焦炉炼焦过程中产生大量气态污染物，成分复杂，其中含有多环芳烃物质(PAHs)，包括萘、 蒽、 菲、 芘等多种化合物^{[1, 2, 3, 4]}，可通过呼吸、 饮食和皮肤接触等多种途径进入人体，具有较强毒性和致癌作用^[5]. 国内外开展了不少针对大气中PAHs对人体健康影响的研究^{[6, 7, 8]}，相关研究结果表明PAHs类物质例如苯并(a)芘，与肺癌标化死亡率有明显相关性^[9]，可导致个体寿命损失，对人体健康风险非常大. 国内也有相关学者通过监测采样研究大气中PAHs的分布特征，并通过毒性等效因子(TEF)计算致癌风险^{[10, 11, 12]}.

近年来，中国焦炭产量持续增长，2010年产量达到38757万t，同比增长9%^[13]，根据美国AP-42大气污染物排放因子中焦化无组织源强公式^[14]估算国内PAHs排放量约500 t. 另外由于历史、 规划等原因，我国有部分焦化厂建在城市内，周边人口稠密，存在着一定的人体健康风险. 而评价焦化厂产生的大气污染危害，一般仅关注于污染物监测值和预测值是否达到《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)^[15]、 防护距离是否符合卫生防护距离^[16]、 大气环境防护距离^[17]等要求，而对人体健康风险研究尚缺乏足够的研究，无法给环境管理与决策提供科学依据.

本研究以某大型钢铁企业焦炉为例，采用AERMOD污染物扩散模式来模拟焦炉排放PAHs类共13种污染物在大气中的浓度情况，按照美国环保署推荐的人体健康风险评价导则(HHRAP)^[18]中的算法，采用Risk Analyst软件^[19]计算评价范围内人群受焦炉排放PAHs类污染物的致癌风险和危害指数，在GIS环境进行致癌风险和危害指数等值线展示，对焦炉排放PAHs类污染物的健康风险进行了定量评价，开展了基于人体健康风险的防护距离计算，以期为环评体系构建人体健康风险评价做了初步探索.

本研究使用AERMOD污染扩散模式模拟焦炉排放PAHs大气污染物浓度及沉降情况，采用Risk Analyst健康风险分析模型系统评价焦炉排放PAHs类污染物的致癌风险和危害指数. AERMOD为我国环保部、 美国环保署等多个国家环保管理部门推荐的、 适用于50 km小范围内的污染物扩散法规模式^[17]，Risk Analyst是由美国Trinity Consultants公司完全基于HHRAP导则算法编制的健康风险分析系统. 技术路线见图 1.

图 1 人体健康风险评价技术路线 Fig. 1 Technology roadmap of human health risk assessment

暴露途径描述了大气中污染物从排放点到受影响人体的过程，一般可分为直接呼吸吸入和间接摄入途径. 间接途径包括饮食摄入、 饮用水摄入和皮肤接触(土壤或水体)摄入等. 由于案例关于间接摄入途径参考数据较少，本研究仅考虑直接呼吸吸入的影响.

致癌风险根据各污染物的呼吸吸入单位风险因子(URFi)估算. URFi定义为空气中污染物浓度为1 μg ·m^-3时的致癌几率的上限.

直接呼吸吸入的致癌风险计算公式如下^[16]:

致癌风险CR=EC×URFi

暴露浓度EC=(Ca×EF×ED)/(AT×365 d ·a^-1)

式中，CR：通过直接呼吸吸入大气中污染物造成的致癌风险; EC：暴露浓度，μg ·m^-3; URF：单位风险因子，m³ ·μg^-1，污染物毒理学参数; Ca：大气中污染物的浓度，μg ·m^-3; EF：暴露频率，d ·a^-1; ED：暴露时间，a; AT：平均时间，a.

一般来说，致癌风险在1×10^-6以下是可以接受的，表示该受体点人群在一生中发生癌症的几率为百万分之一^{[20, 21]}.

对于大部分没有致癌风险的污染物，需计算危害指数(非致癌风险). 危害指数为人体接受到的暴露剂量与污染物的参考浓度(RfC)的比值，RfC定义为不会引起健康风险的大气中污染物浓度.

直接呼吸吸入的危害指数计算公式如下^[16]：

危害指数HQ=EC×0.001/RfC

式中，HQ：通过直接呼吸吸入大气中污染物造成的危害指数; EC：暴露浓度，μg ·m^-3; 0.001：单位转换因子，mg ·μg^-1; RfC：参考浓度，mg ·m^-3，污染物毒理学参数.

一般来说，危害指数小于1可被认为是没有不利健康风险的^[22].

本次研究的13种PAHs类污染物中，有6种为非致癌污染物，7种为致癌污染物，相关毒理学参数见表 1~2^[18].

表1(Table 1)

表 1 PAHs类非致癌污染物毒理学参数 Table 1 Non-carcinogenic health standards of PAHs 序号 CAS1) 中文名 RfC/mg ·m-3 1 91-20-3 萘 0.003 2 83-32-9 苊 0.21 3 86-73-7 芴 0.14 4 120-12-7 蒽 1.0 5 206-44-0 荧 0.14 6 129-00-0 芘 0.11 1)CAS号是化合物的唯一数字识别码，下同

表 1 PAHs类非致癌污染物毒理学参数 Table 1 Non-carcinogenic health standards of PAHs

表2(Table 2)

表 2 PAHs类致癌污染物毒理学参数 Table 2 Carcinogenic health standards of PAHs 序号 CAS 中文名 URFi/(μg ·m-3)-1 7 56-55-3 苯并(a)蒽 0.00011 8 218-01-9 苯并菲 0.00011 9 205-99-2 苯并(b)荧蒽 0.00011 10 207-08-9 苯并(k)荧蒽 0.00011 11 50-32-8 苯并(a)芘 0.0011 12 193-39-5 茚并(1,2,3-cd)芘 0.00011 13 53-70-3 二苯并(a，h)蒽 0.0012

表 2 PAHs类致癌污染物毒理学参数 Table 2 Carcinogenic health standards of PAHs

某大型钢铁联合企业所在位置为丘陵农村地区，项目周边主要是村落和农田，属暖温带半湿润大陆性季风气候，焦化厂主要生产装置为55孔6 m焦炉6台，年产焦炭330万t.

炼焦过程中产生的多环芳烃大部分为无组织排放，国内对源强估算没有较统一的导则、 标准和方法. 目前环评单位大多采用各自的经验值来估算BaP的排放量(尚未考虑其他PAHs类物质)，导致相同型号、 相同规模的焦炉估算出来的BaP排放量差别很大[8~20 mg ·(t ·J)^-1]^[23]. 针对上述问题，本研究参考美国AP-42大气污染物排放因子中关于焦化无组织源强计算部分，分别计算了13种PAHs类污染物年排放量，见表 3.

表3(Table 3)

表 3 案例企业焦炉排放PAHs污染物情况 Table 3 Emission of PAHs by the coke oven in the case 序号 CAS 英文名 中文名 排放量/t ·a-1 1 91-20-3 Naphthalene 萘 1.633 2 83-32-9 Acenaphthene 苊 0.005 3 86-73-7 Fluorene 芴 0.345 4 120-12-7 Anthracene 蒽 0.150 5 206-44-0 Fluoranthene 荧 0.337 6 129-00-0 Pyrene 芘 0.569 7 56-55-3 Benzo[a]anthracene 苯并[a]蒽 0.023 8 218-01-9 Chrysene 苯并菲 0.011 9 205-99-2 Benzo[b]flouranthene 苯并[b]荧蒽 0.005 10 207-08-9 Benzo[k]fluoranthene 苯并[k]荧蒽 0.005 11 50-32-8 Benzo[a]pyrene 苯并[a]芘 0.002 12 193-39-5 Ideno[1,2,3-cd]pyrene 茚并[1,2,3-cd]芘 0.003 13 53-70-3 Dibenz[a,h]anthracene 二苯并[a，h]蒽 0.002

表 3 案例企业焦炉排放PAHs污染物情况 Table 3 Emission of PAHs by the coke oven in the case

本研究模拟区域为16 km×16 km，受体网格分辨率为200 m，受体网格覆盖整个模拟区域，采用AERMOD模式分别计算各污染物在每个网格的浓度. 地面气象资料采用2007年逐日逐时地面气象数据，原始地面气象参数包括温度、 风速、 风向、 总云量、 低云量、 相对湿度、 气压. 采用的高空气象数据由中尺度数值模式MM5模拟生成，MM5模式的初始场采用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析数据，高空气象数据垂直层数为25层，参数包括大气压、 高度、 干球温度、 露点温度、 风向偏北度数、 风速.

本研究模拟考虑地形对污染物扩散的影响，地形数据采用航天飞机雷达地形测绘(SRTM)3角秒数据，数据分辨率约90 m.

模拟区域用地类型为耕地，采用耕地各季节的地表特征参数，其中鲍文率选用土壤湿度条件为平均的特征参数. 本次大气环境影响预测中的有关参数选取情况见表 4.

表4(Table 4)

表 4 AERMOD计算选用参数一览表 Table 4 Parameter list for AERMOD calculation 参数名称 扇区/(°) 时段 正午反照率 鲍文率 粗糙度 0~360 冬季(12、 1、 2月) 0.6 1.5 0.01 地表参数 0~360 春季(3、 4、 5月) 0.14 0.3 0.03 0~360 夏季(6、 7、 8月) 0.2 0.5 0.2 0~360 秋季(9、 10、 11月) 0.18 0.7 0.05 化学转化 不考虑 烟囱出口下洗 考虑 干沉降 考虑 地形数据分辨率/m 90×90

表 4 AERMOD计算选用参数一览表 Table 4 Parameter list for AERMOD calculation

本研究暴露情景中的参数均使用美国环境保护署HHRAP导则中的推荐参数^[18]，具体见表 5.

表5(Table 5)

表 5 暴露情景参数 Table 5 Parameter list of exposure scenarios 参数 描述 农村居民(成人) 单位 AT_cancer 致癌分析的平均时间 70 a AT_hazard 非致癌分析的平均时间 40 a BW 体重 70 kg ED 暴露时间 40 a EF 暴露频率 350 d ·a-1

表 5 暴露情景参数 Table 5 Parameter list of exposure scenarios

表 6结果表明，评价范围内危害指数影响较大的为萘，危害指数范围为6.65E-06~0.97，影响大小顺序为萘>芘>芴，多环芳烃总危害指数指数范 围为6.78E-06~0.99，见图 2. 最大危害指数接近标准值1，可能会对当地居民的人体健康可能存在一定的潜在影响.

表6(Table 6)

表 6 焦炉排放多环芳烃危害指数、 致癌风险评价结果 Table 6 Hazard index and carcinogenic risk assessment of the PAHs discharged by the coke oven 污染物 危害指数值 致癌风险值 萘 6.65E-06~0.97 — 苊 3.15E-10~4.58E-05 — 芴 3.00E-08~4.38E-03 — 蒽 1.83E-09~2.66E-04 — 荧 2.92E-08~4.25E-03 — 芘 6.28E-08~9.15E-03 — 苯并[a]蒽 — 8.59E-12~6.64E-07 苯并菲 — 6.24E-12~9.09E-08 苯并[b]荧蒽 — 3.42E-12~4.98E-07 苯并[k]荧蒽 — 1.02E-12~1.48E-07 苯并[a]芘 — 3.72E-11~5.42E-07 茚并[1,2,3-cd]芘 — 1.13E-14~1.65E-09 二苯并[a，h]蒽 — 7.87E-13~1.15E-07 13种PAHs类总贡献 6.78E-06~0.99 1.82E-11~2.65E-06

表 6 焦炉排放多环芳烃危害指数、 致癌风险评价结果 Table 6 Hazard index and carcinogenic risk assessment of the PAHs discharged by the coke oven

图 2 焦炉排放多环芳烃总危害指数等值线 Fig. 2 Contour map of total hazard index by PAHs emission

表 6结果表明，评价范围内致癌风险影响较大的为苯并[a]蒽，致癌风险值范围为8.59E-12~6.64E-07，影响大小顺序为苯并[a]蒽>苯并[a]芘>苯并[b]荧蒽， 多环芳烃总致癌风险值为1.82E-11~2.65E-06，见图 3. 焦炉排放各污染物单因子致癌风险均小于美国环保署推荐值1.0E-06^[18]，单因子不会对人体造成致癌影响，而综合考虑多环芳烃总致癌风险值最大达到2.65E-06，每百万人增加2.65个癌症患者，对当地居民的人体健康可能存在一定的影响.

图 3 焦炉排放多环芳烃总致癌风险等值线 Fig. 3 Contour map of total carcinogenic risk by PAHs emission

从图 2和图 3结果表明，PAHs危害指数、 致癌风险最大值均发生在焦化厂周围，相关研究结果也表明焦化厂周围空气PAHs浓度较大^{[24, 25]}，对焦化工人身体健康造成严重威胁. 因此，通过在厂界线外设置一定的防护距离，保护居民的健康，是切实可行的.

目前焦化环境影响评价工作中，防护距离有大气环境防护距离和卫生防护距离两种. 确定卫生防护距离的方法主要有两种：一是根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 13021-91)中的公式进行计算; 二是执行《焦化厂卫生防护距离标准》(GB 11661-89)^[26]. 大气环境防护距离是基于《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2-2008)推荐的SCREEN3估算模式进行计算.

本研究提出了人体健康防护距离的概念，在项目厂界以外设置的人体健康防护距离外，对人群健康的影响达到可接受的范围，在人群健康防护距离内不应有长期居住的人群. 本研究人体健康防护距离根据总致癌风险超标区域的面积(S)来折算等效半径(标准设为1×10^-6). 等效半径(R)公式如下：πR2=S.

按不同方法计算的防护距离见表 7. 从几种防护距离方法计算结果来看，防护距离最大影响为《焦化厂卫生防护距离标准》的1400 m，最小为大气环境防护距离0 m. 其中《焦化厂卫生防护距离标准》较为陈旧，按其确定的卫生防护距离不太适合目前先进企业焦炉等工艺的发展以及产量要求; 《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》、 大气环境防护距离由于缺少焦炉排放其他多环芳烃相关空气质量标准，故仅能计算苯并[a]芘物质; 人体健康防护距离综合考虑焦炉排放13种PAHs类污染物影响，为设置焦炉防护距离提供了一种新的思路与方法.

表7(Table 7)

表 7 焦炉防护距离对比结果 Table 7 Comparison of coke oven protective distances 计算方法 距离/m 制定地方大气污染物排放标准的技术方法 50 焦化厂卫生防护距离标准 1400 大气环境防护距离 无超标 人体健康防护距离 250

表 7 焦炉防护距离对比结果 Table 7 Comparison of coke oven protective distances

(1)源强不确定性对于焦炉PAHs类无组织排放计算，我国尚无发布权威方法，本研究采用的AP-42中焦炉PAHs无组织计算方法，是根据20世纪90年代美国焦炉产污水平得出的，而当前我国焦炉在规模、 产能、 环境保护措施方面与其存在一定差异，源强结果存在一定不确定性.

(2)我国关于毒理学、 健康统计等参数资料较少，本研究中的健康参考标准等参数采用美国环保署资料，而实际上我国与美国一些参数存在着差异^[27]，计算参数存在一定不确定性.

(1)案例结果表明，焦炉排放中单因子危害指数最大的为萘，危害指数接近标准值1. 综合考虑多环芳烃总致癌风险值为2.65E-06，每百万人增加2.65个癌症患者，对当地居民的人体健康可能存在一定的影响.

(2)本研究提出的人体健康防护距离的概念及计算方法，对保护人群健康，更科学地进行环境影响评价有着一定的参考意义. 国内应开展相关的污染物毒理学、 健康统计等研究，为更准确计算人体健康风险提供数据支持.