目前,全國生活垃圾年產生量約為3.7×108t,其中農村生活垃圾產生量約1.9×108t,高于城市垃圾產生量。在今后較長一段時期內,我國生活垃圾的處置仍以填埋為主,但在小城鎮和農村地區衛生填埋率較低,生活垃圾常直接填坑或裸卸堆放。垃圾滲濾液是成分復雜的高濃度有機廢水,含有氨氮、有機物、重金屬離子和某些有毒物質。由于露天堆放缺少垃圾預處理與防滲導排等措施,在降雨和地表徑流作用下,滲濾液直接作用于周圍土壤,可造成潛在的環境風險。因此,有關小城鎮生活垃圾堆積場土壤污染特征的研究及其風險評價備受關注,然至今相關研究報道較少。

本文以山東省某小城鎮生活垃圾堆積場為研究對象,結合某項目規劃占用堆場位置,對堆場內及邊界土壤中的無機與重金屬污染物及揮發性-半揮發性有機污染物\\(VOCs-SVOCs\\)進行了分析測定,明確了場地污染特征,通過與國內外不同土壤基準\\(篩選\\)值的比較,評估檢出重金屬的潛在生態風險和健康風險,以期為該地區的土壤污染防治及風險管理提供參考,并指導此類土地的開發利用。

1、材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于山東省西南某縣\\(115°29′~115°40′E,34°57′~35°14′N\\)境內,地處淮河流域黃河沖積平原,區域微地貌類型以緩平坡地為主,地勢西南高東北低。區內主要含水層為第四系潛水,富水性中等,地下水流向為自西向東。該生活垃圾堆積場原為廢棄窯坑,垃圾入場前未做任何預處理,場地未設置防滲和滲濾液導流措施。堆場占地面積約45畝,于1995年開始堆放,2011年底停用。經過16年的使用,場內垃圾堆積總量已達15×104m3,平均堆積厚度為5m。

根據現場勘察,對堆場范圍用手持GPS定位,如圖1所示。

1.2樣品采集與分析

結合項目擬建區域,于2012年11月在垃圾堆積場內及邊界布設土壤采樣點位,見圖1。對堆場邊界土壤采樣時,直接采用Geoprobe鉆機進行土孔鉆探,前期調查表明,該場地400cm以上是雜填土,401~600cm為砂壤土,601~1100cm以粘土、砂壤土為主,接下來為100cm的淤泥質粘土,1200cm以下為砂壤土。在土壤質地或地層發生變化的層次、有明顯污染跡象的層次等采集土壤樣品共13個。對鉆機無法完成的內部點位,通過挖掘機以開挖剖面坑的方式直接采集土壤樣品共4個。樣品裝入玻璃瓶后密封,置于低溫箱中保存并及時送實驗室分析測試。堆場污染物檢測項目及分析方法見表1,具體樣品采集深度見表2。

1.3評價模型

1.3.1潛在生態風險評價模型

潛在生態風險評價是瑞典學者Hakanson建立的一套應用沉積學原理評價重金屬污染及生態風險的方法。該法不僅能夠反映多種環境污染物的綜合影響\\(用總潛在生態風險指數RI表示\\),也能反映某一污染物的影響\\(用單因子潛在生態風險指數Eir表示\\),并量化其潛在危害程度。計算公式如下:

式中,Cif為第i種元素的單項污染系數;Ci為第i種元素的實測濃度;Cin為第i種元素的計算參比值;Tir為第i種重金屬元素的毒性響應系數,它主要反映該種重金屬元素的毒性水平和環境對重金屬元素污染的敏感程度,所選評價因子As、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的Tri分別取10、2、5、5、5、1、40。根據RI和Eir值可將總潛在生態風險和單因子潛在生態風險進行分級,見表3。

1.3.2健康風險評價模型

參考USEPA土壤健康風險評價方法,重金屬健康風險評價步驟通常包括風險識別、暴露分析、毒性評價和風險評價。土壤重金屬主要通過以下途徑進入體內:\\(1\\)不慎經口直接攝入;\\(2\\)經口鼻呼吸吸入土壤顆粒物;\\(3\\)通過暴露的皮膚接觸。相關研究認為Hg對人類危害較大,除以上途徑外也可通過蒸氣攝入,因此,計算Hg攝入量時增加了Hg蒸氣的攝入途徑。以上途徑的暴露量劑量可分別用公式\\(4\\)~\\(7\\)進行計算:

其中,C表示暴露點土壤重金屬含量;IngR表示攝食率,InhR表示吸入率,EF為暴露頻率,ED為暴露周期,PEF為顆粒物排放因子,VF為氣體揮發因子,SA為皮膚暴露面積,SL為皮膚吸著系數,ABS為皮膚吸收因子\\(無量綱\\),BW為平均體重,AT為致癌效應與非致癌效應的平均時間。根據中國實際\\(《中華人民共和國污染場地風險評估技術導則》報批稿\\)將有關參數進行修正,具體取值參考文獻。

參照USEPA的健康風險評價指南,健康風險分為致癌性和非致癌性兩種。致癌風險表示人群癌癥發生的概率,通常以一定數量人口出現癌癥患者的個體數表示,若致癌風險指數\\(Risk\\)在10-6~10-4之間\\(即每1萬人到100萬人增加1個癌癥患者\\),認為該物質不具備致癌風險。非致癌風險用單一暴露途徑下單種污染物的非致癌風險指數\\(HQ,HazardQuotient\\)表示,HI為某種污染物多種暴露途徑下總的非致癌風險。一般認為,當HQ或HI<1時,風險較小或可以忽略,HQ或HI>1時認為存在非致癌風險。具體見公式\\(8\\)和\\(9\\)。式中參考劑量\\(RfD\\)和致癌斜率因子\\(SF\\)見表4所示。

2、污染特征

2.1無機及重金屬污染物分布特征

堆場土壤中無機及重金屬污染物沿土層深度的檢出情況見表5。由表5可知,在檢測的15種污染物中,Sb、Cd、Be、Se、Ag、Tl6種重金屬未檢出,總氰化物、Hg的檢出率僅為5.9%和23.5%,其余污染物全部檢出,并以總氟平均含量最高,這主要受當地淺層地下水F-高背景值的影響。除總氟、As、Ni外,總氰化物、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg含量最大值均位于堆場內S4、S5表層土壤。與山東省土壤環境背景值相比,As、Cr、Cu、Ni、Zn的超標率依次為100%、58.8%、52.9%、64.7%、58.8%,平均超標倍數依次為1.03、0.01、0.14、0.32、0.42,Hg的檢出超標率為100%,超標倍數為2.13~25.88,總氟、Pb的超標率分別為35.3%、11.8%,其平均值未超過背景值。

選取國內外不同土壤基準\\(篩選\\)值對檢出無機及重金屬污染物進行分析,與GB15618-1995二級標準相比,S4表層土壤中Zn超標0.6倍,其余污染物未見超標;與住宅用地方式下DB11/T-2011相比,不同點位沿土層的深度方向,As均有超標現象,超標率為35.3%,其余污染物未見超標;與居住用地方式下美國EPA區域篩選值\\(RSLs\\)相比,所有As檢出含量均超標,超標倍數為31.05~61.05,其余污染物未見超標;與美國生態土壤篩選值\\(Eco-SSLs\\)\\(保護對象為高等植物\\)相比,不同點位沿土層的深度方向,As、Ni、Zn均有超標,超標率分別為41.2%、29.4%、5.9%,其余污染物未見超標。由于不同國家在基準\\(篩選\\)值制定時的保護對象、土地利用方式、暴露途徑等不同,因此有必要結合以上因素和具體評價方法對檢出重金屬做進一步的風險評價。

2.2VOCs-SVOCs分布特征

堆場土壤中VOCs-SVOCs污染物沿土層深度的檢出情況見表6。由表6可知,在17個檢測樣品中,僅堆場內S4、S5表層土壤有機污染物可檢出,其余點位有機污染物均未超出檢出限,且在檢測的17類共計195種VOCs-SVOCs中,僅表中11種有機污染物可檢出,其余184種污染物均未檢出,其中3,4雙甲基苯酚、菲、鄰苯二甲酸雙\\(2-乙基己基\\)酯、苯胺在兩點位均有檢出,以鄰苯二甲酸雙\\(2-乙基己基\\)酯和3,4雙甲基苯酚檢出含量最高。已有研究表明,垃圾滲濾液中有機污染物種類繁多,并以烷烴、芳烴類為主,也存在著一些酸類、酯類、醇類、酚類、酮類、醛類、酰胺類等有機污染物,由此可知,堆場內表層土壤直接受到了滲濾液的污染。

同時,S4、S5深層土壤\\(約2m處\\)VOCs-SVOCs均未檢出,可見經過16a的生活垃圾堆積,土壤有機污染物的影響深度僅限于2m以內土層。

選取國內外不同土壤基準\\(篩選\\)值對檢出VOCs-SVOCs組分進行分析,GB15618-1995二級標準和美國生態土壤篩選值\\(Eco-SSLs\\)\\(保護對象為高等植物\\)均未對檢出污染物做規定,而與住宅用地方式下DB11/T-2011和居住用地方式下美國EPA區域篩選值\\(RSLs\\)相比,所有VOCs-SVOCs污染物均低于基準\\(篩選\\)值,由此可知,垃圾堆積場有機物污染程度較輕,無需開展進一步風險評價。

3、評價結果

3.1潛在生態風險評價結果

參比值的選擇是計算Eir的關鍵,不同的參比體系會對計算結果造成較大的差異,本研究結合擬建項目用地規劃,分別以山東省土壤背景值及GB15618-1995二級標準為參比值,計算7種重金屬的潛在生態風險指數,見表7所示。

從表7可知,在以山東省土壤背景值為參比值時,除Hg外,堆積土壤中6種重金屬的Eir值均小于40,處于輕微潛在生態風險水平,Hg的檢出含量Eir值介于125~1075,處于強~極強生態風險水平,未檢出Hg含量按其檢出限一半計算Eir、RI時,因其檢出限\\(0.05mg/kg\\)高于山東省土壤背景值,Eir計算結果為62.5,生態風險處于中等水平,可能高估了Hg的生態風險和土壤總風險。比較不同重金屬的Eir、RI值可知,除As外,堆積場內土壤中單一重金屬的生態風險普遍高于堆積場邊界,邊界土壤中重金屬總潛在生態風險為輕微水平,堆積場內土壤因多個點位Hg積累而生態風險處于強~很強水平。在以GB15618-1995二級標準為參比值時,7種重金屬均處于輕微生態風險水平,Eir、RI值表明,堆積場內和邊界土壤對生態的危害程度輕微。

由上述分析可知,在不同參比體系下,堆積場內和邊界土壤中重金屬的生態風險存在差異,但普遍處于輕微水平,僅在以山東省土壤背景值為參比值時,堆積場內土壤因多個點位Hg積累而生態風險水平較高,應當引起關注。與此同時,土壤中所有Hg的檢出含量均低于GB15618-1995二級標準限值\\(保障農業生產,維護人體健康的限制值\\),仍能滿足一定的功能要求。一般認為垃圾中重金屬Hg主要來源于廢棄的電池\\(如堿性電池\\)、電器、溫度計以及報刊雜志等,由此可見,生活垃圾分類收集可有效杜絕堆積場土壤Hg污染。

3.2健康風險評價結果

USEPA推薦采用重金屬含量數據的95%置信上限,即95%UCL計算健康風險值,但是相關研究認為這樣會過高估計風險發生水平,因此本研究結合堆積場土壤總體污染特征,分別采用堆積場內和邊界土壤重金屬含量的平均值來計算健康風險,結果見表8。

由表8可知,對于非致癌風險,針對兒童和成人2個群體,堆積場內和邊界土壤HI在0.40~0.44之間,均低于安全閾值\\(HI<1.0\\)。比較不同暴露途徑的HQ可知,對于兒童,在3種暴露途徑中,經口直接攝入途徑的非致癌風險最高,其次為皮膚接觸和呼吸暴露途徑,且經口攝入風險遠高于后兩者;而對于成人,則是呼吸暴露途徑的非致癌風險最高,經口直接攝入和經呼吸暴露途徑其次。單種重金屬的非致癌風險排序均為As>Cr>Ni>Pb>Cu>Zn>Hg,其中As、Cr的非致癌風險較之其他5種重金屬高出1~2個數量級。

對于致癌風險,針對兒童和成人2個群體,堆積場內和邊界土壤RT在2.20×10-5~4.63×10-5,在安全閾值\\(10-6~10-4\\)范圍以內,但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\\),應當引起關注。7種重金屬中僅As、Cr、Ni具有致癌風險,單種重金屬的致癌風險排序均為As>Ni>Cr,總致癌風險由經口直接攝入途徑的As風險值決定。

由上述分析可知,該生活垃圾堆積場內和邊界土壤對兒童和成人的致癌和非致癌風險均在可接受的范圍內,不會對目標人群的健康產生負面影響。在致癌和非致癌風險中,產生不利影響的重金屬主要是As、Cr,暴露途徑主要為經口直接攝入和皮膚接觸,若從以上途徑降低人群接觸量,能有效降低垃圾堆積場土壤的暴露風險。

4、結論

1\\)由土壤中無機及重金屬污染物的檢出情況可知,堆場內表層土壤污染程度高于其余點位,并以總氟含量最高。與山東省土壤背景值相比,除總氟、總氰化物、Pb外,其余污染物的平均值已高于背景值。與國內外不同土壤基準\\(篩選\\)值的比較可知,土壤中As、Ni、Zn有超標現象。

2\\)由土壤中VOCs-SVOCs檢出情況可知,僅堆場內表層土壤有機污染物可檢出,且影響深度僅限于2m以內土層,并以鄰苯二甲酸雙\\(2-乙基己基\\)酯含量最高。與國內外不同土壤基準\\(篩選\\)值的比較可知,所有VOCs-SVOCs均低于基準\\(篩選\\)值。

3\\)土壤重金屬的潛在生態風險評價結果表明,堆場土壤中重金屬的生態風險普遍處于輕微水平,僅以山東省土壤背景值為參比值時,堆場內土壤因多個點位Hg積累而生態風險水平處于強~很強水平。除As外,堆場內土壤中單一重金屬的生態風險高于邊界。

4\\)土壤重金屬健康風險評價結果表明,堆場內和邊界土壤對兒童和成人的致癌和非致癌風險均在可接受的范圍內,不同群體的健康風險差別較小。產生不利健康風險的重金屬主要是As、Cr,暴露途徑為經口直接攝入和皮膚接觸。