城市軌道交通車輛空氣對健康的影響探析

吳江南，謝朝輝，潘敏霞，張蘭蘭

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000； 2.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東廣州 510656)

0 引言

隨著我國社會經濟快速發展，居民生活水平不斷提升，城市居民的出行需求也不斷增加，常規的地面公共交通系統已經無法滿足日益增加的客運需求，城市軌道交通系統具有運量大、準時準點、快捷舒適等突出特征[1]，成為城市公共交通的主要方式。截止到2020年末，我國內陸地區已經有44個城市開通了軌道線路，運營線路總里程達到7 978.19 km。2019年我國城市軌道交通累計完成客運量237億人[2]。城市軌道交通客流高度密集，車內微環境的空氣質量及其對人體健康的影響越來越受到人們的關注，但是目前對城市軌道交通車輛車內空氣對人體健康風險評估的研究較少。

我國軌道交通車輛車內空氣質量方面的最新標準是TB/T 3139-2021《機車車輛非金屬材料及室內空氣有害物質限量》，該標準代替TB/T 3139-2006標準于2021年10月1日起實施。TB/T 3139-2021標準規定了軌道交通車輛室內空氣中有害物質限量和測試方法，要求TVOC的限量要求為≤0.60 mg/m3，甲醛的限量要求為≤0.10 mg/m3。因此，軌道交通車輛需嚴格控制TVOC及甲醛。

苯系物被列為優先控制的污染物，長期暴露于含高濃度苯系物的環境空氣中不僅會刺激人體皮膚和黏膜[3]，還會引起呼吸系統、造血系統和神經系統的慢性和急性病變[4]。國際癌癥研究機構 (IARC)也已證實，苯是一類致癌物質，長期暴露在含高濃度苯的環境空氣中會增加人類患癌癥的風險，并可能導致白血病和淋巴疾病。

另外，現代研究表明，當空氣中甲醛濃度過高時可引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺氣腫，髙濃度的甲醛甚至影響人的神經系統、免疫系統等。有害物質對人類健康風險而言，其危害可特征化為致癌及非致癌效應，苯及甲醛這類致癌物質既會產生致癌效應，也會產生非致癌效應。甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、乙醛、丙烯醛等雖不是第I類致癌物，但同樣有危害乘客健康的風險，也會產生非致癌風險，比如氣喘、打噴嚏等。

為了評價人體暴露于不同濃度的污染物條件下所引發的致病風險，美國環保局(Environmental Protection Agency，簡稱EPA)建立了健康風險評估模型。城市軌道交通車輛車內空氣的VOCs，可能包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛(簡稱：五苯三醛)，這些物質能通過呼吸途徑進入到人體內[5]，從而存在影響車內人員的身體健康的風險。因此，研究城市軌道交通車輛車內空氣中“五苯三醛”對人體健康的影響具有重大意義。

目前大部分城市軌道交通車輛由職業司機駕駛并服務于乘客，其中司機為職業駕駛人員，每天在車內的時間長且具有職業規律；另外乘客中上班通勤人員的乘車時間相對長且具有職業規律，研究城市軌道交通車輛車內空氣中VOCs對司機及上班通勤人員的健康影響具有典型性和可行性，對評估車輛車內空氣中VOCs對人體的健康影響具有重要價值。

車內VOCs來源為車外環境空氣和車輛內部材料[6]，因此車輛運營環境、車內材料等因素均會影響車內實際VOCs水平。各城市軌道交通車輛的不同運營環境存在差異且影響車內實際VOCs水平，因此研究不同城市/同一城市不同地區的軌道交通車輛車內VOCs對人體的健康影響具有必要性。車內材料主要有如板材類材料、鋪地材料、膠粘劑、涂料、橡塑制品、紡織品、保溫材料等，同一車型、同一時期新造車輛的車內材料種類及其工藝具有相似性，但不同車輛的下線時間存在差異且影響車內實際VOCs水平，因此研究不同下線時間的新造軌道交通車輛車內VOCs對人體的健康影響具有必要性。

本文對某型城市軌道交通新造車輛整車空氣質量進行實驗，通過實驗分析和研究TB/T 3139-2021標準要求的車內空氣質量，通過實驗分析和研究不同下線時間條件下、不同工況條件下的車內VOCs成分及濃度，除了分析和研究車內空氣中的TVOC濃度之外，同時分析和研究健康高度關注的VOCs“五苯三醛”濃度；且通過查閱和分析文獻獲得實際運營過程中地鐵車輛車內空氣質量，并依據美國環保局頒布的“致癌物的風險評價導則”，分析研究新造車輛和實際運營中的車內空氣中“五苯三醛”對人的致癌風險和非致癌風險，以此分析和建立VOCs成分及濃度與人體健康效應關聯關系，探討車內空氣質量對人體健康的影響。

1 健康風險分析模型

1.1 致癌風險分析模型

根據美國環保局的建議，致癌風險的計算模型[7]為：

Risk=CDI×SF

(1)

式中，Risk是致癌風險；CDI是慢性攝入量(mg·kg-1·d-1)；SF是致癌因子(kg·d·mg-1)。其中：

CDI=CA×(IR/BW)×(ET×EF×ED)/AT1

式中，空氣中CA(mg/m3)是污染物濃度；IR(m3/h)是吸入率；BW(kg)是體重；ET(h/d)是暴露時間；EF(d/y)是暴露頻率；ED(y)是暴露持續時間；AT1(d)是平均暴露時間，AT1(d)=期望壽命(y)×365(d/y)。

RiskT=∑Risk

(2)

該癌癥風險方程源自美國環保局風險評估指南[8]，估計了同時接觸幾種致癌物的個體終生癌癥風險的增量。這個方程代表了組合風險的精確方程的近似值，解釋了一個人因接觸2種或多種致癌物而患癌癥的共同概率。

美國環保局頒布的“致癌物的風險評價導則”，通過計算第Ⅰ類致癌物的致癌風險值Risk判斷致癌物對車輛內人員致癌風險的高低。當Risk<1×10-6(致癌風險基本值)時，表明不存在致癌風險；當1×10-6≤Risk<1×10-4，表明致癌風險在可接受范圍內；若Risk≥1×10-4(致癌風險危險值)時，表明致癌風險較高，必須采取一定的措施。

1.2 非致癌風險分析模型

美國環保局目前還沒有使用一種概率性的方法來估計非致癌性對健康的潛在影響，只有用來描述在個體中可能發生的非致癌毒性的測量方法，但該方法并不能代表個體遭受不良影響的概率，EPA認為通過比較特定時間段(如壽命)的暴露水平與類似暴露期的參考劑量，可以評估非致癌效應的潛在影響。這種接觸毒性的比率被稱為危險商(Hazard Quotient，縮寫HQ)[9]。非致癌危險商的計算模型為：

HQ=EC/毒性值

(3)

式中，EC=暴露濃度(mg/m3)；毒性值為暴露情景的吸入毒性值(mg/m3)，采用慢性吸入性暴露的參考濃度RfC(mg/m3)。其中：

EC=CA×ET×EF×ED/AT2

(4)

式中，空氣中CA(mg/m3)是污染物濃度；ET(h/d)是暴露時間；EF(d/y)是暴露頻率；ED(y)是暴露持續時間；AT2(h)是平均暴露時間，AT2(h)=ED(y)×365(d/y)×24(h/d)。

為了評估多種化學物質造成的非致癌影響的總體潛力，根據美國環保局的研究，開發了一種危險指數(Hazard Index，簡寫HI)方法[8]，危險指數等于危險商之和，當HI>1時，可能會對人體健康造成不良影響，若HI<1，則健康風險較小，屬于安全范圍，對人體的身體健康不存在非致癌風險。

2 實驗

為研究城市軌道交通車輛車內空氣質量對司機及乘客的健康影響，本文對不同工況下和不同下線時間某型城市軌道交通新造車輛整車空氣質量進行實驗；除了分析和研究TB/T 3139-2021標準要求工況下車內空氣質量之外，還研究不同下線時間條件下的車內空氣質量；分析的物質除了車內空氣中的TVOC濃度外，還包括健康高度關注的“五苯三醛”的濃度。

2.1 實驗車輛

因本次實驗車輛為新造車輛，車輛內部尚有為保護車內物品而設置的表面覆蓋物等，為減輕非正常所需的車輛配置物品對車內空氣質量的干擾，采樣前去除測試車內部構件表面覆蓋物，并將覆蓋物移出車輛，將受檢車輛門全部打開，車輛靜置6 h。本研究參考TB/T 3139-2021標準的測試方法，除了對TB/T 3139-2021標準要求工況下車內空氣進行采集測試，還同時分析和研究不同下線時間條件下的車內空氣質量。為對比新造車輛在高溫工況和常溫工況的VOCs釋放情況，設置工況1和工況2；對比新造車輛不同下線時間在高溫條件下的VOCs釋放情況，設置工況3。

工況1：新造車輛在車內溫度不低于35℃的條件下關閉門窗、空調新風和廢排風口，封閉12 h，再開啟空調至自動運行位，2 h后進行采樣測試，采樣溫度不低于16℃。

工況2：新造車輛采樣前在常溫狀態下關閉門窗、空調新風和廢排風口，封閉12 h，開啟空調至自動運行位，2 h后進行采樣測試，采樣溫度不低于16℃。

工況3：新造車輛下線后經過2個月自然高溫和2個月自然常溫；在車內溫度不低于35℃的條件下關閉門窗、空調新風和廢排風口，封閉12 h，再開啟空調至自動運行位，2 h后進行采樣測試，采樣溫度不低于16℃。

2.2 樣品采集

整車空氣質量采樣時，采樣點的位置和高度與司機、乘客的呼吸帶高度一致。在本研究中客室座位區采樣點選擇離地面高度為1.2 m±0.2 m，客室站立區采樣點選擇離地面高度為1.6 m±0.2 m，司機室采樣點選擇離地面高度為1.4 m±0.2 m。采樣點的布置50 m2以下布置1～3個測試點，50～100 m2布置3～5個測試點。在本研究中采樣車廂為司機室和乘客室，其中司機室設置1個采樣點，乘客室設置5個采樣點。具體布點如圖1所示。

圖1 整車采樣點布置示意圖

苯系物的采樣管內部填充Tenax TA吸附劑，將車內空氣中的揮發性有機化合物捕集到采樣管中。醛酮化合物的采樣使用了表面涂漬有2，4-二硝基苯肼(2，4-DNPH)吸附劑的采樣管。

2.3 樣品分析

采用高效液相色譜用于分析車內空氣中的醛類物質，熱脫附-氣相色譜/質譜聯用儀用于分析車內空氣中的苯系物。

3 實驗結果與討論

3.1 不同工況下車輛內污染物情況

本研究的軌道交通新造車輛在各種工況下的TVOC和五苯三醛的濃度見表1，研究表明，在研究的3種工況下，車內空氣中甲醛和TVOC均能滿足TB/T 3139-2021標準中限值要求。

為對比新造車輛在高溫工況和常溫工況的VOCs釋放情況，對比工況1及工況2條件下車內VOCs水平及成分，從表1可發現，工況2條件下的各項物質濃度明顯低于工況1，這是因為工況1中車輛在高溫密閉條件下會促進大部分VOCs的釋放，測得總體濃度相對于常溫密閉狀態下顯著升高；由此可見，溫度是影響軌道交通車輛VOCs釋放量的重要因素。

為對比新造車輛不同下線時間在高溫條件下的VOCs釋放情況，對比工況1和工況3條件下VOCs車內VOCs水平及成分。從表1可發現，工況3條件下的各項物質濃度明顯低于工況1，這是因為工況3經過4個月自然條件下能夠有效促進VOCs的排放，車輛下線一段時間后車內VOCs衰減明顯。由此可見，時間是影響軌道交通車輛TVOC和五苯三醛的釋放量的又一重要因素。

綜合對比3種工況，可考慮對新造軌道交通車輛在適當工序中進行高溫處理，能夠促進車內有害物質的釋放；經過一段時間，能大幅度降低車內空氣中VOCs的濃度。這是減少新造車輛車內污染物的有效措施之一。

表1 軌道交通車輛在不同狀態下的TVOC和五苯三醛濃度 單位：mg/m3

3.2 城市軌道交通車輛VOCs污染物情況及健康影響分析

在大城市常用的通勤交通工具之一為地鐵，而在地鐵車廂中如果存在高濃度VOCs可能會導致健康問題和風險，對健康造成負面影響[10]。另外，城市軌道交通車輛司機的暴露時間遠大于乘客，其健康風險需得到關注。因此本文以某軌道交通車輛的司機室及客室的2種工況下的VOCs污染物情況為基礎，結合文獻中其他軌道交通車輛空氣質量情況，分析探討城市軌道交通車輛的VOCs情況及健康風險，為車內空氣健康提供數據支撐。

根據美國EPA的規定，空氣中苯的SF為0.029(kg·d·mg-1)；空氣中甲醛的SF為0.046(kg·d·mg-1)[11]。苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛及丙烯醛的RfC值在EPA的綜合風險信息系統中可查得，分別為0.03、5、1、0.1、1、0.2、0.009及0.000 05[12]。對于吸入率IR，本研究對象以成人為例，呼吸速率取值為0.833 m3/h[13]；對于體重BW，本文以成年男性作為研究對象，男性體重取值70 kg[13]；對于暴露時間ET(h/d)，本文研究對象主要是司機及乘客，司機值乘時長參考北京地鐵燕山-房山線，取值7.3 h/d[14]，上班通勤時長為1.12 h/d[15]；參考中國一般上班規律，暴露頻率EF取值250 d/y；根據中國現行退休制度，暴露持續時間ED取值35y。

3.2.1 致癌風險評估

各城市軌道交通車輛及本文研究的某型軌道交通車輛車內空氣中第Ⅰ類致癌物苯和甲醛的濃度水平及致癌風險值如表2所示，該表中除某型軌道交通車輛的結果為本次研究檢測的新造車輛外，其他車輛的VOCs含量來源于文獻[16-18]。

從表2可以看出，總體上各城市軌道交通車輛對司機的致癌風險值(RiskT1)均高于對上班通勤人員的致癌風險值(RiskT2)；對司機的致癌風險值在10-6～10-5，對上班通勤人員的致癌風險值在10-7～10-6；對司機和對上班通勤人員的致癌風險值都小于10-4，致癌風險都在可接受范圍內；部分項目小于10-6，不存在致癌風險。

表2 城市軌道交通車輛中苯及甲醛濃度水平及致癌風險值 單位：mg/m3

3.2.2 非致癌風險評估

各城市軌道交通車輛及本文研究的某型軌道交通車輛車內空氣中各污染物對乘客的非致癌風險HI值見表3。表3中數據顯示，各種污染物濃度存在明顯差異，這些差異主要是由地鐵列車運行時間、乘客數量、行車條件和城市污染水平等因素的不同造成的[19]。從表3可以看出各城市軌道交通車輛及本文研究的某型軌道交通車輛對應的非致癌風險危險指數(HI)均小于1，這表明研究的城市軌道交通車輛均不存在非致癌風險；但同樣對司機的非致癌危險指數(HI1)均高于對上班通勤人員的指數(HI2)，這主要是因為司機為職業駕駛人員，每天在車內的工作時間長，司機比上班通勤人員在車內的暴露時間長，因此司機接觸的VOCs更多，健康風險值更高。

需要關注的是，從表3可以看出，本文研究的某型軌道交通新造車輛工況1對司機的非致癌危險指數(HI1)相對較高，接近EPA規定的非致癌風險的臨界值，所以嚴格控制新造車輛司機室的VOCs濃度，可以有效控制對司機的非致癌風險。實際上新造車輛如果在夏季高溫情況下可能存在工況1狀態，但這通常不是車輛所處的常態，而且新造車輛達到工況3狀態(下線4月)時對司機的非致癌危險指數(HI1)已顯著降低。

表3 城市軌道交通車輛中五苯三醛濃度水平及非致癌風險值 單位：mg/m3

4 結論

1)高溫會促進VOCs的釋放，同時時間是影響軌道交通車輛VOCs釋放的又一重要因素，可考慮對新造軌道交通車輛在適當工序中進行高溫處理，能夠促進車內有害物質的釋放；經過一段時間可以有效降低車內空氣中VOCs濃度。

2)各城市軌道交通車輛的對司機致癌風險值(RiskT1)均高于對上班通勤人員的致癌風險值(RiskT2)，兩者的致癌風險值都小于10-4，致癌風險都在可接受范圍內。若按照不存在致癌風險(Risk<1×10-6)開展風險評價，則部分車輛還需要進一步降低車內VOCs濃度。

3)各城市軌道交通車輛的非致癌風險危險指數(HI)均小于1，不存在非致癌風險，同樣車輛對司機的非致癌危險指數均高于對上班通勤人員的指數，這主要是因為司機為職業駕駛人員，每天在車內的工作時間長，司機比上班通勤人員在車內的暴露時間長，因此司機接觸的VOCs更多，健康風險值更高。需要更嚴格控制司機室的VOCS濃度，以控制對司機的非致癌風險。

4)需要關注的是，本文研究的某型軌道交通新造車輛工況1對司機的非致癌危險指數(HI1)相對較高，所以嚴格控制新造車輛司機室的VOCs濃度，可以有效控制對司機的非致癌風險。實際上新造車輛如果在夏季高溫情況下可能存在工況1狀態，但這通常不是車輛所處的常態，而且新造車輛達到工況3(下線4個月)狀態時對司機的非致癌危險指數(HI1)已顯著降低。