遼寧省某垃圾填埋場(chǎng)及周邊地下水重金屬污染特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

程全國(guó), 王浩東, 李 曄, 高 悅

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044;2. 遼寧省環(huán)境規(guī)劃院有限公司 交通環(huán)評(píng)部, 遼寧 沈陽(yáng) 110037)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),人類生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的垃圾數(shù)量不斷增加[1].目前,大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家仍然對(duì)垃圾采用簡(jiǎn)易的填埋方式處理,其滲濾液會(huì)擴(kuò)散到地下水中,造成地下水污染,甚至?xí)廴驹摰貐^(qū)飲用水水源[2].水是一切生命機(jī)體的組成物質(zhì)之一,是人體不可缺少的重要物質(zhì),而地下水重金屬污染會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[3],因此,對(duì)地下水重金屬污染研究及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成為關(guān)注重點(diǎn).在對(duì)地下水重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)的研究中,針對(duì)其中一個(gè)水期進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究較多,其評(píng)價(jià)結(jié)果往往存在時(shí)間局限性[4-5].本研究檢測(cè)了一個(gè)水文年內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)及周邊地下水中重金屬的質(zhì)量濃度,并進(jìn)行了人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),以期為研究區(qū)及周邊地下水的風(fēng)險(xiǎn)管控提供比較科學(xué)的依據(jù).

1 區(qū)域概況與模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

該垃圾填埋場(chǎng)始建于2001年,占地面積27.2 hm2,總庫(kù)容量為375.4萬(wàn)m3,使用18～20a,每天處理垃圾300萬(wàn)t.垃圾無(wú)害化處理采用填埋新工藝,生活垃圾由所在區(qū)域3個(gè)城區(qū)環(huán)衛(wèi)處負(fù)責(zé)集中裝車壓縮后,運(yùn)到該垃圾填埋場(chǎng).垃圾進(jìn)入填埋區(qū)后,用機(jī)械設(shè)備填平、壓實(shí)、覆蓋、噴水降塵,污水經(jīng)導(dǎo)流管排入蓄水池,然后進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理.填埋區(qū)產(chǎn)生的氣體經(jīng)導(dǎo)氣管收集后導(dǎo)出,完全符合國(guó)家《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)中的要求.

1.2 樣品采集與指標(biāo)測(cè)試

本文根據(jù)區(qū)域一個(gè)水文年的枯水期、平水期、豐水期,分別于12月、次年4月、8月進(jìn)行采樣評(píng)價(jià).依據(jù)《全國(guó)地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估垃圾場(chǎng)培訓(xùn)講義(2014年)》相關(guān)要求,結(jié)合研究區(qū)環(huán)境水文條件,在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)共建成5個(gè)監(jiān)測(cè)井,監(jiān)測(cè)井布置見圖1,采樣點(diǎn)信息見表1.根據(jù)資料得知評(píng)價(jià)地區(qū)地下水流向?yàn)橛晌飨驏|.

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

表1 采樣點(diǎn)信息Table 1 Sampling sites information

一個(gè)水文年共采集15個(gè)地下水樣品.采樣前用各采樣點(diǎn)水清洗采樣瓶(已用去離子水清洗干凈的聚乙烯瓶)3次,采集滿瓶后加入HNO3酸化后密封,采樣量為2.5 L,并于24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理.

水溫、pH值、電導(dǎo)率在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017),應(yīng)用美國(guó)PerkinElmer公司生產(chǎn)的ELANDRC-E型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對(duì)水樣中的As、Cr、Cd、Mn、Cu和Zn的質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)[6].

1.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是針對(duì)人體健康與環(huán)境污染兩者的關(guān)系所做出的評(píng)價(jià),風(fēng)險(xiǎn)度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),是環(huán)境污染物對(duì)人體健康產(chǎn)生危害風(fēng)險(xiǎn)程度的判別依據(jù).通過(guò)計(jì)算污染物對(duì)人體健康危害發(fā)生的概率,評(píng)價(jià)當(dāng)前或預(yù)測(cè)未來(lái)是否會(huì)引起目標(biāo)人群的健康危害,并提出降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的方法與對(duì)策[7].由圖1可知,研究區(qū)域采樣點(diǎn)可分為非敏感用地(垃圾填埋場(chǎng)內(nèi))和敏感用地(垃圾填埋場(chǎng)外圍),選用美國(guó)環(huán)保署(US EPA)中推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,按照非敏感用地和敏感用地,分別在飲用地下水途徑和皮膚接觸途徑下,對(duì)暴露于該地下水環(huán)境中的成人和兒童進(jìn)行致癌(As、Cd、Cr)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和非致癌(Mn、Cu、Zn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[8-10].本研究中的計(jì)算參數(shù)和毒理學(xué)參數(shù)[11-15]見表2和表3.

表2 計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculating parameters

表3 毒理學(xué)參數(shù)Table 3 Toxicological parameters

1.3.1 飲用地下水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[14]

飲用地下水途徑下單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)Rcgw的計(jì)算公式為

Rcgw=GcaCgwS0.

(1)

式中:Gca表示飲用地下水致癌效應(yīng)的暴露量,L·kg-1·d-1;Cgw為地下水中污染物質(zhì)量濃度,mg·L-1;S0為飲水?dāng)z入致癌斜率因子,kg·d·mg-1.對(duì)于非敏感用地和敏感用地,Gca的計(jì)算公式分別為式(2)和式(3),

式中:Wa為成人每日飲水量,L·d-1;Ea為成人暴露頻率,d·a-1;Da為成人暴露期,a;Ba為成人體重,kg;Aca為致癌效應(yīng)平均時(shí)間,d;Wc為兒童每日飲水量,L·d-1;Ec為兒童暴露頻率,d·a-1;Dc為兒童暴露期,a;Bc為兒童體重,kg.

飲用地下水途徑下單一污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)Hcgw的計(jì)算公式為

Hcgw=GncCgw/R0F.

(4)

式中:Gnc為飲用地下水非致癌效應(yīng)的暴露量,L·kg-1·d-1;R0為飲水?dāng)z入的非致癌污染物日均參考計(jì)量,mg·kg-1·d-1;F為暴露于地下水參考劑量分配比例.對(duì)于非敏感用地和敏感用地,Gnc的計(jì)算公式分別為式(5)和式(6),

式中,Anc為非致癌效應(yīng)平均時(shí)間,d.

1.3.2 皮膚接觸途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[14]

皮膚接觸途徑下單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)Rdgw的計(jì)算公式為

Rdgw=QcaSd.

(7)

式中:Qca為皮膚接觸途徑的致癌效應(yīng)暴露量,mg·kg-1·d-1;Sd為皮膚接觸途徑致癌斜率因子,kg·d·mg-1.對(duì)于非敏感用地和敏感用地,Qca的計(jì)算公式分別為式(8)和式(9),

Qca=SaEaDaEvDea/BaAca,

(8)

Qca=ScEcDcEvDec/BcAcaSaEaDaEvDea/BaAca.

(9)

式中:Sa為成人暴露皮膚表面積,cm2;Ev為每日洗澡、游泳、清洗等事件發(fā)生的頻率,次·d-1;Dea為成人皮膚接觸吸收劑量,mg·(cm2)-1;Sc為兒童暴露皮膚表面積,cm2;Dec為兒童皮膚接觸吸收劑量,mg·(cm2)-1;Kp為皮膚滲透系數(shù),cm·h-1;tc為兒童次經(jīng)皮膚接觸的時(shí)間,h;ta為成人次經(jīng)皮膚接觸的時(shí)間,h;Hc為兒童平均身高,cm;Ha為成人平均身高,cm;Rc為兒童暴露皮膚所占面積比;Ra為成人暴露皮膚所占面積比.

皮膚接觸途徑下單一污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)Hdgw的計(jì)算公式為

Hdgw=Qnc/Rd.

(14)

式中:Qnc為皮膚接觸途徑的非致癌效應(yīng)暴露劑量,L·kg-1·d-1;Rd為皮膚接觸參考劑量,mg·kg-1·d-1.對(duì)于非敏感用地和敏感用地,Qnc的計(jì)算公式分別為式(15)和式(16),

1.3.3 總健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[14]

全部暴露途徑下,地下水中單一污染物的總致癌風(fēng)險(xiǎn)Rn、地下水中單一污染物總危害指數(shù)Hn及總風(fēng)險(xiǎn)R總的計(jì)算公式為

根據(jù)《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2019),計(jì)算地下水致癌風(fēng)險(xiǎn)控制值時(shí),可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)為10-6;計(jì)算地下水非致癌風(fēng)險(xiǎn)控制值時(shí),可接受危害商(用于表征人體經(jīng)單一途徑暴露于非致癌污染物而受到的危害水平)為1[16-18].為更好地判定健康風(fēng)險(xiǎn)的大小,在參考美國(guó)環(huán)保署(US.EPA)和國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,綜合幾種評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)已有的研究對(duì)健康危害進(jìn)行模糊化分級(jí),把健康危害風(fēng)險(xiǎn)分為6級(jí),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)劃分如表4[19-22]所示.

表4 健康危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分Table 4 Classification of health risk standard

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水中重金屬污染特征

為研究垃圾填埋場(chǎng)及周邊重金屬的污染特征,分析測(cè)試了一個(gè)水文年內(nèi)不同水期地下水樣品中的6種重金屬(As、Cd、Cr、Mn、Cu和Zn)的質(zhì)量濃度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示.

表5 一個(gè)水文年內(nèi)不同水期地下水重金屬的質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistical results of mass concentration of heavy metals in groundwater at different water periods in a hydrological year μg·L-1

由表5可知,枯水期、平水期、豐水期不同水期各點(diǎn)位As、Cd、Cr、Mn、Cu和Zn的質(zhì)量濃度均低于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水對(duì)應(yīng)的限值10.00、5.00、50.00、100.00、1 000.00、1 000.00 μg·L-1,沒有超標(biāo),一個(gè)水文年內(nèi)As在不同水期的質(zhì)量濃度最大值相對(duì)比較接近標(biāo)準(zhǔn)限值.

各采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度堆積情況如圖2所示.5個(gè)采樣點(diǎn)中Cr和Zn在平水期和豐水期的質(zhì)量濃度值大部分大于枯水期的質(zhì)量濃度值.由于季節(jié)變化,豐水期和平水期的地下水位高于枯水期,污染物可能在雨水滲透作用下,進(jìn)入地下水中,導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度升高.采樣點(diǎn)LJ1、LJ2、 LJ4 中Mn在枯水期的質(zhì)量濃度值大于平水期和豐水期的質(zhì)量濃度值,這可能由于采樣的不確定性以及Mn本身賦存量較大導(dǎo)致其趨勢(shì)不同.Cd和Cu在一個(gè)水文年內(nèi)的質(zhì)量濃度值分布相對(duì)較均勻.整體來(lái)看,采樣點(diǎn)LJ2、LJ3和LJ4不同水期的總質(zhì)量濃度堆積高于LJ1和LJ5,且三個(gè)水期污染物質(zhì)量濃度堆積最大值都出現(xiàn)在LJ2.這是由于LJ4位于垃圾填埋場(chǎng)內(nèi),LJ3雖處于垃圾填埋場(chǎng)外圍,但它是地下水流向的補(bǔ)給下游,所以此兩處采樣點(diǎn)的重金屬質(zhì)量濃度值較高,而LJ2既處于垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)又是地下水流向的補(bǔ)給下游,因此污染物質(zhì)量濃度最大.

圖2 各采樣點(diǎn)污染物總質(zhì)量濃度堆積Fig.2 Total concentration of pollutants of each sampling sites

2.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,計(jì)算出了地下水中污染物經(jīng)飲用地下水途徑和皮膚接觸途徑在不同水期的致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)、非致癌危害商評(píng)價(jià)結(jié)果(表7),從而得到地下水重金屬總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(表8).

結(jié)合表6和表7,由表8可知,總致癌風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量級(jí)處于10-6～10-4之間,其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)屬于Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ 級(jí)和Ⅳ級(jí),說(shuō)明研究區(qū)域地下水致癌風(fēng)險(xiǎn)偏高,地下水中的As 、Cd和Cr 可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厝巳簶?gòu)成致癌風(fēng)險(xiǎn).各采樣點(diǎn)總致癌風(fēng)險(xiǎn)從大到小排序:枯水期敏感用地LJ2、LJ4,非敏感用地LJ3、LJ5、LJ1;平水期敏感用地LJ2、LJ4,非敏感用地LJ5、LJ1、LJ3;豐水期敏感用地LJ2、LJ4,非敏感用地LJ1、LJ3、LJ5.

表6 致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 6 Results of cancer risk assessment

表7 非致癌危害商評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Results of non-carcinogenic risk assessment

表8 綜合健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 8 Results of comprehensive health risk assessment

由此可以得出:①非敏感用地的總致癌風(fēng)險(xiǎn)高于敏感用地的總致癌風(fēng)險(xiǎn),主要是因?yàn)榈诙愔豢紤]用成人期的暴露去評(píng)估污染物的終生致癌風(fēng)險(xiǎn),沒有考慮兒童期的暴露,這與徐穎[14]等人研究相同;②As在飲用地下水途徑下各點(diǎn)位的致癌風(fēng)險(xiǎn)以及Cr在兩種暴露途徑下的各點(diǎn)位致癌風(fēng)險(xiǎn)均高于最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平10-6.As和Cr 的質(zhì)量濃度均符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T14848—2017)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但仍存在較高的致癌風(fēng)險(xiǎn),這是因?yàn)橹掳╋L(fēng)險(xiǎn)不僅與As和Cr 的質(zhì)量濃度有關(guān),還與其他系數(shù)有關(guān);③飲用地下水途徑下污染物在各點(diǎn)位的致癌風(fēng)險(xiǎn)均高于皮膚接觸途徑下污染物在各點(diǎn)位的致癌風(fēng)險(xiǎn),研究區(qū)域主要暴露途徑為飲用地下水;④各采樣點(diǎn)位地下水中,Mn、Cu和Zn通過(guò)飲用地下水及皮膚接觸兩種途徑引起的總非致癌危害商均小于1,低于可接受危害商;⑤飲用地下水途徑在各點(diǎn)位的非致癌危害商均高于皮膚接觸途徑下各點(diǎn)位的非致癌危害商2～4個(gè)數(shù)量級(jí),表明飲用地下水為引起非致癌危害的主要途徑,皮膚接觸為次要暴露途徑.

不同重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率如圖3所示,從圖中可以看到,枯水期As對(duì)致癌風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率大于Cd和Cr的貢獻(xiàn)率,污染物致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率從高到低依次為As、Cr 、Cd;平水期和豐水期Cr對(duì)致癌風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率大于As和Cd 的貢獻(xiàn)率,污染物致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率從高到低依次為Cr 、As、Cd,主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)域在平水期和豐水期Cr 的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于As和Cd,這說(shuō)明As和Cr為人體致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要重金屬污染物.不同重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率如圖4所示,從圖中可以看到,Cu對(duì)非致癌危害的貢獻(xiàn)率最大,枯水期污染物非致癌危害的貢獻(xiàn)率從高到低依次為Cu、Mn、Zn;平水期和豐水期污染物非致癌危害的貢獻(xiàn)率從高到低依次為Cu 、Zn、Mn,說(shuō)明Cu為人體非致癌危害的主要重金屬污染物.

圖3 重金屬不同水期致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of carcinogenic risk of heavy metals during different water period

圖4 重金屬不同水期非致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rate of non-carcinogenic risk of heavy metals during different water period

3 結(jié) 論

1) 垃圾填埋場(chǎng)各點(diǎn)位重金屬的質(zhì)量濃度均低于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848)中Ⅲ類水的限值,平水期和豐水期As的質(zhì)量濃度最大值接近標(biāo)準(zhǔn)限值.

2) 研究區(qū)域地下水致癌風(fēng)險(xiǎn)偏高,總致癌風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量級(jí)處于10-6～10-4之間,屬于Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間.總致癌風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為非敏感用地大于敏感用地,各點(diǎn)位非致癌危害商均小于1,飲用地下水途徑為主要暴露途徑.

3) As和Cr對(duì)致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率較大,是人體致癌危害的主要重金屬污染物;Cu對(duì)非致癌危害的貢獻(xiàn)率較大,是人體非致癌危害的主要重金屬污染物.