随着我国城市规模的不断扩大和人民生活水平的迅速提高，我国城市生活垃圾的数量不断增加.2010年城市生活垃圾清运量已经达到了1.58×10⁸ t，人口普查数据显示，2010年我国城镇人口为66 557万人，据此估算，我国城市人均生活垃圾清运量达到了0.65 kg ·d^-1.由于经济发展水平等原因的限制，目前国内生活垃圾处理设施还不能满足日益增长的垃圾处理的需求.我国的垃圾处理主要有填埋、 焚烧、 堆肥这3种方式，而焚烧技术作为一种垃圾处理方法，具有垃圾减量化、 稳定化、 无害化以及资源化的特点，已经在很多地区得到了广泛的应用^[1].2010年我国共有大大小小的生活垃圾焚烧厂170座，年处理生活垃圾2.3×10⁷ t，生活垃圾焚烧处理量占清运量的14.6%.预计到2015年，将有200座生活垃圾焚烧设施建成，总日处理量可达到1.0×10⁵ t^[2]，生活垃圾焚烧年处理量将超过3.3×10⁷ t.

然而，城市生活垃圾焚烧过程也存在二次污染问题，会排放大量的有毒物质，如二 英、 汞等重金属^[3,4]，汞对人体和生物具有高毒性，它可以在厌氧微生物的作用下转化为剧毒的甲基汞，并通过食物链常使人体产生中枢神经系统中毒症状^[5].我国城市生活垃圾的收集采用混合收集方式，大量含汞的废物如荧光灯、 废旧电池、 温度计等均混入到生活垃圾中，致使其焚烧产生的烟气中汞的排放浓度较高^[6].有研究证明，在垃圾焚烧过程中有72%的汞随烟气排放进入大气^[7]，进入大气的汞一方面参与区域及全球汞的生物化学循环，另一方面通过干湿沉降进入土壤^[8]，沉降于土壤表层中的汞则通过植物-土壤体系或直接、 间接地与人体接触从而危害人类健康^[9].

研究发现大气中汞的含量与土壤中汞的含量呈正相关^{[10, 11]}，这也表明对土壤中汞的监测可以反映垃圾焚烧所释放出的汞的含量.同时，土壤中汞可以反映相对较长时间的大气与土壤中汞的沉降挥发过程.当前，国内外已有一些学者对垃圾焚烧厂周边环境中的汞污染进行了相关报道.如Rimmer等^[12]及王俊坚等^[13]发现焚烧厂未明显造成土壤中汞等重金属的污染.而汤庆合等^[8]及Meneses等^[14]发现垃圾焚烧厂周边土壤中汞相比之前有了明显的增加.本研究选择了华北某先进的生活垃圾焚烧厂，对其周边土壤中汞的浓度、 分布特征进行分析，利用多种评价方法分析焚烧厂对周围环境所造成的影响，以期为对长期生活在垃圾焚烧厂周边的敏感人群的健康风险评价提供参考.

1 材料与方法 1.1 样品采集

该生活垃圾焚烧厂坐落于华北地区某市，于2003年10月建成点火，占地面积4.6×10⁴ m².焚烧厂采用先进的炉排炉技术，装备了2套单台日处理量800 t的焚烧系统，总日处理量1 600 t，并配备了半干法吸收塔、 布袋除尘器、 活性炭喷射等尾气污染控制设施，烟囱主体高度为80 m.焚烧厂周边环境较为复杂，2 000 m范围内即有相对敏感的居民区和商业区.焚烧厂附近气象数据由当地气象站获得，该市属于典型的温带季风气候，具有夏季高温多雨，冬季寒冷干燥的特征.四季分明，冬夏季风方向变化显著，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风. 2012年8月，根据当地夏季(6~8月)风向及其地形状况，选取了20个采样点(如图 1).

图 1

Fig. 1

其中3个圆分别代表距离该焚烧厂烟囱500、 1 000和1 500 m 图 1 土壤样品分布示意 Fig. 1 Distribution of soil sampling sites

采样点以垃圾焚烧厂为中心，在其西北、 东北、 西南、 东南这4个方向上分别设置6、 4、 5、 5个采样点.每个样品点均采用梅花布点法进行采集，在5 m×5 m范围内采集5个等体积小样，均匀混合成1个样品.样品采集自表层土壤(0~10 cm)，去除其中的植物和沙砾，封存于聚乙烯袋内，每个样品重约1 kg.样品采集后保存在-20℃冰箱内直到分析完成.

1.2 样品处理与分析

采集回来的样品经风干后研磨，并过100目尼龙筛.准确称取0.1 g样品，将土壤倒入20 mL安瓿瓶中，加入1 mL超纯水及2 mL的硝酸，将样品放置通风橱中过夜.使用安瓿熔封机将安瓿瓶封口，而后将样品在沸水浴中加热2 h，待样品冷却至室温，将消解后的液体定容至10 mL，使用原子荧光光谱仪(AF-610B，北京瑞利分析仪器有限公司)进行测定^[15].

每批样品的分析过程均加入国家标准土壤样品(GBW07406)和汞标准溶液(GSB04-1729-2004，国家有色金属及电子材料分析测试中心)进行质量控制，同时设置空白及平行实验，其回收率为96.3%.采用总有机碳分析仪(O.I公司，美国)对土壤中TOC的含量进行了分析，土壤中TOC含量为1.26%~8.81%，平均值为(2.75±1.70)%； 土壤pH在7.9~8.6之间，平均值为8.1.

2 结果与讨论 2.1 土壤中汞浓度水平

土壤样品中汞浓度及夏季风玫瑰图见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 土壤样品中汞浓度分布示意 Fig. 2 Distribution of mercury in the soils

土壤样品中汞的平均值是(0.088±0.064)mg ·kg^-1，浓度范围为0.015~0.25 mg ·kg^-1，在距离焚烧厂烟囱较远处(S5、 S6)的土壤样品中检测到了较高的汞浓度，这可能来自于汞的随风扩散，其中浓度最高点为S5(0.25 mg ·kg^-1)，距离焚烧厂烟囱1 264 m.土壤中汞的浓度、 其他研究者的比较结果及该市的土壤背景值见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 土壤中汞浓度与其他研究者比较 Table 1 Comparison of mercury concentrations of this study with other studies worldwide 样品 浓度范围 /mg·kg-1 平均值 /mg·kg-1 中位值 /mg·kg-1 研究区域 /km 日处理量 /t 焚烧厂尾气处理方法 本研究 0.015~0.25 0.088±0.064 0.07 <2 800 半干式吸收塔、 布袋除尘器、 活性炭喷射 意大利某焚烧厂周边土壤[16] 0.040~0.27 0.11±0.058 0.10 — 278 干式吸收塔、 布袋除尘器、 电除尘器 纽卡斯尔焚烧厂周边土壤[12] 0.030~4.99 0.50 0.32 <2.25 80 干式吸收塔、 布袋除尘器 深圳清水河焚烧厂周边土壤[17] 0.012~0.14 0.058 0.058 <2 600 电除尘器、 布袋除尘器、 湿式吸收塔 该市土壤背景[18] 0.020~1.48 0.069 0.050 全市

表 1 土壤中汞浓度与其他研究者比较 Table 1 Comparison of mercury concentrations of this study with other studies worldwide

从表 1中可以看出，本研究中的焚烧厂的日处理量大于其它焚烧厂，其周边土壤样品中的汞从浓度范围、 均值及中位数上与意大利某垃圾焚烧厂和深圳清水河生活垃圾焚烧厂周边土壤相近，但明显低于英国纽卡斯尔市生活垃圾焚烧厂周边土壤.造成这种区别的原因可能是3家焚烧厂都达到了一定的规模，其焚烧工况稳定性和污染物排放水平可能明显好于小规模的纽卡斯尔市生活垃圾焚烧厂.此外，半干式吸收塔、 活性炭喷射及布袋除尘器的联合配置对汞有较好的去除效果，从而降低了焚烧厂排放汞对于周边环境的影响^{[19, 20]}.

同时，汞的浓度与该市土壤背景值相比，在均值及中位数上均略有增加.与国家土壤质量标准^[21](GB 15618-1995)中汞的自然背景值进行比较，发现部分采样点中汞的浓度高于自然背景值(0.15 mg ·kg^-1)，但是显著低于二级土壤标准值(pH>7.5时，值为1.0 mg ·kg^-1).

2.2 土壤中汞的分布特征 2.2.1 土壤中汞的浓度与风向

为研究风向对于土壤汞浓度的影响，采用箱式图及方差分析对焚烧厂的西北、 东北、 西南、 东南这4个方向进行分析(如图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 风向与土壤中汞浓度的关系 Fig. 3 Relationship between the wind direction and the mercury concentrations

如图 3所示，土壤中汞的浓度在方向上存在明显的差异.西北方向汞的浓度最高，其浓度范围为0.024~0.25 mg ·kg^-1，平均值为(0.13±0.079)mg ·kg^-1，而东南方向浓度范围为0.016~0.054 mg ·kg^-1，平均值为(0.03±0.018)mg ·kg^-1，西北方向显著高于东南方向汞的浓度(P=0.012<0.05)； 东北方向与西南方向汞的浓度无显著差异(P=0.47>0.05)，浓度范围分别为0.038~0.13 mg ·kg^-1和0.027~0.17 mg ·kg^-1，平均值分别为(0.10±0.044)mg ·kg^-1和(0.08±0.055)mg ·kg^-1.

从焚烧炉排出的烟气受到风向的影响，在下风向上扩散，同时受降雨的影响，通过干湿沉降等方式 进入周边土壤.采样时间是8月，处在夏季的末端， 而夏季盛行东南风，从而使其下风向(西北)上的土壤中累计了相对较多的汞.采样点冬季盛行西北风，寒冷干燥，降雪量很少，烟气中的汞通过干沉降的方式进入周边土壤，从而使冬季土壤中沉降的汞量少于夏季沉降的汞量^[17].此外，虽然冬季焚烧厂东南是下风向，但经过漫长的春夏季后，在雨水的淋溶作用下，土壤表层积累的水溶性的Hg²⁺也可能存在随地表径流流失或渗入土壤深层，这也是造成下风向表层土壤汞浓度明显高于上风向的原因.此外，焚烧厂周边土壤中汞含量的水平分布差异受到很多因素的影响，除了气象条件(主导风向)的影响外，还可能受到土壤的理化性质、 周边环境的地势起伏、 焚烧厂烟囱的高度、 人类活动等因素的影响^[22].

2.2.2 土壤中汞的浓度与距离

生活垃圾焚烧炉排放出的汞随烟气扩散，在下风向上有较多的分布，为了进一步研究土壤中汞浓度的受影响范围，在前面对于风向影响研究的基础上，选取主导风向(东南-西北)上土壤中汞的浓度作为研究对象，对此风向上土壤中汞的浓度与焚烧厂距离之间的关系(见图 4)进行了探讨.

图 4

Fig. 4

坐标原点代表焚烧厂烟囱 图 4 土壤中汞的浓度与采样点距离焚烧厂之间距离的关系 Fig. 4 Relationship between distances from the MSWI and mercury concentrations

从图 4中可看出在焚烧厂的上风向(东南)土壤中汞的浓度均低于该市背景值0.069 mg ·kg^-1，而下风向(西北)700 m以后的采样点均大于0.069 mg ·kg^-1，下风向土壤受到焚烧厂的影响较大.上风向土壤中汞浓度随着与焚烧厂烟囱距离的增加未出现明显的变化，而下风向在本研究范围内汞浓度随着距离的增加有所增加，这与Schuhmacher等^[23]的研究结果类似.从焚烧厂释放出的汞在大气中能随风远距离扩散，这可能是在下风向上较远距离土壤汞浓度依然较高的原因.

2.2.3 汞浓度的空间分布

克里格插值作为一种地质统计学方法，被广泛地应用于土壤中环境污染物浓度的空间分析^[24,25].本研究利用Golden Software Surfer 11.0软件，采用Kriging Interpolation模式，绘制了所有采样点的汞等浓度值线图(见图 5)，以直观显示焚烧源周边土壤中汞的空间分布特征.

图 5

Fig. 5

图中坐标(0，0)代表该焚烧厂烟囱，横纵坐标代表距焚烧厂烟囱的实际距离(m)，图中数值代表汞浓度(mg ·kg-1)图 5 土壤样品中Hg浓度等浓度值线 Fig. 5 Kriged map of Hg concentrations in soil samples

汞在焚烧厂周边土壤中的空间分布示意图恰好与夏季风玫瑰图的风频规律近似.在焚烧厂的周围存在3个浓度相对较高的区域，分别位于焚烧厂的西北偏北、 东北偏北、 西南偏西方向.其中坐标(-300，1 200)位置附近土壤中汞的浓度明显高于其他区域，大约距离烟囱1 237 m左右，而该区域正好位于下风向上.其它2个较高区域的中心坐标分别约为(250，300)和(-500，-300)，距离焚烧厂的距离分别约为391 m和583 m.

2.3 土壤汞污染评价

单项污染指数法和地累积指数法是常用的对土壤污染程度进行评价的方法，可将土壤中汞污染程度划分为不同等级^[22].土壤汞单项污染指数^[26]公式如下：

单项污染指数只能给出初步的浓度评价结果，与其相比，地累积指数法^[27]不仅反映了汞分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，其公式如下：

图 6

Fig. 6

图 6 垃圾焚烧厂周边土壤汞污染评价结果 Fig. 6 Evaluation result of the concentrations of mercury around MSWI

以单项污染指数法作为评价标准，有50%的采样点受到了污染(指数>1)，其中西北方向受到的影响最大，其次是东北>西南方向，而东南方向的样点均低于背景值.其中S5的指数大于3，污染程度较重，S6、 S13的指数在2~3之间，属于中度污染，其它超标点属于轻度污染.以地累积污染指数法评价，有40%的样点受到了污染(指数>0)，西北受到影响最大，而东南方向未受到污染.除了S5点属于偏中度污染外(指数1~2)，其余超标点均属于轻度污染(指数0~1).

2.4 土壤汞健康风险评价

健康风险评价是指识别环境中可能的风险源，评价其与人体发生接触的暴露途径以及定量评价暴露结果对人体健康产生的危害程度的一种评价方法^[28].土壤中的汞主要通过以下途径进入人体：一是经口直接摄入； 二是通过呼吸摄入空气中的飞尘； 三是通过与人体皮肤的接触而摄入.还有研究认为，汞除了上述途径对人体健康产生危害，还可以通过蒸气的摄入进入人体^[29].参照美国环保署(USEPA)推荐的健康风险方法，及我国场地环境评价指南^{[30, 31]}，给出各种暴露途径的风险模型，计算公式如下：

经口直接摄入：

通过呼吸摄入：

人体皮肤直接接触途径：

汞蒸气摄入途径：

健康风险评价通常分为非致癌和致癌风险评价，通常对汞进行非致癌风险评价，用危害商HQ来评价：

当HI或HQ>1时，认为存在潜在的非致癌风险，HI或HQ<1时认为风险较小，或可以忽略.参照现有研究资料^{[29,32,33,34]}确定健康风险暴露量参数取值，如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 健康风险暴露量计算参数含义及取值 Table 2 Meaning and value of health risk parameters 参数 含义 单位 参考值 文献 VF 蒸发系数 m3·kg-1 32 657.6 [29] IR 空气摄入量 m3·d-1 20 [32] IFP 土壤摄入量 mg·d-1 114 [32] EF 暴露频率 d·a-1 350 [32] ED 暴露年限 a 25 [32] AF 皮肤对土壤的吸附系数 mg·cm-2 1 [32] BW 体重 kg 55.9 [33] AT 暴露周期 d 365×ED [33] SA 可能接触土壤的皮肤面积 cm2·d-1 5 000 [33] ABS 皮肤呼吸率 0.001 [33] PEF 土壤尘产生因子 1.32×109 [34]

表 2 健康风险暴露量计算参数含义及取值 Table 2 Meaning and value of health risk parameters

通过单项污染指数和地累积污染指数可知焚烧厂周边部分采样点受到了不同程度的污染，因此对居住在附近的居民进行健康风险评价，就显得尤为重要.根据健康风险评价公式(3)~(8)、 暴露量计算参数及采样点数据计算了对当地成人人体可能造成的非致癌暴露风险值，结果如表 3所示.汞的各途径非致癌风险值排序为HQ_蒸气摄入>HQ_经口摄入>HQ_皮肤摄入>HQ_呼吸摄入.其中S5点的非致癌风险最大，达到了5.14×10^-3，S17点的非致癌风险最小，为3.20×10^-4，相差了一个数量级.从采样区域的方向上可以看出，西北方向的非致癌风险>东北方向>西南方向>东南方向，下风向(西北)上的非致癌风险比上风向(东南)高出一个数量级，但所有途径暴露风险及总暴露风险值均远小于1，表明研究区域中的土壤汞并未对当地成人人体造成健康危害.

表 3(Table 3)

表 3 各种途径的非致癌暴露风险值 Table 3 Hazard quotient values for each exposure pathway 采样区域 风险指数 HQ经口摄入 HQ呼吸摄入 HQ皮肤摄入 HQ蒸气摄入 HI 西北方向 8.57×10-4±5.17×10-4 3.19×10-7±1.92×10-7 4.70×10-4±2.83×10-4 1.38×10-3±8.33×10-4 2.71×10-3±1.63×10-3 东北方向 6.76×10-4±2.87×10-4 2.52×10-7±1.07×10-7 3.71×10-4±1.57×10-4 1.09×10-3±4.62×10-4 2.14×10-3±9.06×10-4 西南方向 4.94×10-4±3.58×10-4 1.84×10-7±1.33×10-7 2.71×10-4±1.96×10-4 7.95×10-4±5.77×10-4 1.56×10-3±1.13×10-3 东南方向 2.26×10-4±1.20×10-4 8.42×10-8±4.49×10-8 1.24×10-4±6.60×10-5 3.64×10-4±1.94×10-4 7.14×10-4±3.81×10-4

表 3 各种途径的非致癌暴露风险值 Table 3 Hazard quotient values for each exposure pathway

3 结论

研究区域中的土壤受到了焚烧厂的一定影响，但是由于焚烧厂配备了完善的污染控制设施，降低了焚烧厂排放汞对于周边环境的影响.焚烧厂周边土壤中汞的浓度明显受到当地风向的影响，下风向(西北)土壤中汞的浓度明显高于上风向(东南)汞的浓度，从土壤中汞浓度与距离关系、 空间分布特征等研究角度都得到了类似的结论.单项污染指数和地累积污染指数评价结果表明西北方向受到的影响最大，其次是东北>西南方向，东南方向未受到影响.健康风险评价结果显示土壤汞未对当地成人人体造成健康危害.

致谢： 感谢中国科学院生态环境研究中心黄益宗老师为本研究提供的实验支持及相关分析指导.