某城镇污水处理厂压滤污泥重金属健康风险分析

方宇媛，韩光磊，王红新

1.池州学院材料与环境工程学院，安徽池州,247000；2.安徽池州九华发电有限公司，安徽池州,247000

城镇污水处理厂污水处理过程产生的污泥具有数量巨大、有一定的污染物等特征，给城镇污水处理厂运行和管理带来很大压力，若其处理不当，将会对环境造成二次污染[1-2]。鉴于此，学者从多个角度对污水处理厂污泥危害展开研究。李勃等[3]研究了堆肥污泥改性土壤对植物幼苗生长及植株重金属吸收的影响。袁玉清等[4]、刘亚纳等[5]、耿源濛等[6]和杜庆才等[7]分析了不同地区污水处理厂污泥中多种重金属含量，并进行污泥的生态环境风险评价，研究结果显示，由于污水来源不同，水质存在差异，其污泥中重金属含量也会呈现明显不同。因此，其农用过程的生态环境风险应引起关注。

不同区域污泥的处理方式、重金属种类和含量差异造成其主要风险因子、健康风险水平有明显不同，且不同暴露途径下污泥健康风险也存在显著差异[8]。杜庆才等[7]研究了蚌埠市污水处理厂污泥的健康风险水平，结果表明其污泥健康防风险水平属于可接受范围。李清芳等[9]发现重庆市某污水处理厂污泥中Cu和Mn的非致癌风险指数较高，且手—口摄入为产生风险的主要途径。因此，开展污泥重金属健康风险评价可以评价特定收水范围、污水处理工艺和污泥处理工艺条件下污泥中不同重金属对不同人群的健康风险，便于采取针对性管理对策和措施。为明确池州市某城镇污水处理厂污泥重金属含量和健康风险水平，采集其压滤处理后的污泥，检测其重金属(Cd、Hg、Pb、Cr、As、Ni、Zn和Cu)含量，开展健康风险分析，研究结论可为该城镇污水处理厂采取更加合理的污泥处置途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与保存

采集压滤干化处理后污泥，平铺于实验室土壤样品盘中并自然风干，用木锤压碎，进行四分法取样，研磨后过100目尼龙筛。过筛后再进行四分法取样，样品混匀备用。

1.2 样品检测方法

根据《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T221-2005[10]，采用原子荧光法测定Hg含量，采用电感耦合等离子体发射光谱法测定Cd、Pb、Cr、As、Ni、Zn和Cu的含量。

1.3 数据处理与分析方法

1.3.1 污染水平评价

单因子指数法常用于污泥中各种重金属污染水平评价，计算公式见(1)式[8]：

(1)

其中，Pi为第i种重金属的单因子指数；Ci为第i种重金属含量实测值，mg·kg-1；C0i为第i种重金属含量标准限值，mg·kg-1。C0i依据《农用污泥污染物控制标准》GB 4284-2018[11]确定。

1.3.2 污泥重金属健康风险分析

参考土壤重金属的暴露途径、暴露参数和暴露模型[7,8,12]，本研究的暴露对象选择儿童和成人。由于Hg易挥发，因此选择三种主要暴露途径为：手—口摄入途径、皮肤接触摄入途径和呼吸摄入途径。其中，第i种重金属手—口摄食途径摄入量ADDi手—口，mg·(kg·d)-1、皮肤接触摄入量ADDi皮肤，mg·(kg·d)-1和呼吸摄入量ADDi呼吸，mg·(kg·d)-1的计算公式分别见(2)式、(3)式和(4)式。不同污染物在不同暴露途径下总摄入量为ADD总，mg·(kg·d)-1，计算公式见(5)式。

(2)

(4)

(5)

式中，Ci为第i种重金属测定值，mg·kg-1；IR为重金属手—口摄入速率，mg·d-1；CF为单位转换因子，kg·mg-1；EF为暴露频率，d·a-1；ED为暴露年限，a；BW为暴露对象的体重，kg；AT为平均暴露作用时间，a；SA为皮肤可能暴露的面积，cm2·d-1；SL为皮肤对污泥的黏附能力，mg·m-2；ABS为皮肤对重金属的吸附能力；VF为蒸发系数。公式(2)—(5)中相应参数的参考值见表1。

分别按照致癌风险和非致癌风险来开展健康风险评价。As和Cd属于化学致癌物，Pb、Cr、Hg、Ni、Zn和Cu为非致癌物[13]。采用HQij表示第i种污染物第j种暴露途径的非致癌风险指数，计算公式见(6)式；第i种污染物多种暴露途径的非致癌风险指数为HIi，计算公式见(7)式；第j种暴露途径下多物

表1 环境健康风险评价模型中各参数的取值

质的非致癌风险指数HIj计算方法见(8)式；多污染多途径联合的非致癌风险综合指数HI，计算公式见(9)式。对于第i种污染物第j种暴露途径的致癌风险指数采用Rij表示，属于低风险水平(Rij<0.01)的致癌风险值Rij计算方法见(10)式；第i种污染物多种暴露途径的致癌风险指数Ri计算方法见(11)式；第j种暴露途径下多物质的致癌风险指数Rj计算方法见(12)式；对于多个污染物多种暴露途径的综合致癌风险综合指数用R表示，计算公式见(13)式。

(6)

(7)

(8)

(9)

Rij=ADDij×SF

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：i代表污染物种类，j代表污染途径；RfDij为第i种污染物第j种暴露途径的参考剂量，mg·(kg·d)-1；SF代表斜率系数，(kg·d)·mg-1。RfDij和SF具体取值见表2。

表2 RfDij和SF参考值

2 结果与讨论

2.1 污泥重金属含量分析

重金属含量分析结果见表3。从结果可知，该污泥中八种重金属含量差异较大，其中Zn含量最高，达848 mg·kg-1，而Hg含量最低，为0.52 mg·kg-1。各重金属单因子指数排序为Cd>Zn>As>Cu>Ni>Hg>Pb>Cr，其中Cd单因子指数大于1。

表3 重金属含量及Pi计算结果

2.2 污泥重金属健康风险评价

2.2.1 重金属暴露量分析与讨论

不同接触途径下污泥中重金属暴露量计算结果见表4。由表4可知，不同暴露途径条件下，成人的重金属暴露总量排序为手—口摄入量>皮肤接触量>呼吸摄入量(汞蒸汽)；而儿童的重金属暴露总量排序为手—口摄入量>呼吸摄入量(汞蒸汽)>皮肤接触量。成人和儿童不同暴露途径下单一金属暴

表4 不同接触途径下污泥中重金属的暴露量 mg·(kg·d)-1

露总量排序均为Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>As>Hg>Cd，儿童总摄入量大于成人。可见手—口摄食途径是主要暴露途径。

2.2.2 重金属健康风险评价与讨论

成人污泥重金属暴露健康风险评价见表5。对于成人而言，单一暴露途径条件下多物质的非致癌风险指数排序为手—口摄食>呼吸摄入(汞蒸汽)>皮肤接触。对于单个污染物多种暴露途径的非致癌风险指数排序为Cu>Hg>Cr>Ni>Zn>Pb，多物质多途径联合的非致癌风险总指数为5.77×10-2。可见，Cu的非致癌风险最高，且手—口摄食是非致癌风险的主要途径。

表5 成人重金属暴露健康风险评价指数

对于单一暴露途径条件下多物质致癌风险指数排序为手—口摄食>皮肤接触，其值分别为3.00×10-5和1.50×10-6。对于单个污染物多种暴露途径的致癌风险指数排序为As>Cd，其值分别为1.84×10-5和1.32×10-5。而成人多物质多途径联合的致癌风险总指数为3.16×10-5,其中手—口摄食是造成致癌风险的主要途径。

儿童污泥重金属暴露健康风险评价见表6。对于儿童而言，单一暴露途径条件下多物质的非致癌风险指数排序为手—口摄食>呼吸摄入(汞蒸汽)>皮肤接触。对于单个污染物多种暴露途径非致癌风险指数排序为Cu>Hg>Cr>Zn>Ni>Pb，儿童非致癌风险总指数为1.55×10-1。可见，对于儿童而言，Cu的非致癌风险最高，且手—口摄食是造成非致癌风险的主要途径。

表6 儿童重金属暴露健康风险评价指数

对于单一暴露途径条件下多物质的致癌风险指数排序为手—口摄食>皮肤接触，其值分别为8.77×10-5和1.09×10-6。对于单个污染物多种暴露途径的致癌风险指数排序为As>Cd，其值分别为5.18×10-5和3.70×10-5。儿童致癌风险总指数为8.88×10-5，其中手—口摄食是儿童致癌风险的主要途径。

以上分析表明，对于成人和儿童而言，非致癌风险总指数均小于1[13]，表明不存在非致癌风险。儿童致癌风险总指数高于成人致癌风险总指数，但两者均在美国国家环境保护局提供的可接受致癌风险范围1×10-6～1×10-4内[14]，表明不存在致癌风险。

3 结 论

该污水处理厂压滤污泥中Cd、Zn、As、Cu、Ni、Hg、Pb和Cr均能检出，其中Zn含量最高，Hg含量最低。单因子指数排序为Cd>Zn>As>Cu>Ni>Hg>Pb>Cr。

成人重金属暴露总量排序为手—口摄入量>皮肤接触量>呼吸摄入量(汞蒸汽)，而儿童重金属暴露总量排序为手—口摄入量>呼吸摄入量(汞蒸汽)>皮肤接触量。手—口摄食途径是成人和儿童主要暴露途径。综合三种暴露途径，成人和儿童不同重金属暴露总量排序均为Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>As>Hg>Cd。儿童重金属总摄入量大于成人。

对于成人和儿童而言，Cu的非致癌风险指数均最高，非致癌风险总指数分别为5.77×10-2和1.55×10-1，均不存在非致癌风险。儿童致癌风险总指数高于成人，但均在可接受的致癌风险范围1×10-6～1×10-4之内，不存在致癌风险。