辽宁省某垃圾填埋场及周边地下水重金属污染特征及健康风险评价

程全国, 王浩东, 李 晔, 高 悦

(1. 沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;2. 辽宁省环境规划院有限公司 交通环评部, 辽宁 沈阳 110037)

随着我国城市化进程的不断推进,人类生产生活所产生的垃圾数量不断增加[1].目前,大多数发展中国家仍然对垃圾采用简易的填埋方式处理,其渗滤液会扩散到地下水中,造成地下水污染,甚至会污染该地区饮用水水源[2].水是一切生命机体的组成物质之一,是人体不可缺少的重要物质,而地下水重金属污染会对人体健康产生严重危害[3],因此,对地下水重金属污染研究及健康风险评价成为关注重点.在对地下水重金属健康风险的研究中,针对其中一个水期进行评价的研究较多,其评价结果往往存在时间局限性[4-5].本研究检测了一个水文年内垃圾填埋场及周边地下水中重金属的质量浓度,并进行了人体健康风险评价,以期为研究区及周边地下水的风险管控提供比较科学的依据.

1 区域概况与模型构建

1.1 研究区域概况

该垃圾填埋场始建于2001年,占地面积27.2 hm2,总库容量为375.4万m3,使用18～20a,每天处理垃圾300万t.垃圾无害化处理采用填埋新工艺,生活垃圾由所在区域3个城区环卫处负责集中装车压缩后,运到该垃圾填埋场.垃圾进入填埋区后,用机械设备填平、压实、覆盖、喷水降尘,污水经导流管排入蓄水池,然后进入污水处理厂进行处理.填埋区产生的气体经导气管收集后导出,完全符合国家《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)中的要求.

1.2 样品采集与指标测试

本文根据区域一个水文年的枯水期、平水期、丰水期,分别于12月、次年4月、8月进行采样评价.依据《全国地下水基础环境状况调查评估垃圾场培训讲义(2014年)》相关要求,结合研究区环境水文条件,在评价区域内共建成5个监测井,监测井布置见图1,采样点信息见表1.根据资料得知评价地区地下水流向为由西向东.

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

表1 采样点信息Table 1 Sampling sites information

一个水文年共采集15个地下水样品.采样前用各采样点水清洗采样瓶(已用去离子水清洗干净的聚乙烯瓶)3次,采集满瓶后加入HNO3酸化后密封,采样量为2.5 L,并于24 h内带回实验室进行预处理.

水温、pH值、电导率在现场测试.根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017),应用美国PerkinElmer公司生产的ELANDRC-E型电感耦合等离子体质谱仪对水样中的As、Cr、Cd、Mn、Cu和Zn的质量浓度进行检测[6].

1.3 健康风险评价模型

健康风险评价是针对人体健康与环境污染两者的关系所做出的评价,风险度作为评价标准,是环境污染物对人体健康产生危害风险程度的判别依据.通过计算污染物对人体健康危害发生的概率,评价当前或预测未来是否会引起目标人群的健康危害,并提出降低风险发生的方法与对策[7].由图1可知,研究区域采样点可分为非敏感用地(垃圾填埋场内)和敏感用地(垃圾填埋场外围),选用美国环保署(US EPA)中推荐的健康风险评价模型,按照非敏感用地和敏感用地,分别在饮用地下水途径和皮肤接触途径下,对暴露于该地下水环境中的成人和儿童进行致癌(As、Cd、Cr)风险评价和非致癌(Mn、Cu、Zn)风险评价[8-10].本研究中的计算参数和毒理学参数[11-15]见表2和表3.

表2 计算参数Table 2 Calculating parameters

表3 毒理学参数Table 3 Toxicological parameters

1.3.1 饮用地下水途径健康风险评价模型[14]

饮用地下水途径下单一污染物的致癌风险Rcgw的计算公式为

Rcgw=GcaCgwS0.

(1)

式中:Gca表示饮用地下水致癌效应的暴露量,L·kg-1·d-1;Cgw为地下水中污染物质量浓度,mg·L-1;S0为饮水摄入致癌斜率因子,kg·d·mg-1.对于非敏感用地和敏感用地,Gca的计算公式分别为式(2)和式(3),

式中:Wa为成人每日饮水量,L·d-1;Ea为成人暴露频率,d·a-1;Da为成人暴露期,a;Ba为成人体重,kg;Aca为致癌效应平均时间,d;Wc为儿童每日饮水量,L·d-1;Ec为儿童暴露频率,d·a-1;Dc为儿童暴露期,a;Bc为儿童体重,kg.

饮用地下水途径下单一污染物的非致癌风险Hcgw的计算公式为

Hcgw=GncCgw/R0F.

(4)

式中:Gnc为饮用地下水非致癌效应的暴露量,L·kg-1·d-1;R0为饮水摄入的非致癌污染物日均参考计量,mg·kg-1·d-1;F为暴露于地下水参考剂量分配比例.对于非敏感用地和敏感用地,Gnc的计算公式分别为式(5)和式(6),

式中,Anc为非致癌效应平均时间,d.

1.3.2 皮肤接触途径健康风险评价模型[14]

皮肤接触途径下单一污染物的致癌风险Rdgw的计算公式为

Rdgw=QcaSd.

(7)

式中:Qca为皮肤接触途径的致癌效应暴露量,mg·kg-1·d-1;Sd为皮肤接触途径致癌斜率因子,kg·d·mg-1.对于非敏感用地和敏感用地,Qca的计算公式分别为式(8)和式(9),

Qca=SaEaDaEvDea/BaAca,

(8)

Qca=ScEcDcEvDec/BcAcaSaEaDaEvDea/BaAca.

(9)

式中:Sa为成人暴露皮肤表面积,cm2;Ev为每日洗澡、游泳、清洗等事件发生的频率,次·d-1;Dea为成人皮肤接触吸收剂量,mg·(cm2)-1;Sc为儿童暴露皮肤表面积,cm2;Dec为儿童皮肤接触吸收剂量,mg·(cm2)-1;Kp为皮肤渗透系数,cm·h-1;tc为儿童次经皮肤接触的时间,h;ta为成人次经皮肤接触的时间,h;Hc为儿童平均身高,cm;Ha为成人平均身高,cm;Rc为儿童暴露皮肤所占面积比;Ra为成人暴露皮肤所占面积比.

皮肤接触途径下单一污染物的非致癌风险Hdgw的计算公式为

Hdgw=Qnc/Rd.

(14)

式中:Qnc为皮肤接触途径的非致癌效应暴露剂量,L·kg-1·d-1;Rd为皮肤接触参考剂量,mg·kg-1·d-1.对于非敏感用地和敏感用地,Qnc的计算公式分别为式(15)和式(16),

1.3.3 总健康风险评价模型[14]

全部暴露途径下,地下水中单一污染物的总致癌风险Rn、地下水中单一污染物总危害指数Hn及总风险R总的计算公式为

根据《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3—2019),计算地下水致癌风险控制值时,可接受致癌风险为10-6;计算地下水非致癌风险控制值时,可接受危害商(用于表征人体经单一途径暴露于非致癌污染物而受到的危害水平)为1[16-18].为更好地判定健康风险的大小,在参考美国环保署(US.EPA)和国际辐射防护委员会(ICRP)风险评价标准的基础上,综合几种评价分级标准,根据已有的研究对健康危害进行模糊化分级,把健康危害风险分为6级,评价标准的等级划分如表4[19-22]所示.

表4 健康危害风险评价标准等级划分Table 4 Classification of health risk standard

2 结果与讨论

2.1 地下水中重金属污染特征

为研究垃圾填埋场及周边重金属的污染特征,分析测试了一个水文年内不同水期地下水样品中的6种重金属(As、Cd、Cr、Mn、Cu和Zn)的质量浓度,统计结果如表5所示.

表5 一个水文年内不同水期地下水重金属的质量浓度统计结果Table 5 Statistical results of mass concentration of heavy metals in groundwater at different water periods in a hydrological year μg·L-1

由表5可知,枯水期、平水期、丰水期不同水期各点位As、Cd、Cr、Mn、Cu和Zn的质量浓度均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ类水对应的限值10.00、5.00、50.00、100.00、1 000.00、1 000.00 μg·L-1,没有超标,一个水文年内As在不同水期的质量浓度最大值相对比较接近标准限值.

各采样点污染物质量浓度堆积情况如图2所示.5个采样点中Cr和Zn在平水期和丰水期的质量浓度值大部分大于枯水期的质量浓度值.由于季节变化,丰水期和平水期的地下水位高于枯水期,污染物可能在雨水渗透作用下,进入地下水中,导致污染物质量浓度升高.采样点LJ1、LJ2、 LJ4 中Mn在枯水期的质量浓度值大于平水期和丰水期的质量浓度值,这可能由于采样的不确定性以及Mn本身赋存量较大导致其趋势不同.Cd和Cu在一个水文年内的质量浓度值分布相对较均匀.整体来看,采样点LJ2、LJ3和LJ4不同水期的总质量浓度堆积高于LJ1和LJ5,且三个水期污染物质量浓度堆积最大值都出现在LJ2.这是由于LJ4位于垃圾填埋场内,LJ3虽处于垃圾填埋场外围,但它是地下水流向的补给下游,所以此两处采样点的重金属质量浓度值较高,而LJ2既处于垃圾填埋场内又是地下水流向的补给下游,因此污染物质量浓度最大.

图2 各采样点污染物总质量浓度堆积Fig.2 Total concentration of pollutants of each sampling sites

2.2 健康风险评价

根据健康风险评价模型,计算出了地下水中污染物经饮用地下水途径和皮肤接触途径在不同水期的致癌风险评价结果(表6)、非致癌危害商评价结果(表7),从而得到地下水重金属总风险评价结果(表8).

结合表6和表7,由表8可知,总致癌风险数量级处于10-6～10-4之间,其风险评价标准属于Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ 级和Ⅳ级,说明研究区域地下水致癌风险偏高,地下水中的As 、Cd和Cr 可能会对当地人群构成致癌风险.各采样点总致癌风险从大到小排序:枯水期敏感用地LJ2、LJ4,非敏感用地LJ3、LJ5、LJ1;平水期敏感用地LJ2、LJ4,非敏感用地LJ5、LJ1、LJ3;丰水期敏感用地LJ2、LJ4,非敏感用地LJ1、LJ3、LJ5.

表6 致癌风险评价结果Table 6 Results of cancer risk assessment

表7 非致癌危害商评价结果Table 7 Results of non-carcinogenic risk assessment

表8 综合健康风险评价结果Table 8 Results of comprehensive health risk assessment

由此可以得出:①非敏感用地的总致癌风险高于敏感用地的总致癌风险,主要是因为第二类只考虑用成人期的暴露去评估污染物的终生致癌风险,没有考虑儿童期的暴露,这与徐颖[14]等人研究相同;②As在饮用地下水途径下各点位的致癌风险以及Cr在两种暴露途径下的各点位致癌风险均高于最大可接受风险水平10-6.As和Cr 的质量浓度均符合《地下水质量标准》( GB /T14848—2017)中Ⅲ类水质标准,但仍存在较高的致癌风险,这是因为致癌风险不仅与As和Cr 的质量浓度有关,还与其他系数有关;③饮用地下水途径下污染物在各点位的致癌风险均高于皮肤接触途径下污染物在各点位的致癌风险,研究区域主要暴露途径为饮用地下水;④各采样点位地下水中,Mn、Cu和Zn通过饮用地下水及皮肤接触两种途径引起的总非致癌危害商均小于1,低于可接受危害商;⑤饮用地下水途径在各点位的非致癌危害商均高于皮肤接触途径下各点位的非致癌危害商2～4个数量级,表明饮用地下水为引起非致癌危害的主要途径,皮肤接触为次要暴露途径.

不同重金属致癌风险贡献率如图3所示,从图中可以看到,枯水期As对致癌风险的贡献率大于Cd和Cr的贡献率,污染物致癌风险贡献率从高到低依次为As、Cr 、Cd;平水期和丰水期Cr对致癌风险的贡献率大于As和Cd 的贡献率,污染物致癌风险贡献率从高到低依次为Cr 、As、Cd,主要原因为研究区域在平水期和丰水期Cr 的质量浓度远高于As和Cd,这说明As和Cr为人体致癌风险的主要重金属污染物.不同重金属非致癌风险贡献率如图4所示,从图中可以看到,Cu对非致癌危害的贡献率最大,枯水期污染物非致癌危害的贡献率从高到低依次为Cu、Mn、Zn;平水期和丰水期污染物非致癌危害的贡献率从高到低依次为Cu 、Zn、Mn,说明Cu为人体非致癌危害的主要重金属污染物.

图3 重金属不同水期致癌风险贡献率Fig.3 Contribution rate of carcinogenic risk of heavy metals during different water period

图4 重金属不同水期非致癌风险贡献率Fig.4 Contribution rate of non-carcinogenic risk of heavy metals during different water period

3 结 论

1) 垃圾填埋场各点位重金属的质量浓度均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848)中Ⅲ类水的限值,平水期和丰水期As的质量浓度最大值接近标准限值.

2) 研究区域地下水致癌风险偏高,总致癌风险数量级处于10-6～10-4之间,属于Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级风险评价标准区间.总致癌风险表现为非敏感用地大于敏感用地,各点位非致癌危害商均小于1,饮用地下水途径为主要暴露途径.

3) As和Cr对致癌风险贡献率较大,是人体致癌危害的主要重金属污染物;Cu对非致癌危害的贡献率较大,是人体非致癌危害的主要重金属污染物.