污泥基充填體浸出水樣水質及健康風險評價

劉 音，馬吉燕，程興娜，*，陳 森，杜玉嬌，王婷婷

(1. 山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦業工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590)

0 引 言

城市污泥是污水處理廠對污水進行凈化后產生的固體或液體物質，由于水、鹽、揮發性物質、重金屬、致病菌和微量有機物含量高，城市污泥難以被生物降解，對城市環境構成嚴重威脅[1-2]。污泥產量大，生長速度快。據統計，截至2020年6月，我國城市污泥年產生量共計5 000多萬t(以含水率80%計，不含工業污泥)，預計到2022年將突破8 909 萬t[3]。目前處理城市污泥的主要方法是物理填埋[4-6]。然而，這種方法占用土地資源，甚至可能會造成二次污染。

近年來，國內外高度重視對城市污泥的利用和處置，鼓勵開展污泥廢棄物的研究和污泥安全環保工作[7-9]。有專家學者提出將污泥應用于礦山充填領域，為污泥的處置提供了一種新的思路，然而污泥成分比較復雜，有害物質較多，因此有必要對污泥基充填體對地下水的水質影響進行研究。目前，國內外的水質評價方法主要有單因子評價法、綜合指數評價法和綜合評價法[10-13]。單因子評價法以最差指標等級作為水質評價等級，評價結果較為保守。綜合指數評價法沒有將權重納入評價，評價結果較為主觀。綜合評價法綜合考慮指標與權重的關系，評價結果較具綜合性[14]。王晴晴等[15]以臺州市河網水系為研究對象，利用熵權法與主成分分析法相結合的方法對河流水質進行了系統的評價；夏凡等[16]采用主成分分析法對丹江口16條入庫河流進行了水質評價，并將評價結果與單因子評價法、綜合污染指數法進行了對比分析；楊麗芝[17]等采用改進的潛在危害指數法對水源地的地下水樣品有機物進行檢測和評價；尤龍鳳[18]對太原市不同類型的飲用水進行研究，引入健康風險評價對其致癌和非致癌風險進行評價。劉久潭[19]等運用數理統計、水化學、模糊綜合評價以及因子分析等方法對西海岸新區地下水水質進行評價。綜上，針對水質狀況的研究多采用單一水質評價方法或應用健康風險進行評價，而將兩者結合以評價水質的研究卻鮮有報道。將水質評價和健康風險評價結合使用有助于全面掌握水質狀況和科學地管理維護水樣。

本文對污泥基充填體的環境友好性問題進行了研究，并將和諧度方程引入風險評價，利用和諧度“綜合程度評價”法進行水質綜合等級評定，并將健康風險評價引入安全評價，為污泥基充填體浸出水樣水質狀況研究提供了新的思路和方法。

1 材料與方法

1.1 充填體試件及監測水樣制備

前期試驗證明摻加10%污泥的充填體與未摻加污泥的充填體相比，其28 d強度下降了70.8%，但仍然以達到2 MPa，可以滿足目前采空區強度需求。另外污泥的摻加有效地縮短了凝結時間，初凝與終凝時間較未摻加污泥的充填體縮短64.4% 和59.5%。按照污泥∶水泥∶粉煤灰=1∶2∶3制備試件，生石灰作為激發劑摻量為4%，料漿濃度為70%，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。將制備好的污泥基充填體試件養護28 d后浸泡在裝有礦井水的水桶中，固液比為1∶10，浸泡60 d后，取上清液即為待檢水樣。本研究選取了10項指標對其進行研究。這些指標大致可分為兩類，一類為一般化學指標，包括pH值、總硬度、濁度、溶解性總固體這4項指標，另一類為毒性離子指標，包括Zn、Cr、Cu、Mn、Pb和氟化物(F-)這6項指標。分別進行四組試驗互為對照補充。評價指標及其等級標準如表1所示。

表1 評價指標及等級標準

浸出水樣的pH值采用數字式pH計(pHS-3E型)進行測量，使用電導率儀(DDSJ-308F型)進行溶解性總固體測量，使用濁度計(WZS-200型)測定水樣的濁度。重金屬離子以及氟離子等毒性離子濃度采用電感耦合等離子體質譜儀(型號ICAP6300)進行測定，地下水水質劃分標準及水樣各指標檢測結果如表1和表2所示。

表2 水樣檢測結果

1.2 和諧度評價法

左其亭教授最早將研究“和諧”行為的理論和方法體系稱為和諧論，并進一步定義“和諧論是研究多方參與者共同實現和諧行為的理論和方法”[20]。和諧度方程是和諧論實現量化的基礎，和諧度評價法是依據和諧度方程計算單指標和諧度，進而通過指標權重系數計算多指標綜合和諧度，進而判斷指標的分類等級。

1.2.1 單因素和諧度方程

HDk=ai-bj

(1)

式(1)中：HDk為和諧度，其取值范圍為[-1，1]；a為統一度，b為分歧度，a、b∈[0，1]；i為和諧系數，j為不和諧系數，i、j∈[0，1]。

和諧度方程各指標含義如表3所示。

表3 和諧度方程各指標介紹

1.2.2 多因素和諧度方程

(2)

式(2)中：HD為綜合和諧度，n表示因素個數，ωk表示各指標權重。

1.2.3 和諧度方程各參數確定方法

(1)統一度a的計算

a=φ(A1,A2)

(3)

式(3)中：φ(A1，A2)為和諧行為A1與A2之間的關聯程度隸屬度，通常對指標體系建立線性函數進行計算。

(2)分歧度b的計算

分歧度b與統一度a表達的意思相反，且a+b=1，故:

b=1-φ(A1,A2)

(4)

(3)和諧系數i的計算

本文和諧系數計算運用模糊數學思想，對和諧系數進行分級，按照地下水等級標準劃分為1、1～0.67、0.67～0.33、0.33～0、0五類，數據與劃分等級對號入座進行匹配，根據和諧系數兩節點公式進行計算，即按公式(4)確定指標和諧系數：

(5)

(4)不和諧系數j的計算

不和諧系數j反映和諧參與者對存在分歧現象的重視程度，可以根據分歧度計算確定，即j=b。

1.2.4 和諧度方程評價流程

基于和諧度分析的地下水水質評價模型利用層次分析法確定指標權重，通過和諧度評價法確定地下水水質等級，其流程見圖1。

圖1 和諧度方程“綜合程度評價”評價流程圖Fig.1 The evaluation flow chart of the “comprehensive degree evaluation” of the harmony degree equation

1.3 健康風險評價

根據重金屬進入人體后產生的健康風險，主要劃分為化學致癌物質風險評價和化學非致癌物質風險評價兩類，計算公式分別為[21]：

D=V×C/W

(6)

(7)

(8)

假設飲用水中化學致癌物質與化學非致癌物質對人體健康的危害呈相加關系而非協同或拮抗關系，故飲用水總健康危害風險為：

(9)

化學致癌物質與化學非致癌物質風險計算模型中參數Qi和RfDj的值見表4，其余參數值見表5。

表4 模型參數Qi 和RfDj值

表5 我國男性、女性的平均體重、壽命及飲水量

2 結果與討論

2.1 和諧度評價

計算出水樣各指標和諧度參數值，通過式(1)確定子和諧度，結合權重以及式(2)確定綜合和諧度值，結果見表6。權重的確定采用層次分析法，邀請地下水污染方面專家打分，通過對各因素進行分析、比較和計算，確定pH值、溶解性總固體、濁度、Cu、Zn、Cr、Mn、Pb、氟化物和總硬度10項指標的權重值。

表6 各指標和諧度值

由于四組實驗數據具有同等作用，對評價的影響相當，故權重均為0.25，把四組數據的和諧度再次進行加權平均計算，最終得出浸出液水質和諧度，HD=0.45。

通過運用和諧度方程得出污泥煤矸石充填膏體浸出液水質和諧度值，根據表7確定水質為Ⅲ類水，可適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水。

表7 水質和諧度劃分標準

雖然污泥煤矸石充填膏體浸出液總體符合Ⅲ類水質標準，但部分指標超過Ⅴ類水質標準，在污泥用作充填材料時，需要特別注意超標項目。pH超過Ⅴ類水質標準，這是由于污泥在消化過程中本身添加堿性消化材料，而且在后續試驗過程中添加了生石灰促進水化反應，在以后的應用過程中可添加弱酸進行地下水的中和。濁度略大于Ⅲ類水質標準，污泥松散易溶于水，粒徑小，顏色深，導致浸泡液濁度個別偏大。

2.2 健康風險評價

經和諧度評價結果表明污泥基充填體浸出水樣適用于用作集中飲用水水源或工農業用水，故對其進行和諧度評價以外再進行水環境健康風險評價也是十分必要的。

從表8可知，本試驗選取指標中的致癌金屬鉻在食入途徑下的個人平均致癌年風險值在0.438×10-5～1.237×10-5之間波動，此數值低于USEPA規定的最大風險值1×10-4，但是高于荷蘭建設和環境部所能接受的最大風險水平1×10-6，總體屬于中等風險等級。表明污泥基充填體浸出水樣在食入途徑下給人體帶來的潛在危害不容忽視，在食入前需對水樣進行預處理。污泥基充填體浸出水樣中的非致癌金屬銅、鋅、錳、鉛在食入途徑下的總平均致癌風險值位于3.916×10-9～8.706×10-9之間，且風險值以錳最大，鉛、銅次之，鋅最小，總體屬于低風險等級。四種非致癌金屬風險值達到荷蘭建設和環境部的可忽略風險水平1×10-8，即化學致癌物質對人體健康危害的個人年風險是非致癌物質的105倍左右，即污泥基充填體浸出水樣的總體個人健康危害年均值以致癌物質鉻健康危害風險為主，故應加強對充填采空區水環境中重金屬鉻的監測。

表8 致癌物質和非致癌物質通過飲水途徑的致癌健康風險值Table 8 Carcinogenic health risk values of carcinogens and non-carcinogens through the drinking water route

3 結 論

利用和諧度評價和健康風險評價相結合的方法對污泥基充填體浸出水樣的水質進行分析評價，得出以下結論：

(1)和諧度評價結果表明污泥基充填體浸出液和諧度值為0.45，總體符合Ⅲ類水質標準，水質狀況良好。但部分指標超過Ⅴ類水質標準，需要特別注意超標項目，尤其是浸出液pH，可減少堿性試劑使用量或者對地下水進行中和反應后再利用。

(2)污泥基充填體浸出水樣的重金屬年均致癌風險值位于4.379×10-5～9.414×10-5之間，此數值介于USEPA(1×10-4)和荷蘭建設和環境部(1×10-6)規定的最大可接受風險值之間。重金屬年均非致癌風險值位于3.916×10-9～8.706×10-9之間，達到荷蘭建設和環境部的可忽略風險水平(1×10-8)，故健康危害主要取決于致癌重金屬鉻。

(3)除了對污泥基充填體浸出液進行常規的地下水水質評價(和諧度評價)，同時對其進行水環境健康風險評價也具有重要意義，將兩者結合使用可以更加全面科學地評估水質風險，從而加強對充填采空區及周邊水質的管理監測及治理保護。