涂裝工業(yè)大氣污染物排放毒性當(dāng)量核算模型的研究

陸叢蕊，劉鴻志，袁 濤，靳 強(qiáng)，程金平，申哲民,2

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240;2.上海市污染控制和生態(tài)安全研究中心，上海 200092)

近些年來(lái)，我國(guó)工業(yè)企業(yè)發(fā)展迅速，生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的污染物經(jīng)廢水、廢氣、廢渣等途徑大量排放到自然環(huán)境中[1]。環(huán)境污染物的排放是影響人體健康與環(huán)境質(zhì)量的最主要因素，許多國(guó)家對(duì)此開展了一系列的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[2-3]。1983年美國(guó)科學(xué)院(NAS)和國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)首次提出健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的“四步法”，即危害識(shí)別、毒性評(píng)估、暴露評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)表征[4-5]。在美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)提出的日均攝入量、斜率因子等概念的基礎(chǔ)上，1988年Barnes等[6]提出了暴露參考劑量這一概念，完善了污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。我國(guó)環(huán)境污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)始于20世紀(jì)90年代，最初主要應(yīng)用于核工業(yè)等領(lǐng)域[7]，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染物的排放量驟增，近年來(lái)我國(guó)也越來(lái)越重視對(duì)環(huán)境污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。目前，我國(guó)對(duì)大氣污染物排放的關(guān)注重點(diǎn)集中于污染物總量的控制[8]。由于排放到環(huán)境中的大氣污染物種類繁多，對(duì)人體健康的影響范圍較廣，難以對(duì)各類大氣污染物的環(huán)境毒性進(jìn)行一一測(cè)定，尤其缺乏一種適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)大氣污染物自身的綜合毒性以及對(duì)人體健康造成的危害進(jìn)行評(píng)估，而合理、有效、準(zhǔn)確的環(huán)境污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，能夠保護(hù)公眾遠(yuǎn)離有毒有害化學(xué)品的危害，并且能夠?yàn)榇髿馕廴疚镲L(fēng)險(xiǎn)管理提供重要的科學(xué)依據(jù)。為此，本文擬構(gòu)建一種大氣污染物環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型，用來(lái)計(jì)算并評(píng)估大氣污染物排放對(duì)人體健康所造成的危害以及對(duì)環(huán)境的影響，以為環(huán)境污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

根據(jù)污染物自身的毒性特征，國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)將污染物分為非致癌物質(zhì)和致癌物質(zhì)兩類[9]。一般來(lái)說(shuō)，致癌物質(zhì)同時(shí)具有非致癌健康危害效應(yīng)[10]。當(dāng)非致癌物質(zhì)的日均濃度超過人體所能承受的閾值時(shí)，該物質(zhì)才會(huì)對(duì)人體健康造成影響，其核算基準(zhǔn)為非致癌物質(zhì)的日暴露參考劑量。致癌物質(zhì)只要存在于環(huán)境中，便會(huì)對(duì)人體健康造成不可逆的影響[11]。

針對(duì)不同性質(zhì)的污染物，環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型分為非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型和致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型兩部分[12-14]。在已有的涂裝行業(yè)大氣污染物排放清單基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)品毒性數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則，分別核算行業(yè)的非致癌毒性總量和致癌毒性總量，并根據(jù)核算結(jié)果和行業(yè)特征，篩選出主要毒性當(dāng)量因子。非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型和致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型計(jì)算公式如下：

非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(HI)模型為

(1)

式中:HIi為污染物i非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，無(wú)量綱；HI為項(xiàng)目中各種污染物非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值的合計(jì)，無(wú)量綱；CDIi為成人(以60 kg計(jì))在污染物i中的長(zhǎng)期日攝入量[15][mg/(kg·d)]；RfDi為污染物i的日暴露參考劑量[mg/(kg·d)]。

致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Risk)模型為

Risk=∑iCDIi×SFi

(2)

式中:Risk為污染物致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，無(wú)量綱；SFi為污染物i的致癌斜率因子[(kg·d)/mg]。

2 排放過程

本文針對(duì)涂裝工業(yè)某特種電機(jī)生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)該項(xiàng)目涂裝過程中大氣污染物排放的毒性進(jìn)行了量化計(jì)算。該項(xiàng)目的產(chǎn)品類型及年產(chǎn)量見表1。

表1 某項(xiàng)目產(chǎn)品類型及年產(chǎn)量表

該項(xiàng)目生產(chǎn)分為浸漆和噴漆兩個(gè)主要過程，由于兩個(gè)過程中采用不同的操作工藝且使用不同成分的涂料，故分別對(duì)浸漆和噴漆兩個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大氣污染物進(jìn)行處理并進(jìn)行物料平衡分析。浸漆生產(chǎn)過程分為連續(xù)浸漆和真空浸漆，油漆的涂著率以80%計(jì)算，即涂料固體分全部附著于產(chǎn)品表面，涂料揮發(fā)分全部形成有機(jī)廢氣，主要成分為苯乙烯、二甲苯、乙基苯。有機(jī)廢氣由各集氣裝置收集后，匯總至總管道，經(jīng)顆粒活性炭吸附處理后排放。此過程中有機(jī)廢氣有效收集率為97%，其余3%以無(wú)組織形式排放。顆?；钚蕴繉?duì)有機(jī)廢氣的去除率以85%計(jì)算。噴漆生產(chǎn)過程分為自動(dòng)噴漆和手動(dòng)補(bǔ)漆，油漆的涂著率以80%計(jì)算，其余20%形成漆霧，由過濾棉或水簾吸收。涂料揮發(fā)分全部形成有機(jī)廢氣，主要成分為乙基苯。此過程中有機(jī)廢氣有效收集率為97%，其余3%以無(wú)組織形式排放。過濾棉或水簾對(duì)漆霧的凈化效率以90%計(jì)算。浸漆和噴漆生產(chǎn)過程中油漆的物料平衡圖和大氣污染物排放清單，見圖1和表2。

圖1 某項(xiàng)目浸漆和噴漆生產(chǎn)過程中油漆的物料平衡圖(單位：t/a)Fig.1 Material balance chart of paint during the immersion painting and spray coating process of a project(unit:t/a)

表2 某項(xiàng)目浸漆和噴漆生產(chǎn)過程中大氣污染物的排放清單(單位：t/a)

3 大氣污染物環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型

該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中排放的大氣污染物有苯乙烯[16]、二甲苯[17]、漆霧[18]、乙基苯[19]、醋酸丁酯[20]和柴油燃燒廢氣(SO2、NOx、煙塵)，考慮到輕質(zhì)柴油為清潔能源，且SO2、NOx、煙塵的排放量較小，對(duì)周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的影響較小，故重點(diǎn)計(jì)算苯乙烯、二甲苯、漆霧、乙基苯、醋酸丁酯5種大氣污染物對(duì)人體健康的影響。

由圖1和表2可知，該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中大氣污染物排放途徑為有組織排放和無(wú)組織排放兩種方式，兩種方式下大氣污染物的日排放量及CDI值的計(jì)算結(jié)果見表3。

污染物毒性計(jì)算分為非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(HI)和致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Risk)兩個(gè)指標(biāo)。其中，污染物日暴露參考劑量(RfD)和污染物致癌斜率因子(SF)采用US EPA綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)(IRIS)的推薦值。在對(duì)該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中排放的大氣污染物毒性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將醋酸丁酯以非甲烷總烴替代，由于其毒性微弱，故不進(jìn)行毒性計(jì)算；而IRIS數(shù)據(jù)庫(kù)中并未給出4種主要大氣污染物的致癌斜率因子，故本文僅計(jì)算其非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

表3 某項(xiàng)目主要大氣污染物的日排放量及CDIi值

3.1 特征大氣污染物日排放量與毒性當(dāng)量的定量關(guān)系

非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)指該種大氣污染物的日排放總量可造成特定區(qū)域的患病人數(shù)。該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中排放的大氣污染物非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(HIi)的計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知：以苯乙烯、二甲苯、乙基苯的日排放量為基準(zhǔn)計(jì)算非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[見公式(1)]，其計(jì)算結(jié)果意味著該項(xiàng)目一日內(nèi)3種大氣污染物的日排放總量共可造成148 514人致病， 其中有組織排放方式下致病人數(shù)為48 916人，無(wú)組織排放方式下致病人數(shù)為99 598人，通過無(wú)組織排放產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險(xiǎn)約為有組織排放的2倍。在大氣污染物有組織和無(wú)組織排放過程中，對(duì)非致癌風(fēng)險(xiǎn)值貢獻(xiàn)最大的物質(zhì)均為二甲苯，貢獻(xiàn)比例分別為97.7%和98.9%(見圖2)。因此，二甲苯是該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中造成環(huán)境污染、危害人體健康的主要大氣污染物。

表4 某項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中排放的大氣污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(HIi)

注：占比指HIi所占的百分比。

圖2 某項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中HIi排放的大氣污染物對(duì)非致癌風(fēng)險(xiǎn)值的貢獻(xiàn)比例Fig.2 Contribution of discharged atmospheric pollutants to HI index of a project

實(shí)際生產(chǎn)過程中，如果同時(shí)對(duì)4種大氣污染物的日排放量進(jìn)行測(cè)量，會(huì)大大增加工作量與計(jì)算量。為使該模型更好地運(yùn)用到實(shí)際過程中，可采用生產(chǎn)過程中最高日排放量的大氣污染物作為特征大氣污染物進(jìn)行計(jì)算，通過特征大氣污染物日排放量，經(jīng)公式(1)計(jì)算得到非致癌風(fēng)險(xiǎn)值。本文中二甲苯的有組織和無(wú)組織的日排放量均大于95%，故將二甲苯作為該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中的特征污染物。通過測(cè)量二甲苯的日排放量，借助大氣污染物環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型及各大氣污染物日排放量與非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中的非致癌風(fēng)險(xiǎn)值。

特征大氣污染物排放當(dāng)量代表該種大氣污染物每日每排放1 kg時(shí)所造成的特定區(qū)域內(nèi)的患病人數(shù)。經(jīng)計(jì)算該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中二甲苯的日排放量(包括有組織排放和無(wú)組織排放)為1.753 kg/d，非致癌風(fēng)險(xiǎn)值HI總和為146 265，即造成146 265人致病。若該項(xiàng)目每日排放1 kg二甲苯，可造成83 437人致病，即二甲苯HI總當(dāng)量為83 437。

3. 2 VOCs日排放量與毒性當(dāng)量的定量關(guān)系

由上述討論可知，計(jì)算過程中可利用特征大氣污染物的毒性當(dāng)量來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。在日常監(jiān)測(cè)過程中，可將揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)濃度作為主要指標(biāo)，簡(jiǎn)化計(jì)算。

本項(xiàng)目中，浸漆、噴漆、烘干等生產(chǎn)工序中產(chǎn)生的苯乙烯、二甲苯、乙基苯、醋酸丁酯等均屬于VOCs。4種主要大氣污染物的VOC量，可用該種大氣污染物的含碳量來(lái)計(jì)算。通過對(duì)相關(guān)行業(yè)VOCs排放系數(shù)的研究，結(jié)合涂裝工業(yè)VOCs的排放特征，可采用“kgVOCs/kg即用狀態(tài)下原輔料”的估算模式來(lái)核算涂裝工業(yè)的VOCs排放量[22]，即

P=P1+P2

(3)

P1=∑(Yi+Wi)

(4)

P2=∑(Oi+Ni)

(5)

式中：P為本項(xiàng)目全過程中VOCs的年排放量(t/a)；P1為浸漆過程中VOCs的年排放量(t/a)；P2為噴漆過程中VOCs的年排放量(t/a)；Yi和Wi分別為浸漆過程中第i種VOCs氣體有組織排放和無(wú)組織排放的年排放量(t/a)；Oi和Ni分別為噴漆過程中第i種VOCs氣體有組織排放和無(wú)組織排放的年排放量(t/a)。

因此，本文對(duì)隸屬于VOCs的大氣污染物碳含量進(jìn)行核算，得到以VOCs表征的主要大氣污染物日排放量，見表5。

表5 以VOCs表征的主要大氣污染物的日排放量(kg/d)

與上述特征大氣污染物排放當(dāng)量的計(jì)算過程類似，以該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中各大氣污染物產(chǎn)生VOCs的日排放量總和與非致癌風(fēng)險(xiǎn)值建立當(dāng)量模型。經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中VOCs的日排放量(包括有組織排放和無(wú)組織排放)為1.68 kg/d，非致癌風(fēng)險(xiǎn)值HI總和為146 265，即造成146 265人致病。若以該項(xiàng)目每日排放1 kg VOCs計(jì)，即相當(dāng)于造成87 062人致病，VOCsHI總當(dāng)量為87 062。

4 結(jié)論與展望

環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型能克服傳統(tǒng)指標(biāo)的局限性，不僅能表征污染物對(duì)環(huán)境所造成的影響，并且還能評(píng)估對(duì)人體健康所造成的危害。通過對(duì)某項(xiàng)目涂裝生產(chǎn)過程中排放的大氣污染物進(jìn)行定性與定量分析，采用環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型定量地將大氣污染物的日排放量、VOCs的排放量與人體健康相聯(lián)系，得出該項(xiàng)目中影響環(huán)境、人體健康的特征大氣污染物為二甲苯。采用主要大氣污染物二甲苯的日排放量和VOCs的日排放量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算二甲苯的毒性當(dāng)量和VOCs的毒性當(dāng)量，可以得到每日排放單位千克的二甲苯和VOCs可造成特定區(qū)域內(nèi)的患病人數(shù)，其計(jì)算方法簡(jiǎn)單且數(shù)據(jù)容易監(jiān)測(cè)。今后，可利用環(huán)境毒性當(dāng)量核算模型對(duì)不同行業(yè)企業(yè)污染物的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而進(jìn)一步完善該模型。該研究可為大氣污染物排放的毒性分級(jí)核算研究及推廣提供科學(xué)依據(jù)。