再生水回用于工業(yè)冷卻中有機污染物健康風險研究

再生水回用于工業(yè)冷卻中有機污染物健康風險研究城市污水處理廠來水中生活污水比例高，含鹽量低、可生化性好，處理工藝成熟，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，排放標準嚴格，是優(yōu)質(zhì)的再生水水源。而鋼鐵、火電等高耗水行業(yè)的工業(yè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)水量消耗大，對水質(zhì)要求不高。因此，城市污水處理廠再生水回用于大型鋼鐵或火電企業(yè)的工業(yè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，已成為目前再生水利用的最重要方式之一[1]。再生水回用過程中的次生環(huán)境健康風險一直受到較多的關(guān)注[2,3,4]，但研究內(nèi)容主要集中于再生水中重金屬、病源微生物的影響，對于再生水中殘留的部分有機污染物在回用過程中對健康的影響未有深入研究[5,6,7]。筆者設(shè)計了一套工業(yè)循環(huán)冷卻水動態(tài)實驗系統(tǒng)，模擬冷卻塔內(nèi)再生水與空氣之間的熱質(zhì)交換過程，監(jiān)測再生水逸散到周邊大氣中的有機污染物濃度，采用劑量-反應(yīng)暴露評價模型，開展健康風險評估和研究。材料與方法1.1實驗材料實驗所用再生水取自常州市戚墅堰污水處理廠，進水中的生活污水比例超過85%，其污水處理和再生工藝為：A2O+微絮凝過濾+臭氧消毒+加氯消毒+砂濾，再生水示范工程一期工程規(guī)模為4萬m3/d，全部泵送至某鋼鐵公司的清水池，作為該企業(yè)冷卻水的補充水。再生水各主要常規(guī)指標全年平均值(見表1)均遠遠低于《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T19923—2005)中敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水的相應(yīng)標準限值。1.2實驗裝置與流程敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)最常用的冷卻水系統(tǒng)，熱水經(jīng)過冷卻塔或冷卻池與空氣直接接觸，冷卻后循環(huán)使用。再生水在冷卻塔中與空氣發(fā)生傳熱和傳質(zhì)交換過程，水中的有機污染物部分逸散到空氣中。實驗專門設(shè)計了冷卻水循環(huán)動態(tài)模擬系統(tǒng)(如圖1所示)，系統(tǒng)由燃氣熱水器、循環(huán)水泵、帶霧化噴頭的水箱以及熱工計量計(溫度計、壓力表、轉(zhuǎn)子流量計)和控制閥門組成。其中燃氣熱水器模擬冷卻系統(tǒng)的換熱器功能，帶霧化噴頭的水箱模擬冷卻塔中循環(huán)水與空氣的熱質(zhì)交換過程，水箱與管路均采用不銹鋼材料，溫度計、轉(zhuǎn)子流量計、壓力表采集系統(tǒng)運行參數(shù)與工況。經(jīng)過1個星期的試運行，不斷置換水箱中的實驗用水，對實驗系統(tǒng)中殘留的有機物進行沖洗，排除裝置附著物對實驗采樣的干擾。圖1冷卻水循環(huán)動態(tài)模擬系統(tǒng)實驗采樣階段各工況參數(shù)為：熱水器出水溫度不超過50℃，水箱循環(huán)水水溫控制在30~45℃范圍內(nèi)，實驗循環(huán)水流量穩(wěn)定在300L/h。采樣與檢測2.1采樣VOCs采樣過程為SKCAirchek2000大氣采樣器按順序連接減速閥與Tenax吸附管，預(yù)設(shè)采樣流量至500mL/min，Tenax吸附管氣體入口處用連接管與水箱冷卻系統(tǒng)出口處連接，打開采樣器，采樣時間為8h(采樣體積為240L)。SVOC的采樣過程為打開XAD-2樹脂吸附管兩端玻璃密封口，與SKCAirchek2000大氣采樣器相連接，預(yù)設(shè)采樣流量至2500mL/min，XAD-2樹脂吸附管氣體入口處用連接管與水箱冷卻系統(tǒng)出口處連接，打開采樣器，采樣時間為8h(采樣體積為1200L)。樣品采集完成后迅速取下吸附管，吸附管兩端用特氟龍帽密封，放入4℃冰箱中保存，樣品保存不超過7d。2.2檢測方法采用固體吸附劑(Tenax吸附管)富集空氣中的揮發(fā)性有機物，將吸附管置于熱脫附儀中，經(jīng)氣相色譜分離后用質(zhì)譜進行檢測。通過與待測目標物標準質(zhì)譜圖的比較和保留時間進行定性，內(nèi)標法定量?？諝庵械陌霌]發(fā)性有機物用裝有XAD-2吸附劑的采樣管采集，用乙醚-正己烷(體積比1∶9)解吸后，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮，濃縮液定容后進GC-MS分析。測試所用標準品均采用美國o2si公司產(chǎn)品，儀器運行參數(shù)如表2所示。2.3 檢測結(jié)果檢測項目包括：單環(huán)芳香烴、鹵代脂肪族化合物等7大類57種揮發(fā)性有機物;苯酚、多環(huán)芳烴、有機磷等10大類126種半揮發(fā)性有機物。檢測結(jié)果顯示，包括苯、氯苯、氯烷烴類26種揮發(fā)性有機物被檢出;萘、二甲基萘2種半揮發(fā)性有機物被檢出。環(huán)境健康風險評價3.1 暴露參數(shù)暴露參數(shù)是用來描述人體暴露環(huán)境介質(zhì)的特征和行為的基本參數(shù)[8]，決定環(huán)境健康風險評價的準確性，以1位在冷卻塔周邊工作的男性工人為例，每天工作8h，工作時間內(nèi)輕微活動與中體力活動概率為1∶1，計算工人8h工作時呼吸量IR和吸入污染物量，并折算經(jīng)呼吸道對污染物的日均暴露劑量(ADD)，見式(1)。式中：ADD——污染物的日均暴露劑量，mg/(kg˙d);C——模擬實驗檢出并折算成空氣中的污染物質(zhì)量濃度，mg/m3;IR——呼吸量，m3/d;ET——暴露時間，d/a;EF——暴露頻率，d/a;ED——暴露持續(xù)時間，a;BW——體重，kg;AT——平均暴露時間，d。3.2非致癌風險評價非致癌風險采用有閾污染物健康風險評價。有閾污染物是已知或假設(shè)在一定污染物暴露濃度下，對人或動物不發(fā)生有害作用的物質(zhì)，一般指非致癌物。人體暴露于某非致癌污染物的健康風險用式(2)計算。式中：RfD——污染物在呼吸暴露途徑下的劑量參考值，mg/(kg˙d)。3.3致癌風險評價致癌風險采用無閾污染物健康風險評價。無閾污染物是指大于零的任何劑量都可能具有有害作用的物質(zhì)，一般指致癌物。根據(jù)檢測結(jié)果，采用在低劑量暴露下人體暴露于某致癌污染物的健康風險評價公式(3)。式中：q——動物推算出來的人的致癌強度系數(shù)，kg˙d/mg。3.4參數(shù)選取華東地區(qū)年齡為18~44歲的城市男性工人在輕微活動和輕體力活動狀態(tài)下，短期呼吸量分別為9.8L/min和26.2L/min，暴露時間為8h/d，暴露頻率250d/a，暴露持續(xù)時間30a，平均暴露時間取江蘇男性平均期望壽命為74.6歲，平均體重70kg[9]。實驗中污染物暴露劑量參考值(RfD)采用美國EPA綜合風險信息系統(tǒng)(IRIS)數(shù)據(jù)庫中的推薦值。運用T25[10]來推算致癌強度系數(shù)q，其中T25是指25%的動物存在慢性癌變風險時，動物每天單位公斤體重攝入致癌物質(zhì)的劑量[mg/(kg˙d)]。致癌強度系數(shù)q可由式(4)推算。式中：當致癌物的日均暴露劑量為T25時，其對應(yīng)的慢性癌變風險概率(Risk)取0.25。3列出了模擬實驗中，城市污水處理廠再生水回用于工業(yè)冷卻系統(tǒng)過程時水中28種有機污染物經(jīng)冷卻塔逸散到周邊空氣中的質(zhì)量濃度。美國EPA的綜合風險信息系統(tǒng)(IRIS)數(shù)據(jù)庫給出了其中18項有機物的RfD[0.0005～0.2mg/(kg˙d)]，文獻[10]給出了其中4項有機物的T25[1.2～105mg/(kg˙d)]。根據(jù)表3中被檢出的污染物濃度、參考劑量和致癌強度系數(shù)等參數(shù)代入式(1)～式(4)，可以得出目標人群長期有機污染物攝入量、非致癌和致癌風險值，見表4。3.5 結(jié)果與討論運用美國EPA推薦的劑量-反應(yīng)環(huán)境健康風險暴露評價模型進行計算，忽略各類污染物危害的協(xié)同作用和拮抗作用，對計算值進行加和。由表4可以看出，冷卻塔周邊的工人吸入冷卻水逸散到空氣中的有機污染物，各有機污染物非致癌風險在9.56×10-5～1.06×10-2之間，非致癌風險指數(shù)合計為6.18×10-2，且遠小于1時，非致癌風險在安全范圍。致癌風險在1.63×10-7～5.19×10-6之間，基本滿足歐美國家推薦的致癌風險標準(10-5～10-4)，其中苯的致癌風險指數(shù)為1.63×10-7，小于美國EPA推薦的風險值(10-5)。冷卻塔作為污染物逸散源，如考慮周邊空氣中污染物濃度隨冷卻塔距離的增加而等比下降等因素，冷卻塔周邊的工人健康風險指數(shù)實際值要小于計算值，因此再生水中的有機污染物不會對目標人群健康造成明顯影響。具體參見更多相關(guān)技術(shù)文檔。結(jié)論(1)城市污水處理廠是優(yōu)質(zhì)的再生水水源，回用于工業(yè)冷卻系統(tǒng)過程中有機污染物非致癌風險在9.56×10-5～1.06×10-2之間，致癌風險在1.63×10-7～5.19×10-6之間，再生水中的有機污染物不會對暴露人群健康造成明顯影響。(2)由于鹵代烴在污水生化處理過程中難以降解，再生水中的鹵代烴對健康風險的影響大于苯系物，其中三氯乙烯的非致癌風險指數(shù)為1.06×10-2，1，2，3-三氯丙烷的致癌