧跀z入量>呼吸攝入量(汞蒸汽)>皮膚接觸量。成人和兒童不同暴露途徑下單一金屬暴

表4 不同接觸途徑下污泥中重金屬的暴露量 mg·(kg·d)-1

露總量排序均為Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>As>Hg>Cd，兒童總攝入量大于成人?？梢?jiàn)手—口攝食途徑是主要暴露途徑。

2.2.2 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與討論

成人污泥重金屬暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)見(jiàn)表5。對(duì)于成人而言，單一暴露途徑條件下多物質(zhì)的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)槭帧跀z食>呼吸攝入(汞蒸汽)>皮膚接觸。對(duì)于單個(gè)污染物多種暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)镃u>Hg>Cr>Ni>Zn>Pb，多物質(zhì)多途徑聯(lián)合的非致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)為5.77×10-2。可見(jiàn)，Cu的非致癌風(fēng)險(xiǎn)最高，且手—口攝食是非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。

表5 成人重金屬暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)

對(duì)于單一暴露途徑條件下多物質(zhì)致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)槭帧跀z食>皮膚接觸，其值分別為3.00×10-5和1.50×10-6。對(duì)于單個(gè)污染物多種暴露途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)锳s>Cd，其值分別為1.84×10-5和1.32×10-5。而成人多物質(zhì)多途徑聯(lián)合的致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)為3.16×10-5,其中手—口攝食是造成致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。

兒童污泥重金屬暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)見(jiàn)表6。對(duì)于兒童而言，單一暴露途徑條件下多物質(zhì)的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)槭帧跀z食>呼吸攝入(汞蒸汽)>皮膚接觸。對(duì)于單個(gè)污染物多種暴露途徑非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)镃u>Hg>Cr>Zn>Ni>Pb，兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)為1.55×10-1。可見(jiàn)，對(duì)于兒童而言，Cu的非致癌風(fēng)險(xiǎn)最高，且手—口攝食是造成非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。

表6 兒童重金屬暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)

對(duì)于單一暴露途徑條件下多物質(zhì)的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)槭帧跀z食>皮膚接觸，其值分別為8.77×10-5和1.09×10-6。對(duì)于單個(gè)污染物多種暴露途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)锳s>Cd，其值分別為5.18×10-5和3.70×10-5。兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)為8.88×10-5，其中手—口攝食是兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。

以上分析表明，對(duì)于成人和兒童而言，非致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)均小于1[13]，表明不存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)高于成人致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)，但兩者均在美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局提供的可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)范圍1×10-6～1×10-4內(nèi)[14]，表明不存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

該污水處理廠壓濾污泥中Cd、Zn、As、Cu、Ni、Hg、Pb和Cr均能檢出，其中Zn含量最高，Hg含量最低。單因子指數(shù)排序?yàn)镃d>Zn>As>Cu>Ni>Hg>Pb>Cr。

成人重金屬暴露總量排序?yàn)槭帧跀z入量>皮膚接觸量>呼吸攝入量(汞蒸汽)，而兒童重金屬暴露總量排序?yàn)槭帧跀z入量>呼吸攝入量(汞蒸汽)>皮膚接觸量。手—口攝食途徑是成人和兒童主要暴露途徑。綜合三種暴露途徑，成人和兒童不同重金屬暴露總量排序均為Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>As>Hg>Cd。兒童重金屬總攝入量大于成人。

對(duì)于成人和兒童而言，Cu的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均最高，非致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)分別為5.77×10-2和1.55×10-1，均不存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)高于成人，但均在可接受的致癌風(fēng)險(xiǎn)范圍1×10-6～1×10-4之內(nèi)，不存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。