石家莊市制藥行業VOCs排放特征分析及健康風險評價

周靜博，李亞卿，洪綱，楊麗麗，姜建彪，馮媛，靳偉

石家莊市環境監測中心，石家莊 050022

石家莊市制藥行業VOCs排放特征分析及健康風險評價

周靜博，李亞卿，洪綱，楊麗麗，姜建彪，馮媛，靳偉*

石家莊市環境監測中心，石家莊 050022

選擇石家莊市9家典型制藥企業作為研究目標，在對生產工藝進行調查的基礎上研究了VOCs的排放特征，并利用國際公認的健康風險評價模型對制藥行業排放的典型VOCs的健康風險進行了初步評價。結果表明，9家研究企業排放的VOCs濃度在10.6～162 mg·m-3間，抗生素類生產企業是主要排放源；識別出的9種典型VOCs為丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、甲醇、二氯甲烷、正丁醇、異丙醇、甲苯；通過源成分譜確定出不同制藥類型排放源的主要污染物：發酵類抗生素為乙酸丁酯(40%)、乙酸乙酯(31%)和正丁醇(17%)；半合成類抗生素為丙酮(55%)、異丙醇(15%)和二氯甲烷(12%)；維生素類為乙醇(41%)、丙酮(34%)和甲醇(13%)；中藥類為乙醇(75%)、甲醇(12%)。制藥行業排放的VOCs健康風險危害指數為2.08×10-5，低于國際輻射防護委員會推薦的最大可接受水平，不會對暴露人群健康造成非致癌危害；正丁醇的危害指數最高，貢獻率為48%。各典型制藥企業排放口中二氯甲烷的致癌風險值在1.37×10-5～9.28×10-4間。

VOCs；排放特征；健康風險；石家莊；制藥行業

VOCs (volatile organic compounds)是揮發性有機物的統稱，主要包括脂肪族和芳香族的各種烷烴、烯烴、含氧烴和鹵代烴等[1]，一般具有較強的刺激性和毒性，部分具有致畸、致癌、致突變作用[2]。近幾年我國多地出現的持續霧霾天氣產生的主要原因是空氣中細粒子(PM2.5)的嚴重超標，而VOCs又是PM2.5的先導因子之一[1]。因此，要控制PM2.5，就必須對VOCs加強監測與治理。2011年國務院發布的《國家環境保護“十二五”規劃》，已將VOCs 列為“十二五”期間大氣污染重點控制對象[3]。石家莊市作為河北省省會是中國重要的醫藥加工制造基地，擁有華北制藥、石家莊制藥、神威藥業、以嶺藥業等眾多大型制藥企業，在河北省和全國分別占76%和3.55%的比重，醫藥工業已成為石家莊市的優勢主導產業[4]。然而在制藥行業的生產過程中大量使用有機溶劑，揮發形成VOCs，長期排放不僅惡化了區域大氣環境質量，導致石家莊市灰霾等空氣污染問題日趨嚴重，而且對附近居民的身體產生危害[5]。

目前國內部分省市已經進行了本地典型工業源如制鞋、金屬表面處理、半導體等行業的VOCs排放特征研究[6-8]，并且北京[2]、廣州[9]等地開展了空氣中VOCs的健康風險評價，而對于制藥行業，徐志榮等[10]進行了浙江省典型揮發性有機物的健康風險評價分析。而迄今為止，對石家莊市典型行業VOCs排放特征及健康評價尚未見有關報道。

本研究以石家莊市9家典型制藥企業作為研究目標，在綜合考慮各企業產品類型、原輔材料、生產工藝、VOCs治理等條件的基礎上對VOCs的排放特征進行了研究，并利用健康風險評價模型定量評估了制藥行業VOCs排放對環境及人體產生的危害，比較分析了4類制藥企業的差異性，以期為后續VOCs行業排放標準的制定及為環境管理部門開展大氣污染控制提供一定的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器與標氣

氣相色譜-質譜聯用儀6890N-5975B(Agilent公司，美國)，預濃縮儀7100A(Entech公司，美國)，蘇瑪罐清洗儀3100(Entech公司，美國)，配氣儀4600(Entech公司，美國)。

TO-15，濃度為1 mg·L-1，廠家為美國大特氣體公司；正丁醇、甲醇、異丙醇、乙酸丁酯單標氣，濃度為1 mg·L-1，廠家為大連大特氣體有限公司。

1.2 樣品采集

采樣點均為企業工藝廢氣處理系統總排放口。采集容器選擇美國Entech公司內表面硅烷化處理的蘇瑪罐(SUMMA canister)。采樣前使用清洗系統(Entech3100)進行清洗，抽真空至266 pa以下[11]。安裝好流速控制閥，打開罐閥，控制流量采樣，采樣時間為10 min，在各采樣點位，每隔4 h采樣1次，每天采集3次，連續采集2 d，共采集到54個固定源廢氣樣品。采樣結束后，關好罐閥，并記錄煙溫、煙氣壓力、含濕量、排氣量、煙道面積等采樣數據，所有樣品均在采集后24 h內進行分析。

1.3 分析方法

VOCs的定量分析參考US EPA TO-15方法進行。將采完樣的SUMMA罐連接到7032AQ-L進樣器上，經7100A三級冷阱預濃縮儀濃縮后進氣質分析。

色譜條件：安捷倫HP-VOC色譜柱(內徑320 μm；膜厚0.25 μm；柱長30 m)；進口溫度：200 ℃；分流比：5:1；柱流量：1.5 mL·min-1；檢測器：MSD；升溫程序如下：初溫35 ℃，保持10 min，然后以5 ℃·min-1升至80 ℃，保持10 min，再以10 ℃·min-1升至220 ℃，保持5 min。輔助加熱區溫度：280 ℃。

質譜條件：全掃描模式；掃描質量數范圍：30～450 amu；電子轟擊源，電壓70 eV；掃描速度1.79 scans·s-1。四級桿溫度150 ℃；離子源溫度230 ℃；數據采集方式：SCAN。

1.4 目標化合物的選擇

本研究根據前期VOCs排放調查結果，并參考美國EPA公布的有毒有害空氣污染物名單 ( http: / /www.epa.gov /ttn /atw /188polls．html)，共選擇了包括芳香烴、鹵代烴、酯類、醇類和酮類在內的48種信號強、干擾少的碎片離子進行定量分析。

1.5 健康風險評價模型

健康風險評價是20世紀80年代以后興起的環境風險評價的熱點[12]，以風險度作為評價指標，把環境污染與人體健康聯系起來，定量描述一個人在被污染的環境中暴露時受到危害的風險[13]。美國國家科學院于1983年發布了聯邦政府的危險評價管理體系[14]，提出了健康風險評價的四步法，并根據物質的致癌性，將評估風險分為致癌風險和非致癌風險。

1.5.1 致癌風險評價

致癌風險評價由風險值(Risk)表征，通過人體長期實際暴露濃度與致癌斜率因子的乘積來表示[15]。

Riskj=CDIj×SFj( Risk<0.01)

(1)

Riskj=1-exp(-CDIj×SFj) ( Risk>0.01)

(2)

公式中，SFj為某種VOCs致癌斜率因子，kg·d·mg-1。取值參考美國EPA綜合風險信息系統(IRIS)數據庫中推薦值[16]。

CDIj為某種VOCs的長期日攝入量，mg·kg-1·d-1。一般情況下暴露途徑主要有口、呼吸及皮膚直接接觸[17]，而空氣中VOCs主要通過呼吸途徑進入人體內部器官[9]。因此某VOCs終生日均暴露劑量CDIj按以下公式[9,18]計算：

CDIj=0.63Cj×IR×ET×EF×ED /(BW×AL)

(3)

式(3)中，0.63為人對空氣中VOCs吸收系數；Cj為某VOCs的質量濃度，mg·m-3；IR為吸入空氣量，m3·d-1；ET為暴露時間，h·d-1；EF為暴露頻率，d·a-1；ED為持續暴露時間，a； BW為平均體重，kg； AL為平均壽命，a。

1.5.2 非致癌風險評價

非致癌風險通常以危害指數(hazard index，HI)表征，定義為由于暴露造成的長期攝入量與參考劑量的比值[17]。

非致癌風險計算公式如下：

HIj= CDIj/RfDj×10-6

(4)

式(4)中，RfDj為某種VOCs的參考劑量，mg·kg-1·d-1，取值參考美國EPA綜合風險信息系統(IRIS)數據庫中推薦值[16]。10-6為與RfD相對應的假設可接受的危險度水平。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 制藥行業VOCs排放調查分析

對9家典型制藥企業的主要產品、生產工藝流程、原輔材料、廢氣排放及廢氣處理工藝進行了詳細調查，調查結果如表1所示。

調查結果顯示，目前石家莊市制藥行業的產品以抗生素、維生素和中藥類為主，而抗生素的生產工藝以微生物發酵和半合成2種為主，2種生產工藝所使用的原輔材料和有機溶劑不同，產生的廢氣污染物也不盡相同，故將制藥企業分為發酵類抗生素、半合成類抗生素、維生素和中藥4類進行分析。

2.2 VOCs濃度特征分析

運用峰面積歸一化法進行48種VOCs的分析，各組分濃度為6次分析所得平均值，總濃度為各組分濃度之和。9家研究企業排放的VOCs濃度見表2。

由表2可見，九家研究企業均排放了一定濃度的VOCs，總濃度為10.6～162 mg·m-3。按制藥類型來看，發酵類和半合成類抗生素生產企業排放的VOCs濃度最高，中藥類生產企業排放的VOCs濃度最低。可見抗生素生產企業是主要的VOCs排放源。究其原因，主要是因為在抗生素的生產過程中需要使用大量易揮發的有機溶劑，而中藥生產中使用的有機原材料較少。

由表2中5類有機物的濃度總和可以看出，排放量較大的是酯類、酮類和醇類，濃度在175～201 mg·m-3之間，芳香烴排放量最小。由此可見石家莊市制藥企業排放的VOCs中以含氧有機物為主。

2.3 VOCs化學組成特征分析

9家研究企業污染源排放的各種類VOCs的質量百分組成見圖1。

圖1可見，發酵類抗生素生產企業(A、B)產生的VOCs以酯類為主，半合成類抗生素(C、D)以及維生素B生產企業(E、F)產生的VOCs均以酮類為主，維生素C生產企業G產生的VOCs以酮類和醇類為主，而中藥類生產企業(H、I)產生的VOCs以醇類為主。主要原因在于抗生素和維生素的萃取、分離、結晶等工序、中藥類藥物的提取工序中大量使用含氧有機溶劑；芳香烴和鹵代烴因其用量較小甚至不用，故排放濃度較低。

2.4 VOCs成分譜分析

對4種制藥類型的排放源中VOCS進行成分譜特征分析，結果見圖2。

圖2可以看出，半合成類抗生素生產企業的廢氣源成分譜中，以丙酮所占比例最高，為55%。其次為異丙醇、二氯甲烷和乙醇，所占比例分別為15%、12%、8.73%。此外還包括少量的甲醇(3.45%)和甲苯(0.97%)。這些VOCs 產生于化學合成、結晶工段用到的有機溶劑揮發。例如在氨芐西林的生產過程中，二氯甲烷用于溶解苯甘氨酸(羥基苯甘氨酸)鹽，丙酮用于清洗結晶液。

表2 9家研究企業各種類有機物濃度Table 2 Concentrations of organic matter in nine studied enterprises (mg·m-3)

注：n.d.為未檢出。

Note: n.d.not detected.

圖2 VOCs源成分譜

在發酵類抗生素生產企業的廢氣源成分譜中，乙酸丁酯、乙酸乙酯和正丁醇所占比例最高，分別為40%、31%、17%。此外還有少量的乙醇(5.20%)、二氯甲烷(2.86%)和丙酮(2.21%)。這幾種污染物主要來自冷凍脫色、分離、結晶、過濾等工序的溶劑揮發。其中乙酸丁酯主要用于發酵液的萃取分離，乙醇用于共沸結晶，經過濾后晶體用正丁醇洗滌，洗后晶體經乙酯處理后造粒。

對維生素類制藥企業，其釋放的VOCs主要為乙醇、丙酮、甲醇，以及少量的乙酸丁酯、乙酸乙酯和二氯甲烷。組成比例分別為41%、34%、13%、5.26%、1.93%、2.86%。其來源主要包含提取、轉化及精制車間有機溶劑的揮發以及發酵工段廢氣。其中，丙酮和甲醇用于轉化工序，乙醇用于洗滌離心甩濾后的晶體。

中藥類生產企業的廢氣源成分譜中，乙醇(75%)占比最高，其次為甲醇和異丙醇，占比分別為12%和9.31%。此外還有少量的二氯甲烷(1.55%)和乙酸乙酯(1.35%)。這些VOCs主要來自提取工序和中草藥原料烘干工序，乙醇主要用于中藥的提取。

綜上所述，9家制藥企業共識別出9種典型VOCs，分別為丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、甲醇、二氯甲烷、正丁醇、異丙醇、甲苯。

2.5 制藥行業VOCs健康風險評價

利用美國EPA推薦的健康風險暴露模型，對識別出的9種典型VOCs進行健康風險評價。根據國際癌癥研究機構(IACR)的分類體系，確定二氯甲烷為2B類致癌物，其余8種VOCs均為非致癌物。

本研究監測區域內主要人群為公司工作人員，故VOCs的長期日攝入量CDIj的計算公式中各參數取值如下：暴露時間為8 h·d-1，暴露頻率按除去法定節假日的正常工作時間為250 d，持續暴露時間取30 a[9]，吸入空氣量取19 m3·d-1[9]；平均體重取62.7 kg[19]；平均壽命取70 a[9]。計算得到的長期攝入量、非致癌風險及致癌風險見表3和表4。

從表3可以看出，各檢出有機物的非致癌風險值在2.65×10-9～1.29×10-5之間，總VOCs的非致癌風險值為2.08×10-5，均低于國際輻射防護委員會推薦的最大可接受水平(5×10-5a-1)[20]，不會對暴露人群健康造成明顯的非致癌危害。此外，發酵類抗生素生產企業的非致癌危害指數最高，HI值為1.29×10-5，貢獻率最大的物質為正丁醇，占總HI值的77%；其次為半合成類生產企業，HI值為7.06×10-6，貢獻率最大的物質為丙酮和二氯甲烷，占總HI的66%。9種典型VOCs中正丁醇的HI值最高，貢獻率為48%。而濃度含量較高的丙酮、乙酸乙酯和乙酸丁酯對HI的貢獻率并不高。

表3 制藥行業典型VOCs的長期攝入量和非致癌風險值Table 3 Long-term intake and noncarcinogenic risk value of VOCs from typical pharmaceutical industries

注：RfD為某種VOCs的參考劑量，mg·kg-1·d-1；CDI-長期日攝入量，mg·kg-1·d-1；HI-非致癌風險的危害指數；“-” 沒有查到相關數據；n.d.-未檢出。

Note:RfD- Reference dose of VOCs,mg·kg-1·d-1; CDI-Long-term daily intake,mg·kg-1·d-1; HI-Non carcinogenic risk index; “-” No relevant data were found; n.d.-Not detected.

表4 制藥行業VOCs的致癌風險值Table 4 The carcinogenic risk value of VOCs from typical pharmaceutical industries

注：SF-VOCs的致癌斜率因子，kg·d·mg-1。

Note:SF- Carcinogenic slope factor of VOCs,kg·d·mg-1.

由表4可以看出，各典型制藥企業排放口中二氯甲烷的致癌風險值在1.37×10-5～9.28×10-4間，高于歐美的致癌風險標準值10-5～10-6之間[10]。主要是由于監測點位布設在企業排放口所致，而實際空氣中含量遠低于該范圍，但致癌物可能對人體健康產生嚴重危害，所以必須加以嚴格控制。健康風險評價結果顯示，石家莊市制藥行業排放的VOCs中對人體產生健康危害的主要是二氯甲烷、正丁醇和丙酮。

本文通過對9家制藥企業排放的廢氣進行化學分析，識別出了9種典型的VOCs，通過源成分譜確定出不同制藥類型排放源的主要污染物，制藥行業排放的VOCs健康風險危害指數為2.08×10-5，低于國際輻射防護委員會推薦的最大可接受水平，不會對暴露人群健康造成非致癌危害。針對VOCs污染現狀，建議制定制藥行業VOCs排放標準和污染防治技術規范，實行制藥行業VOCs總量控制。并將VOCs納入常規監測和空氣自動監測網絡范圍，從而為VOCs行業排放標準和總量控制計劃提供數據支撐。

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◆

Characteristics and Health Risk Assessment of VOCs Emitted from Pharmaceutical Industry of Shijiazhuang City

Zhou Jingbo,Li Yaqing ,Hong Gang,Yang Lili,Jiang Jianbiao ,Feng Yuan,Jin Wei*

Shijiazhuang Environmental Monitoring Center,Shijiazhuang 050022,China

13 August 2014 accepted 24 September 2014

Emission characteristic and health risk of volatile organic compounds (VOCs) were assessed for 9 typical pharmaceutical enterprises in Shijiazhuang City,Hebei Province.The results showed that the concentrations of VOCs emitted from the nine enterprises ranged from 10.6 to 162 mg·m-3,and antibiotic fabrications are main emissions sources.Nine components in VOCs including acetone,ethyl acetate,butyl acetate,ethanol,methanol,dichloromethane,n-butanol,isopropanol and toluene could be identified.The major contributors in VOCs depend on different pharmaceutical processes,and are as follows: butyl acetate (40%),ethyl acetate (31%) and n-butanol (17%) for fermentation; acetone (55%),isopropanol (15%) and dichloromethane (12%) for semi synthesis; ethanol (41%),acetone (34%) and methanol (13%) for vitamins,ethanol (75%) and methanol (12%) for traditional Chinese medicine.The non-carcinogenic risk of VOCs from the pharmaceutical enterprises is about 2.08×10-5,which is below the maximum acceptable level recommended by the international commission on radiological protection.Among the stressors,the highest hazard index is due to n-butanol which contributes as high as 48% of the total risk.The major contributor for carcinogenic risk of VOCs in emission sources is dichloromethane and is about 1.37×10-5～9.28×10-4.

VOCs; emission characteristics; health-based risk; Shijiazhuang; pharmaceutical industry

國家環境保護公益性行業科研專項(201109004)；河北省科技支撐項目(13273702D)

周靜博(1985-)，女，碩士，工程師，研究方向為環境監測，E-mail：616570625@qq.com；

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: jiwei65815@126.com

10.7524/AJE.1673-5897.20140813001

2014-08-13 錄用日期：2014-09-24

1673-5897(2015)4-177-10

X511

A

靳偉(1968-)，男，環境工程專業，學士，正高級工程師，主要研究方向為環境監測。

周靜博，李亞卿，洪綱,等.石家莊市制藥行業VOCs排放特征分析及健康風險評價[J].生態毒理學報，2015,10(4): 177-186

Zhou J B,Li Y Q,Hong G,et al.Characteristics and health risk assessment of VOCs emitted from pharmaceutical industry of Shijiazhuang City [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2015,10(4): 177-186(in Chinese)