广州市某垃圾填埋场环境地球化学评价及健康风险评估
2021-09-12王钊郭宇郑小战周心经石晓龙
王钊 郭宇 郑小战 周心经 石晓龙
摘 要：为研究垃圾场区域重金属积累对周边土壤的污染及人体健康影响，以广州市某垃圾场为例，采用单因子评价及健康风险模型方法进行评估。测得了其中41个采样点As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的丰度;讨论了重金属含量与成土母质相关性、重金属间元素聚类分析组合特征，并统计了风险筛选点和管制点;进而圈定了地球化学异常;进行了重金属污染环境评价和人体健康的风险评估，分别评价了单元素及重金属整体对成年男性、女性和儿童的致癌风险、非致癌风险。结果表明，土壤清洁率达到87.8%，存在5个As元素1个Pb元素污染管制点，初步判断重金属来源于成土母质和外来输入。健康风险评估表明，土壤重金属对三类人群都存在明显的致癌风险，对儿童存在明显的潜在非致癌风险，风险主要来自As、Cr。
关键词：重金属;地质背景;环境质量;健康评价
中图分类号：P66;X81
文献标志码：A
随着工农业发展，土地质量问题日益敏感。目前土地质量相关评价研究主要集中在养分质量评价[1-2]和环境质量评价方面[3-5]，相比较而言，污染元素的破坏作用要比有益元素的提升作用影响更大。环境中重金属元素如As、Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni和有机污染物对土地和人类健康造成了严重危害。
城市里的大型垃圾填埋场，由于长年累月的堆放和淋滤，对周边土壤产生了一定的风险隐患，由此将可能带来一系列的城市土壤重金属污染问题[6-7]。在其周边一定影响范围内进行调查取样，以此来评估城市点源风险场地周边土壤重金属的潜在生态风险。研究其土壤地球化学及地质环境具有典型意义。
1 土壤地球化学特征
选取广州市某垃圾填埋场作为研究对象。其工作区面积约16 km2，是广州市属的大型垃圾场，现为垃圾焚烧厂。该厂位于广州市白云区龙归镇永兴乡李坑村附近的山谷，距离市中心25 km。该场1992年投入使用，已于2004年4月进行了封场，已完成封场和生态恢复建设，其运行期间累计垃圾填埋总量约为750万吨，目前垃圾堆体仍有较多渗滤液产生，对渗滤液采用了生化前处理+深度处理的工艺流程[8]。区内地貌单元为丘陵和冲积盆地。地质基底为元古代老变质岩、侵入花岗岩及石炭纪地层三者结合部位，当花岗岩岩浆侵入石炭纪地层中时，其顶盖受热膨胀，而后冷却收缩，张性裂隙十分发育，兼之位于广从断裂带上，多期次构造-岩浆活动形成大量断裂、节理裂隙，为污染物的迁移提供了通道。表层地质条件为第四纪冲积平原砂泥质沉积，局部分布碎屑岩（图1）。
1.1 地球化学统计特征
本次在垃圾填埋场及周边附近共采集了41件表层土壤样品（图2），统计参数见表1。与广州市土壤背景值相比，该垃圾场土壤重金属元素平均含量中As、Cd、Pb均高于广州市土壤重金属背景值，As富集系数最高，达到1.89，为强富集[9]。 Zn、Cr接近广州市土壤重金属背景值，而Cu、Hg、Ni均低于广州市土壤重金属背景值，Hg和Cu元素为弱贫乏。通过对垃圾填埋场区域重金属元素地球化学特征分析发现，所有重金属元素的变异程度不高，其中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Zn元素的变异系数介于0.5～1之间，为强度变异，分布极不均匀;Cu、Ni元素的变异系数介于0.2～0.5之间，为中等程度变异，分布较均匀。
由于地表环境受人为、自然等多种因素影响，不同母质的表层土壤元素含量分布特征既有一定规律，又复杂多变。總体上不同岩石类型风化物发育的土壤，其地球化学组份保留了部分原成土母质特有元素（最高值或最低值）的含量特征。填埋场范围内土壤类型单一，而成土母质主要有第四纪松散沉积物（Q）、花岗岩风化物（J2γη）、砂页岩风化物、变质岩风化物四大类成土母质。在四大母质单元中，第四纪松散沉积物分布区多为人类生产、生活活动影响较大区域，后3种单元多位于丘陵区，表层土壤不发育，为浅覆盖区，大部分地区受人类生产活动影响较小。
通过表1浓集克拉克值（C）可以看出，相对广州市土壤背景值，Cd、As、Pb、Cr相对富集，Hg、Cu、Ni、Zn相对贫化。而土壤元素的富集与贫化是一个相对的概念，利用不同地质背景成土母质土壤元素含量背景值与表1整体背景值的比值来体现[10]（表2）。对比分析发现，第四纪松散沉积物的土壤以高Cd为特点，砂页岩风化物和变质岩风化物以高As为特点，花岗岩风化物以重金属匮乏为特点。
第四纪松散沉积物母质土壤与研究区整体和其它成土母质土壤相比，Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Cd7种元素含量普遍较高。尤其是Cd元素的含量大部分在全区土壤中值的1.4倍以上，表明第四纪松散沉积物分布区Cd元素呈高背景分布。第四纪松散沉积物大部分元素的含量均值与整体平均值相当，其他三种成土母质除个别元素之外，则全部低于整体平均值。结合不同地质背景土壤地球化学特征分析，第四纪松散沉积物大部分重金属元素含量高于其他类型，主要是人类活动的影响程度较大。
1.2 元素组合特征
垃圾填埋场土壤元素R型聚类分析见下表3与图3，根据元素相关性，可将8个重金属分成二组：第一组是Cu、Pb、Cr、Ni、As;第二组Cd、Zn、Hg。
2 地球化学空间分布特征
2.1 元素异常分布特征
按《地球化学普查规范（1∶50 000）》（DZ/T 0011—2015）[11]要求，采用累积频率的分级方法对单元素圈定异常，垃圾填埋场元素异常分布特征见图4，元素As、Cr、Cu、Ni、Zn等异常高含量区位于工区的东部，而低值区位于工区的中部及北部地区，Cd高异常区位于工区西部，Hg、Pb高异常区位于工区的西南部，As与Pb主要分布于填埋场及附近区。按元素异常强度进行分类，As、Cd、Pb强度高，出现三级异常;Ni强度中等，出现二级异常;Cr、Cu、Hg、Zn强度低，只有一级异常。
2.2 土壤重金属污染评价
GB36600明确了6种重金属元素的污染风险筛选值和风险管制值[12]（表4），土壤环境质量参考第二类用地风险筛选值和风险管制值，对比检测结果发现As元素污染最严重，有5个点超过风险筛选值，其中四个点超过风险管制值;Pb元素一个点超过风险管制值。以上超过管制值的应采取修复措施或风险管控。
另外，采用单项污染指数法进行土壤环境质量重金属单元素污染评价，在单指标土壤环境质量划分基础上，每个评价单元的土壤环境质量等同于单指标划分出的环境等级最差的等级[12-13]。
单项污染指数法公式为，
Pi=Ci/Si（1）
式中：Pi为污染指数;Ci为污染物实测值;Si为污染物评价标准，为风险筛选值（表4）。i代表某种污染物。具体分级评价指标为：若Pi≤1，一等（清洁）;1
垃圾填埋场风险区的环境质量综合等级分析统计结果表明，样点整体超标率高达12.2%，其中二等（轻微污染）样点占比为2.44%，三等（轻度污染）样点占比2.44%，五等（重度污染）样点占比为7.32%。6种重金属元素中As元素超标最为严重，超标率达12.2%;其次為Pb，有一个点超标;Cd、Cu、Ni、Hg元素的均为清洁土壤，没有污染（表5）。
综合评级另一个常用方法为内梅罗指数法[14]，其计算公式为，
P综合=（P）2+P2max 2（2）
式中：P与Pmax分别为八种重金属元素单项污染指数P的均值和最大值。P综合可划分为五个等级，即P综合值在0～0.7间为安全，0.7～1之间为警告，1～2之间为轻度污染，2～3之间为中度污染，3以上为重污染[15]。通过计算得知，有35个点等级为安全，4个点等级为警告，2个点位轻度污染，与综合环境质量评价基本一致。
垃圾填埋场风险区所有样点中，在区域分布上，垃圾场重金属污染主要位于垃圾场附近，垃圾场下游有污染物比例较高，如垃圾场东门侧。有As元素有3个样点、Pb元素有一个样点为五等（重度污染），甚至已超过建设用地As、Pb重金属元素风险管控值，且集中分布在垃圾填埋场北面草地上，需要引起高度重视，建议及时在样点附近区域开展异常查证工作，圈定其超标范围，查明污染成因，有必要及时采取有力措施，严控As、Pb污染的扩展和转移的同时，采取合适的物理、化学或生物技术进行As、Pb元素的污染修复。
2.3 重金属元素异常来源分析
依据评价结果重金属异常来源进行分析，究其成因，可能有以下几种因素：
1）土壤As元素超标可能与成土母质有关。通过采样点与成土母质图层的叠加统计分析发现，垃圾填埋场所有超标样点的成土母质全部都在变质岩风化物成土母质类型当中，As元素在该类型的成土母质基准值和背景值相对于其他公园所属的第四纪松散沉积物类型的成土母质要高很多。
2）垃圾填埋场北面草地上超过风险管控值的4个样点不排除受到外来输入型污染的影响，如建筑垃圾等影响造成。
3）垃圾场东门外污染物比例高可能与垃圾场外农业生产有关，如农药或施肥残留垃圾等。
3 健康风险评估
3.1 健康风险评价模型
仅利用环境指标计算所得的综合污染指数值标准太过单一，这种方法的评价结果难以客观反映土壤重金属对城市环境和城区居民中不同年龄、不同人群的影响大小。
为避免人为标准对评价结果的影响，本项目利用各采样点重金属含量结果，采用美国环境保护署推荐的剂量-反应模型（蒙特卡洛方法）[16]进行人体健康风险评价，健康风险评价是通过模型和数学方法定量判断人体化学暴露后发生致癌和非致癌风险的概率。根据暴露人群身体结构和行为习惯的差异，将暴露群体分为成年男性、女性和儿童;重金属暴露途径主要考虑手-口摄入（非食物途径）、皮肤接触和呼吸吸入3种途径，模型方程如下：
3.2 重金属污染健康风险评价
通过计算得到的土壤中不同重金属环境暴露和不同暴露途径对三种人群的潜在风险分别如表8和表9所示。
将表8和表9所列结果与US EPA推荐的临界值（非致癌风险1.0;总致癌风险最大可接受值1×10-4;单个元素致癌风险可接受范围1×10-6～1×10-4）[23-24]进行对比发现，土壤重金属对三类人群都存在明显的致癌风险，影响程度从大到小依次为儿童、成年女性、成年男性;垃圾填埋场土壤重金属致癌风险主要源于As，Cr对成人的致癌风险有一定影响，对儿童致癌风险影响则相当明显;垃圾场土壤对人体健康的致癌风险都是经手-口摄入这一途径产生。
垃圾场土壤重金属对儿童存在明显的潜在非致癌风险，风险主要来自As。其对成年人存在非致癌风险较小。垃圾场土壤对人体健康的非致癌风险都是经手-口摄入这一途径产生。
4 结论
对垃圾填埋场的各重金属元素进行环境质量地球化学评价及健康风险评估，根据其土壤环境特征描述，得到以下结论。
1）垃圾填埋场土壤元素含量平均值中As、Cd、Cr、Pb均高于广州市土壤背景值，而Cu、Zn、Hg、Ni均低于广州市土壤背景值，重金属元素的变异程度不高，第四纪松散沉积物的土壤以高Cd为特点，砂页岩风化物和变质岩风化物以高As为特点，花岗岩风化物以重金属匮乏为特点，第四纪松散沉积物的土壤元素分布特征受人类活动影响。
2）根据元素相关性，可将8个重金属分成二组：第一组是Cu、Pb、Cr、Ni、As;第二组Cd、Zn、Hg。对单元素圈定异常，As、Cd、Pb强度高，出现三级异常;Ni强度中等，出现二级异常;Cr、Cu、Hg、Zn强度低，只有一级异常。据GB36600有4个As和1个Pb数据超过风险管制值，垃圾场区域除个别点外整体受污染程度较轻。
3）单元素环境质量评价发现6种重金属元素中As元素超标最为严重，超标率达12.2%;其次为Pb，有一个点超标;Cd、Cu、Ni、Hg元素的均为清洁土壤，没有污染。整体综合评价二等（轻微污染）样点占比为2.44%，三等（轻度污染）样点占比2.44%，五等（重度污染）样点占比为7.32%。内梅罗指数评价基本一致。重金属异常来源判断As元素超标可能与成土母质有关。不排除受到外来输入型污染的影响并可能与垃圾场外农业生产有关。
4）健康风险评估表明，垃圾场土壤对人体健康的潜在风险都是经手-口摄入这一途径产生。土壤重金属对儿童存在的非致癌风险大，对成年人影响小，非致癌风险主要来自As。土壤重金属对三类人群都存在明显的致癌风险，影响程度从大到小依次为儿童、成年女性、成年男性;垃圾场土壤重金属致癌风险主要源于As、Cr对儿童存在致癌风险。
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（責任编辑：于慧梅）
Abstract：
In order to study the pollution and health effects of heavy metal accumulation in the garbage disposal area on the surrounding agricultural soil， a garbage dump in Guangzhou was taken as an example to evaluate that by single factor evaluation and health risk model. The abundances of As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb， Zn in 41 sampling sites of a landfill site were measured;The correlation between heavy metal content and soil parent material， cluster analysis and combination characteristics of heavy metal elements were discussed. Then， the geochemical anomalies were delineated， and the environmental assessment of heavy metal pollution and the risk assessment of human health were carried out， in which the carcinogenic and non carcinogenic risks of single element and heavy metals to adult men， women and children were evaluated respectively. The results show that the soil cleaning rate reached 87.8%， and there were five as elements and one Pb element pollution control point. It was preliminarily judged that the heavy metals came from soil parent material and external input.Health risk assessment show that heavy metals in soil had significant carcinogenic risk to all three groups of people， and significant potential non carcinogenic risk to children. The risk mainly came from As and Cr.
Key words：
heavy metal; geological background; environmental quality; health assessment
