淮安某县农村饮用水源中优控污染物的筛选研究

许秋瑾,李 丽,梁存珍,成小英 (1.中国环境科学研究院,北京 10001；.江南大学环境与土木工程学院,江苏 无锡 141；.北京石油化工学院环境工程系,北京 10617)

优控污染物的筛选是指从众多有毒有害的污染物中筛选出在环境中出现几率高、对周围环境和人体健康危害较大,并具潜在环境威胁的化学物质,以达到优先控制的目的[1].关于优控污染物的筛选,美国已建立一套完整的筛选方法,有毒物质与疾病登记署(ATSDR)在1991年建立了国家优先名单(NPL)所列地点的有毒物质环境释放与健康效应数据库,在此基础上以有效候选区污染物的出现频率、毒性和人群暴露潜势为指标,

并根据总得分的多少排序[2].1997年又提出了化学危害评估管理策略(CHEMS-1)[3].欧盟采用风险排序法[4]、化合物危险鉴定与评估工具(CHIAT)

方案筛选优先污染物[5].我国对于优控污染物的筛选研究起步较晚,王维国等[6]设计了优控污染物筛选的评分体系,探讨系统中各项参数分值的设置.目前国内外提出并应用较多的筛选方法有模糊数学法[7-8]、潜在危害指数法[9]、密切值法[10]、Hasse图解法[11]、综合评分法[12]、风险得分法[13]等,但目前多用于有机物的筛选,对人体危害较大的重金属研究不多[14-15],综合比较各种筛选方法,潜在危害指数法与综合评分法比较成熟、简便,应用较多.本文应用潜在危害指数与综合评分两种方法对农村饮用水源中测定出的污染物进行排序,筛选优控污染物,旨在为地方饮用水源的保护提供管理依据和技术支撑.

1 材料与方法

1.1 水样采集

分别于 2010年 6月(丰水期)和 2010年 12月(枯水期)在淮安某县 5个乡镇进行取样,每个乡镇选2个村,共设20个采样点.采集饮用水源水于2.5L棕色广口瓶中,取样后当天进行固相萃取预处理.另取水样于 40 mL棕色顶空瓶中,加入1:1盐酸调节至pH值1～2.另取水样于100mL塑料瓶中,加入几滴浓硝酸调节至pH值1～2.

1.2 水样分析

测定半挥发性物质的水样经过过滤、富集、洗脱、浓缩、脱水后,采用气相色谱-质谱联用仪测定;采用吹扫捕集-气相色谱/质谱联用方法测定挥发性物质;采用电感耦合等离子体-质谱法测定重金属.

1.3 质量控制

挥发性物质与半挥发性物质均采用内标法进行定量,测定半挥发性物质采用的替代物的回收率范围满足 40%～120%,相对标准偏差＜30%.每分析一批样品至少做一个空白,仪器每12 h做1次溶剂空白以检查仪器的污染状况,每分析 20个样品做一次标样来控制误差.

重金属进行加标回收实验,加标回收率在90%～110%.以上处理设 3个平行,相对标准偏差＜10%.

2 研究方法

2.1 潜在危害指数法[9]

潜在危害指数法是由美国环境保护局工业环境实验室提出的,根据化学物质对环境潜在危害大小给其排序[16].该方法的特点是抓住化学物质对人和生物的毒效应这个主要参数,利用各种毒性数据通过模式运算来估计化学物质的潜在危害大小,并据此予以排序和筛选[17].

第一步,计算化学物质潜在危害指数,依据其最基本的毒理学数据[18-21](如阈限值、推荐值、LD50等)按公式推算[21],计算公式如下:

式中:N为潜在危害指数;A为化学物质的AMEGAH所对应的值;B为潜在“三致”化学物质的AMEGAC所对应的值;a、a′、b为常数项.

式(1)中A、B值的确定原则如表1所示.

表1 A、B值的确定Table 1 Determination of A and B values

a、a′、b的确定原则如下:可以找到B值时,a= 1,无B值时,a= 2;某化学物质有蓄积或慢性毒性时,a＇= 1.25,仅有急性毒性时,a′= 1;可以找到A值时,b=1,找不到A值时,b=1.5.

其中,AMEG即周围多介质环境目标值(Ambient Multimedia Environmental Goals),是美国环境保护局工业环境实验室推算出来的化学物质或其降解产物在环境介质中的限定值[22].

第二步,将计算得到的潜在危害指数进行分级.经统计,59种化合物的潜在危害指数数值范围为1～30,分为5个区间:指数1～6为1分,此区间的化合物多数是无慢性毒性;指数 6.5～12.5,分值定为 2;指数 13～18.5,分值定为 3,此区间的化合物多有慢性毒性和“三致”作用;指数19～24.5时,分值定为4;危害指数大于或等于25时,分值定为5,此区间的化合物多为国际上公认的强烈致癌物质.

第三步,将检测所得的平均浓度进行分级.对丰枯时期定量检出的数据进行统计,除去个别异常值,找出平均检出浓度最大值与最小值,由于各种物质浓度差距较大,且有机物浓度的分布不均匀,多数化合物的平均检出浓度都较小,因此采用几何分级法,利用等比级数定义分级标准,共分为5级,将定量检出的各种有机化合物的平均浓度区间分为 5个区间,各区间从小到大分别赋予1～5不同的分值.

第四步,将各种有毒物质的检出率进行分级.对丰枯时期定量检出的数据进行统计,找出检出率的最大值与最小值,将最大、最小检出率区间平均分为5个区间,从小到大依次赋予1～5不同的分值.

第五步,对每个因子进行加权组合.根据文献[21],在对每个因子进行分数组合时,要确定各因子的权重.在饮用水中进行有毒有机物筛选时,化合物的潜在危害性应是最重要的因子,而化合物的实际检出数据,相对而言权重较小.将潜在危害指数(N)、平均浓度(C)、检出频次(F)的权重分别定义为 3、1、1,计算总分R,R= 3×N+C +F,再根据R对化合物进行排序[21].

2.2 综合评分法[12]

综合评分法以污染物的检出率(A)、环境(健康)影响度(B)、潜在危害指数(C)、是否属于有毒化学品(D)、污染源是否检出(E)、是否属于环境激素(F)、是否美国EPA优控污染物(G)、是否属于中国优先污染物(H)、是否属于持久性污染物(I)9个因子为指标.

首先对各因子的权重进行分级.根据以上 9个因子对优先控制的污染物筛选的重要性,以100分计,各因子的分权重如表2所示[12].

然后,在此基础上,计算综合评价值如下:

综合评价值=A×25+B×10+C×10+D×6+

式中:B的计算方法为:以最大的环境(健康)影响度为1,其余分别乘上最大的环境(健康)影响度的倒数的这一系数.C的计算方法为:以最大的潜在危害指数为 1,其余分别乘上最大的潜在危害指数的倒数的这一系数.D～I的计算方法为:是为1,否为0.

最后,根据综合评价值进行排序.

表2 各因子权重Table 2 Weight values for assessment factors

3 结果

本实验共测定了 80种半挥发性有机物,21种挥发性有机物,10种重金属,共检出49种有机物,10种重金属.采用潜在危害指数与综合评分法对检出的59种污染物进行优先排序,计算结果如表 3、表4所示.根据文献,优控污染物的筛选原则是对经济环境的各种因素进行分析,确定在数量上优先控制水系中 30%定量检出的污染物;在种类上筛选出综合评价指数高的污染物[12],考虑研究区农村经济的发展水平比较低的特点,筛选出 15%的污染物作为优控污染物.本文饮用水源中测定出59种污染物,那么可将排名前9位的污染物作为优控污染物.

表3 潜在危害指数法分值计算Table 3 Score calculation of the potential risk index method

续表3

由表 3可见,采用潜在危害指数法筛选优控污染物,总分值范围为 3～24.根据优控污染物占15%定量检出污染物的原则,得出淮安某县农村饮用水源中的优控污染物有Cr、Ni、As、Cd、Hg、Cu、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、Pb共2类9种.

由表 4可见,采用综合评价法筛选优控污染物,59种污染物的总分值范围为 21.86～76.16.根据优控污染物占 15%定量检出污染物的原则,得出淮安某县农村饮用水源中的优控污染物有:Cd、Hg、Pb、五氯联苯、邻苯二甲酸二丁酯、四氯化碳、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、苯并(a)芘、Ni共5类9种.

表4 综合评分法分值计算Table 4 Score calculation of the composite scoring method

续表4

4 讨论

采用潜在危害指数法筛选出的优控污染物有重金属、多环芳烃2类共9种(表5).这些物质全部属于EPA优控污染物,有8种属于中国优控污染物.

表5 潜在危害指数法筛选出的优控污染物Table 5 Selected priority control pollutants by the potential risk index method

采用综合评分法筛选出的优控污染物有重金属、多氯联苯、酞酸酯、挥发性物质、多环芳烃5类共9种物质(表6).这些物质既属于EPA优控污染物又属于中国优控污染物.

潜在危害指数法与综合评分法筛选出的结果中有 5种污染物相同,但排名顺序相差较大.这是由于潜在危害指数法考虑了污染物的一般毒性、特殊毒性、累积性、慢性效应、环境暴露;而综合评分法评价指标不仅包括潜在危害指数法所考虑的上述因素,还需计算检出值与标准值的比值、判定是否为国内外优先控制污染物等.另一方面是综合评分法中污染物的检出率权重较大.

比较这两种方法,潜在危害指数法计算较为简便,但计算结果常常得到多个相同的总分值.这是由于潜在危害指数法进行筛选时采用的因子较少,仅有 3个,权重分别为 3,1,1,相差不大,同时各污染物检出的浓度范围较大,在浓度相差较大的情况下赋值容易得到相同的分值;综合评分法,进行筛选时有 9个因子,同时各筛选因子的权重值相差较大,范围为 6～25,因此,得到相同的总分较少,但部分有机物既没有国标生活饮用水标准,又没有世界卫生组织饮用水标准(如邻苯二甲酸二甲酯),对结果会产生一定的影响,同时,综合评分法需要进行污染源的调查,故工作量大,计算方法相对也比较复杂[1].本文综合这两种方法,将筛选出的共同的污染物与不同的污染物中属于中国优控污染物的物质作为淮安某县农村饮用水源的优控污染物.筛选出的优控污染物有Cd、Hg、Pb、Ni、Cr、As、Cu、苯并(a)芘、五氯联苯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、四氯化碳.

表6 综合评分法筛选出的优控污染物Table 6 Selected priority control pollutants by the composite scoring method

本研究筛选出的优控物质与江苏省饮用水[9]、欧洲四大河流[23]筛选出的优控污染物不尽相同,这是由于本实验筛选的是农村饮用水源中的优控污染物,主要水源类型为地下水,而且没有经过饮用水处理工艺;文献[9]筛选的是江苏城市生活饮用水中的优控污染物,一般经过水质净化,污染水平较低,筛选出的前10种物质中有5种挥发性物质,3种取代苯,这可能是由于水源水经过净水处理,如氯消毒等导致的;欧洲河流筛选出的10种物质中有9种农药,这是由于农药类物质易通过地表径流汇入河流.另一方面,本次筛选包括重金属,而江苏城市饮用水与欧洲河流主要是针对有机污染物进行研究,不含重金属.

本研究结果显示淮安某县农村饮用水源中重金属是主要的优控污染物,通过污染源调查显示该地区主要为农业生产活动,极少有工业污染.因此,可能农业面源污染是重金属的主要来源,如可能是施用劣质肥料、农药,或采用污水灌溉等导致重金属在土壤中富集,并渗入地下水.由于采样点处于农村地区,当地村民有燃烧秸秆的习惯,秸秆焚烧会产生大量的多环芳烃类物质.酞酸酯类是日常生活塑料制品中最常使用的增塑剂,由于塑料制品的大量使用导致其释放,挥发至大气、土壤、水域中等.为此,研究地区应重视农业生产,严格控制施肥质量与数量,减少秸秆燃烧,提倡使用清洁能源,少用塑料制品,做好农村固体废弃物的处理处置等,以减少污染物对人体的健康威胁.

5 结论

5.1 淮安地区农村饮用水源采用潜在危害指数法得到的优控污染物有Cr、Ni、As、Cd、Hg、Cu、Pb、苯并(a)蒽、苯并(a)芘;采用综合评分法得到的优控污染物有Cd、Hg、Pb、Ni、五氯联苯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、四氯化碳、苯并(a)芘.

5.2 综合比较潜在危害指数法与综合评分法,建议淮安某县农村饮用水源中优控污染物为Cd、Hg、Pb、Ni、Cr、As、Cu、苯并(a)芘、五氯联苯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、四氯化碳.

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