基于蒙特卡罗方法的铅酸蓄电池厂土壤健康风险评价*

杨思言 段宁 魏婉婷

（武汉科技大学资源与环境工程学院 武汉430081）

基于蒙特卡罗方法的铅酸蓄电池厂土壤健康风险评价*

杨思言 段宁 魏婉婷

（武汉科技大学资源与环境工程学院 武汉430081）

以土壤中的风险指标（Pb，Cd，As）为研究对象 ，将蒙特卡罗模拟方法应用到某铅酸蓄电池厂土壤重金属的健康风险评价中，解决了土壤重金属影响人体健康风险的不确定性问题。结果表明，土壤中Pb对成人不存在非致癌风险，对儿童存在非致癌风险；土壤中Cd，As对成人、儿童都不存在致癌风险；影响Pb，Cd和As进入人体单位体重的致癌、非致癌风险水平大小的主要因素为土壤重金属浓度。研究结果在一定程度上可为铅酸蓄电池厂土壤不确定性健康风险评价提供参考依据。

蒙特卡罗 铅酸蓄电池厂 重金属 健康风险

0 引言

健康风险评价（HRA）是指通过毒理学、流行病学资料、环境和暴露因素等的收集，概率评估有毒有害物质对暴露人群的健康构成损害的可能性及程度大小［1］。中国的健康风险评价起步较晚，风险评估模型的研究比较欠缺，目前多借用国外的模型。随着重金属污染形势越来越严峻，人们越发关注重金属污染带来的健康效应。

现有研究中，中国重金属健康风险评估的应用有USEPA模型、地理信息系统（GIS）、可给性研究和蒙特卡罗模型（Monte Carlo）。USEPA模型［2］是应用最为广泛的确定性风险模型，其计算简单、方便，但美国、欧盟等制定和颁布的关于健康风险评估方面的技术性文件不一定适用于中国国民体质；地理信息系统（GIS）［3］的发展提高了模拟技术，从而使健康风险评估准确性提高 ，国内在此方面的研究较少；可给性研究［4］是通过重金属对人体生物可给性的实验，将实验结果运用于HRA工作中的一项研究，国内在此方面的研究屈指可数；Monte Carlo模型［5］是国外比较常用的不确定性健康风险评估模型，不仅可以分析污染物对人体健康的影响，还可分析模型中各指标的不确定因素对预测结果的影响，适用于具有随机性和不确定性模型的求解，是健康风险评价中简单、有效、实用的分析方法。因此，本文拟利用Monte Carlo模型，进行铅酸蓄电池厂土壤重金属对人体的不确定性健康风险评价，以期得到土壤中各重金属指标对人体健康风险水平影响的概率分布以及不同因素对人体健康风险水平影响的灵敏度。

1 研究区概况及取样与现状调查方法

某铅酸蓄电池厂的产品主要包括阀控密封式铅酸蓄电池、板式胶体电池系列、动力电池三大系列80多个品种 ，主要产品为2V，12V 阀控铅酸蓄电池，应用在备用电源系统、太阳能和光能储能系统和电动交通工具。该厂主要生产工艺包括极板生产、电池总装及内化成几大部分。蓄电池的生产可以分为4个主要部分：极板制造、铅零件铸造（包括叠片及总装）、注酸、内化成。生产过程中，由于“三废”污染物的排放 ，铅酸蓄电池厂的土壤重金属浓度持续累积。

土壤样品在表层土壤的0～20 cm范围内采集并混合 ，总计30个，采自于化成车间及成品仓库（12个）、污水处理站门前花坛（6个）、极板车间（12个）。土壤样品常温条件下经自然风干后用研钵磨碎 ，用150μm筛筛出后 ，电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）的浓度。铅酸蓄电池厂土壤重金属监测结果见表1。

表1 土壤重金属监测结果 mg／kg

2 基于Monte Carlo模型的健康风险评价

2.1 健康风险评价

健康风险评价（HRA）是用来评估有毒有害物质对人类所构成危害的一种模型。风险评估是一个多步骤的过程，包括危害识别、暴露评估、毒性评估和风险表征［6］。人体暴露在土壤重金属的主要途径包括3种：口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收。风险表征中是用致癌危害指数和非致癌危害指数来表示风险的大小。为了评估儿童和成人通过口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收3种接触途径的健康风险评价，3种暴露途径的重金属日慢性摄取剂量（CDI），可通过式（1）～式（3）得到。IngR，InhR，EF，ED，AFsoil和AT参数的确定是采用美国制定的标准［7］，健康风险评价暴露参数见表2［8］。

式中 ，CDIing，CDIinh和CDIderm分别表示为口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收途径的日慢性摄取剂量，mg／（kg·d）；Csoil为土壤中重金属含量，mg／kg。

表2健康风险评价暴露参数

非致癌风险值HQ表示为日慢性摄取剂量CDI与各暴露途径的参考剂量RfD的比值，见式（4）。非致癌总危害指数HI为各暴露途径（口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收）的非致癌风险值HQ的算术和，见式（5）。当HI≤1时，认为没有非致癌风险产生；当HI＞1时，非致癌风险可能产生，且随着HI的数值越大，发生风险的可能性越大。

非致癌健康风险评价模式为

式中，HQing，HQinh，HQderm分别表示为口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收途径的非致癌风险值，a－1。

致癌风险评价是通过日慢性摄取剂量CDI乘以斜率系数CSF计算得出，如式（6）。终身致癌风险（LCR）表示为各暴露途径的致癌风险的算术和，如式（7）。致癌风险可接受的程度是在1×10－6～1×10－4之间［9］，本文取致癌风险阈值为1×10－4。非致癌慢性参考剂量（RfD）和致癌斜率系数（CSF）值如表3所示［10－11］。

表3 健康风险评价RfD和CSF

致癌健康风险评价模式为

式中 ，Cnring，Cnrinh和Cnrderm分别表示为口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收途径的致癌风险值，a－1。

2.2 Monte Carlo模拟

风险评估的不确定性是普遍存在的，不确定性的产生是由于缺乏精确的知识、环境系统的变化和个体特征的可变性，为了降低风险评估的不确定性 ，通过Monte Carlo模拟进行风险评估，而Crystal Ball（水晶球）软件，是一个最常用的Monte Carlo建模工具。

Monte Carlo模拟主要步骤如下：①通过数学模型，选择主要的影响因素，并确定自变量的概率分布；②实现从已确定概率分布的随机取样；③建立各统计量的估计。

2.3 基于Monte Carlo模拟的健康风险评价

①以表1中的土壤重金属监测数据为基础，利用Crystal Ball软件中的分布拟合功能构造各重金属浓度的概率分布，结果如表4所示；②根据式（1）～式（7）建立评价模型，模拟计算成人、儿童日慢性摄取剂量以及非致癌风险和致癌风险评价的概率分布，结果见表5～表7；③利用Crystal Ball软件中的灵敏度分析功能，分析土壤中重金属浓度、暴露频率、暴露持续时间、平均暴露时间、土壤吸附系数以及皮肤呼吸系数对健康风险水平影响的灵敏度，结果见图1。

表4重金属浓度的概率分布

表5成人日慢性摄取剂量的不同概率分布

表6儿童日慢性摄取剂量的不同概率分布

续表

表7非致癌风险和致癌风险评价的概率分布

图1 各指标不同影响因子下的健康风险灵敏度分析

由表5和表6可知，3种暴露途径下，成人Pb日均慢性摄取量比儿童的日均慢性摄取量都要小 ，成人口腔摄入Cd，As比儿童小，成人呼吸吸入和皮肤吸收Cd，As比儿童略大，总体而言，成人Cd，As日均慢性摄取量比儿童的日均慢性摄取量要小。3种暴露途径相比，成人和儿童的Pb，Cd，As日均慢性摄取量大小排序都为口腔摄入＞皮肤吸收＞呼吸吸入。

由表7可知，成人Pb的HI均小于1，不存在非致癌风险 ，儿童的HI有大于1，说明儿童存在非致癌风险，且相对于成人，更容易受非致癌风险影响；成人和儿童的Cd，As的致癌风险均小于1×10－4，说明Cd，As对成人、儿童都不存在致癌风险。

由图1可知，重金属Pb，Cd，As作为风险评价指标，反映了土壤中重金属浓度、暴露频率、暴露持续时间、平均暴露时间、土壤吸附系数以及皮肤呼吸系数影响成人、儿童非致癌、致癌风险水平的灵敏程度，影响重金属Pb，Cd和As进入人体单位体重的致癌、非致癌风险水平大小的主要因素为土壤重金属浓度。

3 结语

（1）将蒙特卡罗模拟方法应用于铅酸蓄电池厂土壤重金属的健康风险评价，可计算出日慢性摄取剂量和致癌、非致癌风险水平的概率分布。

（2）在口腔摄入、呼吸吸入和皮肤吸收3种暴露途径下，成人Pb，Cd，As日均慢性摄取量比儿童的日均慢性摄取量都要小，3种暴露途径相比，成人和儿童的土壤Pb，Cd，As口腔摄入日均慢性摄取量最大，其次是呼吸吸入日均慢性摄取量，皮肤吸收日均慢性摄取量最小。

（3）成人Pb不存在非致癌风险，儿童Pb存在非致癌风险，说明相对于成人，儿童更容易受非致癌风险影响，这可能与儿童的体重、户外活动多和皮肤接触土壤的面积比成人小有关；成人和儿童的Cd，As的致癌风险均小于1×10－4，说明Cd，As对成人、儿童都不存在致癌风险。因此，铅酸蓄电池厂应重点控制土壤Pb的浓度。

（4）在3种暴露途径下，影响重金属Pb，Cd和As进入人体的致癌、非致癌风险水平大小的主要因素为土壤重金属浓度 ，因此，铅酸蓄电池厂生产过程中应重点控制重金属污染物浓度。

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Health Risk Assessmentof the Soil from a Lead－acid Battery Factory Based on Monte Carlo Method

YANG Siyan DUAN Ning WEIWanting
（School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and TechnologyWuhan430081）

Taking the risk index（Pb，Cd，As）in soil as the research object，theMonte Carlo simulationmethod isapplied in health risk assessmentof heavymetals in the soilof a lead－acid battery factory and the uncertainty of the heavymetals in soil of human health risk issolved.The resultconcludes that，Pb doesn’texistno－carcinogenic risk foradult，butexist for children and while Cd and As don’texistcarcinogenic risks for adultsand children.Theheavymetal concentrations are the main factorsaffecting the levelof Pb，Cd and As into the human body unitweightofno－carcinogenic or carcinogenic risk.The research can provide a reference for theuncertainty of health risk assessmentof the soil in a lead－acid battery factory.

Monte Carlo lead－acid battery factory heavymetals health risks

杨思言，女，1990年生，硕士，主要研究方向为环境评价。

2015－10－26）

国家自然科学基金（41102218）。

段宁，女 ，1976年生，博士，副教授，主要从事污染控制、环境评价等研究。