典型石油烃污染场地土壤与地下水环境风险评估
石油烃污染土壤的微生物修复技术及应用
作者：王红旗，花菲，杨艳，李艺
典型石油烃污染场地土壤与地下水环境风险评估
张亚尼1,邓小文1，袁雪竹2
(1.天津市生态环境监测中心；2.天津市生态环境保护科学研究院)
摘要：由于石油烃污染场地有显著不同于其它类型污染场地的特征，故以探讨石油烃类污染场地土壤和地下水环境风险评估一般方法为目的，选取某典型石油烃污染场地，对土壤和地下水进行采样分析，得出了该污染场地主要关注污染物为总石油烃。且土壤和地下水中总石油烃均存在超标现象，通过对超标点位进行分析判断原厂石油烃的排放源为生产车间、潜在排放源为罐区，场地污染的主要原因可能是油罐发生泄漏；对土壤和地下水中总石油烃的非致癌危害商与非致癌风险控制值表征，计算结果表明：石油烃污染物已对土壤造成污染，并迁移至地下水，该污染场地可能对居住地人群造成健康风险。
关键词：污染场地；石油烃；土壤与地下水环境风险评估
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1 引言
石油烃是一种复杂的混合物，含有许多单一组分，每种化合物有其特定的化学和毒理学特性[1]，有些具有致癌性，有些则会造成持久性污染[2]。石油烃进入环境后，由于其迁移及转化过程复杂多变，会对土壤和地下水带来较大环境风险，且难以清理整治。此外，环境中的石油烃污染物可经由口、皮肤等途径摄入人体，对人的神经系统、泌尿系统、呼吸系统、循环系统、血液系统造成危害，长期接触还会危害人体器官[3]。因此，此类污染物对生态环境和人体健康的潜在风险一直是人们关注的焦点[4]，开展石油烃污染场地土壤和地下水环境风险评估具有重要的现实意义[5～11]。本研究以某典型石油烃污染场地为例，对其进行了土壤和地下水环境风险评估，探讨了所选总石油烃污染场地土壤和地下水环境风险，以期为该污染场地的修复治理提供依据，并为典型石油烃类污染场地的风险评估的一般方法提供借鉴。
2 材料与方法
2.1 场地描述
本研究选择某有机化工厂场地，场地占地总面积约1.2万m2，所在区域是居住人口相对密集的居民区，四周绝大多数为居民小区和学校，500 m之内的居民小区和学校等敏感建筑就有20个左右，地块北侧沿街地段正在筹建商业楼房。该有机化工厂生产过程中曾使用汽油、机油等原料，目前已停产，场地完整并未拆迁，场地平整。
2.2 样品采集与分析
根据前期历史资料收集、人员访谈和场地勘察信息总结，该场地存在潜在污染源7个，其中原厂排放5个，潜在泄漏源2个，涉及的污染物包括重金属、总石油烃、多环芳烃、苯系物等挥发性和半挥发性有机物。
基于上述场地调查分析，将对该污染场地进行3次采样调查。第1次采样选取16个采样点对场地13种重金属进行采样调查，以确定场地土壤是否受到重金属污染；第2次采样共布设9个土壤采样点(S1～S9)，其中含有4个地下水采样点(S1、S6、S7、S9)，进一步确定土壤中有机物污染情况及地下水环境是否受到污染；第3次采样根据第2次采样结果对厂区可能的污染区域范围进一步加密布点采样，共布设6个土壤采样点(S10～S15)。场地的平面布局、样点分布如图1所示。土壤样品采样深度为0～9.5 m，采样间隔为1 m；地下水采样共设置4个地下水监测井，平均深度4.0～9.5 m。
2.3 三次采样调查结果
第1次采样测试结果显示，所有点位土壤样品中重金属含量均未超标，即目标场地土壤未受到重金属污染。由第2次采样调查结果可知场地内S1和S7号点位所在区域的土壤中存在总石油烃(<C16)超标现象。地下水检测指标中重金属均未超标，有机污染物检测结果显示S1号和S7号点位总石油烃含量偏高，S7号点位萘含量超过美国EPA饮用水标准[12]，可以判断原厂生产活动已经对场地地下水造成环境污染影响。第3次采样调查结果显示，场地内S11和S12号点位所在区域的土壤中存在总石油烃(<C16)超标现象。
2.4 研究方法
本研究采取美国Oklahoma建立的分层次总石油烃TPH场地评价方法[13]，该方法将TPH定义为C6～C35的总石油烃，并将其分为汽油组分(C6～C12)，柴油组分(C13～C27)和润滑油组分(C28～C35)。由于总石油烃污染物组成成分复杂，主要由烃类物质组成，且仅有少部分多环芳烃的某些组分具有致癌性，因此只表征非致癌危害商与非致癌风险控制值[14]。评估过程依据我国环境保护部编制的《污染场地风险评估技术导则》(发布稿)(以下简称《导则》)及 USEPA商值评估方法，通过计算场地人体对土壤及地下水的摄入量来分析场地人体健康风险。由于该场地未来用地还在进一步的规划中，但目前人口居住密集，四周绝大多数为居民小区和学校，故以居住用地来进行此次风险评估。
图1 厂区平面布局及土壤与地下水采样布点
2.4.1 非致癌危害商
本研究中污染物非致癌风险的计算见公式(1)、(2)：
(1)
(2)
式(1)、(2)中，HQs、HQgw分别表示土壤、地下水中单一污染物经所有暴露途径的危害指数，无量纲；Csur、Csub分别为表层土壤和下层土壤中污染物浓度(mg/kg)；SAF为参考剂量分配系数，无量纲；Cgw为地下水中污染物浓度(mg/L)；RfDo、RfDd、RfDi分别为经口摄入参考剂量，皮肤接触参考剂量和呼吸吸入参考剂量(mg/(kg/d))；OISERnc、DCSERnc、PISERnc、IOSERnc1、IOSERnc2、IIVERnc1、IOVERnc3、IIVERnc2分别为经口摄入，皮肤接触，吸入土壤颗粒物，吸入室外空气中来自表层土壤的气态污染物，吸入室外空气中来自下层土壤的气态污染物，吸入室内空气中来自下层土壤的气态污染物对应的土壤暴露量(非致癌效应)(kg·(kg·d))，吸入室外空气中来自地下水的气态污染物，吸入室内空气中来自地下水的气态污染物;nc为非致癌效应。
2.4.2 风险控制计算
按照《导则》，风险控制值是基于可接受致癌风险为10-6及危害商为1[15,16]的基础，达到风险控制值的场地基本能满足土地使用要求，不会对范围内的人体健康和动植物造成危害。
基于6种土壤暴露途径综合非致癌效应的土壤风险控制值的计算见公式(3):
HCVSn=
(3)
式(3)中，HDVSn为基于6种土壤暴露途径综合非致癌效应的土壤风险控制值，(mg/kg)；RfDo、RfDd、RfDi见公式(1)、(2)；SAF为暴露于土壤的参考剂量分配系数，无量纲；AHQ为可接受危害商值，无量纲；OISERnc、DCSERnc、PISERnc、IOSERnc1、IOSERnc2、IIVERnc1见公式(1)、(2)。
基于3种地下水暴露途径综合非致癌效应的土壤风险控制值的计算见公式(4)：
(4)
式(4)中，HCVGn为基于3种地下水暴露途径综合非致癌效应的地下水风险控制值，(mg/kg)；AHQ见公式(3)；WAF为暴露于地下水的参考剂量分配比例，无量纲；RfDo、RfDi见公式(1)；IOVERnc3、IIVERnc2见公式(2)；CGWERnc为饮用水受地下水对应的地下水的暴露量(非致癌效应)，(L/(kg/d))。
3 结果与讨论
3.1 污染物分布特征及污染源确认
对样品进行分析得出：目标场地土壤与地下水中总石油烃检出浓度较高，在检测的土壤样品中，总石油烃(<C16)最大超标达294倍；在检测的地下水样品中，总石油烃(<C16)最大超标为2倍。从超标点位来看，S1、S7、S11、S12存在超标现象，根据厂区平面及采样布点情况，超标点位分布在生产车间、罐区及化学品库区域范围内。S1、S7点位土壤和地下水均存在超标现象，说明总石油烃已经污染土壤并迁移至地下水，但地下水超标倍数远低于土壤，S11、S12点位污染物仅在土壤中存在超标现象，超标倍数分别为11倍和79倍。因此，可以对场地污染源进行确认(表1)，判断原厂污染物对场地污染的主要原因可能是油罐发生泄漏，污染物在迁移转化过程中横向迁移较纵向迁移更为显著，这可能与该场地的水文地质状况有关。
3.2 风险评价计算结果及分析
3.2.1 土壤
对总石油烃(<C16)进行风险计算，浓度取总石油烃(<C16)中TPH>C6-C8、TPH>C8-C10、TPH>C10-C12、TPH>C12-C16、TPH>C21-C355个碳段最大值，计算结果见表2，从表中可以看出场地内总石油烃(<C16)的4个碳段非致癌危害商均大于1，高于可接受风险水平；TPH>C21-C35环境风险未超过可接受风险水平。其中，TPH>C8-C10碳段非致癌危害商最高达13400，TPH>C10-C12碳段非致癌危害商最高也达1220，根据TPH碳段的划分可以看出，这两个碳段均属于汽油组分，这与原厂大量使用汽油原料密切相关，说明该场地可能对该居住用地人群产生较大的非致癌危害，且主要原因是由于汽油原料的使用或泄露。因此需针对该污染场地土壤中污染情况进行修复治理，并以总石油烃(<C16)的筛选值作为本场地风险控制值。
表1 污染源确认
表2 土壤中危害商及风险控制值计算结果
3.2.2 地下水
同利用总石油烃(TPH>C8-C10、TPH>C10-C12、TPH>C12-C16、TPH>C16-C21)的最大值进行计算，计算结果见表3，从表中可以看出总石油烃中TPH>C8-C10、TPH>C10-C12和TPH>C12-C16 3个碳段危害商均大于1，高于可接受水平。其中，TPH>C10-C12碳段的非致癌危害商为454，该碳段属于汽油组分，处于较高危害水平，但低于同碳段土壤的非致癌危害商，说明该碳段汽油组分对土壤影响较大；TPH>C12-C16碳段的非致癌危害商最高达2030，该碳段属于柴油组分，且其高于同碳段土壤的非致癌危害商，说明该碳段柴油组分易纵向迁移，其地下水环境风险影响较土壤更为严重。
表3 地下水危害商及风险控制值计算结果.
4 结论
所选污染场地土壤和地下水均存在总石油烃超标现象，根据总石油烃碳段划分，主要超标组分为汽油和柴油组分，汽油为原厂主要生产原料之一，柴油可能是由汽油和机油发生转化而产生。计算得到总石油烃在土壤和地下水中非致癌危害商最大值分别为13400和2030，均远大于1，说明该污染场地对居住地人群可能会造成一定的健康风险。由此，需针对该场地具体污染现状制定修复治理方案，以防对周围人群带来健康风险。根据厂区布局、采样布点及场地水文地质情况，可判断该场地污染物的主要排放源为生产车间，潜在污染源为罐区，污染原因可能是油管泄漏。因此，此类化工厂在日常生产过程中不仅要采取环保措施使生产和排放过程达标，还要严格注意检查原料等的存放是否对环境产生不良影响，危害人体健康，以免造成不必要的经济损失，同时应加强培养企业的环保及健康意识。