废弃铅锌冶炼厂重金属污染场地的健康风险评价
2014-03-25吴烈善莫小荣曾东梅吕宏虹苏翠翠
吴烈善，莫小荣，曾东梅，吕宏虹，苏翠翠
广西大学环境学院，南宁 530004
根据《关于保障工业企业场地再开发利用环境安全的通知》环发〔2012〕140号精神，结合最新发布的污染场地风险评估技术导则(HJ 25.3-2014)，文中简称技术导则，对关停并转、破产或搬迁工业企业场地进行环境调查和风险评估，加强环境管理，防止危害人体健康尤为重要。
目前，国外许多国家对工业企业废弃场地进行再利用前都进行相应的评价，其评价涉及污染场地再利用目的、土壤理化性质等[1-3]，国内也有不少关于污染场地调查及风险评估的研究[4-7]。我国环保部于2014年2月发布了关于污染场地调查、监测、风险评估及土壤修复等相关技术导则[8-11]，明确了我国在污染场地调查与评估上的技术细则，为污染场地的调查评估工作提供了强有力的理论支撑。
鉴于此，本文通过对广西某废弃铅锌冶炼厂区进行调查、采样和分析，运用我国环保部新发布的人体健康风险评价法及指数评价法对该地块进行对比评估，旨在运用该方法对搬迁工业企业污染场地进行风险评估及为同行提供借鉴，并为该废弃铅锌厂区是否适宜从工业用地转变为居住用地提供理论参考。
1 材料与方法(Materials and methods)
1.1 研究区域概况
该厂原为一家以锌冶炼为主的冶炼企业，总占地面积125 hm2，生产规模为年处理矿石30万t，锌焙砂7万t金属，氧化锌5 000 t，电解锌60 000 t，3个硫酸生产系统。由于采选矿及冶炼的技术落后，其产生的废渣、尾砂仍含有大量的有毒有害元素，长期堆放对周边环境造成了一定污染。
1.2 样品采集与测定
采用系统布点法在厂区内设置77个采样点，见图1。厂区土壤样品的采集、保存和流转按照HJ 25.2-2014和HJ/T 166进行，场地废渣、建筑垃圾采集、保存和流转按照HJ/T 20、HJ/T 298进行。采集后的样品经自然风干、除杂过100目筛后待测，测定项目为Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As 6个重金属元素。土壤样品中重金属采用GB /T 22105.2-2008、GB /T 17141-1997、HJ 491-2009、GB/T 17138-1997测定，废渣和建筑垃圾中重金属采用GB/T 15555.2-1995、GB/T 15555.3-1995、GB/T 15555.6-1995测定。
图1 厂区内采样布点图Fig. 1 The sampling sites in the plant
1.3 评价方法
1.3.1 指数评价法
其中，Pi为污染物i污染指数，Ci为污染物实测值(mg·kg-1)，SI为污染物i的评价标准。单因子污染指数Pi≤1表示未受污染；1
1.3.2 人体健康风险评价法
(1)健康风险评价模型及参数
根据技术导则中的相关规定可知污染物主要通过皮肤接触、经口摄入及呼吸摄入三种暴露途径进入人体。不同污染物通过不同的摄入途径所引起的健康风险模型包括致癌物质所致的健康危害模型和非致癌物质所致的健康危害风险模型。
对于单一污染物的致癌效应，考虑人群在儿童期和成人期暴露的终生危害，经口摄入、皮肤接触及呼吸摄入土壤暴露量计算公式为：
(1)
(2)
(3)
其中：OISERca—经口摄入土壤暴露量，kg土壤·kg-1体重·d-1；DCSERca—皮肤接触途径的土壤暴露量，kg土壤·kg-1体重·d-1；PISERca—吸入土壤颗粒物的土壤暴露量，kg土壤·kg-1体重·d-1；其他相关参数及取值见技术导则。
表1 土壤综合污染指数分级标准Table 1 Classification standard of soil comprehensive pollution index
对于单一污染物的非致癌效应，由于儿童体重较轻、暴露量较高，一般根据儿童期暴露来评估污染物的非致癌效应。儿童经口摄入、皮肤接触及呼吸摄入土壤暴露量计算公式为：
(4)
(5)
(6)
其中，OISERnc—经口摄入土壤暴露量，kg土壤·kg-1体重·d-1；DCSERnc—皮肤接触的土壤暴露量，kg土壤·kg-1体重·d-1；PISERnc—吸入土壤颗粒物的土壤暴露量，kg土壤·kg-1体重·d-1；其他相关参数及取值见技术导则。
(2)毒性评估
Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As均具有慢性非致癌健康风险，而As、Cr和Cd同时具有致癌风险[13]。根据技术导则相关规定，表2列出了Cu、Zn、Cr、Cd、As五种重金属致癌效应及非致癌效应毒性参数，其中，由于铅(Pb)的相关参数在导则中未录入，文中略去对其的人体健康风险评价。致癌效应参数包括呼吸吸入致癌斜率因子(SFi)、经口摄入致癌斜率因子(SFo)、皮肤接触致癌斜率因子(SFd)；非致癌效应参数包括呼吸吸入参考剂量(RfDi)、经口摄入参考剂量(RfDo)和皮肤接触参考剂量(RfDd)。
注：NA表示信息缺失。
(3)风险表征
土壤中单一污染物致癌风险：
CRois=OISERca×Csur×SFo
(7)
CRdcs=DCSERca×Csur×SFd
(8)
CRpis=PISERca×Csur×SFi
(9)
CRn=CRois×CRdoc×CRpis
(10)
其中，CRois—经口摄入土壤途径的致癌风险，无量纲；CRdcs—皮肤接触土壤途径的致癌风险，无量纲；CRpis—吸入土壤颗粒物途径的致癌风险，无量纲；CRn—土壤中单一污染物(第n种)经所有暴露途径的总致癌风险，无量纲；Csur—表层土壤中污染物浓度，mg·kg-1。
土壤中单一污染物危害商：
(11)
(12)
(13)
HIn=HQois+HQdoc+HQpis
(14)
其中，HQois—经口摄入土壤途径的危害商，无量纲；HQdoc—皮肤接触土壤途径的危害商，无量纲；HQpis—吸入土壤颗粒物途径的危害商，无量纲；SAF—暴露于土壤的参考剂量分配系数，无量纲；HIn—土壤中单一污染物(第n种)经所有暴露途径的危害指数，无量纲。Csur—表层土壤中污染物浓度，mg·kg-1。
单一污染物可接受致癌风险为1.00E-06，可接受危害商为1。
2 结果与分析(Results)
2.1 厂区重金属特征值描述
厂区重金属平均含量见表3。从表3可知，厂区Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As6种重金属在土壤、废渣和建筑垃圾中均有一定的积累。与国家展览会用地土壤环境质量评价标准B级标准(HJ350-2007)[14]相比，土壤中Zn、Cd、As超标；废渣中除Cr不超标，Cu、Pb、Zn、Cd、As均超标；建筑垃圾中Zn和Cd超标。6种重金属中以废渣中Pb、Zn、Cd、As积累最为严重，积累平均值分别为3 097.30、20 832.10、317.80、1 704.40 (mg·kg-1)，分别为土壤8.62、4.58、2.78、14.17倍，为建筑垃圾18.33、4.28、1.29、27.67倍。从表3的变异系数分析，变异系数总体趋势土壤>废渣>建筑垃圾，这可能由于产业结构等原因，土壤污染源较多，造成土壤变异系数大；由于工艺流程等原因，废渣成分存在差异，变异系数也较大；由于产污环节，建筑垃圾受污染较均衡，变异系数最小。
2.2 厂区重金属污染指数评价
以国家展览会用地土壤环境质量评价标准B级标准为评价标准的土壤重金属污染指数见表4。评价结果显示，单因子污染指数表明废渣中Cu、Pb、Zn、Cd、As超标，其中As超标最严重，超标倍数为21.31；土壤中Zn、Cd、As超标，其中Cd超标最严重，超标倍数为5.20；建筑垃圾中Zn、Cd超标，超标倍数分别为3.25、11.16倍。综合污染指数表明废渣和建筑垃圾受到重度污染，土壤受到中度污染。单因子污染指数和综合污染指数表明场地污染程度废渣>>建筑垃圾>土壤，Cd>As>Zn>Pb>Cu>Cr。土壤和废渣综合污染指数变异系数较大，说明二者受污染程度分布不均。
2.3 厂区重金属污染人体健康风险评价
运用表2中污染物的毒性参数及表3的数据结果，结合公式(1)～(14)及技术导则中相关参数，计算出厂区土壤、废渣和建筑垃圾中Cu、Zn、Cr、Cd、As 5种重金属元素可能引起敏感人群的危害风险，计算结果见表5。表中数据显示，污染场地中土壤、废渣和建筑垃圾的危害商分别为2.032、13.891、2.975，非致癌危害废渣>>建筑垃圾>土壤；污染场地中Cu、Zn、Cr、Cd、As的危害商分别为0.053、0.118、0.184、7.001、11.542，非致癌危害As>Cd>Cr>Zn>Cu。其中，土壤中Cd的危害商为1.182，危害最大；废渣中As的危害商10.429，危害最大；建筑垃圾中Cd的危害商为2.536，危害最大。
表3 厂区土壤、废渣、建筑垃圾中6种重金属的平均含量Table 3 The average content of 6 kinds of heavy metals in soils , residues, construction wastes (mg·kg-1 )
表4 厂区土壤、废渣、建筑垃圾中6种重金属的污染指数Table 4 Pollution indexes of 6 kinds of heavy metals in soils , residues, construction wastes
致癌危害中，污染场地内土壤、废渣和建筑垃圾的致癌风险分别5.387E-04、7.954E-04、2.455E-04，致癌危害废渣>土壤>建筑垃圾；污染场地内As、Cd、Cr的致癌风险分别为5.233E-04、2.400E-05、1.032E-03，致癌危害Cr>As>Cd。其中，土壤中Cr的致癌风险为4.983E-04，致癌危害最大；废渣中As的致癌风险为4.728E-04，致癌危害最大；建筑垃圾中Cr的致癌风险为1.032E-03，致癌风险最大。综上，污染场地中人体健康危害废渣>建筑垃圾>土壤，主要危害元素为As、Cd、Cr。
3 讨论(Discussion)
目前，我国在土壤风险评价研究中，主要以土壤环境质量标准(GB 15618-1995)为评价标准，该标准适用于农田、果园、林地、自然保护区等地的土壤；而该厂区场地利用方式将规划从工业用地转为居住用地，使用土壤环境质量标准(GB 15618-1995)作为评价标准并不是很合适，本研究根据该厂土壤的利用方式、土壤功能及受体，选用与居住用地的土壤利用方式最接近的土壤环境评价标准——国家展览会用地土壤环境质量评价标准(HJ 350-2007)作为评价标准。
本研究使用指数评价法和人体健康风险评价法对厂区土壤、废渣和建筑垃圾进行对比评价。指数评价法表明场地污染程度废渣>>建筑垃圾>土壤，废渣和建筑垃圾受到重度污染，土壤受到中度污染，且Cd>As>Zn>Pb>Cu>Cr。人体健康风险评价法表明非致癌危害废渣>>建筑垃圾>土壤，As>Cd>Cr>Zn>Cu；致癌危害废渣>土壤>建筑垃圾，Cr>As>Cd。两种评价方法均表明场地污染程度废渣>>建筑垃圾>土壤，但由于每个重金属的毒性参数存在差异，场地中重金属的污染程度与其造成的人体健康危害程度不一定一一对应，如指数评价法中Cr的污染程度最低，但是健康风险评价得出其为主要危害元素之一。再者，该厂区场地将规划从工业用地转变为居住用地，本研究建议对厂区内污染严重的废渣、建筑垃圾进行搬运、清理，对污染较轻的土壤进行土壤修复，可采用化学固化修复技术进行土壤修复[15]。
目前，我国对污染场地的健康风险评价及修复管理等方面的相关规定日益完善，这为污染场地调查评估工作的顺利开展提供了依据。同时，污染场地的健康风险评价及修复管理等方面的相关规定又是不完善的，如部分污染物的毒性参数缺失或不齐全，例如技术导则中关于铅(Pb)的毒性参数缺失，ABSd(皮肤吸收效率因子)参数不齐全等，参数的不完善直接影响到健康风险评价的质量和可靠性，对于缺失或不齐全的相关信息应该补齐；此外，风险控制值直接关系到污染场地的修复与管理，不同利用方式的土地风险控制值应该是不一样的，因此，技术导则中风险控制值的计算公式是否应作区分和细化，或者，针对不同利用方式的土地风险控制值是否应作统一规定并给出，以完善污染场地修复和管理的规范性。
表5 厂区Cu、Zn、Cr、Cd、As 对人体的危害风险Table 5 The risk of Cu, Zn, Cr, Cd, As on the human body
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