危险废物事故排放的湖泊水环境健康风险预测.pdf

监 测 与 评 价 危险废物事故排放的湖泊水环境健康风险预测 * 季文佳王琪黄启飞黄泽春 中国环境科学研究院， 北京 100012 摘要 分析了二维流场点源瞬时排放模型， 并借鉴美国环保局推荐使用的健康风险评价模型， 建立了一种危险废物事 故排放时水环境对人体健康风险的预测方法。以电镀污泥为例验证了该方法的有效性。结果显示 该方法需要参数 少且计算简单; 电镀污泥中目标污染物 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 所引起的湖泊水环境非致癌风险 3. 49 10 － 4 和致癌风险 3. 21 10 － 11 分别小于美国标准中的可接受风险水平 1. 00 和 1. 00 10－ 6 ， 风险不明显。 关键词 水质; 健康风险; 事故排放; 危险废物; 模型 LAKE WATER ENVIRONMENTAL HEALTH RISK PREDICTION OF HAZARDOUS WASTES ACCIDENTAL DISCHARGE Ji WenjiaWang QiHuang QifeiHuang Zechun Chinese Research Academy of Environmental Science，Beijing 100012，China AbstractTwo-dimensional flow field point source instantaneous emission model was analyzed，and the health risk assessment model recommended by USEPA was used for reference to establish a new health risk assessment for hazardous wastes discharged into lakes accidentally. The electroplating sludge was taken for example to verify the effectiveness of this . The results show that this is simple in calculation and needs less parameters. The non-carcinogenic 3. 49 10 － 4and carcinogenic 3. 21 10 － 11risks of the lake environment caused by target contaminants Cr，Cu，Ni，Pb，Znin the electroplating sludge are all less than the U. S standard 1. 00 and 1. 00 10 － 6 ，which are not obvious. Keywordswater quality;human health risk;accidental discharge;hazardous wastes;model *国 家 环 保 公 益 性 行 业 科 研 专 项 项 目 200709028; 200709019; 200709050 。 0引言 近年来因危险废物泄露而导致水污染的事件频 繁发生， 严重危胁我国地表饮用水源水质的安全。据 我国某省已运行多年的危险废物集中处置场的统计 数据表明， 在交通运输环节发生事故的比例约占整个 处置环节发生事故总数的 80 ［ 1］。可见， 运输过程 中危险废物因事故倾泻入湖泊等水体的可能性很大。 因此， 模拟预测泄露事故发生后， 受纳水体中有害物 质浓度的变化规律， 并定量评价污染物对人体造成损 害的可能性及程度， 对为管理部门制定事故应变决策 提供科学依据至关重要。 目前我国湖泊等水环境的健康风险评价主要基 于水质指标监测， 应用美国环保局推荐使用的健康风 险评价模型展开 ［ 2- 5］， 该模式不仅监测工作量大而且 不能完整的反映某一特定点处 如取水口 污染物浓 度随时间的变化。二维流场点源瞬时排放模型则能 解决此问题， 它可模拟自污染物排放时起， 每一时刻、 每一位点湖泊中污染物的浓度值， 且需要参数少、 计 算结果准确， 这解决了国际上通用的一些水质模型输 入参数多、 分析工作量大的缺点 ［ 1， 6- 7］。鉴于此， 本文 应用二维流场点源瞬时排放模型， 对水体中特定点处 污染物的浓度变化规律进行了模拟， 并在此基础上应 用健康风险评价模型对危险废物在湖泊中点源瞬时 排放时水环境对人体的健康风险进行了评价， 探讨了 这一方法的建立及其实例应用， 旨在为危险废物环境 管理提供依据。 1湖泊水质预测模型 湖泊水质预测模型是在河流水质模型发展的基 础上建立起来的。从湖泊水质模型的研究情况来看， 一些发达国家走在了前沿， 它们相继成功开发了很多 97 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 有效的水质模型， 如美国环保局推荐使用的 EFDC 和 WASP、 丹麦水动力研究所 DHI 开发研究的 MKIE21 等 ［ 8］， 它们技术成熟、 结果精准， 但在实际使用过程 中存在针对性强、 模型输入参数多、 分析工作量大等 问题， 这对数据库资源有限的我国来说使用起来较有 难度。针对这些问题， 国内一些学者则致力于水体中 污染物迁移转化方程的合理简化和数学推导， 得出了 一种适用于鉴别与评估湖泊水环境突发事故危害后 果的定量预测模型二维流场点源瞬时排放模型， 使 用方便、 结果精确 ［ 9- 10］。 本文将采用二维流场点源瞬时排放模型进行湖 泊水质预测。 1. 1二维流场点源瞬时排放模型 湖泊中危险废物点源瞬时排放， 设事故发生于坐 标原点 0， 0 ， 事故瞬时排放量为 M， 水流速度东西 向分速为 u， 南北向分速为 v， 全水速为u 2 v 槡 2，水 流流向与 x 轴的交角为 tan － 1 v/u 。则事故排放污 染浓度贡献的时空分布见式 1 ［ 10］ C x， y， t M 4πHyt 槡 2 exp－ x － ut 2 4Ext － y － vt 2 4Eyt [] － kt 1 假设湖泊流场均质各向同性， 令 Ex Ey E x， y 方向的水平扩散系数相等 ， 湖泊水平面是流动的则 见式 2 C x， y， t M 4πHEt exp－ x － ut 2 y － vt 2 4Et [] － kt 2 若湖泊水平面是静止的， 则可假设为无随流情况 即不考虑水流速度在 x、 y 轴方向的分量 ， 此时公 式又简化为式 3 ［ 11］ C x， y， t M 4πHEtexp － x2 y2 4Et [] － kt 3 式中 C 为湖泊中污染物的浓度， mg/L; M 为事故瞬 时排入湖泊的污染物的量， g; x、 y 分别为 x 轴方向和 y 轴方向上扩散的距离， m; E 为 x、 y 方向上的湍流扩 散系数， m2/s; t 为时间， s; H 为湖泊的平均水深， m; k 为有机污染物的降解系数， 1 /s。 1. 2湍流扩散系数 二维流场点源瞬时排放模型中的关键参数为湍 流扩散系数。根据 Rutherford 收集的 138 组实验资 料， 邓志强等 ［ 12］发现湍流扩散系数可以足够精确地 用式 4 表示 E Hu* 0. 145 4 式中 H 为湖泊的平均水深， m; u*为动力流速 切应 力流速 ， 表征水力摩阻条件， m/s。 u* u槡g/c 5 c 1 n R 1 6［ 16］ 6 R A χ 7 式 5 ～ 式 7 中 u 为湖泊的平均流速， m/s; c 为谢 才系数， m0. 5/s; R 为水力半径， m; A 为渠道过水断面 面积， m2; χ 为湿周， m; n 为粗糙系数， 可查询水工 手册。 2健康风险评价模型 美国环境保护署推荐使用的健康风险评价模 型 ［ 13］， 应用广泛、 较为成熟且评价结果准确。本文将 采用该方法进行评价。 2. 1人体平均日摄入剂量 人体平均日摄入剂量计算见式 8 Dose Ci CR FE DE BW AT 8 式中 Ci为饮用水中目标污染物 i 的浓度， mg/L; CR 为饮用水摄入速率， 成人取 2 L/d 美国 EPA 推荐数 据 ; FE为暴露频率 根据目标取水点处污染物的浓 度变化范围取值 ， d/a; DE为持续暴露时间， 取 1 年; BW 为体重， 美国 EPA 推荐使用 70kg， 我国宜取 60 kg［ 14］; AT 为平均时间 对致癌物质取人类平均寿命 70 年共有的天数 ［ 15］， d。 2. 2致癌物风险评价 致癌物风险评价用式 9 表示 Ri Dose CSFi 9 式中 CSFi为目标污染物 i 的致癌斜率因子， mg － 1 kgd。 2. 3非致癌物风险评价 非致癌物风险评价用式 10 表示 Ri Dose RfDi 10 式中 RfDi为 目 标 污 染 物 i 的 非 致 癌 参 考 剂 量， mgkg － 1d－ 1。 2. 4可接受的健康风险 可接受的健康风险指为社会公认， 为公众可以接 08 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 受的不良健康效应的风险概率 ［ 16］。我国目前还没有 这方面的规定， 国内学者在进行评价时大多参考美国 标准。 美国环保署 EPA 对致癌物质可接受的风险水 平数量级在 10 － 6 ～ 10 － 4 范围， 小于 10 － 6 表示风险不 明显， 10 － 6 ～ 10 － 4 表示有风险， 大于 10 － 4 表示有较显 著的风险; 非致癌物质的可接受风险指数应小于 1。 3实例应用 3. 1场景假设 以电镀污泥为例， 测定污泥中的污染物主要为 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 重 金 属 含 量 依 次 为 14 227. 70， 8 420. 36， 19 663. 66， 43. 21， 37. 46 mg/kg 。 假设事故 发生点位于某作为饮用水源的湖边， 运送的5 t污泥 全部沿岸倾泻入湖。以污泥倾泻点为坐标原点建立 坐标轴， 东西向为 x 轴， 南北向为 y 轴， 该湖距事故发 生处的最近取水点位于污泥倾泻点偏北20 m、 偏东 50 m处。湖泊的平均水深和平均直径分别为30 m和 800 m， 平均流速为3 m/min。 3. 2风险评价模型中的参数获取 致癌斜率因子 CSF 和非致癌参考剂量 RfD 这 2 个指标的数据来源 1 美国环境保护局的 IRIS 综合 风险信息系统 ; 2 联合国环境署国际潜在有毒化学 品登记数据库; 3 中国预防科学研究院等有关卫生 和环保部门的有毒有害物质数据库; 4 化学品或化 学物质的物理化学手册。若上述数据库或手册中没 有致癌斜率因子， 则可利用其他参数进行估算， 如根 据毒理资料或人群流行病学资料估算 ［ 17］。 表 1目标污染物在水体中的人体健康基准值［ 18- 21］ 目标污染物 非致癌参考剂量 RfD / mgkg － 1d－ 1 致癌斜率因子 CSF / mg － 1kgd Cr3 1. 5 Cu0. 005［ 4， 23］ Ni0. 02 Pb0. 0085［ 22］ Zn0. 3 3. 3评价结果分析 3. 3. 1水质 二维流场点源瞬时排放模型对从污泥倾泻入湖时 起后6 000 min内， 取水口处五种重金属 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 的浓度变化进行了拟合， 结果见图 1。经分析发 现， 取水口处五种重金属的浓度在第772 min时达到峰 值分别为0. 095， 0. 056， 0. 13， 0. 00029， 0. 00025 mg/L ; 取水口处五种重金属的浓度变化趋势 基本相同， 浓度在达到峰值后逐渐降低并趋于平稳。 图 1取水口处目标污染物浓度随时间的变化曲线 3. 3. 2人体健康风险 进行健康风险评价前本文作了 2 点假设 1 不考 虑污泥中残留的 Cr6 Cr6 在电镀废水处理过程中 转化并沉淀为 Cr OH 3， 残留极少 ， 按 Cr 3 的毒性 进行评价; 2 重金属对人体健康危害的毒性作用呈 相加关系。 根据计算结果 表 2 ， 电镀污泥中引起非致癌风 险的重金属 Cr3 、Cu 、 Ni、Zn 对人体造成的风险总 和为 3. 49 10 － 4， Ni 的贡献最大， Cu 的贡献次之， 应 尤为关注; 引起致癌风险的 Pb 所造成的风险为3. 21 10 － 11。它们分别小于美国标准中的可接受风险水平 1 和 10 － 6， 表明风险不明显。 表 2目标污染物的人体健康风险 目标污染物非致癌风险致癌风险 Cr3 0. 83 10 － 6 Cu1. 46 10 － 4 Ni2. 02 10 － 4 Pb3. 21 10 － 11 Zn1. 09 10 － 8 ∑R 3. 49 10 － 4 3. 21 10 － 11 3. 4不确定性分析 此次评价认为污泥从倾泻入湖时起重金属污染 物即从固相全部转移至液相， 而忽略了重金属在水体 中的实际浸出特性; 评价过程没有考虑污泥中残留的 Cr6 ， 按 Cr3 的毒性进行评价， 降低了致癌风险; 在模 18 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 型计算时忽略了交通事故率对评价结果的影响、 忽略 了目标污染物对人体健康危害的协同或拮抗关系。 4结论 1 将二维流场点源瞬时排放模型与美国推荐使 用的健康风险评价模型相结合， 建立起一种危险废物 在湖泊中点源瞬时排放时湖泊水环境对人体健康风 险的预测方法。 2 该方法在假设湖泊流场均质各向同性和不考 虑水流速度在 x、 y 轴方向的分量等假设条件下， 适用 于危险废物运输过程中在湖泊中点源瞬时事故排放 时水环境对人体健康风险的预测。 3 在使用过程中， 评价方法需要参数少且计算 简单， 是适用于鉴别与评估水环境突发事故危害后果 的定量估算模式。但该方法所使用的湖泊水质预测 模型 二维流场点源瞬时排放模型 是在一定假设条 件之下建立起来的， 与实际应用条件还存在一些差 距， 因此完善湖泊水质预测模型以提高该评价方法的 适用性将是今后工作的重点。 参考文献 ［1 ］ 于长江. 医疗废物处理处置过程中若干环境风险问题的研究 ［D］ . 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2006. ［2 ］ 邹滨， 曾永年， Benjamin F Z， 等. 城市水环境健康风险评价［J］ . 地理与地理信息科学， 2009， 25 2 94- 98. ［3 ］ 钱家忠， 李如忠， 汪家权， 等. 城市供水水源地水质健康风险评 价［J］ . 水利学报， 2004 8 90- 93. ［4 ］王秋莲， 张震， 刘伟. 天津市饮用水源地水环境健康风险评价 ［J］ . 环境科学与技术， 2009， 32 5 187- 190. ［5 ］ 陈炼钢， 陈敏建， 丰华丽. 基于健康风险的水源地水质安全评价 ［J］ . 水利学报， 2008， 39 2 235- 239， 244. ［6 ］ 张永春， 林玉锁， 孙勤芳， 等. 有害废物生态风险评价［M］ . 北 京 中国环境科学出版社， 2002. ［7 ］胡二邦. 环境风险评价实用技术和方法［M］ . 北京 中国环境 科学出版社， 2000. ［8 ］ 徐祖信， 廖振良. 水质数学模型研究的发展阶段与空间层次 ［J］ . 上海环境科学， 2003， 22 2 79- 85. ［9 ］ 曾光明， 卓利， 钟政林， 等. 突发性水环境风险评价模型事故泄 漏行为的模拟分析［J］ . 中国环境科学， 1998， 18 5 403- 406. ［ 10］ 徐峰， 石剑荣， 胡欣. 水环境突发事故危害后果定量估算模式研 究［J］ . 上海环境科学， 2003， S2 64- 71， 88. ［ 11］ 彭泽洲， 杨天行， 梁秀娟， 等. 水环境数学模型及其应用［M］ . 北 京 化学工业出版社， 2007. ［ 12］ 邓志强， 褚君达. 河流纵向分散系数研究［J］ . 水科学进展， 2001， 12 2 137- 142. ［ 13］ Office of Solid Waste of U S EPA. 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