某复合型化工污染场地分地层健康风险评估

房吉敦，杜晓明，李政，徐竹，史怡，李慧颖，马妍，杨宾，李发生*

1.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083

3.北京师范大学，地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875

某复合型化工污染场地分地层健康风险评估

房吉敦1，杜晓明1，李政1，徐竹1，史怡2，李慧颖3，马妍3，杨宾1，李发生1*

1.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083

3.北京师范大学，地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875

污染场地风险评估是污染土地再开发过程中的重要环节。由于污染物的属性及来源不同，污染物在土壤中的残留具有明显的分层特点。以某复合型化工污染场地土壤修复为例，采用美国GSI公司开发的RBCA模型，对该污染场地进行分地层健康风险评估，取得了主要污染物在不同地层中的风险状况。结果表明，该污染场地既存在致癌风险也存在非致癌风险，但以有机致癌风险为主。利用该风险评估结果，能为后续的污染场地修复制定有针对性的修复方案，增强修复效果，节约修复费用。

污染场地；土地修复；分地层健康风险评估

污染场地是工业活动迅速发展过程中产生的新兴污染源，它不仅占用了土地资源，受污染的土地还会通过空气、水等环境介质的传播，对人群健康带来不同程度的潜在危害[1-4]。污染场地健康风险评估是指对已经或可能造成污染的工厂、加油站、地下储油罐、垃圾填埋场、废物堆放场等场地进行污染物排放或泄漏对人体健康危害程度的概率估计，它是一项多学科交叉的复杂的系统工程，不仅需要调查污染场地土壤、空气、水体等的污染状况和污染物种类，还需分析污染物迁移途径和转化机制以及暴露人群结构和分布情况，并利用毒理学研究成果，以数学、统计学等为工具估算人体健康的危害概率和可能程度,在充分保护人体健康的原则下,选择切合实际的污染防治措施并开展污染治理[5]。废弃的工业污染场地再利用前，一般要进行相应的健康风险评估，评估在保障居民人体健康的前提下进行[6-8]，依据健康风险评估结果，针对实际情况对污染场地采取切合实际的风险管理措施或进行污染治理修复。其中，应用较广的是美国国家环境保护局(US EPA)建立的一整套完善的风险评估程序[9]。

RBCA(Risk-Based Corrective Action)是美国试验与材料学会(American Society for Testing and Materials, ASTM)针对土壤和地下水污染治理颁布的行动准则，美国GSI环境股份有限公司根据该准则开发了RBCA模型[10]，目前该模型已在国际上被广泛用于污染场地的风险评估。RBCA模型将化学物质分为致癌物和非致癌物，一般设定可接受的致癌水平为小于10-6，可接受的非致癌危害商为1[11]，通过计算污染的风险值来判断场地是否受到污染。

20世纪90年代,我国开始了以介绍和应用国外研究成果为主的环境风险评估研究[12-13],但大部分集中在事前风险评估。开展污染场地健康风险评估将有利于充分了解场地污染状况,污染物迁移转化途径和对人体健康及环境的危害,是场地污染治理的基础和依据。笔者以某市复合型化工污染场地土地修复为例，采用RBCA模型对该场地土壤分层次进行人群健康风险评估，该评估结果将作为土地规划部门对该场地土地修复方向及方式的科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

该污染场地为废弃的复合型化工污染场地，场地周围是居民区。该污染场地过去主要生产经营烧碱、聚氯乙烯、氯醋共聚物、盐酸、液氯等基本化工原料，现已停产和搬迁。该场地经过修复后，将作为居民小区建设用地。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与分析

土壤样品采用SH-30型钻机进行冲击钻探采样。该污染场地土壤第一层为填土层，第二层为粉土层，第三层为黏土层，第四层为砂层(表1)。

表1 不同土层中土壤质地类型分布

1)黏粒d<0.005 mm；2)粉粒d为0.005～0.05 mm；3)砂粒d>0.05 mm。

土壤采样深度为0～18.5 m。首先，用手持VOC采样管采集非扰动土壤VOC样品，VOC样品用预先存放有甲醇溶剂的40 mL玻璃瓶收集，用具聚四氟乙烯密封垫的瓶盖盖紧，再用聚四氟乙烯膜密封。将土壤混合均匀后，用塑料铲子进行重金属、SVOC、农药和PCB样品的采集，用铁质采样器采集盐泥样品。重金属、SVOC、农药、PCB和盐泥样品均用250 mL玻璃瓶收集。

土壤VOCs、SVOCs、金属、有机氯农药、PCB和二英样品的分析方法分别采用US EPA标准方法8260C、8270D、200.8(汞采用7473)、8081B、8082A和1613。样品分析用主要仪器：安捷伦气相色谱仪(6809)、安捷伦气相色谱-质谱联用仪(5975)、全谱直读等离子发射光谱仪(美国VIRIAN公司)和等离子体质谱仪(美国PE公司)。

1.2.3 模型选择

采用RBCA(Risk-Based Corrective Action)模型进行风险评估。该模型旨在完成RBCA计划流程中的第一与第二层次的环境风险分析，并可用来制定基于风险的土壤筛选水平(SSLs)与初步修复目标(PRGs)，在美国各州及世界上30多个国家和地区得到了广泛的应用，是目前国际上环境风险评价模型领域的典型代表。

2 风险值计算

一般有以下几种途径摄入土壤中的污染物：直接不慎摄入污染土壤；经皮肤接触污染土壤而吸收土壤中的污染物；通过呼吸系统吸入土壤灰尘而吸入污染物；食用场地上的植物果实。污染土壤中每种致癌物的风险可以通过经口、经皮肤、呼吸吸入和食用场地上植物果实等途径的摄入量与其致癌风险斜率因子的乘积相加后得出。对于场地土壤中的非致癌污染物的风险采用危害商进行表述，它是由不同途径的摄入量与毒理学参考剂量的比值。当某种污染物的浓度超过该物质的毒理学参考剂量时，可能对场地上的人群产生非致癌性的伤害。

风险评估时，考虑地层岩性的变化及采样的层次，将场地土层划分为4层，分别计算其污染物的健康风险。分层情况及各土层的土壤特征参数(来自场地样品实测)和暴露参数(来自US EPA)见表2和表3。毒理学参数主要来自US EPA毒理学数据库[14]。

表2 污染场地土层划分及土壤特征参数

表3 暴露参数

2.1 土壤风险计算

(1)直接摄入污染土壤的风险

式中，TRIngest为直接摄入污染土壤的致癌风险；THQIngest为直接摄入污染土壤的危害商；CS为土壤中污染物浓度，mgkg；RBAF为生物有效性系数；SF为致癌风险斜率因子，〔mg(kg·d)〕-1；RfD0为口腔摄入慢性毒性参考剂量，〔mg(kg·d)〕-1。

(2)皮肤接触污染土壤的风险

式中，TRDermal为皮肤接触污染土壤的致癌风险；THQDermal为皮肤接触污染土壤的危害商；M为皮肤对土壤的吸附系数，mgcm2；RAFd为皮肤吸收系数。

(3)通过呼吸系统吸入污染土壤的风险

通过呼吸摄入而导致的风险分表层土壤和亚表层土壤，亚表层土壤则区分室内和室外2种风险。

表层污染土壤的室外呼吸致癌风险

表层污染土壤的室外呼吸危害商

亚表层污染土壤的室外呼吸致癌风险

亚表层污染土壤的室外呼吸危害商

亚表层污染土壤的室内呼吸致癌风险

亚表层污染土壤的室内呼吸危害商

其中，土壤粉尘产生因子的推算公式：

表土挥发到室外空气系数

亚表层土挥发到室外空气系数

亚表层土挥发到室内空气系数

式中，TRInhal为呼吸吸入污染土壤的致癌风险；THQInhal为呼吸吸入污染土壤的危害商；URF为单位风险因子，(mgm3)-1；PEF为土壤粉尘产生因子，gm3(空气)或mgkg(土壤)；VFss为表土挥发到室外空气系数，gm3(空气)或mgkg(土壤)；VFsamb为亚表层土挥发到室外空气系数，gm3(空气)或mgkg(土壤)；VFsesp为亚表层土挥发到室内空气系数，gm3(空气)或mgkg(土壤)；RfC为参考剂量，mgm3；Pe为土壤粉尘释放因子，g(cm2·s)；W为平行风向场地长度，m；Uair为空气混合区的风速，ms；δair为室外空气混合区高度，m；τ为气体暴露持续时间，a；ρs为土壤容重，gcm3；ds为受影响的亚表层土壤厚度，m；LB为容积率，m；ER为室内空气交换频率，s-1。

3 结果和讨论

3.1 主要污染物含量及超标情况

该污染场地土壤中重金属超标物有镍、汞和砷，其中镍污染相对较重，浓度分布范围为0.05～572.5 mgkg，最大超标倍数为18.0倍，超标率为0.3%，主要在第一层土壤，深度为0～2.5 m，第二层没有超标；其次为汞，浓度分布范围为0.05～37.8 mgkg，最大超标倍数为36.8倍，超标率为2.4%，主要分布于第一层土壤，第二层土壤没有污染；再次为砷，浓度分布范围为0.25～39.1 mgkg，最大超标倍数为1.0倍，超标率为0.2%，主要分布于第一层土壤(表4)。

挥发性有机污染物(VOCs)为该场地最主要的污染物种类，共13种，分别占场地总超标污染物和总超标有机污染物的61.9%和72.2%，其中又以1,2-二氯乙烷为该场地土壤中污染最重、分布最广的VOCs类污染物。该物质浓度范围为0.025～16 900.0 mgkg，最大超标倍数为1 689 999.0倍，总超标率为83.3%，其中超标倍数在11.0～1 000.0倍的约占1,2-二氯乙烷总超标率的60.0%，1 000.0倍以上的约占20.0%，说明该场地土壤大多已受到1,2-二氯乙烷的污染，且污染较为严重。该场地土壤1,2-二氯乙烷污染以场地第一层至第三层(0～9.0 m)为主，第四层相对较轻。该场地土壤受氯仿和氯乙烯污染也较为严重，氯仿的浓度范围为0.025～197.0 mgkg，最大超标倍数为1 969.0倍，主要集中在1.0～1 000.0倍，总超标率为17.8%，主要污染土壤层次为第二层(2.5～5.5 m)和第三层(5.5～9.0 m)土壤，第一层(0～2.5 m)和第四层(9.0～18.5 m)土壤污染相对较轻。氯乙烯的浓度范围为0.25～160.6 mgkg，最大超标倍数为1 721.0倍，总超标率为7.3%，主要集中在11.0～1 000.0倍，以第三层污染最重。

表4 土壤样品超标污染物浓度范围、最大超标倍数及超标率

该场地也存在半挥发性有机污染物(SVOCs)污染，但以多环芳烃类有机污染物为主，污染较轻，污染范围也较小，最大超标倍数均不超过100倍，超标率均在5%以内，并以表层污染为主。该场地土壤存在C6～C9总石油烃污染，最大超标倍数为83.0倍，超标率为1.0%，主要分布于第二层至第四层中，但污染程度和污染范围均非常有限，为该场地土壤中的非主要污染物。该场地土壤样品中均未检出PCB类和二英污染物，说明该场地不存在PCB和二英污染。

3.2 主要污染物风险状况及需修复土壤量测算

非致癌风险以污染物的危害商(HQ)表示，即污染物每日摄入量与参考剂量的比值，以HQ来评价敏感人群受到非致癌风险的可能性。当HQ<1时，说明场地污染物导致的非致癌风险可接受，即场地污染物不会对特定土地利用方式下敏感人群造成身体健康方面的危害；当HQ>1时，说明场地污染物导致的非致癌风险不可接受，即场地污染物会对该土地利用方式下敏感人群造成身体健康方面的危害。污染物经所有暴露途径的非致癌危害商，即为所有暴露途径危害商之和。

致癌风险(R)定义为长期的每日摄入量乘以斜率因子，表示暴露于该种化学物质而导致的一生中超过正常水平的癌症发病率。当R<1×10-6时，说明场地污染产生的致癌风险是可以接受的；当R>1×10-6时，说明场地污染产生的致癌风险不可以接受。经RBCA模型对该污染场地不同地层土壤中主要污染物进行健康风险评估，结果表明，土壤重金属污染的健康风险主要来自汞和镍，土壤污染的致癌风险中1,2-二氯乙烷的风险最高，约为10-3～10-2。1,1,2-三氯乙烷、氯仿和氯乙烯的风险约为10-4～10-3。四氯化碳的风险虽然也比较高，约为10-3，但其污染的深度较浅，风险主要来自土壤表层。其他土壤有机污染物的风险水平多处于10-6～10-5。土壤污染的非致癌风险以汞最高，危害商高达23，其次是镍，危害商为9.5，砷和铜的风险较低，接近可以接受的风险水平(表5)。

表5 分层次土壤健康风险评估结果

污染物的致癌毒性评估包括两方面：首先对污染物进行致癌毒性分类，然后根据剂量-反应关系确定标准建议值,用来估算暴露期内人体暴露于一定剂量污染物产生致癌效应的风险。基于短期暴露于较大剂量污染物和长期暴露于小剂量污染物所带来的致癌作用具有等价效应的假设[15]，致癌风险评估常采用人体终生暴露可能造成的健康风险表示。US EPA将污染物的致癌毒性分为A、B、C、D、E共五大类，并用剂量-反应曲线所确定的斜率因子这一标准建议值表示人体终生暴露于一定剂量某种污染物而产生致癌效应的最大概率[16]。

根据污染场地分地层健康风险评估结果，对该污染场地分层划定了各层次污染土壤的修复范围，并计算了各层需要挖掘和处理的土方量。重金属只在第一层发生污染超标(超过修复标准)，但污染范围基本上与有机物污染的范围不相重叠，因此需单独划定修复边界和进行处理，需要修复的面积约4.5万m3，挖掘和需要修复处理的土方量均为11万m3。有机污染物存在于土壤的第一层至第四层中，需修复土壤主要集中于第一层至第三层，分别计算第一层、第二层和第三层需要挖掘的土壤面积和土方量，然后将三层进行叠加，三层叠加后，整个场地需要挖掘的有机污染土方量为340万m3，需要处理的土方量为269万m3。

污染场地的健康风险评估是一项系统工程，包含了化学、地质学、毒理学等多方面的内容。在健康风险评估过程中，不同国家(地区)或研究机构之间暴露途径选择不尽相同，有时候差异还比较大。这一方面是地区实际情况的差异，另一方面也是各国风险评估方法理论框架带来的差异。本研究主要遵从US EPA的风险评估框架，另外，考虑场地实际情况，尽量采用实测数据(如场地参数)，但由于我国相关基础研究十分匮乏(如对暴露参数和建筑物参数的估计)，因此仍有某些参数采用的是国外数据，难免会造成参数估计不能完全反映我国的实际情况。本研究采用的迁移公式均来自于ASTM，但模型的拟合程度在我国的应用尚无可靠资料验证。总之，场地健康风险评估是一门发展中的科学，其评价过程与评价结果仍存在一些不确定性因素。

4 结论

(1)该污染场地存在明确的健康风险，土壤污染的健康风险同时来自有机污染和重金属污染两方面。土壤污染的深度较深，一些污染物一直到10 m以下的土体底部仍存在较高的风险。

(2)导致健康风险的污染物种类中，既有致癌的污染物(如1,2-二氯乙烷等)，也有非致癌的污染物(如汞)。因此，场地同时存在致癌风险和非致癌风险，但是以有机污染物的致癌风险为主。

(3)根据污染场地分地层健康风险评估结果，对该污染场地分层划定了各层次污染土壤的修复范围，能增强该场地的修复效果，减少场地修复中的土壤挖方量，节约修复费用。

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HealthRiskAssessmentforMulti-layerSoilsinaCompoundChemicalContaminatedSite

FANG Ji-dun1, DU Xiao-ming1, LI Zheng1, XU Zhu1, SHI Yi2, LI Hui-ying3,

MA Yan3, YANG Bing1, LI Fa-sheng1

1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental
Sciences, Beijing 100012, China
2.School of Civil & Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
3.Engineering Research Center of Groundwater Pollution Control and Remediation of Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Risk assessment is an important issue in redevelopment of contaminated land. Due to the different attributes and sources, there are obvious layered characteristics for residual pollutants in soil. With a compound chemical contaminated site soil remediation as an example, the health risk assessment for multi-layer soil was carried out by RBCA model from the American GSI company. The risk status for the main pollutants in different layer of soil was obtained. The results showed that there were both carcinogenic and non-cancer risks in the contaminated site, but mainly with organic carcinogenic risk. According to the results of the risk assessment, the subsequent projects of remediation for the contaminated site can be established, enhancing the remediation effect and saving the cost of remediation.

contaminated site; land reclamation; multi-layer soil health risk assessment

1674-991X(2013)05-0451-07

2013-01-04

收稿日期:国家环境保护公益性行业科研专项(201109017)

房吉敦(1971—)，男，博士后，主要从事污染场地风险评价和环境修复，fangjidun@126.com

*责任作者:李发生(1966—)，男，研究员，博士生导师，主要从事污染场地风险评价和环境修复，lifs@craes.org.cn

X820.4

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.05.070