文章推荐| 陈冠益教授团队：拉萨市垃圾焚烧飞灰重金属特性分析及风险评价
倪海凤1 旦增1* 周文武1 周鹏1 许飞1 杨涛1 孟德安1 陈冠益2
（1．西藏大学 理学院，拉萨 850000; 2．天津商业大学，天津 300072)
研究背景
随着我国人民生活水平不断提高，生活垃圾产生量逐年增加。2019年，全国城市生活垃圾清运量已超过2.4亿t。焚烧处理生活垃圾具有减容减量大、无害化水平高、能量可回收再利用等优势。2019年全国城市生活垃圾焚烧率达到50.3%，比2010年的焚烧率(18.8%)提高了31.5百分点。垃圾焚烧过程中会产生大量的有毒垃圾焚烧飞灰(以下简称“飞灰”)，飞灰的产生量为生活垃圾焚烧量的3%～5%。飞灰中Cr、Pb、Cd、Cu和Zn具有潜在污染和人体暴露风险。《国家危险废物名录》已明确将飞灰规定为危险废物。
国内外普遍采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险评价法进行重金属污染评价。但飞灰中重金属总含量只能表明元素的富集，而不能预测重金属的有效性和毒性。因此，单因子污染指数法和内梅罗综合污染法不适用于评估飞灰中重金属对环境的潜在污染水平，而潜在风险指数可以较准确地评价飞灰中重金属的潜在环境风险，这种方法综合考虑了重金属种类、数量、毒性和稳定性。与环境风险评估相比，健康风险评估更具针对性，可评估重金属对人类健康的潜在危害风险。
拉萨市生活垃圾焚烧发电厂是西藏首座生活垃圾焚烧发电厂，一期工程于2018年3月开始投入运行，有2台机械炉排炉，每台处理能力为350t/d。二期工程处理能力为350t/d。焚烧产生的飞灰是通过一定固化稳定化处理后进行填埋。目前，尚无拉萨市垃圾焚烧飞灰的特性、飞灰对环境及人体健康影响方面的研究报告。因此，本文通过采集拉萨市垃圾焚烧发电厂飞灰，对飞灰重金属含量及浸出毒性进行分析，评价飞灰中重金属对环境的潜在风险及健康风险，掌握拉萨市飞灰基本特征，以期为拉萨市飞灰的无害化处理处置提供理论支撑和参考。
摘 要
焚烧是城市垃圾处理主流技术，飞灰作为垃圾焚烧主要污染物成为垃圾焚烧污染控制关键环节。采集拉萨市垃圾焚烧发电厂飞灰样品，分析了飞灰中重金属含量及浸出毒性特征，并采用改进的潜在风险评价法及健康风险评价法评价飞灰中重金属的潜在风险。结果表明：拉萨市飞灰中重金属含量较高，且Pb的浸出浓度超过GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》浸出液最高允许值的16倍。污染评价结果表明，拉萨市飞灰中Pb对环境具有极强的污染风险。健康风险评价结果表明，飞灰中重金属对人体的致癌风险在可接受范围内，但其非致癌风险值高于美国国家环境保护局（EPA）推荐的非致癌风险值（HQ≤1）,对人体具有较高的非致癌风险。其中Pb对成人和儿童的非致癌风险值分别为3.8975和9.7458,是非致癌风险的主要贡献者。
01
材料和方法
1. 飞灰样品的采集
飞灰样品取自拉萨市生活垃圾焚烧发电厂，该厂采用往复式机械炉排炉，烟气净化采用SNCR+干法+半干法+布袋除尘器组合工艺。2020年7月，在焚烧炉正常工作状态下，采集不同时段的3份5kg飞灰样品，混合均匀后密封避光储存，于105℃下烘干24h，取出混匀，取200g研磨，过100目筛备用。
2. 重金属全量分析
飞灰全量消解参考HJ781—2016《固体废物22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》的电热板消解法。消解后的样品用ICAP6300电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-20103923)进行测试。为保证数据质量，每个样品重复2次，每批样品准备2个空白样。
3. 重金属浸出毒性测试
飞灰中重金属浸出毒性测试参考HJ/T299—2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》。用ICAP6300电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP20103923)测试。
4. 飞灰重金属的环境污染评价方法
根据监管和管控要求不同，飞灰可能露天堆放、简单预处理填埋或稳定化填埋。若飞灰未妥善处理就进入填埋场，飞灰中重金属可能对环境造成污染。
潜在生态污染评价法能反映飞灰中重金属的稳定性及其对环境的潜在风险。因此，本文采用潜在风险评价法对拉萨飞灰重金属的潜在环境污染风险进行评价。其计算方法见式(1)。
式中：RI为潜在环境风险指数；n为重金属数量；i为重金属种类；Ti为重金属i的毒性响应系数，本研究中5种重金属Zn、Cr、Cu、Pb和Cd的Ti分别为1、2、5、5和30；Ci为重金属i对环境的污染强度，重金属含量越高，污染强度越大，Ci=mi/mi0，Li=mil/mi，mi为重金属含量，mg/kg；mi0为重金属含量的参考值，mg/kg；Li为在不同情况下重金属释放的难易程度，即重金属浸出率，重金属只有从飞灰中释放后才可能对环境构成威胁；mil为浸出重金属含量，mg/kg；Eri为第i种重金属的潜在环境风险指数，Eri风险分级第1级上限值为非污染物的污染系数(Si=1)与参评污染物最大毒性系数(本研究最大毒性系数为30)的乘积，其他风险级别上限值采用上一级风险值的2倍。RI分级调整:先根据Hakanson的第1级分级值150除以8种污染物的毒性系数总值133，得到单位毒性系数的RI分级值为1.13，将单位毒性系数分级值(1.13)乘以本研究中5种重金属元素的毒性系数总值43，取十位数整数获得RI第1界限值50，剩下各级界限值由上一级界限值乘以2得到。分级标准见表1。
5. 人体健康风险评价
5.1 模型
若飞灰不经妥善处理直接进入填埋场，飞灰中重金属将受降雨影响随着雨水浸出并渗入地下，再通过一系列的迁移作用，被输送到地下水流经地区，最后到达居民饮用的自来水井。为了计算拉萨市垃圾焚烧飞灰对人体健康造成的风险，根据HJ25.3—2014《污染场地风险评估技术导则》及相关文献，采用假设模型计算经口摄入途径日均暴露剂量(ADD)：
各参数假设:1)受影响居民的数量为10万人；2)儿童和成人平均体重(BW)分别为15.9，56.8kg；3)可能受害者的主要受害途径为饮用受飞灰中重金属污染的地下水，其他暴露与其相比可忽略不计；4)儿童和成人每天饮用的总水量分别为0.7，1L；5)假设饮用水中污染物100%被人体所吸收；6)C=实验室重金属浸出液浓度值/稀释衰减因子(DAF)，mg/L，DAF取100；7)EF为暴露频率，取350d/a；ED为暴露持续时间，成人和儿童分别为24，6a；8)AT为平均作用时间，非致癌风险评价时，AT为持续暴露时间和暴露频率的乘积，即ED×EF，成人和儿童分别为8760，2190d；致癌风险评价时，AT=期望寿命×365d，西藏人均期望寿命为68岁，所以AT为24820 d；9)饮用水中各种有毒有害物质对人体健康危害的毒性作用呈加和关系，而不是协同或拮抗关系。
5.2 非致癌风险
重金属对人体的非致癌危险作用可根据危险系数(HQ)进行评估，HQ危险系数采用式(3)计算。
式中:ADDi为每种重金属平均日食入剂量，mg/(kg·d)；RfDi为非致癌参考剂量，mg/(kg·d)。
非致癌性危险指数(HI)用于评估混合污染物和(或)多种暴露途径的总非致癌性风险。HI计算如下:
若HQ≤1，说明目标污染物对人体没有构成明显的健康风险，若HQ＞1，则说明目标物存在人体健康风险，HQ值越大表明该重金属污染物对人体健康的危害越严重。
5.3 致癌风险
致癌风险影响模型根据风险值的大小分为2种。如果ADD很小，即风险值＜0.01，则使用线性定义致癌风险(Risk)。致癌风险模型见式(5)。
式中：SFi为每种重金属的致癌斜率，(kg·d)/mg。如果ADD很大，即风险值＞0.01，则使用高致癌风险模型(见式(6))定义致癌风险:
当Riski≤10-6时，存在的致癌风险较小；可接受的致癌风险范围为10-6＜Riski＜10-4；Riski≥10-4，存在严重的致癌风险。总致癌风险(RISK)模型计算方法见式(7)。
参数RfDi和SFi的取值见表2。
6. 数据处理
采用Origin 2017和Excel 2013对飞灰重金属含量和浸出特性、重金属污染水平及人体健康风险进行分析。
02
结果与分析
1. 重金属含量
拉萨市垃圾焚烧飞灰中重金属Zn、Pb、Cu、Cd和Cr含量分别为13400，2340，1220，466，57mg/kg。可知，Zn和Pb含量高，Cu和Cd含量次之，Cr含量最低。这是因为Zn和Pb的沸点较低，焚烧时易挥发，并附着在飞灰颗粒上。与重庆、上海、辽宁和江苏(表3)垃圾焚烧飞灰中重金属含量相比，拉萨市飞灰中Zn、Cu和Cd含量较高，这可能是因为飞灰中重金属含量受生活垃圾成分、生活习惯以及气候等因素的影响。
2. 浸出毒性特征
飞灰重金属浸出毒性见表4。拉萨飞灰中Pb浸出浓度超出GB5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》，达到80.8mg/L，超出浓度限值16倍多，说明拉萨市飞灰具有浸出危险特性，且Pb是拉萨飞灰中具有浸出危险特性的主要重金属。Zn含量虽然很高，但是其浸出毒性却较低(表3)，而Pb含量比Zn低，但其浸出毒性却很高，这是因为重金属浸出浓度不仅与飞灰重金属含量有关，还与重金属的化学形态相关。研究表明，飞灰中Zn主要以残渣态形式存在，而Pb的主要存在形态是弱酸提取态或可还原态。
不同地区飞灰重金属浸出浓度差异较大。将拉萨市飞灰中Cr、Cu、Zn和Pb的浸出毒性与上海、杭州、浙江和重庆等地垃圾飞灰中重金属浸出毒性研究结果相比(表4)，发现拉萨市飞灰中Cr浸出浓度比上海、杭州、浙江和重庆低；Cu浸出浓度与上海和重庆相近，但显著低于杭州，高于浙江水平；Zn浸出浓度比上海、浙江和重庆高，但明显低于杭州；Pb浸出浓度明显高于上海、杭州、浙江和重庆地区。这可能是由于拉萨市生活垃圾中含重金属废物占比较大，且存在大量的废锌和废铅蓄电池，导致飞灰中Zn和Pb含量较高，且Pb易浸出，使得Pb浸出毒性高于其他地区。
3. 环境污染风险评价
利用潜在风险评价法评估飞灰重金属的环境风险的结果如表5所示。
结果表明：拉萨市飞灰对环境具有很强的潜在污染风险，其中Pb对环境具有极强的污染风险，而Cr、Cu和Zn对环境只有轻微的污染风险，说明Pb是拉萨市飞灰对环境存在潜在污染风险的主要重金属。这是因为Pb的挥发性很强，在飞灰中稳定性差，易浸出，故易对环境造成危害。有关研究也表明，Pb是综合潜在生态环境风险的主要贡献源之一。
4. 健康风险评价
飞灰重金属可通过饮用水进入人体并危害人体健康。将非致癌风险评估模型用于计算飞灰中重金属对成人和儿童的HQ、HI，计算结果见表6。可知:拉萨市飞灰中重金属对人体的非致癌风险顺序为Pb＞Cr＞Zn＞Cu，成人和儿童的总非致癌风险为3.9046和9.7639，其中Pb对成人和儿童的非致癌风险值分别为3.8975、9.7458，远高于美国国家环境保护局推荐的非致癌风险水平(HQ≤1)，具有较高的非致癌风险。这与何艳峰等对上海飞灰中重金属的健康风险评价结果一致，即飞灰对人体具有较高的非致癌风险，且Pb是非致癌风险的主要毒害元素。同时与成年人相比，拉萨市飞灰重金属对儿童的非致癌风险高于成人，是成人的2.5倍。有关文献报道也表明，飞灰对儿童的非致癌风险高于成人。
在5种重金属中，只有Cd、Cr和Pb具有致癌风险，拉萨市飞灰中Cd未检出，不计算其致癌风险值。依据致癌风险模型，计算了Cr和Pb的致癌风险。经计算，拉萨市飞灰中Cr和Pb的致癌风险均＜0.01，因此采用线性致癌风险模型进行计算，其致癌风险结果如表7所示。
由表7可知:拉萨市飞灰中重金属对成人和儿童的总致癌风险值分别为4.27×10-5和2.67×10-5，RISK值为EPA推荐的致癌风险水平1.0×10-6～1.0×10-4，说明拉萨市飞灰中重金属对人体的致癌风险在可接受范围内，成人的致癌风险高于儿童。
台凌宇研究了华北某焚烧厂对周围人体健康的影响，结果表明垃圾焚烧厂对周边人体健康具有明显影响，存在较高的非致癌风险及致癌风险，并且对成人的非致癌风险低于儿童，而对成人的致癌风险则高于儿童，这与本研究的结果一致。
03
结论
1）对拉萨市生活垃圾焚烧发电厂飞灰中重金属含量分析发现，飞灰中重金属Zn和Pb含量较高，Cu和Cd次之，Cr含量最低。采用HJ/T299—2007方法对飞灰中重金属的浸出特性进行分析，发现Pb浸出浓度明显超过GB5085.3—2007标准限值，说明拉萨市飞灰为具有浸出毒性特征的危险废物。
2）采用潜在生态污染风险指数法对拉萨市生活垃圾焚烧发电厂飞灰中重金属的环境风险进行评价，发现飞灰对环境具有很强的污染风险，且Pb是最主要的贡献元素。
3）通过建立人体健康风险评价模型，发现拉萨市飞灰中重金属对人体造成的致癌风险在可接受范围，但该飞灰对成人和儿童的非致癌风险分别为3.9046和9.7639，远高于EPA推荐的非致癌风险水平(HQ≤1)，对人体造成的非致癌风险不可忽略。
来源：倪海凤,旦增,周文武,周鹏,许飞,杨涛,孟德安,陈冠益.拉萨市垃圾焚烧飞灰重金属特性分析及风险评价[J].环境工程,2022,40(3):89-93,131.
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