危險廢物填埋處置的地下水環境健康風險評價

季文佳,楊子良,王 琪,黃澤春,馬春燕,黃啟飛 (中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京100012)

危險廢物種類繁多、性質復雜,而特性、種類不同決定了其對人體健康造成的風險并不相同,若對危害性差異較大的危險廢物采用相同的管理方式,不科學也勢必增加管理成本.何艷峰等[1]認為,在保證環境風險可接受的前提下,可以將一部分產生量小、分散、危害性低的危險廢物進行豁免管理.危險廢物豁免后根據其特性(pH值和浸出毒性)將主要作為一般工業固體廢物進行管理,其進入一般工業固體廢物填埋場后對地下水環境產生的健康風險值得關注.

目前我國地下水環境的健康風險評價主要基于水質指標監測,并應用美國環境保護署推薦使用的健康風險評價模型展開,該方法不僅監測工作量大而且不能完整的反映某一特定點處(如取水井)污染物濃度隨時間的變化.地下水水質預測模型則能解決此問題[2].國外較為通用的有MODFLOW和MT3D[2-6].MODFLOW和MT3D模型可用有限差分法精確模擬含水層中溶質的三維運移,但卻不能很好的模擬包氣帶中溶質的遷移轉化情況[3,6].填埋場中污染組分浸出通過包氣帶運移至含水層所造成的污染可視為點源定通量連續注入,EPACMTP模型[7-8](滲濾液遷移轉化復合模型,US EPA開發)可用于處理該類型污染對地下水的影響,它由包氣帶和含水層2個子模型組成,美國3MRA模型即以該模型為子模塊進行填埋場中地下水質量預測.此外,US EPA推薦使用的健康風險評價模型[9]也較為成熟,且評價結果準確,被國內學者廣泛使用[10-11].

本研究綜合EPACMTP模型和健康風險評價模型,探究填埋場地下水環境健康風險的評價方法,并以電鍍污泥為例,計算了其進入一般工業固體廢物填埋場中處置的地下水環境健康風險,并以危險廢物填埋場處置為對比,探討其進入一般工業固體廢物填埋場處置的可行性,為其豁免管理提供科學依據.

1 風險評價方法建立

通過EPACMTP模型,可以得到目標敏感點處地下水中污染組分在模擬的人體持續暴露時間內的最大濃度值,進而由健康風險評價模型計算出該濃度的污染組分對人體的健康風險.

1.1 EPACMTP模型

1.1.1 包氣帶模型 考慮污染物在包氣帶土壤中的降解規律和吸附解析規律(適用于有機和無機污染物),可得到污染物質的遷移平衡方程為:

式中:對固體廢物來說Ci為由包氣帶進入到含水層中的污染組分i的濃度(對液體廢物,令廢物中的污染物按總量全部浸出),mg/L;t為模擬的滲濾持續時間, d; Z為包氣帶厚度, m; R為滯后因子;D為動力彌散系數; u為孔隙水流速, m/d; Ki為污染組分i的一階降解系數.

假設t0為填埋場使用年限,則式(1)的解析解為[12]:

式(2)～(3)中:C0i為填埋場滲濾液中污染組分i的初始濃度, mg/L,可由式(6)～(7)計算得出.

式中:CTi為目標廢物中污染組分i的硫酸硝酸浸出毒性[13],mg/L;m為目標廢物的年產生量, kg;L為填埋場中滲濾液的年產生量[14],m3;P為填埋場所在地的年平均降雨量,mm;E為填埋場所在地的年平均蒸發量,mm;S為填埋場的表面積,m2;M為填埋場中垃圾的年加載量,kg;η為填埋場中垃圾的年質量損水率.

1.1.2 包氣帶模型中的參數 孔隙水流速:

式中: θ為包氣帶土壤的體積含水率(根據土壤類型可查表[15]獲取);v為達西速率[12],m/d.

動力彌散系數:

式中: αLu為縱向彌散度.滯后因子:

式(11)～(12)中: ρb為包氣帶土壤的容重(根據土壤類型可查表[15]獲取), g/cm3; foc為包氣帶土壤中有機碳的質量分數;kowi為污染組分 i的辛醇-水分配系數(可查表[16]獲取);%OM 為包氣帶土壤中有機物的質量分數(可查表[15]獲取).

1.1.3 含水層模型 填埋場中污染組分通過包氣帶進入地下水,可視為在x、y平面上無限分布的均質各向同性含水介質中有點源在含水層厚度上連續定量注入污染物.此時,污染物遷移的對流-彌散方程為:

式中: Cwi為目標敏感點處地下水中污染組分i的濃度值,mg/L; x和 y分別為縱向和橫向距離, m;Dx和Dy分別為x、y方向上的彌散系數,m2/d;ux為地下水流速,m/d;λ為一級反應常數;I為遷移問題的源匯強度; n為含水層孔隙度.通過推導可以得到均勻等速流場中點源連續注入污染物時二維對流彌散問題的解析解[17]:

式(14)中:b為含水層厚度, m; Q為滲濾液注入流量, m3/d,可由式(19)計算得出.

1.1.4 含水層模型中的參數 (1) 孔隙度

式中: ρh為含水層容重(根據土壤類型可查[15]表獲取),g/cm3.

(2) 彌散系數

式(21)～(22)中: αL和 αT分別為縱向和橫向彌散度,m,可由式(23)～(24)計算得出[18]:

式(23)中: Ls為污染組分i的運移距離.

1.2 健康風險評價模型

人體平均日攝入劑量:

式中:CR為飲用水攝入速率,成人取 2L/d(US EPA推薦數據); FE為暴露頻率, d/y;DE為持續暴露時間,a;BW為體重,美國EPA推薦使用70kg,我國宜取60kg[19];AT為平均時間(對致癌物質取人類平均壽命70a共有的天數[20];對非致癌物質取DE和FE的乘積,即將危害平均到整個暴露作用期),d.

致癌物風險評價:

式中: CSFi為污染組分 i的致癌斜率因子, mg/(kg·d).

非致癌物風險評價:

式中:RfDi為污染組分 i的非致癌參考劑量, mg/(kg·d).

可接受的健康風險 可接受的健康風險指為社會公認、為公眾可以接受的不良健康效應的風險概率[21].我國目前還沒有這方面的規定,國內學者在進行評價時大多參考美國標準.

US EPA對致癌物質可接受的風險水平數量級在 10-6～10-4范圍,小于 10-6表示風險不明顯,10-6～10-4表示有風險,大于10-4表示有較顯著的風險;非致癌物質的可接受風險指數應小于1[22].

2 風險計算

2.1 場景假設

以電鍍污泥(取自深圳市某電鍍企業)為例,測定污泥中污染組分的浸出毒性[13].結果顯示污泥中含有的Ni、Mn和Cr6+的浸出毒性(分別為76.43,226.05,0.06mg/L)超出了《生活飲用水衛生標準》[23]中的有關規定;污染物濃度未超出國家標準限值的可視為達標排放).假設電鍍污泥豁免前、后分別進入某市某危險廢物填埋場和某一般工業固體廢物填埋場,2填埋場位于該市同一區域,環境參數相同.2個填埋場所在區域的土壤類型為粉砂壤土,含水層厚度為 5m,地下水流速為0.5m/d;分別以2填埋場中心為坐標原點建立坐標系,正東向(水流方向)為x軸方向、正北向為y軸方向,位于危險廢物填埋場正東方向(1200m, 0)處和一般工業固體廢物填埋場正東方向(900m, 0)處各有一取水井,擬對這 2個敏感點處的地下水環境健康風險分別進行評價并比較.

2.2 風險評價模型中的參數獲取

致癌斜率因子CSF和非致癌參考劑量RfD這2個指標的數據來源: US EPA的IRIS(綜合風險信息系統);聯合國環境署國際潛在有毒化學品登記數據庫;中國預防科學研究院等有關衛生和環境保護部門的有毒有害物質數據庫;化學品或化學物質的物理化學手冊.若上述數據庫或手冊中沒有CSF,則可利用其他參數進行估算,如根據毒理資料或人群流行病學資料估算[22].

通過資料查閱,確定目標污染物 Ni、Mn和Cr6+在水體中對人體均只產生非致癌影響,其RfD值分別為0.02,0.14,0.003mg/(kg?d)[24-27].

3 風險分析

3.1 地下水質量

根據EPACMTP模型的原理,通過MATLAB編程計算分別得到2個敏感點(取水井)處地下水中污染組分Ni、Mn和Cr6+的最大濃度值.結果顯示(表1),在2個目標敏感點處,3種污染組分中Mn的濃度均最大,Ni次之,Cr6+的濃度最小,這與電鍍污泥中初始測得的污染組分的浸出毒性的大小分布相一致.

表1 敏感點處目標污染組分的濃度(mg/L)Table 1 Concentration values of target contaminants on sensitive points(mg/L)

3.2 人體健康風險

進行健康風險評價前作2點假設:目標敏感點處地下水中污染組分在評價期內的最大濃度值為人體的持續攝入濃度;污染組分對人體健康危害的毒性作用呈相加關系.

根據計算結果(表 2),電鍍污泥中污染組分Ni、Mn和Cr6+進入危險廢物填埋場和一般工業固體廢物填埋場中處置所引起的目標敏感點處的地下水環境健康非致癌風險分別為10.20×10-4和 0.81×10-1,2者均小于美國標準中非致癌的可接受風險水平1.00,表明風險不明顯;就該電鍍污泥填埋處置對目標敏感點處產生的地下水環境健康風險而言,其可以進入該一般工業固體廢物填埋場中處置.

表2 目標污染組分的人體健康風險Table 2 Human health risks of target contaminants

3.3 不確定性分析

此次評價未考慮電鍍污泥在進入危險廢物填埋場前經過的固化處理(浸出毒性降低),增大了其在危險廢物填埋場中的非致癌風險;此外,忽略了污染組分對人體健康危害的協同或拮抗關系.

4 結論

4.1 填埋場滲濾液進入地下水的過程可視為由無數點源定通量連續注入所造成的面源污染.

4.2 基于EPACMTP模型與健康風險評價模型所建立的評價方法,適用于評估危險廢物填埋處置對地下水環境所造成的健康風險,且需要獲取的參數少、計算簡單.

4.3 案例中電鍍污泥進入一般工業固體廢物填埋所產生的風險可接受,建立的風險評價方法能為危險廢物的管理決策提供科學的手段.

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