污水處理廠惡臭氣體健康風險評估

王秀艷　易忠芹　王釗　高爽　金陶勝

摘要：

2011年和2012年夏季在天津市紀莊子污水處理廠進行惡臭氣體監(jiān)測，通過GCMS分析惡臭氣體的濃度及惡臭指數，同時選取24名（男11名，女13名）被試者佩戴HOLTER進行急性暴露實驗，評估其健康風險。實驗共檢測出67種惡臭物質，格柵處惡臭氣體濃度最高，以硫化物和含氧化合物為主；格柵處的急性暴露實驗結果顯示被試者血壓反應正常，最快心率明顯偏高，且多出現于現場測試時段，HRV參數值均偏離正常范圍，表明受惡臭氣體刺激被試者交感神經活動增強；對污泥脫水間惡臭氣體進行致癌和非致癌風險評估可知，二氯甲烷和苯存在潛在致癌風險，惡臭非致癌危害指數HI小于1，其非致癌健康風險在可接受范圍內。

關鍵詞：

污水處理廠；惡臭；心率變異性；健康風險

污水處理廠作為環(huán)保工程，緩解了污水直接排放對地表水的污染，但污水處理廠的惡臭問題對周邊環(huán)境造成了二次污染，引發(fā)了人們越來越多的關注，惡臭氣體刺激對人體健康具有較大的潛在影響，比如危害呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)、神經系統(tǒng)等，同時也影響人的精神狀態(tài)[1]。Aatamila等[2]通過對廢物處理中心附近區(qū)域的惡臭氣體評估發(fā)現惡臭氣體對居民的健康癥狀（如呼吸急促、眼睛不適、聲音嘶啞、發(fā)燒以及肌肉疼痛等）有較大影響，OR均在1.4～1.7之間；同時有研究表明工廠附近VOCs暴露量高，增加了人們患喘鳴和上呼吸道疾病的風險[3]；衛(wèi)生調查結果顯示職業(yè)人群暴露于苯會導致中樞神經系統(tǒng)失調，甚至神經功能障礙或死亡[4]。

惡臭主要是由含硫化合物、醛、丁酸類物質引起的，唐小東等[58]研究了廣州一個典型城市污水處理廠揮發(fā)性惡臭有機物的組成和含量，苯系物、2丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲硫醚等是該污水處理廠重要的分子標志物，污水進水區(qū)、污泥處理區(qū)是污水處理廠惡臭氣體的主要污染源。Cheng等[9]對費城東北污水處理廠惡臭中有機硫化物進行檢測表明二甲基硫醚為主要物質，其平均濃度為419 μg/L；Lasaridi等[10]探討了希臘污水處理廠的惡臭問題，共監(jiān)測了硫化氫、氨、苯、甲苯等10種物質，其中硫化氫為重要組成（0.01～200 mg/m3），與Cooper等[11]在佛羅里達州的研究結果相近；Lehtinen等[5]監(jiān)測了污水處理廠非甲烷類VOCs和廠內工作人員個體暴露量，結果顯示TVOCs濃度為149.8～7 719.0 μg/L，工作人員的個體暴露量不會引起重要的健康問題，但會引發(fā)惡心、過敏等癥狀。筆者選取天津市紀莊子污水處理廠進行研究，實地監(jiān)測各構筑物及廠界處惡臭氣體的濃度，分析惡臭氣體排放特征，并通過急性暴露實驗探究惡臭氣體對人體心臟自主神經活動的影響，同時進行致癌與非致癌風險評估。

王秀艷，等：污水處理廠惡臭氣體健康風險評估

1實驗方法

1.1紀莊子污水處理廠簡介

天津市紀莊子污水處理廠總規(guī)模為54萬m3/d，污水處理采用了脫氮AO工藝、脫氮除磷AAO工藝以及除磷AO工藝，污泥處理采用濃縮中溫厭氧消化機械脫水處理工藝[12]。

1.2樣品采集與分析方法

按照紀莊子污水處理廠的工藝流程依次在不同的處理單元設置采樣點，設置順序為：格柵、初沉池、曝氣池、二次沉淀池、污泥濃縮池、污泥脫水間及廠界，在采樣的同時監(jiān)測風速、風向。使用8 L聚四氟乙烯采樣袋對源進行采樣，采樣袋在采樣前先用現場氣體清洗袋子2～3次，再采集樣氣，采樣時間約60 s，密封進氣口，帶回實驗室分析。采樣點選取在各處理單元下風向邊界線上，采樣頭高度為1.5 m，即人體呼吸帶高度。將采樣袋中的氣體注入GCMS自動進樣分析儀，分析樣品中氣體成分及濃度。

研究中實驗人員還進行了惡臭強度調查，分別在每個構筑物下風向處進行臭味嗅辨，并將結果進行統(tǒng)計。同時選取24名測試人員（身體健康）佩戴HOLTER，進行急性暴露實驗，佩戴人員在休息室靜休15 min后，測量血壓，記錄其5 min心電信號后；在格柵前記錄4～5 min的心電信號；回休息室測量血壓，靜休0.5 h，觀察延遲反應。

2結果與討論

2.1組成特征分析

對污水處理廠惡臭氣體進行分析，共檢測出67種惡臭氣體，其中烷烴21種、烯烴5種、芳香烴15種、鹵代烴14種、含氧化合物7種、含硫化合物5種，不同處理單元惡臭氣體中各物種的濃度（取自然對數值）如圖1所示。

圖1各監(jiān)測點不同惡臭物種的濃度自然對數值

從圖1所示各監(jiān)測點惡臭氣體濃度值可以判斷各處理單元惡臭氣體以硫化物和含氧化合物為主。各監(jiān)測點惡臭氣體濃度大小為：格柵（2 775.43 μg/m3）>污泥濃縮（814.73 μg/m3）>污泥脫水間（574.04 μg/m3）>初沉池（565.30 μg/m3）>廠界處（521.97 μg/m3）>二沉池（513.07 μg/m3）>曝氣池（436.99 μg/m3），格柵處惡臭氣體總濃度最大，其中硫化氫的含量為2 286.74 μg/m3，占該處惡臭氣體總量的82%，是其嗅閾值的5.6倍。根據城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準[13]，廠界廢氣排放最高允許濃度二級標準硫化氫為0.06 mg/m3，實驗監(jiān)測得廠界處硫化氫濃度為0.1 mg/m3，是標準值的近1.7倍。

2.2污水處理廠惡臭指數評估

惡臭混合氣體中，采用閾稀釋倍數作為衡量物種對臭氣強度貢獻指標，閾稀釋倍數計算公式為

Mi=Ci/ui （1）

式中：Mi為物種i的閾稀釋倍數；Ci為物種i的物質濃度，ui為物種i的嗅閾值。惡臭物質的閾稀釋倍數越高，該物質在臭氣中的貢獻值越大。按照總和模型法，混合物的臭氣濃度等于各成分閾稀釋倍數的總和[14]。

根據式（1）計算可知格柵處的惡臭氣體濃度遠遠高出其它點位，惡臭氣體總體閾稀釋倍數為5 737 141，惡臭氣體整體嗅閾值為0.000 484，與硫化氫相近，硫化物對總惡臭強度的貢獻率為997%。廠界處的臭氣濃度為258 067.62，參考城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準[13]，廠界廢氣排放最高允許濃度二級標準惡臭濃度為20，表明該廠廠界處遠遠超出標準值。格柵、廠界處各物種的閾稀釋倍數如表1所示。

2.3健康風險評估

2.3.1惡臭氣體對心臟自主神經活動的影響對于心臟自主神經活動狀態(tài)一般采用心率變異性（Heart rate variability，HRV）表征。心率變異性HRV的產生主要是由于心臟竇房結自律活動時交感神經和副交感神經不斷受中樞神經及壓力、化學感受器傳入的心血管反射等因素調節(jié)[1517]。

以HRV作為研究指標，選取24名18～30歲大學生（男11名，女13名），進行HOLTER急性暴露實驗，測定的參數包括血壓、心率、HRV時域指標（SDNN、rMSSD）、HRV頻域指標（LF、HF、LF/HF）。圖2是19名被試者現場測試前后的血壓值，其中SBP1、SBP2分別代表現場測試前、后被試者的收縮壓，DBP1、DBP2分別代表現場測試前、后被試者的舒張壓。

圖2被試者的血壓值

圖2顯示，被試者在現場測試前、后的血壓值（SBP/DBP）無顯著性差異，對比SBP、DBP，除了個別試驗者略超出正常范圍外，其他均在正常范圍內，由此可知污水處理廠格柵處的惡臭刺激對被試者的血壓值未產生明顯影響，即受惡臭刺激人體血壓指標反映正常。

由十二導全息動態(tài)心電圖結果顯示了24名被試者在室內安靜時間段—現場測試—回到室內安靜時間段整個過程的心率變化情況，其最快心率、最慢心率值如圖3所示。

圖3最快心率、最慢心率值

正常成人安靜時的心率在70 b/min左右，實驗中被試者心率平均值在正常范圍內，最慢心率均出現在室內安靜時段，最快心率多出現在現場測試時段，由圖3可知，最快心率明顯偏高，說明在現場測試階段被試者受惡臭氣體刺激心率變化較大。

由HOLTER測試所得的心率變異性（HRV）各參數值與參數正常值[18]的對比，如圖4、5所示。

圖4HRV時域指數

圖5HRV頻域指數

HRV時域指數是以RR間期的變異為基礎，SDNN、rMSSD參數反映了心臟自主神經系統(tǒng)總的調控情況，即竇性心律不齊的程度，男、女組SDNN平均值只為正常值的50%，受惡臭氣體影響，rMSSD明顯集中于正常范圍的平均值以下。HRV頻域指數中，高頻帶（HF，0.15～0.40 Hz）成分由迷走神經的張力所決定，主要代表呼吸變異，低頻帶（LF，0.04～0.15 Hz）成分受交感神經和副交感神經共同影響，其中交感神經占優(yōu)勢，LF/HF比值代表交感迷走神經張力的平衡狀態(tài)[1920]。男生組LF值為正常值的7倍左右，而女生組LF值是正常值的近10倍；男、女生組HF平均值均低于正常范圍平均值，表明迷走神經活動減弱；男生組LF/HF平均比值高出正常值2.8倍，女生組LF/HF平均比值高出正常值7.3倍，說明被試者交感神經活動增強，可能降低心室活動閾值，嚴重者將誘發(fā)致命性室性心律失常。此外，對比圖4、5中女性和男性的實驗結果可知，同時受到惡臭污染的刺激，女性比男性心臟自主神經活動所產生的反應更為顯著。

2.3.2致癌與非致癌風險評估致癌風險評估，一般用終生致癌風險（Lifetime Cancer Risk， LCR）為衡量指標。用慢性攝入量（Chronic Daily Intake， CDI）作為潛在劑量評估職業(yè)慢性暴露，公式為：

由表2可知，二氯甲烷和苯的終身致癌風險值（LCR）均介于10-6～10-4之間，表明其存在潛在致癌風險；污水處理廠污泥脫水間非致癌危害指數HI為0.11，其值小于1，表明非致癌健康風險在可接受范圍內。

3結論

1）各監(jiān)測點惡臭氣體濃度由大到小的順序依次為格柵、污泥濃縮、污泥脫水、初沉池、廠界處、二次沉淀池、曝氣池，惡臭氣體以硫化物和含氧化合物為主。影響污水處理廠惡臭指數的主要物種為硫化物、芳香烴類。

2）急性暴露實驗結果表明：被試者血壓反應正常；最快心率多出現在現場測試時段，且受惡臭氣體刺激在現場測試階段心率明顯偏高。HRV時域指數中，男、女組SDNN平均值只為正常值的50%，rMSSD明顯低于正常值；HRV頻域指數中，HF值均低于正常值，LF、LF/HF值遠遠高出正常值，說明被試者交感神經活動增強，可能降低心室活動閾值，嚴重者將誘發(fā)致命性室性心律失常。對比男、女生組的實驗結果可知，同時受惡臭污染的刺激，女生組比男生組心臟自主神經活動所產生的反應更為顯著。

3）通過對污泥脫水間惡臭氣體進行健康風險評估可知，二氯甲烷和苯存在潛在致癌風險。污水處理廠污泥脫水間非致癌危害指數HI小于1，其非致癌健康風險在可接受范圍內。

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（編輯胡英奎）