石家庄市制药行业VOCs排放特征分析及健康风险评价

周静博，李亚卿，洪纲，杨丽丽，姜建彪，冯媛，靳伟

石家庄市环境监测中心，石家庄 050022

石家庄市制药行业VOCs排放特征分析及健康风险评价

周静博，李亚卿，洪纲，杨丽丽，姜建彪，冯媛，靳伟*

石家庄市环境监测中心，石家庄 050022

选择石家庄市9家典型制药企业作为研究目标，在对生产工艺进行调查的基础上研究了VOCs的排放特征，并利用国际公认的健康风险评价模型对制药行业排放的典型VOCs的健康风险进行了初步评价。结果表明，9家研究企业排放的VOCs浓度在10.6～162 mg·m-3间，抗生素类生产企业是主要排放源；识别出的9种典型VOCs为丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、甲醇、二氯甲烷、正丁醇、异丙醇、甲苯；通过源成分谱确定出不同制药类型排放源的主要污染物：发酵类抗生素为乙酸丁酯(40%)、乙酸乙酯(31%)和正丁醇(17%)；半合成类抗生素为丙酮(55%)、异丙醇(15%)和二氯甲烷(12%)；维生素类为乙醇(41%)、丙酮(34%)和甲醇(13%)；中药类为乙醇(75%)、甲醇(12%)。制药行业排放的VOCs健康风险危害指数为2.08×10-5，低于国际辐射防护委员会推荐的最大可接受水平，不会对暴露人群健康造成非致癌危害；正丁醇的危害指数最高，贡献率为48%。各典型制药企业排放口中二氯甲烷的致癌风险值在1.37×10-5～9.28×10-4间。

VOCs；排放特征；健康风险；石家庄；制药行业

VOCs (volatile organic compounds)是挥发性有机物的统称，主要包括脂肪族和芳香族的各种烷烃、烯烃、含氧烃和卤代烃等[1]，一般具有较强的刺激性和毒性，部分具有致畸、致癌、致突变作用[2]。近几年我国多地出现的持续雾霾天气产生的主要原因是空气中细粒子(PM2.5)的严重超标，而VOCs又是PM2.5的先导因子之一[1]。因此，要控制PM2.5，就必须对VOCs加强监测与治理。2011年国务院发布的《国家环境保护“十二五”规划》，已将VOCs 列为“十二五”期间大气污染重点控制对象[3]。石家庄市作为河北省省会是中国重要的医药加工制造基地，拥有华北制药、石家庄制药、神威药业、以岭药业等众多大型制药企业，在河北省和全国分别占76%和3.55%的比重，医药工业已成为石家庄市的优势主导产业[4]。然而在制药行业的生产过程中大量使用有机溶剂，挥发形成VOCs，长期排放不仅恶化了区域大气环境质量，导致石家庄市灰霾等空气污染问题日趋严重，而且对附近居民的身体产生危害[5]。

目前国内部分省市已经进行了本地典型工业源如制鞋、金属表面处理、半导体等行业的VOCs排放特征研究[6-8]，并且北京[2]、广州[9]等地开展了空气中VOCs的健康风险评价，而对于制药行业，徐志荣等[10]进行了浙江省典型挥发性有机物的健康风险评价分析。而迄今为止，对石家庄市典型行业VOCs排放特征及健康评价尚未见有关报道。

本研究以石家庄市9家典型制药企业作为研究目标，在综合考虑各企业产品类型、原辅材料、生产工艺、VOCs治理等条件的基础上对VOCs的排放特征进行了研究，并利用健康风险评价模型定量评估了制药行业VOCs排放对环境及人体产生的危害，比较分析了4类制药企业的差异性，以期为后续VOCs行业排放标准的制定及为环境管理部门开展大气污染控制提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 仪器与标气

气相色谱-质谱联用仪6890N-5975B(Agilent公司，美国)，预浓缩仪7100A(Entech公司，美国)，苏玛罐清洗仪3100(Entech公司，美国)，配气仪4600(Entech公司，美国)。

TO-15，浓度为1 mg·L-1，厂家为美国大特气体公司；正丁醇、甲醇、异丙醇、乙酸丁酯单标气，浓度为1 mg·L-1，厂家为大连大特气体有限公司。

1.2 样品采集

采样点均为企业工艺废气处理系统总排放口。采集容器选择美国Entech公司内表面硅烷化处理的苏玛罐(SUMMA canister)。采样前使用清洗系统(Entech3100)进行清洗，抽真空至266 pa以下[11]。安装好流速控制阀，打开罐阀，控制流量采样，采样时间为10 min，在各采样点位，每隔4 h采样1次，每天采集3次，连续采集2 d，共采集到54个固定源废气样品。采样结束后，关好罐阀，并记录烟温、烟气压力、含湿量、排气量、烟道面积等采样数据，所有样品均在采集后24 h内进行分析。

1.3 分析方法

VOCs的定量分析参考US EPA TO-15方法进行。将采完样的SUMMA罐连接到7032AQ-L进样器上，经7100A三级冷阱预浓缩仪浓缩后进气质分析。

色谱条件：安捷伦HP-VOC色谱柱(内径320 μm；膜厚0.25 μm；柱长30 m)；进口温度：200 ℃；分流比：5:1；柱流量：1.5 mL·min-1；检测器：MSD；升温程序如下：初温35 ℃，保持10 min，然后以5 ℃·min-1升至80 ℃，保持10 min，再以10 ℃·min-1升至220 ℃，保持5 min。辅助加热区温度：280 ℃。

质谱条件：全扫描模式；扫描质量数范围：30～450 amu；电子轰击源，电压70 eV；扫描速度1.79 scans·s-1。四级杆温度150 ℃；离子源温度230 ℃；数据采集方式：SCAN。

1.4 目标化合物的选择

本研究根据前期VOCs排放调查结果，并参考美国EPA公布的有毒有害空气污染物名单 ( http: / /www.epa.gov /ttn /atw /188polls．html)，共选择了包括芳香烃、卤代烃、酯类、醇类和酮类在内的48种信号强、干扰少的碎片离子进行定量分析。

1.5 健康风险评价模型

健康风险评价是20世纪80年代以后兴起的环境风险评价的热点[12]，以风险度作为评价指标，把环境污染与人体健康联系起来，定量描述一个人在被污染的环境中暴露时受到危害的风险[13]。美国国家科学院于1983年发布了联邦政府的危险评价管理体系[14]，提出了健康风险评价的四步法，并根据物质的致癌性，将评估风险分为致癌风险和非致癌风险。

1.5.1 致癌风险评价

致癌风险评价由风险值(Risk)表征，通过人体长期实际暴露浓度与致癌斜率因子的乘积来表示[15]。

Riskj=CDIj×SFj( Risk<0.01)

(1)

Riskj=1-exp(-CDIj×SFj) ( Risk>0.01)

(2)

公式中，SFj为某种VOCs致癌斜率因子，kg·d·mg-1。取值参考美国EPA综合风险信息系统(IRIS)数据库中推荐值[16]。

CDIj为某种VOCs的长期日摄入量，mg·kg-1·d-1。一般情况下暴露途径主要有口、呼吸及皮肤直接接触[17]，而空气中VOCs主要通过呼吸途径进入人体内部器官[9]。因此某VOCs终生日均暴露剂量CDIj按以下公式[9,18]计算：

CDIj=0.63Cj×IR×ET×EF×ED /(BW×AL)

(3)

式(3)中，0.63为人对空气中VOCs吸收系数；Cj为某VOCs的质量浓度，mg·m-3；IR为吸入空气量，m3·d-1；ET为暴露时间，h·d-1；EF为暴露频率，d·a-1；ED为持续暴露时间，a； BW为平均体重，kg； AL为平均寿命，a。

1.5.2 非致癌风险评价

非致癌风险通常以危害指数(hazard index，HI)表征，定义为由于暴露造成的长期摄入量与参考剂量的比值[17]。

非致癌风险计算公式如下：

HIj= CDIj/RfDj×10-6

(4)

式(4)中，RfDj为某种VOCs的参考剂量，mg·kg-1·d-1，取值参考美国EPA综合风险信息系统(IRIS)数据库中推荐值[16]。10-6为与RfD相对应的假设可接受的危险度水平。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 制药行业VOCs排放调查分析

对9家典型制药企业的主要产品、生产工艺流程、原辅材料、废气排放及废气处理工艺进行了详细调查，调查结果如表1所示。

调查结果显示，目前石家庄市制药行业的产品以抗生素、维生素和中药类为主，而抗生素的生产工艺以微生物发酵和半合成2种为主，2种生产工艺所使用的原辅材料和有机溶剂不同，产生的废气污染物也不尽相同，故将制药企业分为发酵类抗生素、半合成类抗生素、维生素和中药4类进行分析。

2.2 VOCs浓度特征分析

运用峰面积归一化法进行48种VOCs的分析，各组分浓度为6次分析所得平均值，总浓度为各组分浓度之和。9家研究企业排放的VOCs浓度见表2。

由表2可见，九家研究企业均排放了一定浓度的VOCs，总浓度为10.6～162 mg·m-3。按制药类型来看，发酵类和半合成类抗生素生产企业排放的VOCs浓度最高，中药类生产企业排放的VOCs浓度最低。可见抗生素生产企业是主要的VOCs排放源。究其原因，主要是因为在抗生素的生产过程中需要使用大量易挥发的有机溶剂，而中药生产中使用的有机原材料较少。

由表2中5类有机物的浓度总和可以看出，排放量较大的是酯类、酮类和醇类，浓度在175～201 mg·m-3之间，芳香烃排放量最小。由此可见石家庄市制药企业排放的VOCs中以含氧有机物为主。

2.3 VOCs化学组成特征分析

9家研究企业污染源排放的各种类VOCs的质量百分组成见图1。

图1可见，发酵类抗生素生产企业(A、B)产生的VOCs以酯类为主，半合成类抗生素(C、D)以及维生素B生产企业(E、F)产生的VOCs均以酮类为主，维生素C生产企业G产生的VOCs以酮类和醇类为主，而中药类生产企业(H、I)产生的VOCs以醇类为主。主要原因在于抗生素和维生素的萃取、分离、结晶等工序、中药类药物的提取工序中大量使用含氧有机溶剂；芳香烃和卤代烃因其用量较小甚至不用，故排放浓度较低。

2.4 VOCs成分谱分析

对4种制药类型的排放源中VOCS进行成分谱特征分析，结果见图2。

图2可以看出，半合成类抗生素生产企业的废气源成分谱中，以丙酮所占比例最高，为55%。其次为异丙醇、二氯甲烷和乙醇，所占比例分别为15%、12%、8.73%。此外还包括少量的甲醇(3.45%)和甲苯(0.97%)。这些VOCs 产生于化学合成、结晶工段用到的有机溶剂挥发。例如在氨苄西林的生产过程中，二氯甲烷用于溶解苯甘氨酸(羟基苯甘氨酸)盐，丙酮用于清洗结晶液。

表2 9家研究企业各种类有机物浓度Table 2 Concentrations of organic matter in nine studied enterprises (mg·m-3)

注：n.d.为未检出。

Note: n.d.not detected.

图2 VOCs源成分谱

在发酵类抗生素生产企业的废气源成分谱中，乙酸丁酯、乙酸乙酯和正丁醇所占比例最高，分别为40%、31%、17%。此外还有少量的乙醇(5.20%)、二氯甲烷(2.86%)和丙酮(2.21%)。这几种污染物主要来自冷冻脱色、分离、结晶、过滤等工序的溶剂挥发。其中乙酸丁酯主要用于发酵液的萃取分离，乙醇用于共沸结晶，经过滤后晶体用正丁醇洗涤，洗后晶体经乙酯处理后造粒。

对维生素类制药企业，其释放的VOCs主要为乙醇、丙酮、甲醇，以及少量的乙酸丁酯、乙酸乙酯和二氯甲烷。组成比例分别为41%、34%、13%、5.26%、1.93%、2.86%。其来源主要包含提取、转化及精制车间有机溶剂的挥发以及发酵工段废气。其中，丙酮和甲醇用于转化工序，乙醇用于洗涤离心甩滤后的晶体。

中药类生产企业的废气源成分谱中，乙醇(75%)占比最高，其次为甲醇和异丙醇，占比分别为12%和9.31%。此外还有少量的二氯甲烷(1.55%)和乙酸乙酯(1.35%)。这些VOCs主要来自提取工序和中草药原料烘干工序，乙醇主要用于中药的提取。

综上所述，9家制药企业共识别出9种典型VOCs，分别为丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、甲醇、二氯甲烷、正丁醇、异丙醇、甲苯。

2.5 制药行业VOCs健康风险评价

利用美国EPA推荐的健康风险暴露模型，对识别出的9种典型VOCs进行健康风险评价。根据国际癌症研究机构(IACR)的分类体系，确定二氯甲烷为2B类致癌物，其余8种VOCs均为非致癌物。

本研究监测区域内主要人群为公司工作人员，故VOCs的长期日摄入量CDIj的计算公式中各参数取值如下：暴露时间为8 h·d-1，暴露频率按除去法定节假日的正常工作时间为250 d，持续暴露时间取30 a[9]，吸入空气量取19 m3·d-1[9]；平均体重取62.7 kg[19]；平均寿命取70 a[9]。计算得到的长期摄入量、非致癌风险及致癌风险见表3和表4。

从表3可以看出，各检出有机物的非致癌风险值在2.65×10-9～1.29×10-5之间，总VOCs的非致癌风险值为2.08×10-5，均低于国际辐射防护委员会推荐的最大可接受水平(5×10-5a-1)[20]，不会对暴露人群健康造成明显的非致癌危害。此外，发酵类抗生素生产企业的非致癌危害指数最高，HI值为1.29×10-5，贡献率最大的物质为正丁醇，占总HI值的77%；其次为半合成类生产企业，HI值为7.06×10-6，贡献率最大的物质为丙酮和二氯甲烷，占总HI的66%。9种典型VOCs中正丁醇的HI值最高，贡献率为48%。而浓度含量较高的丙酮、乙酸乙酯和乙酸丁酯对HI的贡献率并不高。

表3 制药行业典型VOCs的长期摄入量和非致癌风险值Table 3 Long-term intake and noncarcinogenic risk value of VOCs from typical pharmaceutical industries

注：RfD为某种VOCs的参考剂量，mg·kg-1·d-1；CDI-长期日摄入量，mg·kg-1·d-1；HI-非致癌风险的危害指数；“-” 没有查到相关数据；n.d.-未检出。

Note:RfD- Reference dose of VOCs,mg·kg-1·d-1; CDI-Long-term daily intake,mg·kg-1·d-1; HI-Non carcinogenic risk index; “-” No relevant data were found; n.d.-Not detected.

表4 制药行业VOCs的致癌风险值Table 4 The carcinogenic risk value of VOCs from typical pharmaceutical industries

注：SF-VOCs的致癌斜率因子，kg·d·mg-1。

Note:SF- Carcinogenic slope factor of VOCs,kg·d·mg-1.

由表4可以看出，各典型制药企业排放口中二氯甲烷的致癌风险值在1.37×10-5～9.28×10-4间，高于欧美的致癌风险标准值10-5～10-6之间[10]。主要是由于监测点位布设在企业排放口所致，而实际空气中含量远低于该范围，但致癌物可能对人体健康产生严重危害，所以必须加以严格控制。健康风险评价结果显示，石家庄市制药行业排放的VOCs中对人体产生健康危害的主要是二氯甲烷、正丁醇和丙酮。

本文通过对9家制药企业排放的废气进行化学分析，识别出了9种典型的VOCs，通过源成分谱确定出不同制药类型排放源的主要污染物，制药行业排放的VOCs健康风险危害指数为2.08×10-5，低于国际辐射防护委员会推荐的最大可接受水平，不会对暴露人群健康造成非致癌危害。针对VOCs污染现状，建议制定制药行业VOCs排放标准和污染防治技术规范，实行制药行业VOCs总量控制。并将VOCs纳入常规监测和空气自动监测网络范围，从而为VOCs行业排放标准和总量控制计划提供数据支撑。

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◆

Characteristics and Health Risk Assessment of VOCs Emitted from Pharmaceutical Industry of Shijiazhuang City

Zhou Jingbo,Li Yaqing ,Hong Gang,Yang Lili,Jiang Jianbiao ,Feng Yuan,Jin Wei*

Shijiazhuang Environmental Monitoring Center,Shijiazhuang 050022,China

13 August 2014 accepted 24 September 2014

Emission characteristic and health risk of volatile organic compounds (VOCs) were assessed for 9 typical pharmaceutical enterprises in Shijiazhuang City,Hebei Province.The results showed that the concentrations of VOCs emitted from the nine enterprises ranged from 10.6 to 162 mg·m-3,and antibiotic fabrications are main emissions sources.Nine components in VOCs including acetone,ethyl acetate,butyl acetate,ethanol,methanol,dichloromethane,n-butanol,isopropanol and toluene could be identified.The major contributors in VOCs depend on different pharmaceutical processes,and are as follows: butyl acetate (40%),ethyl acetate (31%) and n-butanol (17%) for fermentation; acetone (55%),isopropanol (15%) and dichloromethane (12%) for semi synthesis; ethanol (41%),acetone (34%) and methanol (13%) for vitamins,ethanol (75%) and methanol (12%) for traditional Chinese medicine.The non-carcinogenic risk of VOCs from the pharmaceutical enterprises is about 2.08×10-5,which is below the maximum acceptable level recommended by the international commission on radiological protection.Among the stressors,the highest hazard index is due to n-butanol which contributes as high as 48% of the total risk.The major contributor for carcinogenic risk of VOCs in emission sources is dichloromethane and is about 1.37×10-5～9.28×10-4.

VOCs; emission characteristics; health-based risk; Shijiazhuang; pharmaceutical industry

国家环境保护公益性行业科研专项(201109004)；河北省科技支撑项目(13273702D)

周静博(1985-)，女，硕士，工程师，研究方向为环境监测，E-mail：616570625@qq.com；

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: jiwei65815@126.com

10.7524/AJE.1673-5897.20140813001

2014-08-13 录用日期：2014-09-24

1673-5897(2015)4-177-10

X511

A

靳伟(1968-)，男，环境工程专业，学士，正高级工程师，主要研究方向为环境监测。

周静博，李亚卿，洪纲,等.石家庄市制药行业VOCs排放特征分析及健康风险评价[J].生态毒理学报，2015,10(4): 177-186

Zhou J B,Li Y Q,Hong G,et al.Characteristics and health risk assessment of VOCs emitted from pharmaceutical industry of Shijiazhuang City [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2015,10(4): 177-186(in Chinese)