中华预防医学杂志    2018年09期 北京某垃圾焚烧厂周边区域二噁英暴露健康风险评估    PDF     文章点击量:316    
中华预防医学杂志2018年09期
中华医学会主办。
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刘帅 张震 宋国君
LiuShuai,ZhangZhen,SongGuojun
北京某垃圾焚烧厂周边区域二噁英暴露健康风险评估
Risk assessment of dioxin in the surrounding area of a waste incineration plant in Beijing
中华预防医学杂志, 2018,52(9)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.issn.0253-9624.2018.09.008

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投稿日期: 2018-02-09
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北京某垃圾焚烧厂周边区域二噁英暴露健康风险评估
刘帅 张震 宋国君     
刘帅 102208 北京,农业部管理干部学院现代农业研究中心
张震 中国环境监测总站污染源室
宋国君 中国人民大学环境政策与环境规划研究所
摘要: 目的  基于北京某垃圾焚烧厂周边区域二噁英检测结果,评估当地居民面临的健康风险。方法  选取北京某垃圾焚烧厂附近人民政府、中心小学和居民小区三处代表性点位,于2016年3—12月期间分别采集4次空气样本以及1次土壤样本,检测二噁英浓度,计算居民通过呼吸、皮肤接触、泥土摄入和食用动植物产品等途径摄入的二噁英的量,根据已有流行病学研究,评估居民的终身致癌风险。结果  北京某垃圾焚烧厂附近人民政府、中心小学和居民小区代表位点中空气中二噁英日均平均浓度为0.15、0.17、0.19 pg/m3,土壤中日均浓度分别为12.5、20.2、6.1 ng/kg。人民政府、中心小学和居民小区居民呼吸途径的终身致癌风险为9.55×10-6、1.08×10-5、1.21×10-5;皮肤接触途径的终身致癌风险分别为3.40×10-7、5.50×10-7、1.65×10-7。居民在泥土摄入、食用蔬菜、鸡蛋、鸡肉的暴露途径下的终身致癌风险在2.08×10-6~6.30×10-9范围内。结论  所有暴露途径下,该垃圾焚烧厂周边区域居民的终身致癌风险低于可接受风险上限(10-4)。
关键词 :二恶辛类;环境暴露;垃圾焚烧厂;终身致癌风险
Risk assessment of dioxin in the surrounding area of a waste incineration plant in Beijing
LiuShuai,ZhangZhen,SongGuojun     
Modern Agricultural Research Center, Agricultural Management Institute, Beijing 102208, China
Corresponding author: Liu Shuai, Email: liushuai119911@163.com
Abstract:Objective  Assess the health risks faced by local residents, based on the results of dioxin detection in the surrounding area of a waste incineration plant in Beijing.Methods  Select three representative points plant near the waste incineration plant--the people's government, Central Primary School and a community, collect 4 air and soil samples and detect their dioxin concentrations from March to December 2016, respectively, simulate people's intake through breathing, skin contact and soil intake, assess residents' lifetime cancer risk according to epidemiological studies.Results  The daily average concentration in air at three test points were 0.15, 0.17, 0.19 pg/m3, and 12.5, 20.2, 6.1 ng/kg in soil. At three representative sites, residents' lifetime cancer risk through breathing from 9.55×10-6, 1.08×10-5, 1.21×10-5 in the people's government, Central Primary School and a community, while through skin contact were 3.40×10-7, 5.50×10-7, 1.65×10-7, respectively. The lifetime cancer risk through soil intake range from 2.08×10-6 to 6.91×10-6. The lifetime cancer risk of eating vegetables ranges from 5.50×10-6 to 6.98×10-6. The lifetime cancer risk of eating chicken or eggs ranges from 2.72 ×10-9 to 6.30×10-9. Residents' lifetime cancer risk through soil intake, eating vegetables and eating chicken or eggs ranges from 2.08×10-6 to 6.30×10-9.Conclusion  Under all exposures, the life time risk of cancer for residents around the waste incineration is under the upper end of the range of acceptability(10-4).
Key words :Dioxins;Environmental exposure;Waste incineration plant;Lifetime cancer risk
全文

二噁英类物质是多氯代二苯并对二噁英(polychlorinated dibenzo-p-dioxin,PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(polychlorinated dibenzofurans,PCDFs)的统称,是具有致癌、致畸和致突变的持久性有机物。医学研究表明,长期暴露于2,3,7,8-TCDD可引发多种疾病,如诱发呼吸道刺激、头痛、氯痤疮、肝功能异常,外周神经病变、脂肪代谢紊乱,血清胆固醇升高、甲状腺激素代谢失调、精子浓度与活动数降低,以及致人罹患肺癌、软组织肿瘤、白血病或淋巴瘤[1,2,3,4]等。国际癌症研究中心(International Agency for Research on Cancer,IARC)将2, 3, 7, 8-TCDD等二噁英类物质认定为一类致癌物质,即"有充分的证据证明该物质对人体有致癌作用"[5]
        垃圾焚烧厂是二噁英排放的主要来源,其中的聚氯乙烯在炉内温度为300~500 ℃的情况下,反应产生二噁英前驱体,由于二聚作用,这些化合物在适当的温度和氧气条件下就会结合并生成二噁英[6]。我国《生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485-2014)》规定,生活垃圾焚烧厂烟气中二噁英类物质的浓度采用国际毒性当量(toxic equivalent quantity, TEQ)进行衡量,且测定值需低于0.1 ng TEQ/m3。美国清洁空气法第112项条款要求美国环保局在制定二噁英等危险空气污染物的基于剩余风险的排放标准时,应当"为公众健康提供充分安全边际(ample margin of safety)",1989年,美国环保局采用两部法定义了什么是充分安全边际:首先应确保"个体最大风险(maximum individual risk,MIR)"绝不超过万分之一,之后是在考虑成本、经济影响和技术可行性的前提下,为公众提供充分安全边际,最大程度减少风险超过百万分之一(10-6)的人群数量[7,8]
        国内学者多借助扩散模型,模拟垃圾焚烧厂二噁英排放所造成的环境影响[9,10,11],也有研究基于二噁英实测数据开展评估[12,13]。本研究将基于北京市某垃圾焚烧厂周边区域空气及土壤中二噁英类物质的实测数据,参考美国加州热点计划[14,15,16],计算周边区域人群通过呼吸、土壤接触等暴露途径的二噁英摄入量,评估周边区域居民的终身致癌风险。

对象与方法  

一、对象  

(一)垃圾焚烧厂概况  该垃圾焚烧有4个焚烧炉,焚烧炉型号为CG-750-84.48/4.0/400LJ,焚烧对象为生活垃圾,单个焚烧炉设计处理量为750 t/d,使用轻柴油作为辅助燃料。垃圾焚烧厂于2013年11月试运行,2014年11月达到满负荷运行,2015年正式运行。垃圾在炉内燃烧产生的烟气依次进入脱酸塔、布袋除尘器、脱硝塔后由烟囱排入大气。每年分4次对垃圾焚烧厂的二噁英排放情况进行监测,在距离地面10 m处竖直烟道内采样,可测出2, 3, 7, 8-TCDD、1, 2, 3, 7, 8-PCDD以及2,3,7,8-TCDF等二噁英类物质17种。

(二)气象条件  垃圾焚烧厂属华北平原温带大陆季风型气候,冬季受高纬度内陆季风影响,寒冷干燥,夏季受海洋季风影响,高温多雨。据该地区气象站近30年来的统计资料,该区域累年主导风向为S风,平均风速为2.2 m/s,年最大风速为26.7 m/s,累积平均气温12.1 ℃,累年平均降水量601.4 mm,年平均相对湿度56%,年日照数2 379.5 h,静风频率32%,风向玫瑰图如图1所示。

图1北京市某垃圾焚烧厂附近气象站风向玫瑰图

(三)评估点位  垃圾焚烧厂以北区域受主导风向影响,人口密集,在此区域选择镇人民政府、镇中心小学、居民小区三个评估点位,距离垃圾焚烧厂直线距离分别为3.7、2.9和2.8 km。

(四)二噁英检测  

1.环境背景浓度:  垃圾焚烧厂周边为居民区、空地等,没有污染型的企业、工厂等,用地范围内不存在土壤遗留问题。2010年中国科学院生态环境研究中心二噁英实验室对拟建区域内土壤及大气中的17种二噁英类物质的背景值进行检测,检测依据采用美国环境保护局EPA1613(United States Environment Protection Agency Method 1613B)方法,检测浓度统一转换为以2,3,7,8-TCDD毒性为标准的毒性当量。检测结果显示,拟建厂址区域处大气中二噁英浓度为0.04 pg TEQ/m3,土壤中二噁英浓度为0.19 pg TEQ/m3,二噁英背景浓度值为较低水平。

2.二噁英检测:  国家环境分析测试中心于2016年3月、9月、12月期间分四次采集了3个点位的大气样本,于2016年9月采集了3个点位的土壤样本。依据《环境空气和废气二噁英类的测定同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》(HJ77.2-2008)和《土壤和沉积物二噁英类的测定同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》(HJ77.4-2008)对17种二噁英类物质进行检测,检测浓度统一转换为以2,3,7,8-TCDD毒性为标准的毒性当量。

二、二噁英暴露风险计算方法  二噁英通过呼吸、皮肤接触、泥土摄入、饮水和食用动植物产品等多种途径进入人体,长期对人体有致癌作用。风险评估的第一步是计算二噁英通过不同途径进入人体的量,再根据已有剂量-反应关系模型评估人群风险。本研究以癌症发病率作为健康终点,时间尺度为终身致癌风险(70年),数据分析软件为Excel 2013。

(一)呼吸途径的日均暴露值  呼吸途径暴露量的计算公式为:DOSEair=Cair×BR×A×EF×(1×10-12),式中,DOSEair为通过呼吸途径进入人体的二噁英日均暴露值(mg·kg-1·d-1);Cair为空气中二噁英日平均浓度值(pg/m3);BR为人体日均呼吸率(L·kg-1·d-1);A为肺泡吸收率;EF为暴露频率。研究中,用2016年的四次检测平均值代表二噁英日平均浓度值,肺泡吸收率取1,暴露频率取0.96(350/365),取值参考,不同年龄段人群呼吸率取值参考王宗爽等[17]的研究成果,胚胎期、0~2、2~9、9~16、16~30、16~70岁呼吸率分别为225、589、397、247、209、173 L·kg-1·d-1

(二)皮肤接触途径的日均暴露值  皮肤暴露量的计算公式为:DOSEdermal=ADL×Csoil×ABS×EF×1×10-12,式中,DOSEdermal为通过皮肤进入人体的二噁英日均暴露值(mg·kg-1·d-1);Csoil为土壤中二噁英日平均浓度(ng/kg);ADL为人体皮肤日均泥土承载量(mg·kg-1·d-1);ABS为皮肤吸收率;EF为暴露频率。研究中,皮肤吸收率取0.02,暴露频率取0.96(350/365),不同年龄段人群皮肤日均泥土承载量取值参考美国热点计划[15],胚胎期、0~2、2~9、9~16、16~70岁皮肤泥土日均承载量分别为3.01、6.03、18.08、15.62、3.01 L·kg-1·d-1。2016年的土壤检测结果代表垃圾焚烧厂满负荷运行两年后的二噁英在土壤中的累积量,需要换算为二噁英的长期日平均浓度。二噁英类物质半衰期为4 720 d,相应的衰减常数为0.000 147(0.693/4 720),土壤中二噁英长期日平均浓度的计算公式为:Csoil=C0×(1-e-t×k)/k,式中,k为衰减常数,C0为土壤中二噁英单日累积量(ng/kg),t为时间(d)。

(三)泥土摄入途径的日均暴露值  泥土暴露值的计算公式为DOSEsoil=Csoil×GRAF×SIR×EF×(1×10-12),式中,DOSEsoil为通过泥土摄入进入人体的二噁英日平均暴露值(mg·kg-1·d-1);Csoil为土壤中二噁英日平均浓度(ng/kg);GRAF为污染物胃肠道吸收率;SIR为人体泥土日均摄入量(mg·kg-1·d-1)。研究中,胃肠道吸收率取0.43,暴露频率取0.96(350/365),不同年龄段人群泥土日均摄入量取值参考美国热点计划[15],胚胎期、0~2、2~9、9~16、16~70岁皮肤泥土日均摄入量分别为0.7、20、5、2、0.6 L·kg-1·d-1

(四)饮水暴露  二噁英通过饮水途径进入人体的量,取决于居民的饮水方式和饮水量,经自来水厂处理后,水体中的二噁英浓度可显著降低。垃圾焚烧厂周边区域居民饮用水主要采自地下,部分居民外购桶装水。据《2016年北京市水资源公报》,该地区深层水和基岩水均符合国家Ⅲ类水质标准。地下水系与大气环境相对隔绝,机井深度在百米以上,因此本研究暂不考虑二噁英通过饮水途径进入人体的量。

(五)食用动植物产品  垃圾焚烧厂周边区域无大规模农场,食用蔬菜以外地进货为主,偶有种植蔬菜的,比例较低,也有居民采摘香椿等野菜食用。无大型畜禽养殖场,居民有个别养鸡的,以家庭散养为主。

1.蔬菜:  二噁英通过沉降附着在蔬菜表面,在一定的沉降速度下,蔬菜中二噁英浓度取决于蔬菜叶片对二噁英的截留与吸收,计算公式为:,式中,Cv为蔬菜中二噁英浓度(μg/kg);GLC为空气中二噁英浓度(μg/m3);DEP为二噁英垂直沉降速度(m/s);if为叶片截留率;k为天气常数(d-1);Y为作物产量(kg/m2);T为作物生长周期(d);GRAF为叶片对二噁英的吸收率。参考美国热点计划推荐参数,DEP取0.02 m/s,if取0.2,k取0.1,Y取2 kg/m2T取45 d,GRAF取0.43。

2.动物产品:  二噁英的量取决于动物体内的二噁英的量,以及动物产品的转化率,计算公式为:Ca=(BRa×GLC+WIRa×Cw+FIR×Cv+FSf×FIR×CsTco,式中,Ca为动物产品中二噁英浓度(μg/kg);BRa为动物日呼吸量(m3/d);GLC为空气中二噁英浓度(μg/m3);WIRa为动物日饮水量(kg/d);Cw为水体中二噁英浓度(μg/kg);FIR为动物日食草量(μg/kg);Cv为草料中二噁英浓度(μg/kg);FSf为草料中泥土含量;Cs为土壤中二噁英浓度(μg/kg);Tco为动物产品转换系数(d/kg)。本研究中,动物产品为鸡蛋及鸡肉,参考美国热点计划推荐参数[15],鸡BRa取0.4 m3/d,鸡蛋产品Tco取10 d/kg,鸡肉产品Tco取9 d/kg,不考虑二噁英随饮水和饲料进入鸡体内的量。

3.二噁英饮食暴露:  随饮食进入人体的暴露值,计算公式为:DOSEfood=Cf×IF×GRAF×L×EF×1×10-6,式中,DOSEfood为通过饮食进入人体的二噁英的量(mg·kg-1·d-1);Cf为食物中二噁英浓度(μg/kg);IF为食物日均摄入量(g·kg-1·d-1);L代表被污染食物(本地食物)占总食物量的比重;EF为暴露频率;GRAF为胃肠吸收率。参考美国热点计划推荐参数[15]GRAF取0.43,EF取0.96(350/365),IF取值参考我国居民食物年消费量数据,蔬菜摄入量取5.48 g·kg-1·d-1,鸡肉摄入量取0.91 g·kg-1·d-1,鸡蛋摄入量取0.55 g·kg-1·d-1L取值在0~0.1之间。

(六)终身致癌风险  以70年作为终身评估尺度,终身致癌风险计算公式为:,式中,CANCERrisk为人群终身致癌风险,ADDi为人体在不同年龄段的二噁英暴露值(mg·kg-1·d-1);EDi为不同年龄段的时间长(y);AT为终身时间长(y);CPF为致癌系数(kg·d-1·mg-1);ASF为年龄调整因子。研究中,致癌系数的取值参考美国热点计划为130 000 mg·kg-1·d-1,胚胎期、0~2、2~9、9~16、16~70岁的年龄调整因子10、10、3、3、1、1。

结果  

一、二噁英检测浓度  2016年垃圾焚烧厂周边三个评估点位处的二噁英浓度检测结果如表1所示。用2016年的4次检测平均值代表二噁英日平均浓度值,根据二噁英衰减模型计算土壤中二噁英日平均浓度,镇人民政府、镇中心小学和居民小区三个评估点位处,空气中二噁英日平均浓度分别为0.15、0.17、0.19 pg/m3,土壤中二噁英日平均浓度分别为12.5、20.2、6.1 ng/kg。

表1不同采样点二噁英浓度检测结果(n=3)

二、二噁英暴露情况  在三个采样点位,计算了二噁英通过呼吸、皮肤接触等途径进入人体的终身日均暴露值(表2)。

表2不同采样点人群多种途径终身日均暴露值(mg·kg-1·d-1)

三、二噁英终身致癌风险  结合二噁英终身致癌风险模型,计算三个评估点位处人群于不同暴露途径下的终身致癌风险,计算结果如表3所示。所有暴露途径下的人群终身致癌风险,风险值范围为1.97×10-5~2.45×10-5,低于"万分之一"的可接受风险上限。

表3不同采样点不同暴露途径下人群终身致癌风险

讨论  开展二噁英风险评估,应主要基于实测结果,还是基于扩散模型,二者在结果上有何差别,哪种评估方法更加可信和更具管理意义,是值得论证的一个问题。从国外的经验看,二噁英风险管理多采用扩散模型的方法,要求污染源报告其二噁英排放情况,收集当地气象及地形数据,模拟污染源周边不同网格区域的二噁英浓度,找出其中的最大落地点浓度,评估该处居民的健康风险,作为对污染源执行风险减量管理的依据。基于实测结果的评估,一方面不能代表二噁英的最大落地点浓度,另一方面必须多次检测以反映二噁英长期浓度变化,同时需要政府支付较高的检测费用,因此这种方法主要应用于研究,而较少应用于管理。本研究虽掌握了垃圾焚烧厂提供的一些数据资料,但无法确保所获得数据是否能真实代表该厂在稳定运行状态下的二噁英排放情况,因而在评估时主要使用了实测数据。
        研究采用2016年的4次检测结果代表空气中二噁英的长期日平均浓度值,4次检测结果存在不同,表明空气中的二噁英浓度是不断波动的,为此,需要进一步论证检测结果的代表性。土壤中的二噁英,主要来自于空气中二噁英的沉降,在土壤混合深度和土壤密度不变的情况下,土壤中二噁英的累积量可以反映一段时期内空气中二噁英的浓度水平。
        本研究所得结果与其他同类研究相比更为相近,杨杰等[9]在缺乏环境监测数据的情况下,基于污染物扩散模型,模拟了深圳市某垃圾焚烧厂在二噁英排放浓度为1.0 ng TEQ/m3时,其周边区域二噁英在空气和土壤中的扩散情况,计算了食物摄入、空气吸收、土壤摄入、皮肤接触等四种暴露途径下的致癌风险为2.80×10-5,与本研究评估结果相近。田爱军等[10]模拟了某垃圾焚烧厂在二噁英排放浓度为0.1 ng TEQ/m3时,周边居民的二噁英呼吸暴露情况,其中成人日均呼吸暴露量为0.001 8 pg·kg-1·d-1,小于本研究的评估结果。刘红梅[11]模拟了在1.0、0.1和0.01 ng TEQ/m3三种排放情景下,某垃圾焚烧厂周边居民健康受到的影响,在执行1.0 ng TEQ/m3标准时,周边大气中二噁英平均浓度为0.627 pg/m3,成人日平均暴露值为0.083 pg·kg-1·d-1,与本研究评估结果相近。经过与已有研究的比较,本研究基于实测数据得出的北京某垃圾焚烧厂二噁英风险评估结果,高于已有研究在二噁英排放浓度为0.1 ng TEQ/m3下的风险模拟结果,与已有研究在二噁英排放浓度为1 ng TEQ/m3下的风险模拟结果相近。

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