基于蒙特卡羅方法的鉛酸蓄電池廠土壤健康風(fēng)險評價*

楊思言 段寧 魏婉婷

（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢430081）

基于蒙特卡羅方法的鉛酸蓄電池廠土壤健康風(fēng)險評價*

楊思言 段寧 魏婉婷

（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢430081）

以土壤中的風(fēng)險指標(biāo)（Pb，Cd，As）為研究對象 ，將蒙特卡羅模擬方法應(yīng)用到某鉛酸蓄電池廠土壤重金屬的健康風(fēng)險評價中，解決了土壤重金屬影響人體健康風(fēng)險的不確定性問題。結(jié)果表明，土壤中Pb對成人不存在非致癌風(fēng)險，對兒童存在非致癌風(fēng)險；土壤中Cd，As對成人、兒童都不存在致癌風(fēng)險；影響Pb，Cd和As進入人體單位體重的致癌、非致癌風(fēng)險水平大小的主要因素為土壤重金屬濃度。研究結(jié)果在一定程度上可為鉛酸蓄電池廠土壤不確定性健康風(fēng)險評價提供參考依據(jù)。

蒙特卡羅 鉛酸蓄電池廠 重金屬 健康風(fēng)險

0 引言

健康風(fēng)險評價（HRA）是指通過毒理學(xué)、流行病學(xué)資料、環(huán)境和暴露因素等的收集，概率評估有毒有害物質(zhì)對暴露人群的健康構(gòu)成損害的可能性及程度大?。?］。中國的健康風(fēng)險評價起步較晚，風(fēng)險評估模型的研究比較欠缺，目前多借用國外的模型。隨著重金屬污染形勢越來越嚴(yán)峻，人們越發(fā)關(guān)注重金屬污染帶來的健康效應(yīng)。

現(xiàn)有研究中，中國重金屬健康風(fēng)險評估的應(yīng)用有USEPA模型、地理信息系統(tǒng)（GIS）、可給性研究和蒙特卡羅模型（Monte Carlo）。USEPA模型［2］是應(yīng)用最為廣泛的確定性風(fēng)險模型，其計算簡單、方便，但美國、歐盟等制定和頒布的關(guān)于健康風(fēng)險評估方面的技術(shù)性文件不一定適用于中國國民體質(zhì)；地理信息系統(tǒng)（GIS）［3］的發(fā)展提高了模擬技術(shù)，從而使健康風(fēng)險評估準(zhǔn)確性提高 ，國內(nèi)在此方面的研究較少；可給性研究［4］是通過重金屬對人體生物可給性的實驗，將實驗結(jié)果運用于HRA工作中的一項研究，國內(nèi)在此方面的研究屈指可數(shù)；Monte Carlo模型［5］是國外比較常用的不確定性健康風(fēng)險評估模型，不僅可以分析污染物對人體健康的影響，還可分析模型中各指標(biāo)的不確定因素對預(yù)測結(jié)果的影響，適用于具有隨機性和不確定性模型的求解，是健康風(fēng)險評價中簡單、有效、實用的分析方法。因此，本文擬利用Monte Carlo模型，進行鉛酸蓄電池廠土壤重金屬對人體的不確定性健康風(fēng)險評價，以期得到土壤中各重金屬指標(biāo)對人體健康風(fēng)險水平影響的概率分布以及不同因素對人體健康風(fēng)險水平影響的靈敏度。

1 研究區(qū)概況及取樣與現(xiàn)狀調(diào)查方法

某鉛酸蓄電池廠的產(chǎn)品主要包括閥控密封式鉛酸蓄電池、板式膠體電池系列、動力電池三大系列80多個品種 ，主要產(chǎn)品為2V，12V 閥控鉛酸蓄電池，應(yīng)用在備用電源系統(tǒng)、太陽能和光能儲能系統(tǒng)和電動交通工具。該廠主要生產(chǎn)工藝包括極板生產(chǎn)、電池總裝及內(nèi)化成幾大部分。蓄電池的生產(chǎn)可以分為4個主要部分：極板制造、鉛零件鑄造（包括疊片及總裝）、注酸、內(nèi)化成。生產(chǎn)過程中，由于“三廢”污染物的排放 ，鉛酸蓄電池廠的土壤重金屬濃度持續(xù)累積。

土壤樣品在表層土壤的0～20 cm范圍內(nèi)采集并混合 ，總計30個，采自于化成車間及成品倉庫（12個）、污水處理站門前花壇（6個）、極板車間（12個）。土壤樣品常溫條件下經(jīng)自然風(fēng)干后用研缽磨碎 ，用150μm篩篩出后 ，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定土壤中鉛（Pb）、鎘（Cd）、砷（As）的濃度。鉛酸蓄電池廠土壤重金屬監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 土壤重金屬監(jiān)測結(jié)果 mg／kg

2 基于Monte Carlo模型的健康風(fēng)險評價

2.1 健康風(fēng)險評價

健康風(fēng)險評價（HRA）是用來評估有毒有害物質(zhì)對人類所構(gòu)成危害的一種模型。風(fēng)險評估是一個多步驟的過程，包括危害識別、暴露評估、毒性評估和風(fēng)險表征［6］。人體暴露在土壤重金屬的主要途徑包括3種：口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收。風(fēng)險表征中是用致癌危害指數(shù)和非致癌危害指數(shù)來表示風(fēng)險的大小。為了評估兒童和成人通過口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收3種接觸途徑的健康風(fēng)險評價，3種暴露途徑的重金屬日慢性攝取劑量（CDI），可通過式（1）～式（3）得到。IngR，InhR，EF，ED，AFsoil和AT參數(shù)的確定是采用美國制定的標(biāo)準(zhǔn)［7］，健康風(fēng)險評價暴露參數(shù)見表2［8］。

式中 ，CDIing，CDIinh和CDIderm分別表示為口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收途徑的日慢性攝取劑量，mg／（kg·d）；Csoil為土壤中重金屬含量，mg／kg。

表2健康風(fēng)險評價暴露參數(shù)

非致癌風(fēng)險值HQ表示為日慢性攝取劑量CDI與各暴露途徑的參考劑量RfD的比值，見式（4）。非致癌總危害指數(shù)HI為各暴露途徑（口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收）的非致癌風(fēng)險值HQ的算術(shù)和，見式（5）。當(dāng)HI≤1時，認為沒有非致癌風(fēng)險產(chǎn)生；當(dāng)HI＞1時，非致癌風(fēng)險可能產(chǎn)生，且隨著HI的數(shù)值越大，發(fā)生風(fēng)險的可能性越大。

非致癌健康風(fēng)險評價模式為

式中，HQing，HQinh，HQderm分別表示為口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收途徑的非致癌風(fēng)險值，a－1。

致癌風(fēng)險評價是通過日慢性攝取劑量CDI乘以斜率系數(shù)CSF計算得出，如式（6）。終身致癌風(fēng)險（LCR）表示為各暴露途徑的致癌風(fēng)險的算術(shù)和，如式（7）。致癌風(fēng)險可接受的程度是在1×10－6～1×10－4之間［9］，本文取致癌風(fēng)險閾值為1×10－4。非致癌慢性參考劑量（RfD）和致癌斜率系數(shù)（CSF）值如表3所示［10－11］。

表3 健康風(fēng)險評價RfD和CSF

致癌健康風(fēng)險評價模式為

式中 ，Cnring，Cnrinh和Cnrderm分別表示為口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收途徑的致癌風(fēng)險值，a－1。

2.2 Monte Carlo模擬

風(fēng)險評估的不確定性是普遍存在的，不確定性的產(chǎn)生是由于缺乏精確的知識、環(huán)境系統(tǒng)的變化和個體特征的可變性，為了降低風(fēng)險評估的不確定性 ，通過Monte Carlo模擬進行風(fēng)險評估，而Crystal Ball（水晶球）軟件，是一個最常用的Monte Carlo建模工具。

Monte Carlo模擬主要步驟如下：①通過數(shù)學(xué)模型，選擇主要的影響因素，并確定自變量的概率分布；②實現(xiàn)從已確定概率分布的隨機取樣；③建立各統(tǒng)計量的估計。

2.3 基于Monte Carlo模擬的健康風(fēng)險評價

①以表1中的土壤重金屬監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Crystal Ball軟件中的分布擬合功能構(gòu)造各重金屬濃度的概率分布，結(jié)果如表4所示；②根據(jù)式（1）～式（7）建立評價模型，模擬計算成人、兒童日慢性攝取劑量以及非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險評價的概率分布，結(jié)果見表5～表7；③利用Crystal Ball軟件中的靈敏度分析功能，分析土壤中重金屬濃度、暴露頻率、暴露持續(xù)時間、平均暴露時間、土壤吸附系數(shù)以及皮膚呼吸系數(shù)對健康風(fēng)險水平影響的靈敏度，結(jié)果見圖1。

表4重金屬濃度的概率分布

表5成人日慢性攝取劑量的不同概率分布

表6兒童日慢性攝取劑量的不同概率分布

續(xù)表

表7非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險評價的概率分布

圖1 各指標(biāo)不同影響因子下的健康風(fēng)險靈敏度分析

由表5和表6可知，3種暴露途徑下，成人Pb日均慢性攝取量比兒童的日均慢性攝取量都要小 ，成人口腔攝入Cd，As比兒童小，成人呼吸吸入和皮膚吸收Cd，As比兒童略大，總體而言，成人Cd，As日均慢性攝取量比兒童的日均慢性攝取量要小。3種暴露途徑相比，成人和兒童的Pb，Cd，As日均慢性攝取量大小排序都為口腔攝入＞皮膚吸收＞呼吸吸入。

由表7可知，成人Pb的HI均小于1，不存在非致癌風(fēng)險 ，兒童的HI有大于1，說明兒童存在非致癌風(fēng)險，且相對于成人，更容易受非致癌風(fēng)險影響；成人和兒童的Cd，As的致癌風(fēng)險均小于1×10－4，說明Cd，As對成人、兒童都不存在致癌風(fēng)險。

由圖1可知，重金屬Pb，Cd，As作為風(fēng)險評價指標(biāo)，反映了土壤中重金屬濃度、暴露頻率、暴露持續(xù)時間、平均暴露時間、土壤吸附系數(shù)以及皮膚呼吸系數(shù)影響成人、兒童非致癌、致癌風(fēng)險水平的靈敏程度，影響重金屬Pb，Cd和As進入人體單位體重的致癌、非致癌風(fēng)險水平大小的主要因素為土壤重金屬濃度。

3 結(jié)語

（1）將蒙特卡羅模擬方法應(yīng)用于鉛酸蓄電池廠土壤重金屬的健康風(fēng)險評價，可計算出日慢性攝取劑量和致癌、非致癌風(fēng)險水平的概率分布。

（2）在口腔攝入、呼吸吸入和皮膚吸收3種暴露途徑下，成人Pb，Cd，As日均慢性攝取量比兒童的日均慢性攝取量都要小，3種暴露途徑相比，成人和兒童的土壤Pb，Cd，As口腔攝入日均慢性攝取量最大，其次是呼吸吸入日均慢性攝取量，皮膚吸收日均慢性攝取量最小。

（3）成人Pb不存在非致癌風(fēng)險，兒童Pb存在非致癌風(fēng)險，說明相對于成人，兒童更容易受非致癌風(fēng)險影響，這可能與兒童的體重、戶外活動多和皮膚接觸土壤的面積比成人小有關(guān)；成人和兒童的Cd，As的致癌風(fēng)險均小于1×10－4，說明Cd，As對成人、兒童都不存在致癌風(fēng)險。因此，鉛酸蓄電池廠應(yīng)重點控制土壤Pb的濃度。

（4）在3種暴露途徑下，影響重金屬Pb，Cd和As進入人體的致癌、非致癌風(fēng)險水平大小的主要因素為土壤重金屬濃度 ，因此，鉛酸蓄電池廠生產(chǎn)過程中應(yīng)重點控制重金屬污染物濃度。

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Health Risk Assessmentof the Soil from a Lead－acid Battery Factory Based on Monte Carlo Method

YANG Siyan DUAN Ning WEIWanting
（School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and TechnologyWuhan430081）

Taking the risk index（Pb，Cd，As）in soil as the research object，theMonte Carlo simulationmethod isapplied in health risk assessmentof heavymetals in the soilof a lead－acid battery factory and the uncertainty of the heavymetals in soil of human health risk issolved.The resultconcludes that，Pb doesn’texistno－carcinogenic risk foradult，butexist for children and while Cd and As don’texistcarcinogenic risks for adultsand children.Theheavymetal concentrations are the main factorsaffecting the levelof Pb，Cd and As into the human body unitweightofno－carcinogenic or carcinogenic risk.The research can provide a reference for theuncertainty of health risk assessmentof the soil in a lead－acid battery factory.

Monte Carlo lead－acid battery factory heavymetals health risks

楊思言，女，1990年生，碩士，主要研究方向為環(huán)境評價。

2015－10－26）

國家自然科學(xué)基金（41102218）。

段寧，女 ，1976年生，博士，副教授，主要從事污染控制、環(huán)境評價等研究。