廣州市某垃圾填埋場環境地球化學評價及健康風險評估*

王 釗，郭 宇，鄭小戰，周心經，石曉龍

(廣州市地質調查院，廣東 廣州 510440)

隨著工農業發展，土地質量問題日益敏感。目前土地質量相關評價研究主要集中在養分質量評價[1-2]和環境質量評價方面[3-5]，相比較而言，污染元素的破壞作用要比有益元素的提升作用影響更大。環境中重金屬元素如As、Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni和有機污染物對土地和人類健康造成了嚴重危害。

城市里的大型垃圾填埋場，由于長年累月的堆放和淋濾，對周邊土壤產生了一定的風險隱患，由此將可能帶來一系列的城市土壤重金屬污染問題[6-7]。在其周邊一定影響范圍內進行調查取樣，以此來評估城市點源風險場地周邊土壤重金屬的潛在生態風險。研究其土壤地球化學及地質環境具有典型意義。

1 土壤地球化學特征

選取廣州市某垃圾填埋場作為研究對象。其工作區面積約16 km2，是廣州市屬的大型垃圾場，現為垃圾焚燒廠。該廠位于廣州市白云區龍歸鎮永興鄉李坑村附近的山谷，距離市中心25 km。該場1992年投入使用，已于2004年4月進行了封場，已完成封場和生態恢復建設，其運行期間累計垃圾填埋總量約為750萬噸，目前垃圾堆體仍有較多滲濾液產生，對滲濾液采用了生化前處理+深度處理的工藝流程[8]。區內地貌單元為丘陵和沖積盆地。地質基底為元古代老變質巖、侵入花崗巖及石炭紀地層三者結合部位，當花崗巖巖漿侵入石炭紀地層中時，其頂蓋受熱膨脹，而后冷卻收縮，張性裂隙十分發育，兼之位于廣從斷裂帶上，多期次構造-巖漿活動形成大量斷裂、節理裂隙，為污染物的遷移提供了通道。表層地質條件為第四紀沖積平原砂泥質沉積，局部分布碎屑巖(圖1)。

圖1 垃圾填埋場地質圖

1.1 地球化學統計特征

本次在垃圾填埋場及周邊附近共采集了41件表層土壤樣品(圖2)，統計參數見表1。與廣州市土壤背景值相比，該垃圾場土壤重金屬元素平均含量中As、Cd、Pb均高于廣州市土壤重金屬背景值，As富集系數最高，達到1.89，為強富集[9]。 Zn、Cr接近廣州市土壤重金屬背景值，而Cu、Hg、Ni均低于廣州市土壤重金屬背景值，Hg和Cu元素為弱貧乏。通過對垃圾填埋場區域重金屬元素地球化學特征分析發現，所有重金屬元素的變異程度不高，其中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Zn元素的變異系數介于0.5～1之間，為強度變異，分布極不均勻；Cu、Ni元素的變異系數介于0.2～0.5之間，為中等程度變異，分布較均勻。

圖2 垃圾填埋場采樣點分布圖

表1 垃圾填埋場土壤重金屬元素統計表

通過表1濃集克拉克值(C)可以看出，相對廣州市土壤背景值，Cd、As、Pb、Cr相對富集，Hg、Cu、Ni、Zn相對貧化。而土壤元素的富集與貧化是一個相對的概念，利用不同地質背景成土母質土壤元素含量背景值與表1整體背景值的比值來體現[10](表2)。對比分析發現，第四紀松散沉積物的土壤以高Cd為特點，砂頁巖風化物和變質巖風化物以高As為特點，花崗巖風化物以重金屬匱乏為特點。

表2 不同成土母質土壤地球化學背景值與整體背景值比值(K)統計

第四紀松散沉積物母質土壤與研究區整體和其它成土母質土壤相比，Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Cd7種元素含量普遍較高。尤其是Cd元素的含量大部分在全區土壤中值的1.4倍以上，表明第四紀松散沉積物分布區Cd元素呈高背景分布。第四紀松散沉積物大部分元素的含量均值與整體平均值相當，其他三種成土母質除個別元素之外，則全部低于整體平均值。結合不同地質背景土壤地球化學特征分析，第四紀松散沉積物大部分重金屬元素含量高于其他類型，主要是人類活動的影響程度較大。

1.2 元素組合特征

垃圾填埋場土壤元素R型聚類分析見下表3與圖3，根據元素相關性，可將8個重金屬分成二組:第一組是Cu、Pb、Cr、Ni、As；第二組Cd、Zn、Hg。

表3 垃圾填埋場重金屬元素R型聚類分析

圖3 垃圾填埋場重金屬元素聚類譜系圖

2 地球化學空間分布特征

2.1 元素異常分布特征

按《地球化學普查規范(1 ∶50 000)》(DZ/T 0011—2015)[11]要求，采用累積頻率的分級方法對單元素圈定異常，垃圾填埋場元素異常分布特征見圖4，元素As、Cr、Cu、Ni、Zn等異常高含量區位于工區的東部，而低值區位于工區的中部及北部地區，Cd高異常區位于工區西部，Hg、Pb高異常區位于工區的西南部，As與Pb主要分布于填埋場及附近區。按元素異常強度進行分類，As、Cd、Pb強度高，出現三級異常；Ni強度中等，出現二級異常；Cr、Cu、Hg、Zn強度低，只有一級異常。

圖4 垃圾填埋場重金屬元素異常剖析圖

2.2 土壤重金屬污染評價

GB36600明確了6種重金屬元素的污染風險篩選值和風險管制值[12](表4)，土壤環境質量參考第二類用地風險篩選值和風險管制值，對比檢測結果發現As元素污染最嚴重，有5個點超過風險篩選值，其中四個點超過風險管制值；Pb元素一個點超過風險管制值。以上超過管制值的應采取修復措施或風險管控。

另外,采用單項污染指數法進行土壤環境質量重金屬單元素污染評價，在單指標土壤環境質量劃分基礎上，每個評價單元的土壤環境質量等同于單指標劃分出的環境等級最差的等級[12-13]。

單項污染指數法公式為，

Pi=Ci/Si

榜樣的作用是巨大的。這個榜樣既可以是學生推薦的，也可以是老師和家長發現的。學生可在家長的陪同下，利用微信語音，圍繞個體亟待解決的問題與其他同學展開互動、交流；老師和家長也可以推薦、表揚本周做得較好的同學，請他們分享自己的經驗。這樣既鍛煉了學生的交際能力，又增進了同學情誼，更帶動了不同家庭的互助互學，有效地把個體的學習行為和發展轉化為集體目標。

(1)

式中:Pi為污染指數;Ci為污染物實測值;Si為污染物評價標準，為風險篩選值(表4)。i代表某種污染物。具體分級評價指標為:若Pi≤1，一等(清潔)；15.0，五等(重毒污染)。

表4 土壤重金屬污染風險篩選值

垃圾填埋場風險區的環境質量綜合等級分析統計結果表明，樣點整體超標率高達12.2%，其中二等(輕微污染)樣點占比為2.44%，三等(輕度污染)樣點占比2.44%，五等(重度污染)樣點占比為7.32%。6種重金屬元素中As元素超標最為嚴重，超標率達12.2%；其次為Pb，有一個點超標；Cd、Cu、Ni、Hg元素的均為清潔土壤，沒有污染(表5)。

表5 垃圾填埋場風險區土壤環境質量表

綜合評級另一個常用方法為內梅羅指數法[14]，其計算公式為，

(2)

垃圾填埋場風險區所有樣點中，在區域分布上，垃圾場重金屬污染主要位于垃圾場附近，垃圾場下游有污染物比例較高，如垃圾場東門側。有As元素有3個樣點、Pb元素有一個樣點為五等(重度污染)，甚至已超過建設用地As、Pb重金屬元素風險管控值，且集中分布在垃圾填埋場北面草地上，需要引起高度重視，建議及時在樣點附近區域開展異常查證工作，圈定其超標范圍，查明污染成因，有必要及時采取有力措施，嚴控As、Pb污染的擴展和轉移的同時，采取合適的物理、化學或生物技術進行As、Pb元素的污染修復。

2.3 重金屬元素異常來源分析

依據評價結果重金屬異常來源進行分析，究其成因，可能有以下幾種因素：

1)土壤As元素超標可能與成土母質有關。通過采樣點與成土母質圖層的疊加統計分析發現，垃圾填埋場所有超標樣點的成土母質全部都在變質巖風化物成土母質類型當中，As元素在該類型的成土母質基準值和背景值相對于其他公園所屬的第四紀松散沉積物類型的成土母質要高很多。

2)垃圾填埋場北面草地上超過風險管控值的4個樣點不排除受到外來輸入型污染的影響，如建筑垃圾等影響造成。

3)垃圾場東門外污染物比例高可能與垃圾場外農業生產有關，如農藥或施肥殘留垃圾等。

3 健康風險評估

3.1 健康風險評價模型

僅利用環境指標計算所得的綜合污染指數值標準太過單一，這種方法的評價結果難以客觀反映土壤重金屬對城市環境和城區居民中不同年齡、不同人群的影響大小。

為避免人為標準對評價結果的影響，本項目利用各采樣點重金屬含量結果，采用美國環境保護署推薦的劑量-反應模型(蒙特卡洛方法)[16]進行人體健康風險評價，健康風險評價是通過模型和數學方法定量判斷人體化學暴露后發生致癌和非致癌風險的概率。根據暴露人群身體結構和行為習慣的差異,將暴露群體分為成年男性、女性和兒童;重金屬暴露途徑主要考慮手-口攝入(非食物途徑)、皮膚接觸和呼吸吸入3種途徑，模型方程如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Iing，Idermal，Iinh分別為手-口攝入、皮膚接觸和呼吸吸入3種暴露途徑的日平均暴露量，mg/(kg·d)；C為暴露污染物的重金屬濃度，mg/kg；Ring和Rinh分別為手-口攝入率和呼吸吸入率，mg/d、m3/d；EF為暴露頻率，d/a；ED為暴露持續時間，a；BW為暴露個體的體重，kg；AT為暴露時間周期，d；PEF為排放因子，m3/kg；SA為暴露皮膚表面積，cm2；AF為皮膚黏著系數，位kg/(cm2·d)；ABS為皮膚吸收因子；RfD為暴露途徑下重金屬參考劑量， mg/(kg·d)；HQi為污染物i的非致癌風險商；HI為非致癌風險指數，表示多種污染物的非致癌風險商之和；HI總為非致癌風險總指數，表示多種污染物多種暴露途徑的非致癌風險指數之和；RI總為致癌風險總指數，表示多種污染物多種暴露途徑的致癌風險指數之和；i為污染物或暴露途徑的數量；N為污染物數量。各參數分布類型及來源見表6、表7：

表6 健康風險評價的隨機參數及分布

表7 重金屬元素的參考劑量與致癌斜率因子

3.2 重金屬污染健康風險評價

通過計算得到的土壤中不同重金屬環境暴露和不同暴露途徑對三種人群的潛在風險分別如表8和表9所示。

將表8和表9所列結果與US EPA推薦的臨界值(非致癌風險1.0；總致癌風險最大可接受值1×10-4；單個元素致癌風險可接受范圍1×10-6～1×10-4)[23-24]進行對比發現，土壤重金屬對三類人群都存在明顯的致癌風險，影響程度從大到小依次為兒童、成年女性、成年男性；垃圾填埋場土壤重金屬致癌風險主要源于As，Cr對成人的致癌風險有一定影響，對兒童致癌風險影響則相當明顯；垃圾場土壤對人體健康的致癌風險都是經手-口攝入這一途徑產生。

表8 垃圾填埋場重金屬環境暴露對三種人群的潛在風險

表9 垃圾填埋場重金屬不同暴露途徑對三種人群的潛在風險

垃圾場土壤重金屬對兒童存在明顯的潛在非致癌風險，風險主要來自As。其對成年人存在非致癌風險較小。垃圾場土壤對人體健康的非致癌風險都是經手-口攝入這一途徑產生。

4 結論

對垃圾填埋場的各重金屬元素進行環境質量地球化學評價及健康風險評估，根據其土壤環境特征描述，得到以下結論。

1)垃圾填埋場土壤元素含量平均值中As、Cd、Cr、Pb均高于廣州市土壤背景值，而Cu、Zn、Hg、Ni均低于廣州市土壤背景值，重金屬元素的變異程度不高，第四紀松散沉積物的土壤以高Cd為特點，砂頁巖風化物和變質巖風化物以高As為特點，花崗巖風化物以重金屬匱乏為特點，第四紀松散沉積物的土壤元素分布特征受人類活動影響。

2)根據元素相關性，可將8個重金屬分成二組:第一組是Cu、Pb、Cr、Ni、As；第二組Cd、Zn、Hg。對單元素圈定異常，As、Cd、Pb強度高，出現三級異常；Ni強度中等，出現二級異常；Cr、Cu、Hg、Zn強度低，只有一級異常。據GB36600有4個As和1個Pb數據超過風險管制值，垃圾場區域除個別點外整體受污染程度較輕。

3)單元素環境質量評價發現6種重金屬元素中As元素超標最為嚴重，超標率達12.2%；其次為Pb，有一個點超標；Cd、Cu、Ni、Hg元素的均為清潔土壤，沒有污染。整體綜合評價二等(輕微污染)樣點占比為2.44%，三等(輕度污染)樣點占比2.44%，五等(重度污染)樣點占比為7.32%。內梅羅指數評價基本一致。重金屬異常來源判斷As元素超標可能與成土母質有關。不排除受到外來輸入型污染的影響并可能與垃圾場外農業生產有關。

4)健康風險評估表明，垃圾場土壤對人體健康的潛在風險都是經手-口攝入這一途徑產生。土壤重金屬對兒童存在的非致癌風險大，對成年人影響小，非致癌風險主要來自As。土壤重金屬對三類人群都存在明顯的致癌風險，影響程度從大到小依次為兒童、成年女性、成年男性；垃圾場土壤重金屬致癌風險主要源于As、Cr對兒童存在致癌風險。