垃圾焚烧飞灰自然堆积过程中细颗粒扩散的健康风险评估

傅沪鸣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200092）

垃圾焚烧飞灰自然堆积过程中细颗粒扩散的健康风险评估

傅沪鸣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200092）

通过分析不同粒径飞灰细颗粒重金属和二噁英含量以及15个垃圾焚烧飞灰重金属和二噁英总量,评估我国飞灰中PM10及PM2.5重金属和二噁英平均含量。利用USEPA AP-42及SCREEN3估算飞灰在自然堆积时PM10及PM2.5的散逸浓度,进而分析得到,飞灰自然堆积时,操作现场、最大落地点32 m及800 m处可能受影响人群的致癌风险(Risk)和非致癌风险(HQ)均超过工业场地及居住用地风险标准。主要风险物质是重金属,二噁英引起的风险极小。

垃圾焚烧；飞灰；细颗粒；散逸；健康风险

0 引言

飞灰作为一种危废,其中含有大量的重金属、二噁英和二噁英类物质。飞灰中重金属和二噁英含量主要受垃圾组分、焚烧温度、烟气冷却停留时间等[1,2]因素影响。重金属和二噁英均属于致癌物质,研究者[3,4]尝试建立重金属总量与环境风险之间的关系,但是结果通常比较模糊,重金属总量可以预测元素的富集,但是无法预测重金属在环境中的毒性行为。

美国EPA发布的《生活垃圾焚烧残余物的环境释放与暴露评估方法》[5]指出,飞灰在处理处置过程中容易导致飞灰散逸释放到环境[6]。因此,飞灰细颗粒的散逸必将对飞灰处理处置现场的操作工人以及周边居民的健康构成潜在风险。研究发现,重金属会在细颗粒中富含[7],说明细颗粒引起的风险要高于原灰。本研究针对垃圾焚烧飞灰自然堆积条件下飞灰中细颗粒的散逸,评估飞灰细颗粒中富集的重金属及二噁英对现场人员及周围居民造成的致癌及非致癌风险。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

试验用飞灰取自15个省市生活垃圾焚烧厂（S1、S2、……、S15）,并分析其重金属含量。采用Andersen大气采样装置筛分上海御桥垃圾焚烧发电厂不同粒径的飞灰。收集的粒径区间分别是DP＞10（大于10 μm),DP10-5（粒径区间为5μm到10 μm）,DP5-2.5（粒径区间为2.5 μm到5 μm）, DP2.5-1（粒径区间为1 μm到2.5 μm）,和DP＜1 (小于1 μm)。

重金属分析:消解称取0.2 g干燥样品置于聚四氟乙烯消解管中,依次加入10 mL HNO3+5 mL HClO4+10 mL HF,使用石墨消解仪进行消解。使用ICP-AES检测重金属浓度。

二噁英:称取20 g飞灰样品,用经处理过的浓硫酸萃取,浓缩液经硝酸银/硅胶柱和活性炭/硅胶柱净化。PCDD/Fs和dl-PCBs的浓度检测采用高分辨率气相色谱/质谱联用仪进行分析。四氯取代至六氯取代PCDD/Fs的分析使用——CP-Sil88 for dioxins‖分离柱,七氯取代和八氯取代PCDD/Fs以及dl-PCBs的分析使用DB-5ms毛细管柱。

1.2 特征污染物的识别

通过对危险废物填埋场渗滤液中重金属种类及浓度分析,能直观判断填埋飞灰中污染物质成分。依据本课题组以往研究中获得的危险废物填埋场渗滤液中重金属污染物种类及浓度可以发现,Zn、Pb、Cr、Ni、Cd和Cu都为填埋场渗滤液主要金属污染物。除Ni数据缺失不做考虑外,将Zn、Pb、Cr、Cd、Cu和二噁英列为本研究的关注污染物。

1.3 扩散模型及参数选择

飞灰在处理过程、卸载、运输设备经过和风力扰动等过程均会产生扬尘。本研究在飞灰颗粒物扩散速率方面主要考虑了飞灰处理过程及风力作用两种情况。产生量除通过现场实测外,利用USEPA提供的AP-42模型[8]进行评估。AP-42模型在PM10及PM2.5的扩散[9-11]中有广泛应用。

通过USEPA AP-42估算飞灰处理过程颗粒物排放速率E（单位:g/m2·y）:

风蚀过程产生颗粒物排放速率EF（单位: g/m2·y）:

颗粒物（PM10、PM2.5）扩散浓度选用SCREEN3进行模拟,用于模拟污染物在大气中的扩散[12]。粒径模拟PM10与PM2.5,因此不考虑沉降。表1为参数选择。

表1 参数选择

1.4 风险表征

根据飞灰细颗粒中重金属含浓度及细颗粒的扩散,可评估飞灰细颗粒对现场工作人员及周围居民的致癌风险。本研究模拟的场景是细颗粒呼吸道摄入。飞灰中关注污染物质毒性参数主要采集于IRIS,同时参考了IARC及WHO等机构发布的毒性因子。

致癌暴露剂量CDIair-c:

致癌暴露剂量CDIair-nc:

其中Cfa为飞灰关注污染物浓度。

则飞灰细颗粒物扬尘的致癌风险RISKinhalation及非致癌风险HQinhalation可计算为:

2 结果与分析

2.1 飞灰细颗粒中重金属含量

图1 飞灰样品中重金属含量

在所有样品中均检测到PCDD/Fs和dl-PCBs。PCDDs、PCDFs和Dl-PCBs总浓度及毒性当量见表3。其中毒性当量浓度根据WHO-TEF 2005[15]计算。

表3 灰样品中二噁英浓度值（ng/g）和毒性当量浓度值（ng-TEQ/g）

图2表示的是对上海御桥垃圾焚烧发电厂飞灰粒径分类后,不同粒径飞灰细颗粒中重金属及二噁英浓度。其中对应PM10和PM2.5百分含量为36.9%和10.6%,将图1中15种样品重金属及二噁英含量设定为飞灰中重金属及二噁英的设计值,可得到表4中飞灰细颗粒中关注污染物质的浓度。

图2 飞灰中不同粒径细颗粒中重金属及二噁英含量

表4 飞灰细颗粒中关注污染物质的浓度 mg/kg

2.2 飞灰颗粒物的扩散浓度

假设场地处理飞灰5 t/h（根据上海市某危废填埋场灰日处理飞量估算得）,堆存飞灰场地为45 m×45 m（该面积为美国环保局固废处置场地大小缺失时的默认值）,则通过USEPA AP-42提供模型可估算得到表5中飞灰在处理过程中细颗粒物的排放速率及风蚀过程产生颗粒物排放速率。

表5 飞灰细颗粒物的排放速率

图3是利用SCREEN3模拟的飞灰细颗粒扩散浓度分布。飞灰散逸的PM10和PM2.5均在扩散至32 m时出现最大浓度。图3中800 m处的飞灰细颗粒含量远远小于《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）规定的居住区PM10和PM2.5二级标准年,因此,选择32 m和800 m作为暴露点用于本研究评估。由于该模型仅模拟1 h中最差风力条件下的最大浓度,本文选取0.2行校正（见表6）。

图3 飞灰自然堆存时细颗粒扩散模拟结果

表6 飞灰自然堆放时不同暴露点颗粒物校正浓度 mg/m3

2.3 暴露点飞灰颗粒物中特征污染物浓度

由表4中细颗粒中关注物质浓度及表6中32 m和800 m处PM10和PM2.5浓度可得到32 m和800 m处各关注污染物浓度（见表7）。

表7 飞灰自然堆放时不同暴露点关注物质暴露浓度 mg/m3

2.4 飞灰扬尘散逸风险评估

表8中可得,PM10对操作现场工人的致癌风险总值为4.96E-04,超过工业场地致癌风险概率值1.0E-04,其中有PM2.5引起的风险占总风险的27%。贡献最大是Cr,其风险值为4.86E-04,贡献率为98%。在颗粒物最大落地点32 m处总风险值为 9.17E-04,大于工业场地致癌风险概率值1.0E-04。在800 m处,PM10对居民的致癌总风险值为 1.23E-06,超过居住用地风险概率值1.0E-06,风险最大贡献者也为Cr,贡献率为98%。

由表9可得,在最大落地点32 m处PM10对人体产生的非致癌风险总值为2.92,大于阈值1,存在风险。其主要风险贡献为Cd,占总风险的61%,其次为Pb,占总风险29%。操作现场PM10的非致癌风险总值为1.97,大于1,其主要风险贡献为Cd,占总风险的62%,其次为Pb,占总风险29%。PM2.5在最大落地点处、操作现场和800 m处的非致癌风险值均小于1,仅占总风险值的20%左右。

3 结论与展望

我国生活垃圾焚烧飞灰中PM10和PM2.5百分含量为36.9%和10.6%。自然堆存状态中在操作现场和飞灰扬尘最大落地点处由呼吸摄入PM10引起的致癌风险（Risk）和非致癌风险（HQ）均超标, PM2.5在Risk和HQ中的贡献率分别为27和20%。PM10对距离800 m处居民引起的Risk超过居民区风险概率值,引起致癌风险的主要物质为Cr,引起非致癌风险的主要重金属为Cd,其次为Pb。

表8 飞灰自然堆放致癌暴露风险评估结果

表9 飞灰自然堆放非致癌暴露风险评估结果

[1]Minomo K,Ohtsuka N,Nojiri K,et al.Apportionment of TEQs from four major dioxin sources in Japan on the basis of five indicative congeners[J].Chemosphere,2010,81(8):985-991.

[2]Chang Y-M,Fan W-P,Dai W-C,et al.Characteristics of PCDD/F contentin fly ash discharged from municipalsolid waste incinerators[J].Journal of Hazardous Materials,2011,192(2): 521-529.

[3]ShimY-S,RheeS-W,LeeW-K.Comparisonofleachingcharacteristics of heavy metals from bottom and fly ashes in Korea and Japan[J].Waste Management,2005,25(5):473-480.

[4]Aubert J,Husson B,Vaquier A.Use of municipal solid waste incineration fly ash in concrete[J].Cement and Concrete Research, 2004,34(6):957-963.

[5]EPA/600/S8-91/031,Methodology for assessing environmental releases of and exposure to municipal solid waste combustor residuals［S］.

[6]Chang F-Y,Wey M-Y.Comparison of the characteristics of bottom and fly ashes generated from various incineration processes[J]. Journal of Hazardous Materials,2006,138(3):594-603.

[7]李建新.垃圾焚烧过程重金属污染物迁移机理及稳定化处理技术研究[D].浙江:浙江大学,2004.

[8]Duprey R.Compilation of air pollutant emission factors[M]. Durham:National Center for Air Pollution Control Durham,1968.

[9]Etyemezian V,Kuhns H,Gillies J,et al.Vehicle-based road dust emission measurement (III):effectofspeed,traffic volume, location,and season on PM10 road dust emissions in the Treasure Valley, ID [J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(32): 4583-4593.

[10]Reisman J,Frisbie G.Calculating realistic PM10 emissions from cooling towers[J].Environmental Progress,2002,21(2):127-130.

[11]Venkatram A.A critique of empirical emission factor models:a case study of the AP-42 model for estimating PM10 emissions from paved roads[J].Atmospheric Environment,2000,34(1):1-11.

[12]王栋成,王静,曹洁,等.基于 SCREEN3模型的大气环境防护距离确定技术方法研究[J].环境工程,2009（27）:611-616.

[13]Quina M J,Bordado J C,Quinta-Ferreira R M.Treatment and use of air pollution control residues from MSW incineration:an overview[J].Waste Management,2008,28(11):2097-2121.

[14]Chaudhary S,Inouhe M,Rai U,et al.Inoculation of Rhizobium (VR-1 and VA-1)induces an increasing growth and metal accumulation potential in Vigna radiata and Vigna angularis L. growing under fly-ash[J].Ecological Engineering,2011,37(8): 1254-1257.

[15]Van Den Berg M,Birnbaum L S,Denison M,et al.The 2005 World Health Organization reevaluation of human and mammalian toxic equivalency factors for dioxins and dioxin-like compounds [J].Toxicological sciences,2006,93(2):223-241.

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1009-7716（2017）07-0266-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.081

2017-03-06

傅沪鸣（1959-）,男,江苏睢宁人,从事固废设计运营工作。