太原市某垃圾填埋場滲濾液及周邊環境重金屬污染及健康風險評估

白麗榮，龔航遠，徐敏，楊迪，劉亮亮，李素清，李瑞金,*

1. 山西大學環境科學研究所，太原 030006 2. 山西眾智檢測科技有限公司，太原 030006 3. 太原市市容環境衛生科學研究所，太原 030024 4. 山西大學黃土高原研究所，太原 030006

生活垃圾堆放和填埋過程，會受到雨水淋溶、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入填埋場，生活垃圾中重金屬含量增加，這導致垃圾中轉站和填埋場產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滲濾液中Cr超標57.3倍[3]。

填埋場周圍土壤重金屬污染的來源主要有：滲濾液透過填埋場防滲墻進入土壤；周邊企業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入土壤；污水灌溉土壤等[4-5]。張亞會[6]的研究顯示，某垃圾填埋場周圍土壤中重金屬Cu、Pb和Zn的污染較重。王春銘等[7]研究發現，封場后的垃圾填埋場周圍植物受到重金屬Zn的毒害作用。

填埋場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施、防滲體本身發生開孔、解體、破裂等現象，使其失去防滲作用，致使滲濾液滲入地下，造成地下水污染[3]。

填埋場周邊地區土壤、地下水等生態環境被重金屬污染后，不僅會引起生態環境破壞等問題，還會通過飲水或食物鏈進入人體，危害人體健康[8-9]。

環境健康風險評價將人體健康與環境污染相聯系，利用涵蓋因子對不利于人體健康的影響進行估算，從污染物源頭-接觸途徑-受體-風險層次上構建評價體系[10]，評價有害因子對人體健康和安全造成不良風險的程度[11]。這種評價方法已廣泛應用于空氣、水和土壤等污染所造成的人體健康風險評價中。目前，我國生活垃圾填埋場重金屬污染物的歸趨及其對人體健康風險研究備受關注[12-14]。然而，山西省太原市填埋場周邊環境重金屬污染健康風險評估的報道相對缺乏。為探討太原市垃圾填埋場滲濾液、地下水及周圍土壤中的重金屬對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為對象，測定填埋場垃圾滲濾液(陳年滲濾液)和中轉站滲濾液(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，基于對垃圾填埋場周圍土壤和地下水中的重金屬含量分析，利用美國環境保護局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)健康風險評價模型，開展成人和兒童在不同暴露途徑下的重金屬健康風險評估，旨在為太原市重金屬污染防治及健康風險管理提供可靠依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區概況

本研究中生活垃圾填埋場位于山西省太原市郊區，屬于溝谷型填埋場，走勢為南北走向，南高北低。2008年6月正式投入運營，預計使用期限為17 a。總庫容為1 200萬m3，占地面積為49萬hm2，設計處理能力為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，處于超負荷運行狀態。

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處理廠和南堰生活垃圾壓縮轉運(中轉)站采集滲濾液。在垃圾填埋場處理設施入水口處，采集原始滲濾液；在處理設施出水口采集凈化后水樣。用聚丙烯瓶采集填埋場冬季和夏季滲濾液各3瓶；為了解填埋場滲濾液經過生化處理后的水質情況，采集冬季滲濾液經生化處理后的水樣各3瓶。同時，在垃圾中轉站分別采集冬、夏季新鮮滲濾液各3瓶。采集填埋場附近4個地下水監測井中的水樣于采樣瓶中。采集的樣本盡快送至山西大學實驗室，低溫保存(4 ℃冰箱)，短時間內完成測定。

1.2.2 土壤采集

2019年1月在填埋場周圍布設5個土壤采樣位點(圖1)。使用鐵鍬進行干式土壤采樣，采集地表0～10 cm的表土，每個采樣點采集3個重復土樣。標記各土壤樣品，裝入塑料袋內，短時間內送至山西大學實驗室低溫保存。

1.2.3 分析方法

樣本預處理時，土壤樣品冷凍干燥3 d，研磨后過200目篩子，再用硝酸溶液進行消解，測定其重金屬總量；地下水樣品采用硝酸微波消解后測定重金屬總量[15]；填埋場和中轉站滲濾液樣品用直徑為110 mm的濾紙過濾掉大塊顆粒物后，低溫保存備用。

1.3 健康風險評估模型

1.3.1 暴露模型及參數

根據土壤重金屬在環境中的遷移特征，將其對人類造成危害的途徑歸納為3種方式：經口途徑直接攝入、經皮膚接觸和經呼吸吸入。地下水暴露途徑主要是飲水和皮膚滲入[11]。根據《污染場地風險評估技術導則》(HJ 25.3—2014)[16]，利用美國環境保護局(US EPA)健康風險評價模型，對填埋場周圍居民暴露于重金屬污染環境中的健康風險進行評估。

通常人們會考慮污染的非致癌風險HI和致癌風險R。對于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)，計算模型如下[17]：

土壤經直接攝食途徑的日均暴露量(Ding-s)：

(1)

土壤經呼吸吸入途徑的日均暴露量(Dinh-s)：

(2)

土壤經皮膚滲入途徑的日均暴露量(Dderm-s)：

(3)

經飲水攝入途徑的日均暴露量(Ding-w)：

(4)

經水體皮膚滲入途徑的日均暴露量(Dderm-w)：

(5)

根據對垃圾填埋場現場采樣調查和《國家污染場地風險評估技術導則》的相關規定，對以上有關參數進行修正[18](表1)。

致癌風險的評估，把受體的總暴露量平攤至整個生命周期(包括受體的兒童期和成人期)中，相應的長期日均暴露量可按照以下公式計算。

(6)

式(6)中選取的接觸或吸入強度(CR)及式(5)中皮膚滲透系數(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為接觸或吸入強度，對于經口直接攝入和呼吸吸入途徑，分別表示為CR=IngR和CR=InhR；對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 健康風險表征

多種暴露途徑下的非致癌風險可用受體對污染物在環境介質中的暴露量與參考劑量的比值(危害商HQ)度量，即HQ=D/RfD。對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險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，總致癌風險Rtotal表示為：

(8)

式(7)和(8)中：m為污染物的數量，n為暴露途徑的數量；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。

通常認為，當HI<1.0時，污染物基本不會對人體的健康造成威脅，即風險可以忽略；但是當HI>1.0時，污染物會對人體健康造成不良影響，表明存在非致癌風險[11]。本文計算過程中選取的參數依據李永霞等[11]的研究，采用US EPA模型推薦數值10-4～10-6來判別重金屬的致癌風險[11]。

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

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 填埋場樣品基礎數據測定

2.2 填埋場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類樣品中共檢測出17種重金屬，其中9種含量相對較高。夏季中轉站滲濾液中Mn含量相對較高，推測生活垃圾中電池、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)。檢測其他重金屬元素均低于國家標準限定值(GB8978—1996)，沒有二次污染的風險。夏季垃圾滲濾液中Mn達到三級標準，其余金屬含量達到二級標準。夏季中轉站滲濾液(新鮮滲濾液)中檢出重金屬組分比填埋場滲濾液(陳年滲濾液)中的少，但濃度較高；冬季中轉站中滲濾液中重金屬濃度除Cr以外其余均比填埋場滲濾液高。填埋場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(填埋場和中轉站)重金屬種類和濃度出現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個不同的采樣點(圖1)，樣本中共檢測出17種重金屬，其中7種重金屬含量相對較高，其平均濃度由高到低依次為Cu>Cr>Zn>Pb>Ni>As>Hg，Cu的污染最為嚴重。與山西省土壤環境背景值相比，Cu、Pb、As和Hg均已超過其環境背景值，平均超標倍數依次為2.64倍、1.28倍、1.83倍和1.76倍。超標原因可能是填埋場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境背景值。我們注意到，與《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(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準值。由表5可知，5號采樣點離填埋場距離最近，土壤重金屬濃度相對其他4個采樣點數值較高。1號和4號距離填埋場的距離相對較遠，土壤重金屬含量相對較低。研究表明，土壤重金屬含量會隨著與城市垃圾填埋場距離的增加而逐漸降低，且與填埋場的距離呈負相關[20-21]。因此推測垃圾填埋場可能是造成周圍土壤重金屬污染的原因之一。

表4 填埋場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。這也提示該填埋場滲濾液中的有害金屬沒有進入地下水。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。所檢測出的重金屬濃度(除Ni外)與《地下水質量標準》(GB/T14848—2017)Ⅲ類標準相比均未超標，對人體健康的風險較低。

2.3 填埋場重金屬污染健康風險評估

2.3.1 重金屬污染非致癌風險

本研究中填埋場重金屬在多種暴露途徑下的非致癌風險如表6所示。對成人而言，兒童的非致癌總風險HI值(0.927)比成人(0.541)高，這可能與兒童的生活習性和生理特征(通過手口攝入頻率高)有關。兒童非致癌風險雖未超過安全閾值(1.0)，但卻與之非常接近，存在潛在的安全隱患。對于成人和兒童，重金屬的非致癌風險順序均為：As>Cr>Pb>Cu>Ni>Zn>Hg，其中As、Cr的風險值要遠大于其他5種重金屬。影響非致癌風險的主要暴露途徑為飲水攝入，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險大小順序與成人一致。研究表明，重金屬對兒童的非致癌風險大于成人[24]，這與本研究結果一致。因此應重視對兒童這類敏感人群的健康保護，限制兒童進入垃圾填埋場附近并做好相關防護工作。

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

2.3.2 重金屬污染致癌風險

填埋場重金屬在多種暴露途徑下致癌風險R值如表7所示。

對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提出的風險安全范圍10-6～10-4之間，但是卻接近國際輻射防護委員會(ICRP)推薦的最大可接受風險值(5.0×10-5)[11]，因此，當地各部門應重視垃圾填埋場附件環境重金屬污染的致癌風險。重金屬的致癌風險途徑主要是土壤經皮膚滲入和呼吸吸入，其致癌風險順序為：As>Cr>Pb>Ni。數據表明，As的風險值要明顯高于其他重金屬。故可將As作為太原地區重金屬污染和健康風險管理的重點對象。研究發現，城市近郊生活垃圾堆場產生致癌風險的重金屬主要是As[15]，這與本研究結果一致。但其暴露途徑以土壤攝食為主。As的致癌風險存在于各類人群，其中經口攝入和皮膚接觸土壤的貢獻顯著[25-26]，且As高致癌風險可能來源于燃煤釋放[27]。

表7 致癌風險R值Table 7 R values of carcinogenic risks

考慮到評價方法和模型不同，健康風險評估效應略有差異。故建議可采用其他的評價模型，就垃圾填埋場對周圍人群的健康風險狀況進行全面和深入評估。垃圾填埋場周圍環境中重金屬對生態環境和人體健康的影響，還需要進一步研究。

綜上所述，本研究表明：

(1)太原市某垃圾填埋場夏季滲濾液重金屬污染順序為Fe>Mn>Cr>Pb>As，冬季為Fe>Zn>Mn>Cr>As>Pb。夏季中轉站滲濾液中重金屬污染順序為Fe>Mn>Hg，冬季為Fe>Zn>Mn>Cr>P>Cu>As>Cd>Hg。填埋場滲濾液凈化后重金屬濃度均達到排放標準。

(2)填埋場環境重金屬非致癌風險的主要暴露途徑為經飲水攝入，其污染不會對周圍居民造成非致癌風險(HI<安全閾值1.0)。As、Cr的非致癌風險較其他金屬高。兒童HI值(0.927)接近安全閾值，提示重金屬對兒童健康有潛在風險。

(3)填埋場環境重金屬污染不會對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險值(5.0×10-5)，其潛在致癌風險應引起重視。