淮安某縣農村飲用水源中優(yōu)控污染物的篩選研究

許秋瑾,李 麗,梁存珍,成小英 (1.中國環(huán)境科學研究院,北京 10001；.江南大學環(huán)境與土木工程學院,江蘇 無錫 141；.北京石油化工學院環(huán)境工程系,北京 10617)

優(yōu)控污染物的篩選是指從眾多有毒有害的污染物中篩選出在環(huán)境中出現幾率高、對周圍環(huán)境和人體健康危害較大,并具潛在環(huán)境威脅的化學物質,以達到優(yōu)先控制的目的[1].關于優(yōu)控污染物的篩選,美國已建立一套完整的篩選方法,有毒物質與疾病登記署(ATSDR)在1991年建立了國家優(yōu)先名單(NPL)所列地點的有毒物質環(huán)境釋放與健康效應數據庫,在此基礎上以有效候選區(qū)污染物的出現頻率、毒性和人群暴露潛勢為指標,

并根據總得分的多少排序[2].1997年又提出了化學危害評估管理策略(CHEMS-1)[3].歐盟采用風險排序法[4]、化合物危險鑒定與評估工具(CHIAT)

方案篩選優(yōu)先污染物[5].我國對于優(yōu)控污染物的篩選研究起步較晚,王維國等[6]設計了優(yōu)控污染物篩選的評分體系,探討系統(tǒng)中各項參數分值的設置.目前國內外提出并應用較多的篩選方法有模糊數學法[7-8]、潛在危害指數法[9]、密切值法[10]、Hasse圖解法[11]、綜合評分法[12]、風險得分法[13]等,但目前多用于有機物的篩選,對人體危害較大的重金屬研究不多[14-15],綜合比較各種篩選方法,潛在危害指數法與綜合評分法比較成熟、簡便,應用較多.本文應用潛在危害指數與綜合評分兩種方法對農村飲用水源中測定出的污染物進行排序,篩選優(yōu)控污染物,旨在為地方飲用水源的保護提供管理依據和技術支撐.

1 材料與方法

1.1 水樣采集

分別于 2010年 6月(豐水期)和 2010年 12月(枯水期)在淮安某縣 5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行取樣,每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選2個村,共設20個采樣點.采集飲用水源水于2.5L棕色廣口瓶中,取樣后當天進行固相萃取預處理.另取水樣于 40 mL棕色頂空瓶中,加入1:1鹽酸調節(jié)至pH值1～2.另取水樣于100mL塑料瓶中,加入幾滴濃硝酸調節(jié)至pH值1～2.

1.2 水樣分析

測定半揮發(fā)性物質的水樣經過過濾、富集、洗脫、濃縮、脫水后,采用氣相色譜-質譜聯用儀測定;采用吹掃捕集-氣相色譜/質譜聯用方法測定揮發(fā)性物質;采用電感耦合等離子體-質譜法測定重金屬.

1.3 質量控制

揮發(fā)性物質與半揮發(fā)性物質均采用內標法進行定量,測定半揮發(fā)性物質采用的替代物的回收率范圍滿足 40%～120%,相對標準偏差＜30%.每分析一批樣品至少做一個空白,儀器每12 h做1次溶劑空白以檢查儀器的污染狀況,每分析 20個樣品做一次標樣來控制誤差.

重金屬進行加標回收實驗,加標回收率在90%～110%.以上處理設 3個平行,相對標準偏差＜10%.

2 研究方法

2.1 潛在危害指數法[9]

潛在危害指數法是由美國環(huán)境保護局工業(yè)環(huán)境實驗室提出的,根據化學物質對環(huán)境潛在危害大小給其排序[16].該方法的特點是抓住化學物質對人和生物的毒效應這個主要參數,利用各種毒性數據通過模式運算來估計化學物質的潛在危害大小,并據此予以排序和篩選[17].

第一步,計算化學物質潛在危害指數,依據其最基本的毒理學數據[18-21](如閾限值、推薦值、LD50等)按公式推算[21],計算公式如下:

式中:N為潛在危害指數;A為化學物質的AMEGAH所對應的值;B為潛在“三致”化學物質的AMEGAC所對應的值;a、a′、b為常數項.

式(1)中A、B值的確定原則如表1所示.

表1 A、B值的確定Table 1 Determination of A and B values

a、a′、b的確定原則如下:可以找到B值時,a= 1,無B值時,a= 2;某化學物質有蓄積或慢性毒性時,a＇= 1.25,僅有急性毒性時,a′= 1;可以找到A值時,b=1,找不到A值時,b=1.5.

其中,AMEG即周圍多介質環(huán)境目標值(Ambient Multimedia Environmental Goals),是美國環(huán)境保護局工業(yè)環(huán)境實驗室推算出來的化學物質或其降解產物在環(huán)境介質中的限定值[22].

第二步,將計算得到的潛在危害指數進行分級.經統(tǒng)計,59種化合物的潛在危害指數數值范圍為1～30,分為5個區(qū)間:指數1～6為1分,此區(qū)間的化合物多數是無慢性毒性;指數 6.5～12.5,分值定為 2;指數 13～18.5,分值定為 3,此區(qū)間的化合物多有慢性毒性和“三致”作用;指數19～24.5時,分值定為4;危害指數大于或等于25時,分值定為5,此區(qū)間的化合物多為國際上公認的強烈致癌物質.

第三步,將檢測所得的平均濃度進行分級.對豐枯時期定量檢出的數據進行統(tǒng)計,除去個別異常值,找出平均檢出濃度最大值與最小值,由于各種物質濃度差距較大,且有機物濃度的分布不均勻,多數化合物的平均檢出濃度都較小,因此采用幾何分級法,利用等比級數定義分級標準,共分為5級,將定量檢出的各種有機化合物的平均濃度區(qū)間分為 5個區(qū)間,各區(qū)間從小到大分別賦予1～5不同的分值.

第四步,將各種有毒物質的檢出率進行分級.對豐枯時期定量檢出的數據進行統(tǒng)計,找出檢出率的最大值與最小值,將最大、最小檢出率區(qū)間平均分為5個區(qū)間,從小到大依次賦予1～5不同的分值.

第五步,對每個因子進行加權組合.根據文獻[21],在對每個因子進行分數組合時,要確定各因子的權重.在飲用水中進行有毒有機物篩選時,化合物的潛在危害性應是最重要的因子,而化合物的實際檢出數據,相對而言權重較小.將潛在危害指數(N)、平均濃度(C)、檢出頻次(F)的權重分別定義為 3、1、1,計算總分R,R= 3×N+C +F,再根據R對化合物進行排序[21].

2.2 綜合評分法[12]

綜合評分法以污染物的檢出率(A)、環(huán)境(健康)影響度(B)、潛在危害指數(C)、是否屬于有毒化學品(D)、污染源是否檢出(E)、是否屬于環(huán)境激素(F)、是否美國EPA優(yōu)控污染物(G)、是否屬于中國優(yōu)先污染物(H)、是否屬于持久性污染物(I)9個因子為指標.

首先對各因子的權重進行分級.根據以上 9個因子對優(yōu)先控制的污染物篩選的重要性,以100分計,各因子的分權重如表2所示[12].

然后,在此基礎上,計算綜合評價值如下:

綜合評價值=A×25+B×10+C×10+D×6+

式中:B的計算方法為:以最大的環(huán)境(健康)影響度為1,其余分別乘上最大的環(huán)境(健康)影響度的倒數的這一系數.C的計算方法為:以最大的潛在危害指數為 1,其余分別乘上最大的潛在危害指數的倒數的這一系數.D～I的計算方法為:是為1,否為0.

最后,根據綜合評價值進行排序.

表2 各因子權重Table 2 Weight values for assessment factors

3 結果

本實驗共測定了 80種半揮發(fā)性有機物,21種揮發(fā)性有機物,10種重金屬,共檢出49種有機物,10種重金屬.采用潛在危害指數與綜合評分法對檢出的59種污染物進行優(yōu)先排序,計算結果如表 3、表4所示.根據文獻,優(yōu)控污染物的篩選原則是對經濟環(huán)境的各種因素進行分析,確定在數量上優(yōu)先控制水系中 30%定量檢出的污染物;在種類上篩選出綜合評價指數高的污染物[12],考慮研究區(qū)農村經濟的發(fā)展水平比較低的特點,篩選出 15%的污染物作為優(yōu)控污染物.本文飲用水源中測定出59種污染物,那么可將排名前9位的污染物作為優(yōu)控污染物.

表3 潛在危害指數法分值計算Table 3 Score calculation of the potential risk index method

續(xù)表3

由表 3可見,采用潛在危害指數法篩選優(yōu)控污染物,總分值范圍為 3～24.根據優(yōu)控污染物占15%定量檢出污染物的原則,得出淮安某縣農村飲用水源中的優(yōu)控污染物有Cr、Ni、As、Cd、Hg、Cu、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、Pb共2類9種.

由表 4可見,采用綜合評價法篩選優(yōu)控污染物,59種污染物的總分值范圍為 21.86～76.16.根據優(yōu)控污染物占 15%定量檢出污染物的原則,得出淮安某縣農村飲用水源中的優(yōu)控污染物有:Cd、Hg、Pb、五氯聯苯、鄰苯二甲酸二丁酯、四氯化碳、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、苯并(a)芘、Ni共5類9種.

表4 綜合評分法分值計算Table 4 Score calculation of the composite scoring method

續(xù)表4

4 討論

采用潛在危害指數法篩選出的優(yōu)控污染物有重金屬、多環(huán)芳烴2類共9種(表5).這些物質全部屬于EPA優(yōu)控污染物,有8種屬于中國優(yōu)控污染物.

表5 潛在危害指數法篩選出的優(yōu)控污染物Table 5 Selected priority control pollutants by the potential risk index method

采用綜合評分法篩選出的優(yōu)控污染物有重金屬、多氯聯苯、酞酸酯、揮發(fā)性物質、多環(huán)芳烴5類共9種物質(表6).這些物質既屬于EPA優(yōu)控污染物又屬于中國優(yōu)控污染物.

潛在危害指數法與綜合評分法篩選出的結果中有 5種污染物相同,但排名順序相差較大.這是由于潛在危害指數法考慮了污染物的一般毒性、特殊毒性、累積性、慢性效應、環(huán)境暴露;而綜合評分法評價指標不僅包括潛在危害指數法所考慮的上述因素,還需計算檢出值與標準值的比值、判定是否為國內外優(yōu)先控制污染物等.另一方面是綜合評分法中污染物的檢出率權重較大.

比較這兩種方法,潛在危害指數法計算較為簡便,但計算結果常常得到多個相同的總分值.這是由于潛在危害指數法進行篩選時采用的因子較少,僅有 3個,權重分別為 3,1,1,相差不大,同時各污染物檢出的濃度范圍較大,在濃度相差較大的情況下賦值容易得到相同的分值;綜合評分法,進行篩選時有 9個因子,同時各篩選因子的權重值相差較大,范圍為 6～25,因此,得到相同的總分較少,但部分有機物既沒有國標生活飲用水標準,又沒有世界衛(wèi)生組織飲用水標準(如鄰苯二甲酸二甲酯),對結果會產生一定的影響,同時,綜合評分法需要進行污染源的調查,故工作量大,計算方法相對也比較復雜[1].本文綜合這兩種方法,將篩選出的共同的污染物與不同的污染物中屬于中國優(yōu)控污染物的物質作為淮安某縣農村飲用水源的優(yōu)控污染物.篩選出的優(yōu)控污染物有Cd、Hg、Pb、Ni、Cr、As、Cu、苯并(a)芘、五氯聯苯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、四氯化碳.

表6 綜合評分法篩選出的優(yōu)控污染物Table 6 Selected priority control pollutants by the composite scoring method

本研究篩選出的優(yōu)控物質與江蘇省飲用水[9]、歐洲四大河流[23]篩選出的優(yōu)控污染物不盡相同,這是由于本實驗篩選的是農村飲用水源中的優(yōu)控污染物,主要水源類型為地下水,而且沒有經過飲用水處理工藝;文獻[9]篩選的是江蘇城市生活飲用水中的優(yōu)控污染物,一般經過水質凈化,污染水平較低,篩選出的前10種物質中有5種揮發(fā)性物質,3種取代苯,這可能是由于水源水經過凈水處理,如氯消毒等導致的;歐洲河流篩選出的10種物質中有9種農藥,這是由于農藥類物質易通過地表徑流匯入河流.另一方面,本次篩選包括重金屬,而江蘇城市飲用水與歐洲河流主要是針對有機污染物進行研究,不含重金屬.

本研究結果顯示淮安某縣農村飲用水源中重金屬是主要的優(yōu)控污染物,通過污染源調查顯示該地區(qū)主要為農業(yè)生產活動,極少有工業(yè)污染.因此,可能農業(yè)面源污染是重金屬的主要來源,如可能是施用劣質肥料、農藥,或采用污水灌溉等導致重金屬在土壤中富集,并滲入地下水.由于采樣點處于農村地區(qū),當地村民有燃燒秸稈的習慣,秸稈焚燒會產生大量的多環(huán)芳烴類物質.酞酸酯類是日常生活塑料制品中最常使用的增塑劑,由于塑料制品的大量使用導致其釋放,揮發(fā)至大氣、土壤、水域中等.為此,研究地區(qū)應重視農業(yè)生產,嚴格控制施肥質量與數量,減少秸稈燃燒,提倡使用清潔能源,少用塑料制品,做好農村固體廢棄物的處理處置等,以減少污染物對人體的健康威脅.

5 結論

5.1 淮安地區(qū)農村飲用水源采用潛在危害指數法得到的優(yōu)控污染物有Cr、Ni、As、Cd、Hg、Cu、Pb、苯并(a)蒽、苯并(a)芘;采用綜合評分法得到的優(yōu)控污染物有Cd、Hg、Pb、Ni、五氯聯苯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、四氯化碳、苯并(a)芘.

5.2 綜合比較潛在危害指數法與綜合評分法,建議淮安某縣農村飲用水源中優(yōu)控污染物為Cd、Hg、Pb、Ni、Cr、As、Cu、苯并(a)芘、五氯聯苯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、四氯化碳.

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