危险废物填埋处置的地下水环境健康风险评价

季文佳,杨子良,王 琪,黄泽春,马春燕,黄启飞 (中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京100012)

危险废物种类繁多、性质复杂,而特性、种类不同决定了其对人体健康造成的风险并不相同,若对危害性差异较大的危险废物采用相同的管理方式,不科学也势必增加管理成本.何艳峰等[1]认为,在保证环境风险可接受的前提下,可以将一部分产生量小、分散、危害性低的危险废物进行豁免管理.危险废物豁免后根据其特性(pH值和浸出毒性)将主要作为一般工业固体废物进行管理,其进入一般工业固体废物填埋场后对地下水环境产生的健康风险值得关注.

目前我国地下水环境的健康风险评价主要基于水质指标监测,并应用美国环境保护署推荐使用的健康风险评价模型展开,该方法不仅监测工作量大而且不能完整的反映某一特定点处(如取水井)污染物浓度随时间的变化.地下水水质预测模型则能解决此问题[2].国外较为通用的有MODFLOW和MT3D[2-6].MODFLOW和MT3D模型可用有限差分法精确模拟含水层中溶质的三维运移,但却不能很好的模拟包气带中溶质的迁移转化情况[3,6].填埋场中污染组分浸出通过包气带运移至含水层所造成的污染可视为点源定通量连续注入,EPACMTP模型[7-8](渗滤液迁移转化复合模型,US EPA开发)可用于处理该类型污染对地下水的影响,它由包气带和含水层2个子模型组成,美国3MRA模型即以该模型为子模块进行填埋场中地下水质量预测.此外,US EPA推荐使用的健康风险评价模型[9]也较为成熟,且评价结果准确,被国内学者广泛使用[10-11].

本研究综合EPACMTP模型和健康风险评价模型,探究填埋场地下水环境健康风险的评价方法,并以电镀污泥为例,计算了其进入一般工业固体废物填埋场中处置的地下水环境健康风险,并以危险废物填埋场处置为对比,探讨其进入一般工业固体废物填埋场处置的可行性,为其豁免管理提供科学依据.

1 风险评价方法建立

通过EPACMTP模型,可以得到目标敏感点处地下水中污染组分在模拟的人体持续暴露时间内的最大浓度值,进而由健康风险评价模型计算出该浓度的污染组分对人体的健康风险.

1.1 EPACMTP模型

1.1.1 包气带模型 考虑污染物在包气带土壤中的降解规律和吸附解析规律(适用于有机和无机污染物),可得到污染物质的迁移平衡方程为:

式中:对固体废物来说Ci为由包气带进入到含水层中的污染组分i的浓度(对液体废物,令废物中的污染物按总量全部浸出),mg/L;t为模拟的渗滤持续时间, d; Z为包气带厚度, m; R为滞后因子;D为动力弥散系数; u为孔隙水流速, m/d; Ki为污染组分i的一阶降解系数.

假设t0为填埋场使用年限,则式(1)的解析解为[12]:

式(2)～(3)中:C0i为填埋场渗滤液中污染组分i的初始浓度, mg/L,可由式(6)～(7)计算得出.

式中:CTi为目标废物中污染组分i的硫酸硝酸浸出毒性[13],mg/L;m为目标废物的年产生量, kg;L为填埋场中渗滤液的年产生量[14],m3;P为填埋场所在地的年平均降雨量,mm;E为填埋场所在地的年平均蒸发量,mm;S为填埋场的表面积,m2;M为填埋场中垃圾的年加载量,kg;η为填埋场中垃圾的年质量损水率.

1.1.2 包气带模型中的参数 孔隙水流速:

式中: θ为包气带土壤的体积含水率(根据土壤类型可查表[15]获取);v为达西速率[12],m/d.

动力弥散系数:

式中: αLu为纵向弥散度.滞后因子:

式(11)～(12)中: ρb为包气带土壤的容重(根据土壤类型可查表[15]获取), g/cm3; foc为包气带土壤中有机碳的质量分数;kowi为污染组分 i的辛醇-水分配系数(可查表[16]获取);%OM 为包气带土壤中有机物的质量分数(可查表[15]获取).

1.1.3 含水层模型 填埋场中污染组分通过包气带进入地下水,可视为在x、y平面上无限分布的均质各向同性含水介质中有点源在含水层厚度上连续定量注入污染物.此时,污染物迁移的对流-弥散方程为:

式中: Cwi为目标敏感点处地下水中污染组分i的浓度值,mg/L; x和 y分别为纵向和横向距离, m;Dx和Dy分别为x、y方向上的弥散系数,m2/d;ux为地下水流速,m/d;λ为一级反应常数;I为迁移问题的源汇强度; n为含水层孔隙度.通过推导可以得到均匀等速流场中点源连续注入污染物时二维对流弥散问题的解析解[17]:

式(14)中:b为含水层厚度, m; Q为渗滤液注入流量, m3/d,可由式(19)计算得出.

1.1.4 含水层模型中的参数 (1) 孔隙度

式中: ρh为含水层容重(根据土壤类型可查[15]表获取),g/cm3.

(2) 弥散系数

式(21)～(22)中: αL和 αT分别为纵向和横向弥散度,m,可由式(23)～(24)计算得出[18]:

式(23)中: Ls为污染组分i的运移距离.

1.2 健康风险评价模型

人体平均日摄入剂量:

式中:CR为饮用水摄入速率,成人取 2L/d(US EPA推荐数据); FE为暴露频率, d/y;DE为持续暴露时间,a;BW为体重,美国EPA推荐使用70kg,我国宜取60kg[19];AT为平均时间(对致癌物质取人类平均寿命70a共有的天数[20];对非致癌物质取DE和FE的乘积,即将危害平均到整个暴露作用期),d.

致癌物风险评价:

式中: CSFi为污染组分 i的致癌斜率因子, mg/(kg·d).

非致癌物风险评价:

式中:RfDi为污染组分 i的非致癌参考剂量, mg/(kg·d).

可接受的健康风险 可接受的健康风险指为社会公认、为公众可以接受的不良健康效应的风险概率[21].我国目前还没有这方面的规定,国内学者在进行评价时大多参考美国标准.

US EPA对致癌物质可接受的风险水平数量级在 10-6～10-4范围,小于 10-6表示风险不明显,10-6～10-4表示有风险,大于10-4表示有较显著的风险;非致癌物质的可接受风险指数应小于1[22].

2 风险计算

2.1 场景假设

以电镀污泥(取自深圳市某电镀企业)为例,测定污泥中污染组分的浸出毒性[13].结果显示污泥中含有的Ni、Mn和Cr6+的浸出毒性(分别为76.43,226.05,0.06mg/L)超出了《生活饮用水卫生标准》[23]中的有关规定;污染物浓度未超出国家标准限值的可视为达标排放).假设电镀污泥豁免前、后分别进入某市某危险废物填埋场和某一般工业固体废物填埋场,2填埋场位于该市同一区域,环境参数相同.2个填埋场所在区域的土壤类型为粉砂壤土,含水层厚度为 5m,地下水流速为0.5m/d;分别以2填埋场中心为坐标原点建立坐标系,正东向(水流方向)为x轴方向、正北向为y轴方向,位于危险废物填埋场正东方向(1200m, 0)处和一般工业固体废物填埋场正东方向(900m, 0)处各有一取水井,拟对这 2个敏感点处的地下水环境健康风险分别进行评价并比较.

2.2 风险评价模型中的参数获取

致癌斜率因子CSF和非致癌参考剂量RfD这2个指标的数据来源: US EPA的IRIS(综合风险信息系统);联合国环境署国际潜在有毒化学品登记数据库;中国预防科学研究院等有关卫生和环境保护部门的有毒有害物质数据库;化学品或化学物质的物理化学手册.若上述数据库或手册中没有CSF,则可利用其他参数进行估算,如根据毒理资料或人群流行病学资料估算[22].

通过资料查阅,确定目标污染物 Ni、Mn和Cr6+在水体中对人体均只产生非致癌影响,其RfD值分别为0.02,0.14,0.003mg/(kg⋅d)[24-27].

3 风险分析

3.1 地下水质量

根据EPACMTP模型的原理,通过MATLAB编程计算分别得到2个敏感点(取水井)处地下水中污染组分Ni、Mn和Cr6+的最大浓度值.结果显示(表1),在2个目标敏感点处,3种污染组分中Mn的浓度均最大,Ni次之,Cr6+的浓度最小,这与电镀污泥中初始测得的污染组分的浸出毒性的大小分布相一致.

表1 敏感点处目标污染组分的浓度(mg/L)Table 1 Concentration values of target contaminants on sensitive points(mg/L)

3.2 人体健康风险

进行健康风险评价前作2点假设:目标敏感点处地下水中污染组分在评价期内的最大浓度值为人体的持续摄入浓度;污染组分对人体健康危害的毒性作用呈相加关系.

根据计算结果(表 2),电镀污泥中污染组分Ni、Mn和Cr6+进入危险废物填埋场和一般工业固体废物填埋场中处置所引起的目标敏感点处的地下水环境健康非致癌风险分别为10.20×10-4和 0.81×10-1,2者均小于美国标准中非致癌的可接受风险水平1.00,表明风险不明显;就该电镀污泥填埋处置对目标敏感点处产生的地下水环境健康风险而言,其可以进入该一般工业固体废物填埋场中处置.

表2 目标污染组分的人体健康风险Table 2 Human health risks of target contaminants

3.3 不确定性分析

此次评价未考虑电镀污泥在进入危险废物填埋场前经过的固化处理(浸出毒性降低),增大了其在危险废物填埋场中的非致癌风险;此外,忽略了污染组分对人体健康危害的协同或拮抗关系.

4 结论

4.1 填埋场渗滤液进入地下水的过程可视为由无数点源定通量连续注入所造成的面源污染.

4.2 基于EPACMTP模型与健康风险评价模型所建立的评价方法,适用于评估危险废物填埋处置对地下水环境所造成的健康风险,且需要获取的参数少、计算简单.

4.3 案例中电镀污泥进入一般工业固体废物填埋所产生的风险可接受,建立的风险评价方法能为危险废物的管理决策提供科学的手段.

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