机械厂遗留场地重金属污染特征及健康风险评价

　　摘要：本文以西南某机械厂遗留场地为研究对象，利用主成分分析法和克里金插值法分析了种主要重金属(Ni、Pb、As、Co、)的污染特征及来源，并在健康风险评价中引入蒙特卡罗模拟进行了不确定性分析。结果表明，研究区表层土壤中Ni、Pb、As和Co存在富集现象，分布相对均匀。污染主要来源有厂区内工业活动人为源、土壤母质自然源和周边工业活动大气沉降污染源。非致癌风险主要危害因子是As和Co，As为主要致癌因子。成人主要的暴露途径为皮肤接触，儿童主要为经口摄入。成人和儿童非致癌风险超过阈值的概率分别为11.60%和60.88%，致癌风险超过阈值的概率为4.36%和2.31%，对于成人和儿童最敏感参数分别为皮肤黏附系数和体重。本研究可为重金属污染场地土壤风险管控或修复工作提供科学指导和技术支撑。

　　关键词：重金属;污染场地;健康风险评价;蒙特卡罗

　　引言

　　近年来，随着我国工业化和城镇化迅速地发展，遗留了大量被重金属和有机化合物污染的场地[1,2]。全国土壤污染调查了约10万个潜在污染场地[3]，在各种土壤污染物中，重金属因其毒性的可积累性和持久性而受到广泛关注，它们可以通过呼吸吸入、经口摄入和皮肤接触等途径威胁人类健康，可能导致多种疾病甚至癌症[4,5]。

　　地统计学与多元统计分析组合用以研究土壤重金属污染特征逐渐成为当前的研究趋势[6]。基于地理信息系统(GIS)的地统计学可以有效地表征不同区域尺度下土壤中重金属的空间分布，准确识别土壤中重金属的空间分布有助于合理分析污染特征和评价风险[7,8]。多元统计分析用于识别和量化污染来源，多种统计方法联用或者结合地统计学分析可以提高源解析结果的适用性和可信度[2,9]。

　　当前国内大多数健康风险评价还依赖于具有确定性参数的传统模型，但是由于污染场地和暴露人群间存在差异，因此进行确定性评价会导致评价结果被高估或低估[10]。将污染物浓度、暴露参数的概率分布带入评价模型的概率分析方法能有效地降低评价结果的不确定性，蒙特卡罗模拟是实用性较强的概率分析方法[11]。基于此，本研究以西南某机械制造厂遗留污染场地为研究对象，结合种重金属的空间分布和主成分分析以探究表层土壤污染特征及来源;在健康风险评价的过程中，引入蒙特卡罗模拟以降低风险评价的不确定性，同时通过敏感性分析确定暴露参数对结果的贡献率，以期为重金属污染场地的土壤风险管控或修复工作提供科学依据。

　　1研究对象与方法

　　1.1场地概况

　　研究场地是我国西南地区较大的一家机械制造厂，占地面积约27.86×10。该机械制造厂前身为机械修理厂，后转产空压机，有50多年的生产历史，原厂房现已废弃，未来将作为文化设施用地。厂区内主要有机加工车间、铸造车间、铸沙堆放区域、锻工车间、总装车间以及生活区等功能区域。铸造、焊接、机加工、热处理等生产过程中涉及到重金属污染，导致土壤重金属含量超标。

　　1.2样品采集与测定

　　结合场地使用功能和污染特征，现场采样结合随机布点法和专业判断法，对生产车间、原料和废弃物堆放处及其相邻区域加密布点，共布设158个土壤采样点，如图所示。垂直方向上土壤采样点取样深度为硬化层以下0~10.6m，本研究关注表层土壤即0~20cm深度的土壤。现场采样使用钻机进行土壤样的钻取获取采样点的土柱进行分层取样，样品编号装入聚乙烯密封袋，避免丢失、混淆和污染。

　　在实验室内对样品去除杂物、风干、研磨后，过200目的尼龙筛。Ni、Pb使用原子吸收分光光度计测定，As使用双道原子荧光光度计测定、Co、的含量使用电感耦合等离子体质谱法测定，测试过程中试剂均为优级纯，采用相应的国家标准物质进行质量控制。方法空白样均为未检出，有证标准物质的检测值均在控制范围内，平行样的相对偏差在10%以内，空白加标和样品加标回收率均为(100±10)，数据质量可靠。

　　1.3健康风险评价模型

　　本研究使用的健康风险评价模型是基于美国国家环保署(USEPA)制定的风险评价程序进行构建，用来量化暴露于土壤重金属对人体健康的风险[12]。该场地未来将作为文化设施用地，需要分别对成年人和儿童进行暴露风险评价。

　　1.4不确定性评价

　　由于环境和受体特征存在可变性，评价模型中使用的部分参数存在不确定性[10]。本研究主要关注重金属浓度和暴露参数具有的不确定性。为了更好地表征非致癌和致癌风险，使用蒙特卡罗模拟来减少风险计算的不确定性，以避免使用确定性参数导致风险评价的结果被高估或低估。

　　风险评价中的蒙特卡洛模拟的步骤包括：①用概率分布来定义评价模型中不确定性参数可能的值;②对不确定性参数进行随机抽样后带入评价模型计算;③对计算结果进行统计分析，得到风险值的概率分布，根据敏感性分析得到不确定性参数的贡献方差。

　　1.5数据处理分析

　　本研究利用Excel2016和SPSS20完成数据的整理运算和多元统计分析，利用CrystalBall软件完成不确定性健康风险评价中的蒙特卡罗模拟和分析，利用Surfer15完成污染场地采样点位图和污染物空间分布图。

　　2结果与讨论

　　2.1重金属污染特征分析

　　研究区表层土壤重金属浓度的描述性统计结果见表。研究区种重金属浓度的平均值均超过当地背景值[20]，最大值也超过第一类用地的筛选值[21]，表明研究区的表层土壤已经受到这种重金属的污染，污染程度依次为PbNi>As>Co>V。As和的变异系数在5%~35%之间，为中等变异;Pb、Co的变异系数大于6%，为强变异。变异系数的大小反应土壤中重金属浓度分布的离散性，变异系数越大，表明分布越不均匀[22]。和As的分布类型为逻辑分布，Pb和Co为对数正态分布，为正态分布。

　　根据采样点的实测浓度值，使用克里金插值预测了表层土壤中种重金属的空间分布情况，从中可以直观看出Ni、Pb、As和Co的浓度分布存在明显的富集现象，主要集中在铸沙堆放区域、铸造车间、酸洗池等生产和堆放区域，说明厂区内表层土壤重金属的污染受人为源影响显著。的浓度分布相对均匀，没有在生产和堆放区域表现出富集现象，说明受人为源污染较小。

　　基于重金属含量测定数据，对场地表层土壤中重金属进行主成分分析，得到土壤重金属元素成分贡献表，见表。第一主成分的方差贡献率为43.70，具有较大的载荷。这些元素空间变异性较大，富集在生产加工车间附近，铸造和电镀等过程中会产生这类污染，受人类活动影响明显，为人为源。第二主成分的方差贡献率为27.32，具有较高载荷。

　　具有较小的变异系数，浓度超出背景值倍数较小，变异性中等且为正态分布，空间分布均匀，说明受人为影响较小，故推测主要为土壤母质源。第三主成分方差贡献率为5.41%，Pb具有较高载荷。厂区西北面为某大型钢铁厂，钢铁厂周边土壤会受到工业废气烟尘扩散沉降污染[23]，而研究区夏半年盛行偏南风、多雨，因此推测为受附近工业生产影响的大气沉降污染源。

　　2.2确定性健康风险评价

　　利用实测重金属浓度的平均值和参数的最可能值，计算出种重金属通过不同暴露途径的健康风险结果比较计算结果以明确主要污染物和暴露途径。非致癌风险评价结果显示儿童的总风险值是成人的.96倍，分别为.54和.52，表明对儿童具有明显的非致癌健康影响，而对成人具有可接受的非致癌健康影响。

　　非致癌危险商贡献率最大的是As和Co，对成人的贡献率分别为8.11%和0.71%，儿童则是5.44%和0.53%，主要是因为As和Co的日均参考暴露剂量相对较低。从暴露途径来看，经口摄入和皮肤接触为主要暴露途径，贡献率分别为对成人4.67%和5.19%，对儿童9.96%和9.63%。成人由于土壤摄入率较小、皮肤暴露表面积较大，所以皮肤接触为主要暴露途径。heng等[24]研究认为，吮吸手指后经口摄入是儿童对土壤重金属的关键暴露途径之一，与经口摄入为儿童的主要暴露途径的结果一致。

　　本研究计算了具有致癌效应重金属(Ni、As、Co)的致癌风险，结果显示致癌重金属对成人和儿童的总致癌风险相当，分别为3.63×和3.25×，表明存在可接受的致癌风险。对于儿童和成人，Ni和Co的致癌风险对总致癌风险贡献率均小于，且绝对值均远小于，可以认为不具有致癌风险。As是最主要的致癌因子，主要原因为As在三种暴露途径下均具有致癌效应，而Ni和Co仅呼吸吸入途径具有致癌效应，且该暴露途径日均摄入量远小于其他途径。从暴露途径来看，儿童和成人主要暴露途径为经口摄入和皮肤接触，贡献率分别为儿童1.50%和8.45%，成人5.32%和4.58%，经呼吸吸入途径导致的致癌风险可以忽略不计，与非致癌风险一致。

　　2.3不确定性健康风险评价

　　基于蒙特卡罗的不确定性健康风险评价结果，不同重金属对儿童和成人非致癌危险指数和致癌风险的分布情况。对于成人，Co会导致不可接受的非致癌健康影响，概率为.00%，As会导致致癌风险，概率为.36%;对于儿童，As和Co会导致不可接受的非致癌健康影响，概率为8.08%、15.58%，As会导致致癌风险，概率为2.31。其余重金属几乎不存在超过阈值的健康风险，因此需要对As和Co富集区域进行针对性修复治理。

　　参数敏感性分析

　　敏感性分析结果反映了不同参数对不确定性风险评价结果的贡献率。对于非致癌风险和致癌风险，总重金属浓度均不为最敏感参数，且贡献率均不足1/3。段小丽等[26]的研究也表明暴露参数的绝对敏感性之和几乎是敏感性的倍，说明暴露参数对评价结果至关重要，对结果不确定影响高于污染物浓度的不确定性。可以通过现场问卷调查[27]、剂量效应模拟实验[28]等提高暴露参数的准确性，以降低评价结果的不确定性。

　　对于成人最敏感参数均为皮肤黏附系数，对于儿童最敏感参数均为体重，最不敏感参数均为土壤吸入速率(Inh)，与前文呼吸吸入暴露途径风险贡献可忽略不计的结论一致。成人和儿童的不确定性参数敏感性明显存在区别，不同研究之间的敏感性分析也差异较大。侯捷等[29]的研究表明相同条件下不同污染程度也会导致重点关注不确定性参数不同，说明在健康风险评价过程中简单使用导则中的确定性参数，而不考虑场地具体情况会导致评价结果失真。

　　结论

　　研究区表层土壤受到五种重金属污染程度为：Pb>Ni>As>Co>V。Ni、Pb、As和Co在研究区内表现出富集现象，分布相对均匀。主成分分析结果表明三个主要污染来源分别为：厂区内工业活动人为源、土壤母质自然源和周边工业活动大气沉降污染源。非致癌风险主要贡献因子是As和Co，As也是最主要致癌因子，它们存在会超过健康风险阈值的概率。成人主要暴露途径为皮肤接触，儿童主要为经口摄入，经呼吸吸入暴露途径导致的健康风险可忽略不计。

　　成人和儿童非致癌风险超过阈值的概率分别为11.60%和60.88%，致癌风险超过阈值的概率为4.36%和2.31%，为了保障人群的健康不受威胁，需要对场地土壤进行修复。暴露参数对评价结果至关重要，对于不同场地简单地使用我国污染场地风险评估技术导则中的确定性暴露参数，可能存在偏保守和不适用等问题，本研究中对于成人和儿童最敏感参数分别为皮肤黏附系数和体重。推动不确定性参数的研究，有助于完善我国健康风险评价体系。

　　参考文献

　　[1]黎子瑜，钱谊，王蒙.某电镀厂搬迁后重金属污染场地的健康风险评价[J].环境工程，2014，32(S1):831835.

　　[2]吴志远，张丽娜，夏天翔，等.基于土壤重金属及PAHs来源的人体健康风险定量评价以北京某工业污染场地为例[J].环境科学，2020，41(09):41804196.

　　[3]LiT,LiuY,BjergPL.Prioritizationofpotentiallycontaminatedsites:AcomparisonbetweentheapplicationofasolutetransportmodelandariskscreeningmethodinChina[J].JournalofEnvironmentalManagement，2021，281():111765.

　　[4]段宁，方丽婷，张湘泰.基于靶器官的土壤重金属非致癌健康风险评估[J].安全与环境工程，2021，28(04):207212.

　　[5]杨国栋，张梦竹，冯涛，等.土壤重金属污染修复技术研究现状及展望[J].现代化工，2020，40(12):5054.

　　[6]HouD,O'ConnorD,NathanailP,etal.IntegratedGISandmultivariatestatisticalanalysisforregionalscaleassessmentofheavymetalsoilcontamination:Acriticalreview[J].EnvironmentalPollution，2017，231:11881200.

　　作者：屠德刚冯涛，杨国栋，罗巍巍聂贝黎