某染料厂污染场地重金属含量分析及健康风险评价

韩 煦，施维林

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

“污染场地”指的是由于生产、储存及处理有害物质，堆放有毒有害废弃物或从事采矿、冶炼等活动而形成的含有较高浓度有害物质的场地，对当地生态环境和居民的身体健康均有巨大潜在风险[1]。如铅进入人体后，不能靠人体主动代谢排出，且会随着年龄增长在人体内累积，对人体器官和神经系统造成严重损害[2]。国外对土壤重金属污染评价研究起步较早，20世纪60年代，日本出现因食品汞和镉超标而引起的居民水俣病、痛痛病事件[3]，自此诸多国家开始关注重金属的环境污染状况以及对人体的健康风险，关于重金属污染评价的方法也日趋完善。美国控制论专家L.A.Zadeh于1965年提出模糊数学评价法[4]；德国学者Muller于1969年提出了地积累指数法用于评估相对于地质背景值的重金属污染程度[5]；瑞典学者Hakanson于1980年提出了针对水系沉积物的潜在生态风险评估方法[6]；斯洛伐克学者Rapant于2003年建立了关于生态风险的预警评价方法[7]，并使用地统计学软件以表征重金属的空间分布特征。

文中研究将采用地质累积指数法[8]，结合我国《建设用地土壤污染风险评估技术导则》（HJ25.3—2019）中的污染场地健康风险模型进行人体健康风险评估，探讨本场地土壤污染程度，确保后续土地利用的安全性，研究结果可为环境决策者提供参考依据。

1 场地概况与方法

1.1 研究区域概况

选取苏州市某染料厂的搬迁遗留污染场地为研究对象，该厂区占地面积约为59 200 m2，生产周期长达40多年，场地现为荒地，场地内有大量堆土，低洼处长满芦苇，起伏较大，通视条件差。图1为2003年与2020年场地卫星影像图（Bigemap卫星历史影像图最早只能追溯到2003年）。

图1 2003年与2020年场地卫星影像图

1.2 采样点布设

经过无人机航拍、现场踏勘、人员访谈等多种形式进行初步踏勘和现有资料分析。该遗留场地由于生产周期长，部分设备线路老化，且生产过程中使用大量有机溶剂。此次调查的区域主要集中在原厂区的生产区、闲置区、污水处理区等3大功能区，其中生产区和污水处理区受到污染风险最大，是此次调查的重点关注区域。此次土壤采样点共布设15个，各采样点深度根据地质情况有所不同，共采集78个土壤样本。具体采样点信息汇总见表1，示意图如图2所示。

表1 土壤采样点信息汇总表

图2 采样点布设图

2 结果与讨论

2.1 场地土壤重金属含量描述

该研究区域土壤中常见8种重金属元素含量统计分析结果见表2和图3。科学选择筛选值是保障污染场地修复管理的有效措施[9]，该污染场地规划为居住用地，参照《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600—2018）中“第一类用地”的筛选值，由表2可知，该场地土壤中铬和砷的含量平均范围分别为41.48～325.30、0.20～41.66 mg·kg-1，故Cr、As均在一定程度上超过该筛选值，Cr的超标率为100%、As的超标率为11.5%；Cd、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg的含量均低于筛选值，表明该场地土壤主要受到Cr、As这两种重金属的污染。

图3 研究区土壤8种重金属浓度箱型图

表2 土壤重金属含量统计表

变异系数（CV）反映重金属含量的离散程度的指标，同时也能表示人为活动对重金属含量影响的大小，其值越大，表明受人为活动影响越强烈[10]。CV的分类可分为弱变异性（CV＜10%），中等变异（10%＜CV＜100%），高度变异（CV＞100%）[11]。从研究区整体情况分析，各种重金属变异系数大小排序为CVHg（110.79%）＞100%＞CVCr（69.58%）＞CVAs（60.57%）＞CVCd（60.32%）＞CVCu（57.16%）＞CVPb（48.18%）＞CVZn（35.67%）＞CVNi（29.94%）＞10%，除了汞元素的变异系数超过100%，属于高度变异，其他重金属元素均属于中等变异，表明该研究地块土壤受到染料厂工业作业影响较大。

分析图3可以直观看出，在土层深度1.5 m处，铅、锌和汞元素含量变化情况均较为明显；在土层深度3.0 m处，镉、铅、锌和汞元素含量变化情况均较为明显，其中铅和汞的最大值与最小值相差较大；在土层深度6.0 m处，重金属铬含量变化最大；在土层深度9.0 m处，镍、锌和砷含量变化情况均较为明显。综合分析8种重金属在不同深度的含量变化，除铬和砷在6 m处含量增加，其他6种土壤重金属污染物在整体上均呈现随着土壤深度的增加，重金属含量逐渐较小的趋势，在6 m和9 m处，土壤中重金属含量浓度较低，并且已基本趋于稳定。

2.2 地质累积指数法评价结果

地质累积指数法（Igeo）是由德国科学家Muller提出的一种评价沉积重金属污染的方法[13]，已广泛应用于评价场地土壤中重金属污染程度[14]。重金属污染程度可评为7级，分级评价标准[8]见表3。计算方法如下

表3 地质累积指数评价土壤质量分级标准

其中，Cn为样品中元素n的浓度，Bn为所测元素的地球化学背景值，1.5为修正系数[15]，用于校正各地岩石差异可能引起的背景值差异，Igeo为地质累积指数。

地质累积指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响。各层土壤重金属地质累积指数评价结果见表4和箱型图4，可以得出，在土层深度0～3 m处，镉、铜、铅和锌均处于未污染至中度污染水平；而铬和砷的平均Igeo＜0，为未污染；汞平均Igeo的SD值最大为2.05，处于中度至重度污染水平。在土层深度3～6 m处，仅铬的平均Igeo＞0，处于未污染到中度污染水平，其他7种重金属的平均Igeo均小于0，处于未污染状态。在土层深度6～9 m处，8种重金属的平均Igeo＜0，未污染。可知，表层土壤易受到人为扰动的影响，8种重金属的污染程度强弱排序为：Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Zn＞As＞Ni＞Cr，其中汞受到的人为影响最大，场地中镉、铬、铜、铅和锌含量也受到一定的人为作用。且受污染土壤主要分布在蒽醌车间及红车间，可能是生产车间环氧地坪破裂导致重金属下渗，造成表层土壤污染。

图4 研究区土壤8种重金属地质累积指数箱型图

表4 土壤8种重金属地质累积指数分层评价表

2.3 研究区土壤重金属健康风险评价

对污染场地进行健康风险评价，包括危害识别、暴露评估、毒性评估和风险表征这四部分，将8种重金属含量与筛选值比对，识别出Cr和As这两种超标重金属。由于该污染场地规划为居住用地，确定敏感受体为儿童和成人，文中选取经口摄入土壤途径、皮肤接触土壤途径和吸入土壤颗粒物途径这3种暴露途径进行研究。

2.3.1 毒性评估

毒性评估主要是对关注污染物的致癌效应和非致癌效应进行表征[16]，铬及其化合物可以通过多种渠道进入人体[17]，长期或超量接触会损害肾脏、肝脏系统，甚至有致死风险[18]。砷是砒霜的组分之一，具有剧毒，会造成人体快速死亡[19]，过量摄入会引发各种癌症[20]。铬和砷的毒性参数名称、参数取值以及计算值见表5。

表5 重金属铬和砷的毒性参数意义与取值

2.3.2 风险表征

文中选取致癌物质的可接受水平阈为10-6以下，非致癌物质的可接受阈为小于1。重金属铬和砷三种途径的致癌、非致癌风险值见表6。

表6 土壤超标重金属铬和砷三种暴露途径下的致癌、非致癌风险值

由表6可知，重金属铬在所有采样点致癌风险值均大于10-6，可知该地块铬污染较为严重。而计算所得铬的非致癌风险值仅在CS-S2（研究化验室）大于1，超过阈值，而其他采样点非致癌风险值均在可接受水平内，可知研究区敏感受体主要受到重金属铬对其产生的致癌风险的影响。造成该研究区域土壤中铬含量过高的原因可能是还原红染料在生产过程中产生的含铬废酸直接泄露在土壤中[21]，造成土壤中铬元素含量超标。同时，由表6可知，砷的总致癌风险值全部超过10-6，分析不同暴露途径下的致癌风险值、呼吸吸入途径，CS-S2、CS-S13和CS-S14的致癌风险值小于10-6，即重金属砷在偶氮车间、仓库和蒽醌-兰车间对敏感受体造成的致癌风险较小。而砷在CS-S1、CS-S6、CS-S7、CS-S8、CS-S9、CS-S10、CS-S12和CS-S15的总非致癌风险值均大于1，即在闲置区、冷作车间、蒽醌-兰车间、兰车间、红车间、污水处理站、研究化验室均存在非致癌风险。仅在经口摄入途径下，砷在闲置区和蒽醌-兰车间的非致癌风险值大于1，其余值均在可接受水平内，砷对人体健康造成非致癌风险主要是通过经口摄入途径。闲置区砷元素的来源主要是该区域被附近居民开发成菜地，农药灌溉导致场地中砷含量超标[22]，原蒽醌-兰车间区域土壤中砷含量超标是由于生产区域管理不善导致含砷染料下渗污染土壤。

2.3.3 风险管控值的计算

风险管控值的计算参照我国《建设用地土壤污染风险评估技术导则》（HJ25.3—2019）中的要求，计算公式如下

具体参数意义、取值以及铬和砷两种重金属在三种暴露途径的致癌风险和非致癌风险的土壤风险控制值计算结果见表7和表8。综合分析，计算出该污染场地铬基于致癌风险的风险控制值为3.01 mg·kg-1，基于非致癌风险的风险控制值为114.66 mg·kg-1；砷基于致癌风险的风险控制值为0.45 mg·kg-1，基于非致癌风险的风险控制值为11.62 mg·kg-1。选取铬的土壤风险控制值为3.01 mg·kg-1，与铬污染场地铬浓度比对，可知大部分在4.5～6.5 m处的土壤采样点浓度均超标，需要对这一层土壤进行修复；选取砷的土壤风险控制值为11.62 mg·kg-1，可知仅在CS-S1闲置区存在砷污染，需要对闲置区土壤制定修复方案。

表7 基于致癌风险的土壤风险控制值

表8 基于非致癌风险的土壤风险控制值

3 结语

将污染场地中8种重金属的变异系数进行分析，平均变异系数大小排序为CV汞＞100%＞CV镉＞CV砷＞CV铬＞CV铜＞CV铅＞CV锌＞CV镍＞10%，除了汞元素的变异系数超过100%，属于高度变异，其他重金属元素均属于中等变异，表明该土壤受到染料厂工业作业的影响。除铬和砷在6 m处含量增加，其他6种重金属整体上均呈现随着土壤深度的增加，浓度逐渐较小，在6 m和9 m处，土壤中重金属含量较低，已趋于稳定。

用地质累积指数法对8种重金属污染情况进行评定，可知，表层土壤易受到人为扰动的影响，8种重金属的污染程度强弱排序为：Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Zn＞As＞Ni＞Cr，其中汞受到的人为影响最大。污染土壤主要分布在蒽醌车间和红车间，可能是生产车间环氧地坪破裂导致重金属下渗，造成表层土壤污染。

对超标重金属铬和砷进行健康风险评价，重金属铬所有采样点致癌风险值均大于10-6，可知该地块铬污染较为严重。而计算所得铬的非致癌风险值仅在研究化验室超过可接受阈，可知敏感受体主要受到重金属铬对其产生的致癌风险的影响。重金属砷的总致癌风险值也全部超过可接受阈10-6，重金属砷在闲置区、冷作车间、蒽醌-兰车间、兰车间、红车间、污水处理站和研究化验室的非致癌风险值均大于1，重金属砷对人体健康造成非致癌风险主要是通过经口摄入途径。可知该场地土壤受到铬和砷的污染较为严重。

将土壤中铬和砷的含量与计算出的土壤风险控制值比对，可知重金属铬在4.5～6.5 m处的大部分土壤采样点浓度均超标，需要对这一层土壤进行后续修复工作，而重金属砷仅在闲置区土壤中存在砷污染，需要对闲置区土壤制定修复方案。希望研究结果能作为制定类似污染场地整治标准的参考，为日后土壤修复、再开发利用提供科学依据，确保土地应用的安全性。