王宇珊， 钟昌琴， 刘成坚, 陈晓燕， 吴仕森， 陈继鑫， 杨文超， 黄道建*

(1. 生态环境部华南环境科学研究所， 广州 510655； 2. 广州开发区环境监测站， 广州 510663； 3. 阳春市环境监测站， 阳江 529600)

近年来垃圾焚烧发电已在各大、中型城市建设并广泛应用，成为我国主要的垃圾减量化处置方式. 垃圾焚烧厂向周边环境排放污染物，如重金属(Cr、As和Pb等[1])和二噁英类化合物(主要为17种剧毒化合物，统称为PCDD/Fs)，因此存在一定的环境风险，尤其是二噁英类化合物会对人体健康产生较大危害且在环境中的存在具有持久性[2]，导致公众对垃圾焚烧厂的建设表现出明显的邻避反应现象. 为明确垃圾焚烧厂带来的危害，国内外已有学者在垃圾焚烧厂周边开展了环境健康风险研究[3-5]，但国内学者对垃圾焚烧厂周边开展PCDD/Fs风险评价时，主要监测的环境介质为环境空气和土壤，较少涉及对飞灰进行风险评估. 实际上飞灰作为垃圾焚烧中二噁英的主要捕集途径，含有一半以上的二噁英[6]，因此研究飞灰PCDD/Fs健康风险对研究垃圾焚烧厂潜在健康风险具有非常重要的意义.

本文分析了珠三角某垃圾焚烧厂的厂内环境(空气和飞灰)、邻近敏感点环境(空气和土壤)中的PCDD/Fs分布情况(毒性学量以I-TEQ计)采用USEPA风险评价模型和蒙特卡洛模拟对该垃圾焚烧厂的厂内工人和敏感点周边村民(下文简称“村民”，包括儿童、青少年和成人)的健康风险进行评估，为我国垃圾焚烧厂排放PCDD/Fs对厂内工人和周边敏感点村民可能带来的健康风险提供数据支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区域

该研究中的垃圾焚烧厂位于珠三角地区某市，属南亚热带季风气候区，高温多雨湿润，多年平均气温为22.6 ℃左右，多年平均降水量为1 953 mm，全年主导风为东风，其次是东南风.

该垃圾焚烧厂一期工程于2015年7月建成投产，二期工程于2018年5月建成投产，设计焚烧炉规模分别为2×350 t/d(表示2个处理规模为350 t的焚烧炉，全文同)和1×350 t/d，年处理垃圾量分别约为2.79×105t和1.28×105t. 焚烧烟气采用“SNCR+半干式旋转喷雾吸收塔+干法脱酸+活性炭喷射系统+布袋除尘器”组合工艺.

1.2 样品采集和检测

为评估垃圾焚烧厂的厂内工人的二噁英健康风险，本研究采集了厂内环境空气和飞灰样品，飞灰样品取自垃圾焚烧厂固化飞灰存放间，包括2017年(2个样)、2018年(3个样)和2019年(1个样)共计7个样品；厂界环境空气样品采集自厂界内4个监测点(1个上风向和3个下风向)，采样时间为2017年冬季、2018年夏季和2019年夏季(每年4个样品)，共计12个样品；为评估垃圾焚烧厂邻近敏感点的二噁英健康风险，本研究选取在下风向邻近的村落(以烟囱为起点约1.5 km处)布设环境空气和土壤采样点，环境空气采样分别于2017年冬季(1个样)、2018年夏季(2个样)和2019年夏季(1个样)进行，共采集4个样品；土壤采样分别于2017年冬季(1个样)、2018年春季(1个样)和2019年春季(1个样)进行，共采集3个样品.

各环境介质采样位置见图1,其中A1～A4为厂界环境空气采样点，A5为邻近敏感点环境空气采样点，F为飞灰采样点，S为邻近敏感点土壤采样点.

图1 飞灰、环境空气和土壤采样位置图Figure 1 The sampling spots of PCDD/Fs in fly ash, air and soil

环境空气采样方法和检测方法均参照HJ 77.2—2008《环境空气和废气 二噁英类的测定 同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》. 采集的飞灰样品为经固化处理后的飞灰，采样方法参照HJ/T 20—1998《工业固体废物采样制样技术规范》中的简单随机采样法，检测方法参照HJ 77.3—2008《固体废物 二噁英类的测定 同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》；土壤样品采集方法参照HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》中的梅花点法采集表层土壤(深度为0～20 cm)，检测方法参照HJ 77.4—2008《土壤和沉积物 二噁英类的测定 同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》.

1.3 健康风险评估

对暴露在PCDD/Fs环境(空气、飞灰和土壤)的垃圾焚烧厂厂内工人(成人)和居住于垃圾焚烧厂下风向邻近敏感点的村民(成人、青少年和儿童)进行健康风险评估.

1.3.1 USEPA风险评估公式 厂内工人以8 h在厂内、16 h在邻近敏感点计算，接触飞灰、土壤的二噁英暴露量和接触环境空气二噁英的暴露质量浓度计算公式如下：

(1)飞灰暴露量

(1)

(2)

(3)

(2)土壤暴露量

(4)

(5)

(6)

(3)环境空气暴露质量浓度

(7)

以24 h在邻近敏感点计算村民的健康风险，接触的土壤二噁英暴露量和环境空气二噁英暴露质量浓度的计算公式如下：

(1)土壤暴露量

(8)

(9)

(10)

(2)环境空气暴露质量浓度

(11)

飞灰/土壤暴露的二噁英健康风险和环境空气暴露的健康风险计算公式如下：

(1)飞灰/土壤暴露的健康风险

(12)

(13)

(2)环境空气暴露的健康风险

CRair=ECair×IUR,

(14)

HIair=ECair/RfC.

(15)

式(1)～(15)中，cFA和cS分别为飞灰和土壤中PCDD/Fs毒性当量(mg TEQ/kg)；CDIinh、CDIderm和CDIing分别为口鼻吸入暴露量、皮肤接触暴露量和意外经口摄入暴露量(mg/(kg·d))；CR为飞灰和土壤致癌风险(无量纲)，HI为飞灰和土壤非致癌风险(无量纲). 环境空气健康风险采用USEPA的新方法[7-8]，ECair为暴露质量浓度(μg TEQ/m3)，cair-MSWI和cair-village分别为厂界环境空气和邻近敏感点环境空气中PCDD/Fs毒性当量(μg TEQ/kg)；CRair和HIair分别为环境空气致癌风险和非致癌风险；其余参数见表1.

1.3.2 蒙特卡洛模拟 蒙特卡洛模拟是一种利用随机数进行统计试验的方法，近年来常被应用到风险评价工作中. 通过模拟不同输入变量得到大量模拟结果并进行统计分析[9]. 由表1可知，部分参数为固定值，部分参数为呈现统计分布的数组. 本研究采用Oracle Crystal Ball 11.1软件对健康风险进行蒙特卡洛模拟计算，厂内工人健康风险计算运行100 000次，村民健康风险计算运行50 000次.

表1 USEPA计算中的参数Table 1 The values and parameters for health risk assessment in USEPA

2 结果与讨论

2.1 飞灰、环境空气和土壤的PCDD/Fs质量水平

垃圾焚烧厂内的飞灰、邻近敏感点的土壤和环境空气以及厂界环境空气中的PCDD/Fs质量水平统计结果如表2所示，质量浓度和毒性当量的百分比如表3所示.

表2 飞灰、土壤和环境空气中PCDD/Fs的毒性当量水平Table 2 The PCDD/Fs TEQ concentration levels in fly ash, soil and air

表3 飞灰、环境空气和土壤中PCDD/Fs单体的质量浓度和毒性当量的百分比Table 3 The PCDD/Fs congener profiles in fly ash, air and soil for concentrations and TEQ concentrations %

由表2可知，固化后的飞灰样品中PCDD/Fs质量分数范围为225.00～7 500.00 ng/kg，毒性当量范围为8.99～240.00 ng/kg，低于SUN等[12]研究中的固化飞灰质量分数(70.7～774.2 ng TEQ/kg)，因固化处理可降低飞灰中大部分PCDD/Fs的质量分数，因此本研究的固化飞灰PCDD/Fs质量分数低于其他研究中飞灰的PCDD/Fs质量分数(59 600 ng/kg[13]，2 593～2 704 ng TEQ/kg[14])，满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)中飞灰进入生活垃圾填埋场二噁英毒性当量限值要求(低于3 μg TEQ/kg).

邻近敏感点土壤中PCDD/Fs质量分数范围为150.84～484.25 ng/kg，平均值为351.55 ng/kg，毒性当量为0.81～2.04 ng TEQ/kg，其平均值为1.58 ng TEQ/kg，低于《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中“第一类用地”风险筛选值(10 ng TEQ/kg).

厂界环境空气和邻近敏感点环境空气中PCDD/Fs毒性当量范围为0.03～0.20 pg TEQ/m3，低于《关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知》环发〔2008〕要求参照的日本年均浓度标准(0.6 pg TEQ/m3). 厂界环境空气和邻近敏感点的环境空气PCDD/Fs质量浓度差别不大，平均值分别为0.07 pg TEQ/m3和0.10 pg TEQ/m3，总体低于其他研究中垃圾焚烧厂周边环境空气的PCDD/Fs质量浓度水平(0.178 pg TEQ/m3[15]、0.11～1.8 pg TEQ/m3[16])，与ZHANG等[17]研究结果较接近(焚烧厂周边环境空气PCDD/Fs质量浓度平均值为0.078～0.10 pg TEQ/m3).

2.2 PCDD/Fs单体的分布特征

飞灰、厂界环境空气、邻近敏感点土壤和环境空气的17种PCDD/Fs单体分布特征见表3，对质量水平贡献较高的单体主要有：OCDD、1,2,3,4,6,7,8-HpCDD和1,2,3,4,6,7,8-HpCDF，其中OCDD在飞灰、厂界环境空气、邻近敏感点环境空气和土壤中均为占比最高的单体，比例分别为41.54%、39.92%、24.32%和92.69%，贡献率明显高于其他单体. OCDD在土壤PCDD/Fs质量分数占比远高于其在其余环境介质中的占比，说明土壤PCDD/Fs可能受到除垃圾焚烧厂之外其他来源的影响. 在飞灰、厂界环境空气和邻近敏感点环境空气中，PCDD/Fs毒性当量占比较大的单体是2,3,4,7,8-PeCDF，贡献率分别为36.23%、32.69%和31.21%. 其他文献结果[17-18]表明，在垃圾焚烧厂周边环境空气中，PCDD/Fs毒性当量占比最大的单体通常是2,3,4,7,8-PeCDF(占31.01%～53.00%). 本研究的土壤样品PCDD/Fs毒性当量分布与环境空气、飞灰分布不太一致，对毒性当量贡献最高的单体为OCDD(19.92%)，其次为2,3,4,7,8-PeCDF(18.52%)和1,2,3,7,8-PeCDD (12.02%). 总体上，飞灰、厂内环境空气和邻近敏感点环境空气的PCDD/Fs单体分布特征更加接近，土壤PCDD/Fs单体分布特征与其他环境介质的稍有差别.

2.3 厂内工人和村民的健康风险评估

将飞灰、厂界环境空气、土壤和邻近敏感点环境空气样品的毒性当量最大值分别代入式(1)～(15)，通过对表1中存在统计分布的参数采用蒙特卡洛抽样模拟，并进行随机抽样，计算健康风险结果，采用风险统计结果的第95%值作为风险值的上限.

2.3.1 致癌风险和非致癌风险统计结果 厂内工人和村民(成人、青少年和儿童)的致癌风险(CR)合计和非致癌风险(HI)合计统计结果如表4所示.

表4 厂内工人和村民(成人、青少年和儿童)的二噁英致癌风险(CR)和非致癌风险(HI)Table 4 The carcinogenic risk (CR) and non-carcinogenic risk (HI) of PCDD/Fs to on-site workers and villagers (adults, teens and children) at the adjacent sensitive spot

一般情况下，致癌风险CR高于1.00×10-4则说明具有较高致癌风险[19]，低于1.00×10-5可视为可接受范围[20]. 由表4可知，厂内工人CR合计第95%值为6.04×10-6，村民中的成人、青少年和儿童CR合计第95%值分别为3.94×10-6、4.55×10-7和8.50×10-7，均低于1.00×10-5，说明致癌风险属于可接受范围. 4种暴露人群的CR合计第95%值排序为：厂内工人>成人>儿童>青少年. 厂内工人CR合计第95%值最高，分别是村民成人、青少年和儿童的1.54、13.27和7.11倍. 厂内工人和成人村民的CR相对较高，第95%值分别为6.04×10-6和3.94×10-6.

非致癌风险HI超过1表示具有非致癌风险[21]. 由图4可知，厂内工人HI合计第95%值为4.28×10-2，村民中的成人、青少年和儿童HI合计第95%值分别为4.61×10-3、5.81×10-3和6.90×10-3，远低于1，说明非致癌风险极低.

2.3.2 厂内工人和成人CR暴露途径占比分析 由上文可知,厂内工人和邻近敏感点的成人村民CR相对较高，第95%值分别占风险标准值(1.00×10-5)的60 %和39%，因此对这两类人群的CR暴露途径进行分析.

每种暴露途径CR及其在总风险(即CR合计)的占比同样采用蒙特卡洛模拟进行50 000次随机抽样计算，厂内工人各暴露途径CR和占比见图2，成人村民各暴露途径CR和占比见图3.

图2 厂内工人各暴露途径CR及其占比Figure 2 The CR values and percentages of individual exposure pathways for on-site workers

图3 成人村民各暴露途径CR及其占比Figure 3 The CR values and percentages of individual exposure pathways for adult villagers

由图2可知，厂内工人的8种暴露途径中，平均占比最高的前三项暴露途径分别是敏感点空气吸入(42.43%)、飞灰经口摄入(38.43%)和厂内空气吸入(12.69%)，CR统计结果平均值分别为1.36×10-6、1.23×10-6和4.06×10-7. 由图3可知，成人村民CR的4种暴露途径中，敏感点空气吸入占绝对主导地位，平均占比达到97.79%，对应的CR为2.03×10-6. 其他关于垃圾焚烧厂周边居民的健康风险研究[11]均表明，环境空气吸入是致癌风险和非致癌风险中最主要的暴露途径，这与成人村民CR暴露途径中环境空气吸入占主导的规律相符. 厂内工人由于暴露介质包括了二噁英质量分数较高的飞灰，因此飞灰意外经口摄入CR达到1.23×10-6，贡献了总CR的38.43%；但环境空气吸入(包括厂内空气和敏感点空气)仍然是对厂内工人CR贡献最高的暴露途径，CR之和为1.76×10-6，占55.12%. 建议加强对环境空气二噁英监控和厂内飞灰经口摄入的风险管控.

3 结论

(1)固化飞灰PCDD/Fs毒性当量(以I-TEQ计)范围为8.99～240.00 ng TEQ/kg，厂外土壤监测点土壤中PCDD/Fs毒性当量范围为0.81～2.04 ng TEQ/kg. 厂界环境空气和邻近敏感点环境空气中PCDD/Fs毒性当量范围为0.03～0.20 pg TEQ/m3，均低于《关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知》(环发〔2008〕)要求参照的日本年均浓度标准0.6 pg TEQ/m3.

(2) 飞灰、厂内环境空气和邻近敏感点环境空气的PCDD/Fs单体分布特征更加接近，土壤PCDD/Fs单体分布特征与飞灰和环境空气的有轻微差别.

(3)厂内工人和村民(成人、青少年和儿童)的致癌风险CR合计第95%值范围为4.55×10-7～6.04×10-6，低于1.00×10-5，为可接受风险范围；非致癌风险HI合计第95%值范围为4.61×10-3～4.28×10-2，远低于1，非致癌风险极低.

(4) 厂内工人和成人村民CR合计相对较高，第95%值占风险安全值的60 %和39%；厂内工人的环境空气吸入(包括在敏感点和在厂内)和飞灰经口摄入CR占比最高，比例达55.12%和38.43%；成人村民的环境空气吸入在总CR中起主导作用，占比达97.79%.