垃圾焚燒飛灰自然堆積過程中細顆粒擴散的健康風險評估

傅滬鳴

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092）

垃圾焚燒飛灰自然堆積過程中細顆粒擴散的健康風險評估

傅滬鳴

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092）

通過分析不同粒徑飛灰細顆粒重金屬和二噁英含量以及15個垃圾焚燒飛灰重金屬和二噁英總量,評估我國飛灰中PM10及PM2.5重金屬和二噁英平均含量。利用USEPA AP-42及SCREEN3估算飛灰在自然堆積時PM10及PM2.5的散逸濃度,進而分析得到,飛灰自然堆積時,操作現(xiàn)場、最大落地點32 m及800 m處可能受影響人群的致癌風險(Risk)和非致癌風險(HQ)均超過工業(yè)場地及居住用地風險標準。主要風險物質是重金屬,二噁英引起的風險極小。

垃圾焚燒；飛灰；細顆粒；散逸；健康風險

0 引言

飛灰作為一種危廢,其中含有大量的重金屬、二噁英和二噁英類物質。飛灰中重金屬和二噁英含量主要受垃圾組分、焚燒溫度、煙氣冷卻停留時間等[1,2]因素影響。重金屬和二噁英均屬于致癌物質,研究者[3,4]嘗試建立重金屬總量與環(huán)境風險之間的關系,但是結果通常比較模糊,重金屬總量可以預測元素的富集,但是無法預測重金屬在環(huán)境中的毒性行為。

美國EPA發(fā)布的《生活垃圾焚燒殘余物的環(huán)境釋放與暴露評估方法》[5]指出,飛灰在處理處置過程中容易導致飛灰散逸釋放到環(huán)境[6]。因此,飛灰細顆粒的散逸必將對飛灰處理處置現(xiàn)場的操作工人以及周邊居民的健康構成潛在風險。研究發(fā)現(xiàn),重金屬會在細顆粒中富含[7],說明細顆粒引起的風險要高于原灰。本研究針對垃圾焚燒飛灰自然堆積條件下飛灰中細顆粒的散逸,評估飛灰細顆粒中富集的重金屬及二噁英對現(xiàn)場人員及周圍居民造成的致癌及非致癌風險。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

試驗用飛灰取自15個省市生活垃圾焚燒廠（S1、S2、……、S15）,并分析其重金屬含量。采用Andersen大氣采樣裝置篩分上海御橋垃圾焚燒發(fā)電廠不同粒徑的飛灰。收集的粒徑區(qū)間分別是DP＞10（大于10 μm),DP10-5（粒徑區(qū)間為5μm到10 μm）,DP5-2.5（粒徑區(qū)間為2.5 μm到5 μm）, DP2.5-1（粒徑區(qū)間為1 μm到2.5 μm）,和DP＜1 (小于1 μm)。

重金屬分析:消解稱取0.2 g干燥樣品置于聚四氟乙烯消解管中,依次加入10 mL HNO3+5 mL HClO4+10 mL HF,使用石墨消解儀進行消解。使用ICP-AES檢測重金屬濃度。

二噁英:稱取20 g飛灰樣品,用經處理過的濃硫酸萃取,濃縮液經硝酸銀/硅膠柱和活性炭/硅膠柱凈化。PCDD/Fs和dl-PCBs的濃度檢測采用高分辨率氣相色譜/質譜聯(lián)用儀進行分析。四氯取代至六氯取代PCDD/Fs的分析使用——CP-Sil88 for dioxins‖分離柱,七氯取代和八氯取代PCDD/Fs以及dl-PCBs的分析使用DB-5ms毛細管柱。

1.2 特征污染物的識別

通過對危險廢物填埋場滲濾液中重金屬種類及濃度分析,能直觀判斷填埋飛灰中污染物質成分。依據本課題組以往研究中獲得的危險廢物填埋場滲濾液中重金屬污染物種類及濃度可以發(fā)現(xiàn),Zn、Pb、Cr、Ni、Cd和Cu都為填埋場滲濾液主要金屬污染物。除Ni數據缺失不做考慮外,將Zn、Pb、Cr、Cd、Cu和二噁英列為本研究的關注污染物。

1.3 擴散模型及參數選擇

飛灰在處理過程、卸載、運輸設備經過和風力擾動等過程均會產生揚塵。本研究在飛灰顆粒物擴散速率方面主要考慮了飛灰處理過程及風力作用兩種情況。產生量除通過現(xiàn)場實測外,利用USEPA提供的AP-42模型[8]進行評估。AP-42模型在PM10及PM2.5的擴散[9-11]中有廣泛應用。

通過USEPA AP-42估算飛灰處理過程顆粒物排放速率E（單位:g/m2·y）:

風蝕過程產生顆粒物排放速率EF（單位: g/m2·y）:

顆粒物（PM10、PM2.5）擴散濃度選用SCREEN3進行模擬,用于模擬污染物在大氣中的擴散[12]。粒徑模擬PM10與PM2.5,因此不考慮沉降。表1為參數選擇。

表1 參數選擇

1.4 風險表征

根據飛灰細顆粒中重金屬含濃度及細顆粒的擴散,可評估飛灰細顆粒對現(xiàn)場工作人員及周圍居民的致癌風險。本研究模擬的場景是細顆粒呼吸道攝入。飛灰中關注污染物質毒性參數主要采集于IRIS,同時參考了IARC及WHO等機構發(fā)布的毒性因子。

致癌暴露劑量CDIair-c:

致癌暴露劑量CDIair-nc:

其中Cfa為飛灰關注污染物濃度。

則飛灰細顆粒物揚塵的致癌風險RISKinhalation及非致癌風險HQinhalation可計算為:

2 結果與分析

2.1 飛灰細顆粒中重金屬含量

圖1 飛灰樣品中重金屬含量

在所有樣品中均檢測到PCDD/Fs和dl-PCBs。PCDDs、PCDFs和Dl-PCBs總濃度及毒性當量見表3。其中毒性當量濃度根據WHO-TEF 2005[15]計算。

表3 灰樣品中二噁英濃度值（ng/g）和毒性當量濃度值（ng-TEQ/g）

圖2表示的是對上海御橋垃圾焚燒發(fā)電廠飛灰粒徑分類后,不同粒徑飛灰細顆粒中重金屬及二噁英濃度。其中對應PM10和PM2.5百分含量為36.9%和10.6%,將圖1中15種樣品重金屬及二噁英含量設定為飛灰中重金屬及二噁英的設計值,可得到表4中飛灰細顆粒中關注污染物質的濃度。

圖2 飛灰中不同粒徑細顆粒中重金屬及二噁英含量

表4 飛灰細顆粒中關注污染物質的濃度 mg/kg

2.2 飛灰顆粒物的擴散濃度

假設場地處理飛灰5 t/h（根據上海市某危廢填埋場灰日處理飛量估算得）,堆存飛灰場地為45 m×45 m（該面積為美國環(huán)保局固廢處置場地大小缺失時的默認值）,則通過USEPA AP-42提供模型可估算得到表5中飛灰在處理過程中細顆粒物的排放速率及風蝕過程產生顆粒物排放速率。

表5 飛灰細顆粒物的排放速率

圖3是利用SCREEN3模擬的飛灰細顆粒擴散濃度分布。飛灰散逸的PM10和PM2.5均在擴散至32 m時出現(xiàn)最大濃度。圖3中800 m處的飛灰細顆粒含量遠遠小于《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095-2012）規(guī)定的居住區(qū)PM10和PM2.5二級標準年,因此,選擇32 m和800 m作為暴露點用于本研究評估。由于該模型僅模擬1 h中最差風力條件下的最大濃度,本文選取0.2行校正（見表6）。

圖3 飛灰自然堆存時細顆粒擴散模擬結果

表6 飛灰自然堆放時不同暴露點顆粒物校正濃度 mg/m3

2.3 暴露點飛灰顆粒物中特征污染物濃度

由表4中細顆粒中關注物質濃度及表6中32 m和800 m處PM10和PM2.5濃度可得到32 m和800 m處各關注污染物濃度（見表7）。

表7 飛灰自然堆放時不同暴露點關注物質暴露濃度 mg/m3

2.4 飛灰揚塵散逸風險評估

表8中可得,PM10對操作現(xiàn)場工人的致癌風險總值為4.96E-04,超過工業(yè)場地致癌風險概率值1.0E-04,其中有PM2.5引起的風險占總風險的27%。貢獻最大是Cr,其風險值為4.86E-04,貢獻率為98%。在顆粒物最大落地點32 m處總風險值為 9.17E-04,大于工業(yè)場地致癌風險概率值1.0E-04。在800 m處,PM10對居民的致癌總風險值為 1.23E-06,超過居住用地風險概率值1.0E-06,風險最大貢獻者也為Cr,貢獻率為98%。

由表9可得,在最大落地點32 m處PM10對人體產生的非致癌風險總值為2.92,大于閾值1,存在風險。其主要風險貢獻為Cd,占總風險的61%,其次為Pb,占總風險29%。操作現(xiàn)場PM10的非致癌風險總值為1.97,大于1,其主要風險貢獻為Cd,占總風險的62%,其次為Pb,占總風險29%。PM2.5在最大落地點處、操作現(xiàn)場和800 m處的非致癌風險值均小于1,僅占總風險值的20%左右。

3 結論與展望

我國生活垃圾焚燒飛灰中PM10和PM2.5百分含量為36.9%和10.6%。自然堆存狀態(tài)中在操作現(xiàn)場和飛灰揚塵最大落地點處由呼吸攝入PM10引起的致癌風險（Risk）和非致癌風險（HQ）均超標, PM2.5在Risk和HQ中的貢獻率分別為27和20%。PM10對距離800 m處居民引起的Risk超過居民區(qū)風險概率值,引起致癌風險的主要物質為Cr,引起非致癌風險的主要重金屬為Cd,其次為Pb。

表8 飛灰自然堆放致癌暴露風險評估結果

表9 飛灰自然堆放非致癌暴露風險評估結果

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X82

A

1009-7716（2017）07-0266-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.081

2017-03-06

傅滬鳴（1959-）,男,江蘇睢寧人,從事固廢設計運營工作。