目前,全国生活垃圾年产生量约为3.7×108t,其中农村生活垃圾产生量约1.9×108t,高于城市垃圾产生量。在今后较长一段时期内,我国生活垃圾的处置仍以填埋为主,但在小城镇和农村地区卫生填埋率较低,生活垃圾常直接填坑或裸卸堆放。垃圾渗滤液是成分复杂的高浓度有机废水,含有氨氮、有机物、重金属离子和某些有毒物质。由于露天堆放缺少垃圾预处理与防渗导排等措施,在降雨和地表径流作用下,渗滤液直接作用于周围土壤,可造成潜在的环境风险。因此,有关小城镇生活垃圾堆积场土壤污染特征的研究及其风险评价备受关注,然至今相关研究报道较少。
本文以山东省某小城镇生活垃圾堆积场为研究对象,结合某项目规划占用堆场位置,对堆场内及边界土壤中的无机与重金属污染物及挥发性-半挥发性有机污染物(VOCs-SVOCs)进行了分析测定,明确了场地污染特征,通过与国内外不同土壤基准(筛选)值的比较,评估检出重金属的潜在生态风险和健康风险,以期为该地区的土壤污染防治及风险管理提供参考,并指导此类土地的开发利用。
1、材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于山东省西南某县(115°29′~115°40′E,34°57′~35°14′N)境内,地处淮河流域黄河冲积平原,区域微地貌类型以缓平坡地为主,地势西南高东北低。区内主要含水层为第四系潜水,富水性中等,地下水流向为自西向东。该生活垃圾堆积场原为废弃窑坑,垃圾入场前未做任何预处理,场地未设置防渗和渗滤液导流措施。堆场占地面积约45亩,于1995年开始堆放,2011年底停用。经过16年的使用,场内垃圾堆积总量已达15×104m3,平均堆积厚度为5m。
根据现场勘察,对堆场范围用手持GPS定位,如图1所示。
1.2样品采集与分析
结合项目拟建区域,于2012年11月在垃圾堆积场内及边界布设土壤采样点位,见图1。对堆场边界土壤采样时,直接采用Geoprobe钻机进行土孔钻探,前期调查表明,该场地400cm以上是杂填土,401~600cm为砂壤土,601~1100cm以粘土、砂壤土为主,接下来为100cm的淤泥质粘土,1200cm以下为砂壤土。在土壤质地或地层发生变化的层次、有明显污染迹象的层次等采集土壤样品共13个。对钻机无法完成的内部点位,通过挖掘机以开挖剖面坑的方式直接采集土壤样品共4个。样品装入玻璃瓶后密封,置于低温箱中保存并及时送实验室分析测试。堆场污染物检测项目及分析方法见表1,具体样品采集深度见表2。
1.3评价模型
1.3.1潜在生态风险评价模型
潜在生态风险评价是瑞典学者Hakanson建立的一套应用沉积学原理评价重金属污染及生态风险的方法。该法不仅能够反映多种环境污染物的综合影响(用总潜在生态风险指数RI表示),也能反映某一污染物的影响(用单因子潜在生态风险指数Eir表示),并量化其潜在危害程度。计算公式如下:
式中,Cif为第i种元素的单项污染系数;Ci为第i种元素的实测浓度;Cin为第i种元素的计算参比值;Tir为第i种重金属元素的毒性响应系数,它主要反映该种重金属元素的毒性水平和环境对重金属元素污染的敏感程度,所选评价因子As、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的Tri分别取10、2、5、5、5、1、40。根据RI和Eir值可将总潜在生态风险和单因子潜在生态风险进行分级,见表3。
1.3.2健康风险评价模型
参考USEPA土壤健康风险评价方法,重金属健康风险评价步骤通常包括风险识别、暴露分析、毒性评价和风险评价。土壤重金属主要通过以下途径进入体内:(1)不慎经口直接摄入;(2)经口鼻呼吸吸入土壤颗粒物;(3)通过暴露的皮肤接触。相关研究认为Hg对人类危害较大,除以上途径外也可通过蒸气摄入,因此,计算Hg摄入量时增加了Hg蒸气的摄入途径。以上途径的暴露量剂量可分别用公式(4)~(7)进行计算:
其中,C表示暴露点土壤重金属含量;IngR表示摄食率,InhR表示吸入率,EF为暴露频率,ED为暴露周期,PEF为颗粒物排放因子,VF为气体挥发因子,SA为皮肤暴露面积,SL为皮肤吸着系数,ABS为皮肤吸收因子(无量纲),BW为平均体重,AT为致癌效应与非致癌效应的平均时间。根据中国实际(《中华人民共和国污染场地风险评估技术导则》报批稿)将有关参数进行修正,具体取值参考文献。
参照USEPA的健康风险评价指南,健康风险分为致癌性和非致癌性两种。致癌风险表示人群癌症发生的概率,通常以一定数量人口出现癌症患者的个体数表示,若致癌风险指数(Risk)在10-6~10-4之间(即每1万人到100万人增加1个癌症患者),认为该物质不具备致癌风险。非致癌风险用单一暴露途径下单种污染物的非致癌风险指数(HQ,HazardQuotient)表示,HI为某种污染物多种暴露途径下总的非致癌风险。一般认为,当HQ或HI<1时,风险较小或可以忽略,HQ或HI>1时认为存在非致癌风险。具体见公式(8)和(9)。式中参考剂量(RfD)和致癌斜率因子(SF)见表4所示。
2、污染特征
2.1无机及重金属污染物分布特征
堆场土壤中无机及重金属污染物沿土层深度的检出情况见表5。由表5可知,在检测的15种污染物中,Sb、Cd、Be、Se、Ag、Tl6种重金属未检出,总氰化物、Hg的检出率仅为5.9%和23.5%,其余污染物全部检出,并以总氟平均含量最高,这主要受当地浅层地下水F-高背景值的影响。除总氟、As、Ni外,总氰化物、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg含量最大值均位于堆场内S4、S5表层土壤。与山东省土壤环境背景值相比,As、Cr、Cu、Ni、Zn的超标率依次为100%、58.8%、52.9%、64.7%、58.8%,平均超标倍数依次为1.03、0.01、0.14、0.32、0.42,Hg的检出超标率为100%,超标倍数为2.13~25.88,总氟、Pb的超标率分别为35.3%、11.8%,其平均值未超过背景值。
选取国内外不同土壤基准(筛选)值对检出无机及重金属污染物进行分析,与GB15618-1995二级标准相比,S4表层土壤中Zn超标0.6倍,其余污染物未见超标;与住宅用地方式下DB11/T-2011相比,不同点位沿土层的深度方向,As均有超标现象,超标率为35.3%,其余污染物未见超标;与居住用地方式下美国EPA区域筛选值(RSLs)相比,所有As检出含量均超标,超标倍数为31.05~61.05,其余污染物未见超标;与美国生态土壤筛选值(Eco-SSLs)(保护对象为高等植物)相比,不同点位沿土层的深度方向,As、Ni、Zn均有超标,超标率分别为41.2%、29.4%、5.9%,其余污染物未见超标。由于不同国家在基准(筛选)值制定时的保护对象、土地利用方式、暴露途径等不同,因此有必要结合以上因素和具体评价方法对检出重金属做进一步的风险评价。
2.2VOCs-SVOCs分布特征
堆场土壤中VOCs-SVOCs污染物沿土层深度的检出情况见表6。由表6可知,在17个检测样品中,仅堆场内S4、S5表层土壤有机污染物可检出,其余点位有机污染物均未超出检出限,且在检测的17类共计195种VOCs-SVOCs中,仅表中11种有机污染物可检出,其余184种污染物均未检出,其中3,4双甲基苯酚、菲、邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯、苯胺在两点位均有检出,以邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯和3,4双甲基苯酚检出含量最高。已有研究表明,垃圾渗滤液中有机污染物种类繁多,并以烷烃、芳烃类为主,也存在着一些酸类、酯类、醇类、酚类、酮类、醛类、酰胺类等有机污染物,由此可知,堆场内表层土壤直接受到了渗滤液的污染。
同时,S4、S5深层土壤(约2m处)VOCs-SVOCs均未检出,可见经过16a的生活垃圾堆积,土壤有机污染物的影响深度仅限于2m以内土层。
选取国内外不同土壤基准(筛选)值对检出VOCs-SVOCs组分进行分析,GB15618-1995二级标准和美国生态土壤筛选值(Eco-SSLs)(保护对象为高等植物)均未对检出污染物做规定,而与住宅用地方式下DB11/T-2011和居住用地方式下美国EPA区域筛选值(RSLs)相比,所有VOCs-SVOCs污染物均低于基准(筛选)值,由此可知,垃圾堆积场有机物污染程度较轻,无需开展进一步风险评价。
3、评价结果
3.1潜在生态风险评价结果
参比值的选择是计算Eir的关键,不同的参比体系会对计算结果造成较大的差异,本研究结合拟建项目用地规划,分别以山东省土壤背景值及GB15618-1995二级标准为参比值,计算7种重金属的潜在生态风险指数,见表7所示。
从表7可知,在以山东省土壤背景值为参比值时,除Hg外,堆积土壤中6种重金属的Eir值均小于40,处于轻微潜在生态风险水平,Hg的检出含量Eir值介于125~1075,处于强~极强生态风险水平,未检出Hg含量按其检出限一半计算Eir、RI时,因其检出限(0.05mg/kg)高于山东省土壤背景值,Eir计算结果为62.5,生态风险处于中等水平,可能高估了Hg的生态风险和土壤总风险。比较不同重金属的Eir、RI值可知,除As外,堆积场内土壤中单一重金属的生态风险普遍高于堆积场边界,边界土壤中重金属总潜在生态风险为轻微水平,堆积场内土壤因多个点位Hg积累而生态风险处于强~很强水平。在以GB15618-1995二级标准为参比值时,7种重金属均处于轻微生态风险水平,Eir、RI值表明,堆积场内和边界土壤对生态的危害程度轻微。
由上述分析可知,在不同参比体系下,堆积场内和边界土壤中重金属的生态风险存在差异,但普遍处于轻微水平,仅在以山东省土壤背景值为参比值时,堆积场内土壤因多个点位Hg积累而生态风险水平较高,应当引起关注。与此同时,土壤中所有Hg的检出含量均低于GB15618-1995二级标准限值(保障农业生产,维护人体健康的限制值),仍能满足一定的功能要求。一般认为垃圾中重金属Hg主要来源于废弃的电池(如碱性电池)、电器、温度计以及报刊杂志等,由此可见,生活垃圾分类收集可有效杜绝堆积场土壤Hg污染。
3.2健康风险评价结果
USEPA推荐采用重金属含量数据的95%置信上限,即95%UCL计算健康风险值,但是相关研究认为这样会过高估计风险发生水平,因此本研究结合堆积场土壤总体污染特征,分别采用堆积场内和边界土壤重金属含量的平均值来计算健康风险,结果见表8。
由表8可知,对于非致癌风险,针对儿童和成人2个群体,堆积场内和边界土壤HI在0.40~0.44之间,均低于安全阈值(HI<1.0)。比较不同暴露途径的HQ可知,对于儿童,在3种暴露途径中,经口直接摄入途径的非致癌风险最高,其次为皮肤接触和呼吸暴露途径,且经口摄入风险远高于后两者;而对于成人,则是呼吸暴露途径的非致癌风险最高,经口直接摄入和经呼吸暴露途径其次。单种重金属的非致癌风险排序均为As>Cr>Ni>Pb>Cu>Zn>Hg,其中As、Cr的非致癌风险较之其他5种重金属高出1~2个数量级。
对于致癌风险,针对儿童和成人2个群体,堆积场内和边界土壤RT在2.20×10-5~4.63×10-5,在安全阈值(10-6~10-4)范围以内,但却接近国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受风险值(5.0×10-5),应当引起关注。7种重金属中仅As、Cr、Ni具有致癌风险,单种重金属的致癌风险排序均为As>Ni>Cr,总致癌风险由经口直接摄入途径的As风险值决定。
由上述分析可知,该生活垃圾堆积场内和边界土壤对儿童和成人的致癌和非致癌风险均在可接受的范围内,不会对目标人群的健康产生负面影响。在致癌和非致癌风险中,产生不利影响的重金属主要是As、Cr,暴露途径主要为经口直接摄入和皮肤接触,若从以上途径降低人群接触量,能有效降低垃圾堆积场土壤的暴露风险。
4、结论
1)由土壤中无机及重金属污染物的检出情况可知,堆场内表层土壤污染程度高于其余点位,并以总氟含量最高。与山东省土壤背景值相比,除总氟、总氰化物、Pb外,其余污染物的平均值已高于背景值。与国内外不同土壤基准(筛选)值的比较可知,土壤中As、Ni、Zn有超标现象。
2)由土壤中VOCs-SVOCs检出情况可知,仅堆场内表层土壤有机污染物可检出,且影响深度仅限于2m以内土层,并以邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯含量最高。与国内外不同土壤基准(筛选)值的比较可知,所有VOCs-SVOCs均低于基准(筛选)值。
3)土壤重金属的潜在生态风险评价结果表明,堆场土壤中重金属的生态风险普遍处于轻微水平,仅以山东省土壤背景值为参比值时,堆场内土壤因多个点位Hg积累而生态风险水平处于强~很强水平。除As外,堆场内土壤中单一重金属的生态风险高于边界。
4)土壤重金属健康风险评价结果表明,堆场内和边界土壤对儿童和成人的致癌和非致癌风险均在可接受的范围内,不同群体的健康风险差别较小。产生不利健康风险的重金属主要是As、Cr,暴露途径为经口直接摄入和皮肤接触。
