太原市某垃圾填埋場(chǎng)滲濾液及周邊環(huán)境重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

白麗榮，龔航遠(yuǎn)，徐敏，楊迪，劉亮亮，李素清，李瑞金,*

1. 山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，太原 030006 2. 山西眾智檢測(cè)科技有限公司，太原 030006 3. 太原市市容環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所，太原 030024 4. 山西大學(xué)黃土高原研究所，太原 030006

生活垃圾堆放和填埋過程，會(huì)受到雨水淋溶、沖刷和地表徑流浸泡，形成滲濾液[1]。隨著電池、廢舊熒光燈管和電表等電子垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)，生活垃圾中重金屬含量增加，這導(dǎo)致垃圾中轉(zhuǎn)站和填埋場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液中含有多種重金屬，其中某些有害金屬的濃度較高[2]。如通海縣垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中Cr超標(biāo)57.3倍[3]。

填埋場(chǎng)周圍土壤重金屬污染的來源主要有：滲濾液透過填埋場(chǎng)防滲墻進(jìn)入土壤；周邊企業(yè)排放含有重金屬的有害氣體和粉塵，通過自然沉降和雨淋沉降進(jìn)入土壤；污水灌溉土壤等[4-5]。張亞會(huì)[6]的研究顯示，某垃圾填埋場(chǎng)周圍土壤中重金屬Cu、Pb和Zn的污染較重。王春銘等[7]研究發(fā)現(xiàn)，封場(chǎng)后的垃圾填埋場(chǎng)周圍植物受到重金屬Zn的毒害作用。

填埋場(chǎng)附近地下水重金屬污染的主要原因有：滲濾液組分腐蝕防滲設(shè)施、防滲體本身發(fā)生開孔、解體、破裂等現(xiàn)象，使其失去防滲作用，致使?jié)B濾液滲入地下，造成地下水污染[3]。

填埋場(chǎng)周邊地區(qū)土壤、地下水等生態(tài)環(huán)境被重金屬污染后，不僅會(huì)引起生態(tài)環(huán)境破壞等問題，還會(huì)通過飲水或食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康[8-9]。

環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將人體健康與環(huán)境污染相聯(lián)系，利用涵蓋因子對(duì)不利于人體健康的影響進(jìn)行估算，從污染物源頭-接觸途徑-受體-風(fēng)險(xiǎn)層次上構(gòu)建評(píng)價(jià)體系[10]，評(píng)價(jià)有害因子對(duì)人體健康和安全造成不良風(fēng)險(xiǎn)的程度[11]。這種評(píng)價(jià)方法已廣泛應(yīng)用于空氣、水和土壤等污染所造成的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中。目前，我國生活垃圾填埋場(chǎng)重金屬污染物的歸趨及其對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)研究備受關(guān)注[12-14]。然而，山西省太原市填埋場(chǎng)周邊環(huán)境重金屬污染健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的報(bào)道相對(duì)缺乏。為探討太原市垃圾填埋場(chǎng)滲濾液、地下水及周圍土壤中的重金屬對(duì)人體健康造成的影響，本文以太原市近郊某生活垃圾填埋場(chǎng)為對(duì)象，測(cè)定填埋場(chǎng)垃圾滲濾液(陳年滲濾液)和中轉(zhuǎn)站滲濾液(新鮮滲濾液)中重金屬的含量，闡明2類滲濾液中重金屬濃度的差異。同時(shí)，基于對(duì)垃圾填埋場(chǎng)周圍土壤和地下水中的重金屬含量分析，利用美國環(huán)境保護(hù)局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，開展成人和兒童在不同暴露途徑下的重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，旨在為太原市重金屬污染防治及健康風(fēng)險(xiǎn)管理提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)概況

本研究中生活垃圾填埋場(chǎng)位于山西省太原市郊區(qū)，屬于溝谷型填埋場(chǎng)，走勢(shì)為南北走向，南高北低。2008年6月正式投入運(yùn)營，預(yù)計(jì)使用期限為17 a。總庫容為1 200萬m3，占地面積為49萬hm2，設(shè)計(jì)處理能力為1 500 t·d-1。目前，日處理量在3 300～3 500 t之間，平均約為3 365 t·d-1，處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 水樣采集

分別于2019年1月(冬季)、2019年7月(夏季)在太原市某垃圾填埋場(chǎng)處理廠和南堰生活垃圾壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)(中轉(zhuǎn))站采集滲濾液。在垃圾填埋場(chǎng)處理設(shè)施入水口處，采集原始滲濾液；在處理設(shè)施出水口采集凈化后水樣。用聚丙烯瓶采集填埋場(chǎng)冬季和夏季滲濾液各3瓶；為了解填埋場(chǎng)滲濾液經(jīng)過生化處理后的水質(zhì)情況，采集冬季滲濾液經(jīng)生化處理后的水樣各3瓶。同時(shí)，在垃圾中轉(zhuǎn)站分別采集冬、夏季新鮮滲濾液各3瓶。采集填埋場(chǎng)附近4個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井中的水樣于采樣瓶中。采集的樣本盡快送至山西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，低溫保存(4 ℃冰箱)，短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定。

1.2.2 土壤采集

2019年1月在填埋場(chǎng)周圍布設(shè)5個(gè)土壤采樣位點(diǎn)(圖1)。使用鐵鍬進(jìn)行干式土壤采樣，采集地表0～10 cm的表土，每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)重復(fù)土樣。標(biāo)記各土壤樣品，裝入塑料袋內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)送至山西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室低溫保存。

1.2.3 分析方法

樣本預(yù)處理時(shí)，土壤樣品冷凍干燥3 d，研磨后過200目篩子，再用硝酸溶液進(jìn)行消解，測(cè)定其重金屬總量；地下水樣品采用硝酸微波消解后測(cè)定重金屬總量[15]；填埋場(chǎng)和中轉(zhuǎn)站滲濾液樣品用直徑為110 mm的濾紙過濾掉大塊顆粒物后，低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

1.3.1 暴露模型及參數(shù)

根據(jù)土壤重金屬在環(huán)境中的遷移特征，將其對(duì)人類造成危害的途徑歸納為3種方式：經(jīng)口途徑直接攝入、經(jīng)皮膚接觸和經(jīng)呼吸吸入。地下水暴露途徑主要是飲水和皮膚滲入[11]。根據(jù)《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2014)[16]，利用美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)填埋場(chǎng)周圍居民暴露于重金屬污染環(huán)境中的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

通常人們會(huì)考慮污染的非致癌風(fēng)險(xiǎn)HI和致癌風(fēng)險(xiǎn)R。對(duì)于HI，通過以上途徑長期暴露于污染物的日均暴露量(D,mg·(kg·d)-1)，計(jì)算模型如下[17]：

土壤經(jīng)直接攝食途徑的日均暴露量(Ding-s)：

(1)

土壤經(jīng)呼吸吸入途徑的日均暴露量(Dinh-s)：

(2)

土壤經(jīng)皮膚滲入途徑的日均暴露量(Dderm-s)：

(3)

經(jīng)飲水?dāng)z入途徑的日均暴露量(Ding-w)：

(4)

經(jīng)水體皮膚滲入途徑的日均暴露量(Dderm-w)：

(5)

根據(jù)對(duì)垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)查和《國家污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)以上有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正[18](表1)。

致癌風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，把受體的總暴露量平攤至整個(gè)生命周期(包括受體的兒童期和成人期)中，相應(yīng)的長期日均暴露量可按照以下公式計(jì)算。

(6)

式(6)中選取的接觸或吸入強(qiáng)度(CR)及式(5)中皮膚滲透系數(shù)(PC)均參照李永霞等[11]的研究；LADD表示基于受體生命周期的某一暴露途徑終生日均暴露量(mg·(kg·d)-1)，CR為接觸或吸入強(qiáng)度，對(duì)于經(jīng)口直接攝入和呼吸吸入途徑，分別表示為CR=IngR和CR=InhR；對(duì)于皮膚接觸途徑而言，則有CR=SA·SL·ABS，C表示樣本中重金屬的含量(Cs/(mg·kg-1)或Cw/(mg·L-1))。

1.3.2 健康風(fēng)險(xiǎn)表征

多種暴露途徑下的非致癌風(fēng)險(xiǎn)可用受體對(duì)污染物在環(huán)境介質(zhì)中的暴露量與參考劑量的比值(危害商HQ)度量，即HQ=D/RfD。對(duì)于多種污染物以及多種暴露途徑的情況，HI表示為：

(7)

多種暴露途徑下的致癌風(fēng)險(xiǎn)可表示為致癌斜率因子和受體全生命周期的日均暴露量的乘積，即R=SF×LADD。多種污染物多種暴露途徑時(shí)，總致癌風(fēng)險(xiǎn)Rtotal表示為：

(8)

式(7)和(8)中：m為污染物的數(shù)量，n為暴露途徑的數(shù)量；RfD為參考劑量，SF為致癌斜率因子，二者取值均參照李永霞等[11]的研究。

通常認(rèn)為，當(dāng)HI<1.0時(shí)，污染物基本不會(huì)對(duì)人體的健康造成威脅，即風(fēng)險(xiǎn)可以忽略；但是當(dāng)HI>1.0時(shí)，污染物會(huì)對(duì)人體健康造成不良影響，表明存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)[11]。本文計(jì)算過程中選取的參數(shù)依據(jù)李永霞等[11]的研究，采用US EPA模型推薦數(shù)值10-4～10-6來判別重金屬的致癌風(fēng)險(xiǎn)[11]。

表1 重金屬日均暴露量計(jì)算單位及參考數(shù)值Table 1 Calculation units and reference values of daily average exposure of heavy metals

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 填埋場(chǎng)樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)定

2.2 填埋場(chǎng)樣品重金屬含量分析

2.2.1 滲濾液重金屬含量

太原市某垃圾填埋場(chǎng)滲濾液重金屬污染物的檢出情況如表3所示。由表3可知，5類樣品中共檢測(cè)出17種重金屬，其中9種含量相對(duì)較高。夏季中轉(zhuǎn)站滲濾液中Mn含量相對(duì)較高，推測(cè)生活垃圾中電池、皮革、塑料制品、涂料和油漆等成分較多。本研究還檢測(cè)到有毒重金屬如Cr、Pb、As、Cd和Hg，但其濃度低于第一類污染物最高允許排放濃度(GB8978—1996)。檢測(cè)其他重金屬元素均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限定值(GB8978—1996)，沒有二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。夏季垃圾滲濾液中Mn達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其余金屬含量達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。夏季中轉(zhuǎn)站滲濾液(新鮮滲濾液)中檢出重金屬組分比填埋場(chǎng)滲濾液(陳年滲濾液)中的少，但濃度較高；冬季中轉(zhuǎn)站中滲濾液中重金屬濃度除Cr以外其余均比填埋場(chǎng)滲濾液高。填埋場(chǎng)滲濾液通過生物凈化后，出水中的重金屬含量大幅降低，均低于第一類污染物最高允許排放濃度。冬、夏季滲濾液(填埋場(chǎng)和中轉(zhuǎn)站)重金屬種類和濃度出現(xiàn)差異的原因可能是垃圾的成分不同，或由于溫度差異引起金屬元素從垃圾中的滲出率不同。

表2 滲濾液、處理后水樣和地下水樣本的主要理化指標(biāo)Table 2 Main physical and chemical indexes in the leachate, treated-water and groundwater samples

表3 冬、夏季垃圾滲濾液中重金屬濃度Table 3 Detection concentrations of heavy metals in the leachate in winter and summer

2.2.2 土壤重金屬含量

太原市某垃圾填埋場(chǎng)周圍表層土壤中重金屬污染物的檢出情況如表4所示。

由表5可知，在5個(gè)不同的采樣點(diǎn)(圖1)，樣本中共檢測(cè)出17種重金屬，其中7種重金屬含量相對(duì)較高，其平均濃度由高到低依次為Cu>Cr>Zn>Pb>Ni>As>Hg，Cu的污染最為嚴(yán)重。與山西省土壤環(huán)境背景值相比，Cu、Pb、As和Hg均已超過其環(huán)境背景值，平均超標(biāo)倍數(shù)依次為2.64倍、1.28倍、1.83倍和1.76倍。超標(biāo)原因可能是填埋場(chǎng)附近土壤已受到大氣降塵或污水灌溉等人為污染。Cr、Ni含量平均值小于山西省土壤環(huán)境背景值。我們注意到，與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)二類用地管制值相比，7種重金屬含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)值。由表5可知，5號(hào)采樣點(diǎn)離填埋場(chǎng)距離最近，土壤重金屬濃度相對(duì)其他4個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值較高。1號(hào)和4號(hào)距離填埋場(chǎng)的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，土壤重金屬含量相對(duì)較低。研究表明，土壤重金屬含量會(huì)隨著與城市垃圾填埋場(chǎng)距離的增加而逐漸降低，且與填埋場(chǎng)的距離呈負(fù)相關(guān)[20-21]。因此推測(cè)垃圾填埋場(chǎng)可能是造成周圍土壤重金屬污染的原因之一。

表4 填埋場(chǎng)周圍表層土壤中重金屬濃度Table 4 Concentrations of heavy metals in surface soil around the landfill

表5 填埋場(chǎng)附近地下水重金屬濃度Table 5 Concentrations of heavy metals in groundwater around the landfill

2.2.3 地下水重金屬含量

太原市某垃圾填埋場(chǎng)地下水中重金屬污染物的檢出情況如表5所示。由表5可知，5個(gè)樣品中，Cu、Cr、Zn、Ni和Pb可檢出。土壤中可檢出的有毒重金屬As、Hg和Cd在地下水中均未檢出，其原因可能是地下水與土壤中重金屬的分布不同。這也提示該填埋場(chǎng)滲濾液中的有害金屬?zèng)]有進(jìn)入地下水。此外，研究表明，土壤中As的遷移能力較弱，一般情況下，降雨難以將其從土壤中解析出來[22-23]，下滲到地下水中。地下水樣品中重金屬的檢出平均濃度由高到低依次為Zn>Ni>Cu>Cr>Pb。所檢測(cè)出的重金屬濃度(除Ni外)與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)相比均未超標(biāo)，對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)較低。

2.3 填埋場(chǎng)重金屬污染健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.3.1 重金屬污染非致癌風(fēng)險(xiǎn)

本研究中填埋場(chǎng)重金屬在多種暴露途徑下的非致癌風(fēng)險(xiǎn)如表6所示。對(duì)成人而言，兒童的非致癌總風(fēng)險(xiǎn)HI值(0.927)比成人(0.541)高，這可能與兒童的生活習(xí)性和生理特征(通過手口攝入頻率高)有關(guān)。兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)雖未超過安全閾值(1.0)，但卻與之非常接近，存在潛在的安全隱患。對(duì)于成人和兒童，重金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn)順序均為：As>Cr>Pb>Cu>Ni>Zn>Hg，其中As、Cr的風(fēng)險(xiǎn)值要遠(yuǎn)大于其他5種重金屬。影響非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑為飲水?dāng)z入，其次為皮膚接觸和土壤攝食途徑。兒童各暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大小順序與成人一致。研究表明，重金屬對(duì)兒童的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于成人[24]，這與本研究結(jié)果一致。因此應(yīng)重視對(duì)兒童這類敏感人群的健康保護(hù)，限制兒童進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)附近并做好相關(guān)防護(hù)工作。

表6 非致癌總風(fēng)險(xiǎn)危害值(HI)Table 6 Hazard index (HI) values of non-carcinogenic total risks

2.3.2 重金屬污染致癌風(fēng)險(xiǎn)

填埋場(chǎng)重金屬在多種暴露途徑下致癌風(fēng)險(xiǎn)R值如表7所示。

對(duì)人體造成致癌影響的4種重金屬Cr、Ni、As和Pb均在樣品中檢出。重金屬污染Rtotal值為4.27×10-5，在US EPA提出的風(fēng)險(xiǎn)安全范圍10-6～10-4之間，但是卻接近國際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)推薦的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)值(5.0×10-5)[11]，因此，當(dāng)?shù)馗鞑块T應(yīng)重視垃圾填埋場(chǎng)附件環(huán)境重金屬污染的致癌風(fēng)險(xiǎn)。重金屬的致癌風(fēng)險(xiǎn)途徑主要是土壤經(jīng)皮膚滲入和呼吸吸入，其致癌風(fēng)險(xiǎn)順序?yàn)椋篈s>Cr>Pb>Ni。數(shù)據(jù)表明，As的風(fēng)險(xiǎn)值要明顯高于其他重金屬。故可將As作為太原地區(qū)重金屬污染和健康風(fēng)險(xiǎn)管理的重點(diǎn)對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn)，城市近郊生活垃圾堆場(chǎng)產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)的重金屬主要是As[15]，這與本研究結(jié)果一致。但其暴露途徑以土壤攝食為主。As的致癌風(fēng)險(xiǎn)存在于各類人群，其中經(jīng)口攝入和皮膚接觸土壤的貢獻(xiàn)顯著[25-26]，且As高致癌風(fēng)險(xiǎn)可能來源于燃煤釋放[27]。

表7 致癌風(fēng)險(xiǎn)R值Table 7 R values of carcinogenic risks

考慮到評(píng)價(jià)方法和模型不同，健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效應(yīng)略有差異。故建議可采用其他的評(píng)價(jià)模型，就垃圾填埋場(chǎng)對(duì)周圍人群的健康風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行全面和深入評(píng)估。垃圾填埋場(chǎng)周圍環(huán)境中重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康的影響，還需要進(jìn)一步研究。

綜上所述，本研究表明：

(1)太原市某垃圾填埋場(chǎng)夏季滲濾液重金屬污染順序?yàn)镕e>Mn>Cr>Pb>As，冬季為Fe>Zn>Mn>Cr>As>Pb。夏季中轉(zhuǎn)站滲濾液中重金屬污染順序?yàn)镕e>Mn>Hg，冬季為Fe>Zn>Mn>Cr>P>Cu>As>Cd>Hg。填埋場(chǎng)滲濾液凈化后重金屬濃度均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)填埋場(chǎng)環(huán)境重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑為經(jīng)飲水?dāng)z入，其污染不會(huì)對(duì)周圍居民造成非致癌風(fēng)險(xiǎn)(HI<安全閾值1.0)。As、Cr的非致癌風(fēng)險(xiǎn)較其他金屬高。兒童HI值(0.927)接近安全閾值，提示重金屬對(duì)兒童健康有潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(3)填埋場(chǎng)環(huán)境重金屬污染不會(huì)對(duì)成人與兒童造成致癌影響。Cr、Ni、As和Pb的Rtotal值為4.27×10-5接近ICRP推薦的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)值(5.0×10-5)，其潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起重視。