涂裝工業大氣污染物排放毒性當量核算模型的研究

陸叢蕊，劉鴻志，袁 濤，靳 強，程金平，申哲民,2

(1.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240;2.上海市污染控制和生態安全研究中心，上海 200092)

近些年來，我國工業企業發展迅速，生產制造過程中產生的污染物經廢水、廢氣、廢渣等途徑大量排放到自然環境中[1]。環境污染物的排放是影響人體健康與環境質量的最主要因素，許多國家對此開展了一系列的風險評價[2-3]。1983年美國科學院(NAS)和國家研究委員會(NRC)首次提出健康風險評價的“四步法”，即危害識別、毒性評估、暴露評價、風險表征[4-5]。在美國國家環境保護局(US EPA)提出的日均攝入量、斜率因子等概念的基礎上，1988年Barnes等[6]提出了暴露參考劑量這一概念，完善了污染物健康風險評價體系。我國環境污染物健康風險評價始于20世紀90年代，最初主要應用于核工業等領域[7]，但隨著經濟的發展，環境污染物的排放量驟增，近年來我國也越來越重視對環境污染物的健康風險評價。目前，我國對大氣污染物排放的關注重點集中于污染物總量的控制[8]。由于排放到環境中的大氣污染物種類繁多，對人體健康的影響范圍較廣，難以對各類大氣污染物的環境毒性進行一一測定，尤其缺乏一種適當的模型對大氣污染物自身的綜合毒性以及對人體健康造成的危害進行評估，而合理、有效、準確的環境污染物健康風險評價，能夠保護公眾遠離有毒有害化學品的危害，并且能夠為大氣污染物風險管理提供重要的科學依據。為此，本文擬構建一種大氣污染物環境毒性當量核算模型，用來計算并評估大氣污染物排放對人體健康所造成的危害以及對環境的影響，以為環境污染物的健康風險評價及風險管理提供依據。

1 計算模型

根據污染物自身的毒性特征，國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer,IARC)將污染物分為非致癌物質和致癌物質兩類[9]。一般來說，致癌物質同時具有非致癌健康危害效應[10]。當非致癌物質的日均濃度超過人體所能承受的閾值時，該物質才會對人體健康造成影響，其核算基準為非致癌物質的日暴露參考劑量。致癌物質只要存在于環境中，便會對人體健康造成不可逆的影響[11]。

針對不同性質的污染物，環境毒性當量核算模型分為非致癌風險指數模型和致癌風險指數模型兩部分[12-14]。在已有的涂裝行業大氣污染物排放清單基礎上，結合化學品毒性數據和風險評估導則，分別核算行業的非致癌毒性總量和致癌毒性總量，并根據核算結果和行業特征，篩選出主要毒性當量因子。非致癌風險指數模型和致癌風險指數模型計算公式如下：

非致癌風險指數(HI)模型為

(1)

式中:HIi為污染物i非致癌風險指數，無量綱；HI為項目中各種污染物非致癌風險指數值的合計，無量綱；CDIi為成人(以60 kg計)在污染物i中的長期日攝入量[15][mg/(kg·d)]；RfDi為污染物i的日暴露參考劑量[mg/(kg·d)]。

致癌風險指數(Risk)模型為

Risk=∑iCDIi×SFi

(2)

式中:Risk為污染物致癌風險指數，無量綱；SFi為污染物i的致癌斜率因子[(kg·d)/mg]。

2 排放過程

本文針對涂裝工業某特種電機生產線建設項目，對該項目涂裝過程中大氣污染物排放的毒性進行了量化計算。該項目的產品類型及年產量見表1。

表1 某項目產品類型及年產量表

該項目生產分為浸漆和噴漆兩個主要過程，由于兩個過程中采用不同的操作工藝且使用不同成分的涂料，故分別對浸漆和噴漆兩個生產過程中產生的大氣污染物進行處理并進行物料平衡分析。浸漆生產過程分為連續浸漆和真空浸漆，油漆的涂著率以80%計算，即涂料固體分全部附著于產品表面，涂料揮發分全部形成有機廢氣，主要成分為苯乙烯、二甲苯、乙基苯。有機廢氣由各集氣裝置收集后，匯總至總管道，經顆粒活性炭吸附處理后排放。此過程中有機廢氣有效收集率為97%，其余3%以無組織形式排放。顆?；钚蕴繉τ袡C廢氣的去除率以85%計算。噴漆生產過程分為自動噴漆和手動補漆，油漆的涂著率以80%計算，其余20%形成漆霧，由過濾棉或水簾吸收。涂料揮發分全部形成有機廢氣，主要成分為乙基苯。此過程中有機廢氣有效收集率為97%，其余3%以無組織形式排放。過濾棉或水簾對漆霧的凈化效率以90%計算。浸漆和噴漆生產過程中油漆的物料平衡圖和大氣污染物排放清單，見圖1和表2。

圖1 某項目浸漆和噴漆生產過程中油漆的物料平衡圖(單位：t/a)Fig.1 Material balance chart of paint during the immersion painting and spray coating process of a project(unit:t/a)

表2 某項目浸漆和噴漆生產過程中大氣污染物的排放清單(單位：t/a)

3 大氣污染物環境毒性當量核算模型

該項目涂裝生產過程中排放的大氣污染物有苯乙烯[16]、二甲苯[17]、漆霧[18]、乙基苯[19]、醋酸丁酯[20]和柴油燃燒廢氣(SO2、NOx、煙塵)，考慮到輕質柴油為清潔能源，且SO2、NOx、煙塵的排放量較小，對周邊環境空氣質量的影響較小，故重點計算苯乙烯、二甲苯、漆霧、乙基苯、醋酸丁酯5種大氣污染物對人體健康的影響。

由圖1和表2可知，該項目涂裝生產過程中大氣污染物排放途徑為有組織排放和無組織排放兩種方式，兩種方式下大氣污染物的日排放量及CDI值的計算結果見表3。

污染物毒性計算分為非致癌風險指數(HI)和致癌風險指數(Risk)兩個指標。其中，污染物日暴露參考劑量(RfD)和污染物致癌斜率因子(SF)采用US EPA綜合風險信息系統(IRIS)的推薦值。在對該項目涂裝生產過程中排放的大氣污染物毒性進行計算時，將醋酸丁酯以非甲烷總烴替代，由于其毒性微弱，故不進行毒性計算；而IRIS數據庫中并未給出4種主要大氣污染物的致癌斜率因子，故本文僅計算其非致癌風險指數。

表3 某項目主要大氣污染物的日排放量及CDIi值

3.1 特征大氣污染物日排放量與毒性當量的定量關系

非致癌風險指數指該種大氣污染物的日排放總量可造成特定區域的患病人數。該項目涂裝生產過程中排放的大氣污染物非致癌風險指數(HIi)的計算結果見表4。

由表4可知：以苯乙烯、二甲苯、乙基苯的日排放量為基準計算非致癌風險指數[見公式(1)]，其計算結果意味著該項目一日內3種大氣污染物的日排放總量共可造成148 514人致病， 其中有組織排放方式下致病人數為48 916人，無組織排放方式下致病人數為99 598人，通過無組織排放產生的非致癌風險約為有組織排放的2倍。在大氣污染物有組織和無組織排放過程中，對非致癌風險值貢獻最大的物質均為二甲苯，貢獻比例分別為97.7%和98.9%(見圖2)。因此，二甲苯是該項目涂裝生產過程中造成環境污染、危害人體健康的主要大氣污染物。

表4 某項目涂裝生產過程中排放的大氣污染物的非致癌風險指數(HIi)

注：占比指HIi所占的百分比。

圖2 某項目涂裝生產過程中HIi排放的大氣污染物對非致癌風險值的貢獻比例Fig.2 Contribution of discharged atmospheric pollutants to HI index of a project

實際生產過程中，如果同時對4種大氣污染物的日排放量進行測量，會大大增加工作量與計算量。為使該模型更好地運用到實際過程中，可采用生產過程中最高日排放量的大氣污染物作為特征大氣污染物進行計算，通過特征大氣污染物日排放量，經公式(1)計算得到非致癌風險值。本文中二甲苯的有組織和無組織的日排放量均大于95%，故將二甲苯作為該項目涂裝生產過程中的特征污染物。通過測量二甲苯的日排放量，借助大氣污染物環境毒性當量核算模型及各大氣污染物日排放量與非致癌風險指數之間的數學關系，計算該項目涂裝生產過程中的非致癌風險值。

特征大氣污染物排放當量代表該種大氣污染物每日每排放1 kg時所造成的特定區域內的患病人數。經計算該項目涂裝生產過程中二甲苯的日排放量(包括有組織排放和無組織排放)為1.753 kg/d，非致癌風險值HI總和為146 265，即造成146 265人致病。若該項目每日排放1 kg二甲苯，可造成83 437人致病，即二甲苯HI總當量為83 437。

3. 2 VOCs日排放量與毒性當量的定量關系

由上述討論可知，計算過程中可利用特征大氣污染物的毒性當量來進行簡化計算。在日常監測過程中，可將揮發性有機污染物(VOCs)濃度作為主要指標，簡化計算。

本項目中，浸漆、噴漆、烘干等生產工序中產生的苯乙烯、二甲苯、乙基苯、醋酸丁酯等均屬于VOCs。4種主要大氣污染物的VOC量，可用該種大氣污染物的含碳量來計算。通過對相關行業VOCs排放系數的研究，結合涂裝工業VOCs的排放特征，可采用“kgVOCs/kg即用狀態下原輔料”的估算模式來核算涂裝工業的VOCs排放量[22]，即

P=P1+P2

(3)

P1=∑(Yi+Wi)

(4)

P2=∑(Oi+Ni)

(5)

式中：P為本項目全過程中VOCs的年排放量(t/a)；P1為浸漆過程中VOCs的年排放量(t/a)；P2為噴漆過程中VOCs的年排放量(t/a)；Yi和Wi分別為浸漆過程中第i種VOCs氣體有組織排放和無組織排放的年排放量(t/a)；Oi和Ni分別為噴漆過程中第i種VOCs氣體有組織排放和無組織排放的年排放量(t/a)。

因此，本文對隸屬于VOCs的大氣污染物碳含量進行核算，得到以VOCs表征的主要大氣污染物日排放量，見表5。

表5 以VOCs表征的主要大氣污染物的日排放量(kg/d)

與上述特征大氣污染物排放當量的計算過程類似，以該項目涂裝生產過程中各大氣污染物產生VOCs的日排放量總和與非致癌風險值建立當量模型。經計算，該項目涂裝生產過程中VOCs的日排放量(包括有組織排放和無組織排放)為1.68 kg/d，非致癌風險值HI總和為146 265，即造成146 265人致病。若以該項目每日排放1 kg VOCs計，即相當于造成87 062人致病，VOCsHI總當量為87 062。

4 結論與展望

環境毒性當量核算模型能克服傳統指標的局限性，不僅能表征污染物對環境所造成的影響，并且還能評估對人體健康所造成的危害。通過對某項目涂裝生產過程中排放的大氣污染物進行定性與定量分析，采用環境毒性當量核算模型定量地將大氣污染物的日排放量、VOCs的排放量與人體健康相聯系，得出該項目中影響環境、人體健康的特征大氣污染物為二甲苯。采用主要大氣污染物二甲苯的日排放量和VOCs的日排放量作為衡量標準，通過數學模型計算二甲苯的毒性當量和VOCs的毒性當量，可以得到每日排放單位千克的二甲苯和VOCs可造成特定區域內的患病人數，其計算方法簡單且數據容易監測。今后，可利用環境毒性當量核算模型對不同行業企業污染物的排放數據進行計算，從而進一步完善該模型。該研究可為大氣污染物排放的毒性分級核算研究及推廣提供科學依據。