污泥基充填體浸出水樣水質(zhì)及健康風(fēng)險評價

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)工程國家級實(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，對城市環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。污泥產(chǎn)量大，生長速度快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月，我國城市污泥年產(chǎn)生量共計(jì)5 000多萬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，甚至可能會造成二次污染。

近年來，國內(nèi)外高度重視對城市污泥的利用和處置，鼓勵開展污泥廢棄物的研究和污泥安全環(huán)保工作[7-9]。有專家學(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，因此有必要對污泥基充填體對地下水的水質(zhì)影響進(jìn)行研究。目前，國內(nèi)外的水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法、綜合指數(shù)評價法和綜合評價法[10-13]。單因子評價法以最差指標(biāo)等級作為水質(zhì)評價等級，評價結(jié)果較為保守。綜合指數(shù)評價法沒有將權(quán)重納入評價，評價結(jié)果較為主觀。綜合評價法綜合考慮指標(biāo)與權(quán)重的關(guān)系，評價結(jié)果較具綜合性[14]。王晴晴等[15]以臺州市河網(wǎng)水系為研究對象，利用熵權(quán)法與主成分分析法相結(jié)合的方法對河流水質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的評價；夏凡等[16]采用主成分分析法對丹江口16條入庫河流進(jìn)行了水質(zhì)評價，并將評價結(jié)果與單因子評價法、綜合污染指數(shù)法進(jìn)行了對比分析；楊麗芝[17]等采用改進(jìn)的潛在危害指數(shù)法對水源地的地下水樣品有機(jī)物進(jìn)行檢測和評價；尤龍鳳[18]對太原市不同類型的飲用水進(jìn)行研究，引入健康風(fēng)險評價對其致癌和非致癌風(fēng)險進(jìn)行評價。劉久潭[19]等運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、水化學(xué)、模糊綜合評價以及因子分析等方法對西海岸新區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行評價。綜上，針對水質(zhì)狀況的研究多采用單一水質(zhì)評價方法或應(yīng)用健康風(fēng)險進(jìn)行評價，而將兩者結(jié)合以評價水質(zhì)的研究卻鮮有報道。將水質(zhì)評價和健康風(fēng)險評價結(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。

本文對污泥基充填體的環(huán)境友好性問題進(jìn)行了研究，并將和諧度方程引入風(fēng)險評價，利用和諧度“綜合程度評價”法進(jìn)行水質(zhì)綜合等級評定，并將健康風(fēng)險評價引入安全評價，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)時間，初凝與終凝時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)對其進(jìn)行研究。這些指標(biāo)大致可分為兩類，一類為一般化學(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)互為對照補(bǔ)充。評價指標(biāo)及其等級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 評價指標(biāo)及等級標(biāo)準(zhǔn)

浸出水樣的pH值采用數(shù)字式pH計(jì)(pHS-3E型)進(jìn)行測量，使用電導(dǎo)率儀(DDSJ-308F型)進(jìn)行溶解性總固體測量，使用濁度計(jì)(WZS-200型)測定水樣的濁度。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ICAP6300)進(jìn)行測定，地下水水質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)及水樣各指標(biāo)檢測結(jié)果如表1和表2所示。

表2 水樣檢測結(jié)果

1.2 和諧度評價法

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)，和諧度評價法是依據(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)的分類等級。

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，對和諧系數(shù)進(jìn)行分級，按照地下水等級標(biāo)準(zhǔn)劃分為1、1～0.67、0.67～0.33、0.33～0、0五類，數(shù)據(jù)與劃分等級對號入座進(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 和諧度方程評價流程

基于和諧度分析的地下水水質(zhì)評價模型利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，通過和諧度評價法確定地下水水質(zhì)等級，其流程見圖1。

圖1 和諧度方程“綜合程度評價”評價流程圖Fig.1 The evaluation flow chart of the “comprehensive degree evaluation” of the harmony degree equation

1.3 健康風(fēng)險評價

根據(jù)重金屬進(jìn)入人體后產(chǎn)生的健康風(fēng)險，主要劃分為化學(xué)致癌物質(zhì)風(fēng)險評價和化學(xué)非致癌物質(zhì)風(fēng)險評價兩類，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)險為：

(9)

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

表4 模型參數(shù)Qi 和RfDj值

表5 我國男性、女性的平均體重、壽命及飲水量

2 結(jié)果與討論

2.1 和諧度評價

計(jì)算出水樣各指標(biāo)和諧度參數(shù)值，通過式(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)果見表6。權(quán)重的確定采用層次分析法，邀請地下水污染方面專家打分，通過對各因素進(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，對評價的影響相當(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類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但部分指標(biāo)超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在污泥用作充填材料時，需要特別注意超標(biāo)項(xiàng)目。pH超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這是由于污泥在消化過程中本身添加堿性消化材料，而且在后續(xù)試驗(yàn)過程中添加了生石灰促進(jìn)水化反應(yīng)，在以后的應(yīng)用過程中可添加弱酸進(jìn)行地下水的中和。濁度略大于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，污泥松散易溶于水，粒徑小，顏色深，導(dǎo)致浸泡液濁度個別偏大。

2.2 健康風(fēng)險評價

經(jīng)和諧度評價結(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，故對其進(jìn)行和諧度評價以外再進(jìn)行水環(huán)境健康風(fēng)險評價也是十分必要的。

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人平均致癌年風(fēng)險值在0.438×10-5～1.237×10-5之間波動，此數(shù)值低于USEPA規(guī)定的最大風(fēng)險值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)險水平1×10-6，總體屬于中等風(fēng)險等級。表明污泥基充填體浸出水樣在食入途徑下給人體帶來的潛在危害不容忽視，在食入前需對水樣進(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)險值位于3.916×10-9～8.706×10-9之間，且風(fēng)險值以錳最大，鉛、銅次之，鋅最小，總體屬于低風(fēng)險等級。四種非致癌金屬風(fēng)險值達(dá)到荷蘭建設(shè)和環(huán)境部的可忽略風(fēng)險水平1×10-8，即化學(xué)致癌物質(zhì)對人體健康危害的個人年風(fēng)險是非致癌物質(zhì)的105倍左右，即污泥基充填體浸出水樣的總體個人健康危害年均值以致癌物質(zhì)鉻健康危害風(fēng)險為主，故應(yīng)加強(qiáng)對充填采空區(qū)水環(huán)境中重金屬鉻的監(jiān)測。

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

3 結(jié) 論

利用和諧度評價和健康風(fēng)險評價相結(jié)合的方法對污泥基充填體浸出水樣的水質(zhì)進(jìn)行分析評價，得出以下結(jié)論：

(1)和諧度評價結(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類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)狀況良好。但部分指標(biāo)超過Ⅴ類水質(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)險值之間。重金屬年均非致癌風(fēng)險值位于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)除了對污泥基充填體浸出液進(jìn)行常規(guī)的地下水水質(zhì)評價(和諧度評價)，同時對其進(jìn)行水環(huán)境健康風(fēng)險評價也具有重要意義，將兩者結(jié)合使用可以更加全面科學(xué)地評估水質(zhì)風(fēng)險，從而加強(qiáng)對充填采空區(qū)及周邊水質(zhì)的管理監(jiān)測及治理保護(hù)。