污水处理厂恶臭气体健康风险评估
2022-06-09
污水处理厂作为环保工程，缓解了污水直接排放对地表水的污染，但污水处理厂的恶臭问题对周边环境造成了二次污染，引发了人们越来越多的关注，恶臭气体刺激对人体健康具有较大的潜在影响，比如危害呼吸系统、循环系统、消化系统、内分泌系统、神经系统等，同时也影响人的精神状态[1]。Aatamila等[2]通过对废物处理中心附近区域的恶臭气体评估发现恶臭气体对居民的健康症状（如呼吸急促、眼睛不适、声音嘶哑、发烧以及肌肉疼痛等）有较大影响，OR均在1.4～1.7之间；同时有研究表明工厂附近VOCs暴露量高，增加了人们患喘鸣和上呼吸道疾病的风险[3]；卫生调查结果显示职业人群暴露于苯会导致中枢神经系统失调，甚至神经功能障碍或死亡[4]。
恶臭主要是由含硫化合物、醛、丁酸类物质引起的，唐小东等[58]研究了广州一个典型城市污水处理厂挥发性恶臭有机物的组成和含量，苯系物、2丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲硫醚等是该污水处理厂重要的分子标志物，污水进水区、污泥处理区是污水处理厂恶臭气体的主要污染源。Cheng等[9]对费城东北污水处理厂恶臭中有机硫化物进行检测表明二甲基硫醚为主要物质，其平均浓度为419μg/L；Lasaridi等[10]探讨了希腊污水处理厂的恶臭问题，共监测了硫化氢、氨、苯、甲苯等10种物质，其中硫化氢为重要组成（0.01～200mg/m3），与Cooper等[11]在佛罗里达州的研究结果相近；Lehtinen等[5]监测了污水处理厂非甲烷类VOCs和厂内工作人员个体暴露量，结果显示TVOCs浓度为149.8～7719.0μg/L，工作人员的个体暴露量不会引起重要的健康问题，但会引发恶心、过敏等症状。笔者选取天津市纪庄子污水处理厂进行研究，实地监测各构筑物及厂界处恶臭气体的浓度，分析恶臭气体排放特征，并通过急性暴露实验探究恶臭气体对人体心脏自主神经活动的影响，同时进行致癌与非致癌风险评估。
1实验方法
1.1纪庄子污水处理厂简介
天津市纪庄子污水处理厂总规模为54万m3/d，污水处理采用了脱氮AO工艺、脱氮除磷AAO工艺以及除磷AO工艺，污泥处理采用浓缩中温厌氧消化机械脱水处理工艺[12]。
1.2样品采集与分析方法
按照纪庄子污水处理厂的工艺流程依次在不同的处理单元设置采样点，设置顺序为：格栅、初沉池、曝气池、二次沉淀池、污泥浓缩池、污泥脱水间及厂界，在采样的同时监测风速、风向。使用8L聚四氟乙烯采样袋对源进行采样，采样袋在采样前先用现场气体清洗袋子2～3次，再采集样气，采样时间约60s，密封进气口，带回实验室分析。采样点选取在各处理单元下风向边界线上，采样头高度为1.5m，即人体呼吸带高度。将采样袋中的气体注入GCMS自动进样分析仪，分析样品中气体成分及浓度。
研究中实验人员还进行了恶臭强度调查，分别在每个构筑物下风向处进行臭味嗅辨，并将结果进行统计。同时选取24名测试人员（身体健康）佩戴HOLTER，进行急性暴露实验，佩戴人员在休息室静休15min后，测量血压，记录其5min心电信号后；在格栅前记录4～5min的心电信号；回休息室测量血压，静休0.5h，观察延迟反应。
2结果与讨论
2.1组成特征分析
对污水处理厂恶臭气体进行分析，共检测出67种恶臭气体，其中烷烃21种、烯烃5种、芳香烃15种、卤代烃14种、含氧化合物7种、含硫化合物5种，不同处理单元恶臭气体中各物种的浓度（取自然对数值）如图1所示。
图1各监测点不同恶臭物种的浓度自然对数值
从图1所示各监测点恶臭气体浓度值可以判断各处理单元恶臭气体以硫化物和含氧化合物为主。各监测点恶臭气体浓度大小为：格栅（2775.43μg/m3）>污泥浓缩（814.73μg/m3）>污泥脱水间（574.04μg/m3）>初沉池（565.30μg/m3）>厂界处（521.97μg/m3）>二沉池（513.07μg/m3）>曝气池（436.99μg/m3），格栅处恶臭气体总浓度最大，其中硫化氢的含量为2286.74μg/m3，占该处恶臭气体总量的82%，是其嗅阈值的5.6倍。根据城镇污水处理厂污染物排放标准[13]，厂界废气排放最高允许浓度二级标准硫化氢为0.06mg/m3，实验监测得厂界处硫化氢浓度为0.1mg/m3，是标准值的近1.7倍。
2.2污水处理厂恶臭指数评估
恶臭混合气体中，采用阈稀释倍数作为衡量物种对臭气强度贡献指标，阈稀释倍数计算公式为
Mi=Ci/ui（1）
式中：Mi为物种i的阈稀释倍数；Ci为物种i的物质浓度，ui为物种i的嗅阈值。恶臭物质的阈稀释倍数越高，该物质在臭气中的贡献值越大。按照总和模型法，混合物的臭气浓度等于各成分阈稀释倍数的总和[14]。
根据式（1）计算可知格栅处的恶臭气体浓度远远高出其它点位，恶臭气体总体阈稀释倍数为5737141，恶臭气体整体嗅阈值为0.000484，与硫化氢相近，硫化物对总恶臭强度的贡献率为997%。厂界处的臭气浓度为258067.62，参考城镇污水处理厂污染物排放标准[13]，厂界废气排放最高允许浓度二级标准恶臭浓度为20，表明该厂厂界处远远超出标准值。格栅、厂界处各物种的阈稀释倍数如表1所示。2.3健康风险评估
2.3.1恶臭气体对心脏自主神经活动的影响对于心脏自主神经活动状态一般采用心率变异性（Heartratevariability，HRV）表征。心率变异性HRV的产生主要是由于心脏窦房结自律活动时交感神经和副交感神经不断受中枢神经及压力、化学感受器传入的心血管反射等因素调节[1517]。
以HRV作为研究指标，选取24名18～30岁大学生（男11名，女13名），进行HOLTER急性暴露实验，测定的参数包括血压、心率、HRV时域指标（SDNN、rMSSD）、HRV频域指标（LF、HF、LF/HF）。图2是19名被试者现场测试前后的血压值，其中SBP1、SBP2分别代表现场测试前、后被试者的收缩压，DBP1、DBP2分别代表现场测试前、后被试者的舒张压。
图2被试者的血压值
图2显示，被试者在现场测试前、后的血压值（SBP/DBP）无显著性差异，对比SBP、DBP，除了个别试验者略超出正常范围外，其他均在正常范围内，由此可知污水处理厂格栅处的恶臭刺激对被试者的血压值未产生明显影响，即受恶臭刺激人体血压指标反映正常。
由十二导全息动态心电图结果显示了24名被试者在室内安静时间段-现场测试-回到室内安静时间段整个过程的心率变化情况，其最快心率、最慢心率值如图3所示。
图3最快心率、最慢心率值
正常成人安静时的心率在70b/min左右，实验中被试者心率平均值在正常范围内，最慢心率均出现在室内安静时段，最快心率多出现在现场测试时段，由图3可知，最快心率明显偏高，说明在现场测试阶段被试者受恶臭气体刺激心率变化较大。
由HOLTER测试所得的心率变异性（HRV）各参数值与参数正常值[18]的对比，如图4、5所示。
图4HRV时域指数
图5HRV频域指数
HRV时域指数是以RR间期的变异为基础，SDNN、rMSSD参数反映了心脏自主神经系统总的调控情况，即窦性心律不齐的程度，男、女组SDNN平均值只为正常值的50%，受恶臭气体影响，rMSSD明显集中于正常范围的平均值以下。HRV频域指数中，高频带（HF，0.15～0.40Hz）成分由迷走神经的张力所决定，主要代表呼吸变异，低频带（LF，0.04～0.15Hz）成分受交感神经和副交感神经共同影响，其中交感神经占优势，LF/HF比值代表交感迷走神经张力的平衡状态[1920]。男生组LF值为正常值的7倍左右，而女生组LF值是正常值的近10倍；男、女生组HF平均值均低于正常范围平均值，表明迷走神经活动减弱；男生组LF/HF平均比值高出正常值2.8倍，女生组LF/HF平均比值高出正常值7.3倍，说明被试者交感神经活动增强，可能降低心室活动阈值，严重者将诱发致命性室性心律失常。此外，对比图4、5中女性和男性的实验结果可知，同时受到恶臭污染的刺激，女性比男性心脏自主神经活动所产生的反应更为显著。
2.3.2致癌与非致癌风险评估致癌风险评估，一般用终生致癌风险（LifetimeCancerRisk，LCR）为衡量指标。用慢性摄入量（ChronicDailyIntake，CDI）作为潜在剂量评估职业慢性暴露，公式为：
由表2可知，二氯甲烷和苯的终身致癌风险值（LCR）均介于10-6～10-4之间，表明其存在潜在致癌风险；污水处理厂污泥脱水间非致癌危害指数HI为0.11，其值小于1，表明非致癌健康风险在可接受范围内。
3结论
1）各监测点恶臭气体浓度由大到小的顺序依次为格栅、污泥浓缩、污泥脱水、初沉池、厂界处、二次沉淀池、曝气池，恶臭气体以硫化物和含氧化合物为主。影响污水处理厂恶臭指数的主要物种为硫化物、芳香烃类。
2）急性暴露实验结果表明：被试者血压反应正常；最快心率多出现在现场测试时段，且受恶臭气体刺激在现场测试阶段心率明显偏高。HRV时域指数中，男、女组SDNN平均值只为正常值的50%，rMSSD明显低于正常值；HRV频域指数中，HF值均低于正常值，LF、LF/HF值远远高出正常值，说明被试者交感神经活动增强，可能降低心室活动阈值，严重者将诱发致命性室性心律失常。对比男、女生组的实验结果可知，同时受恶臭污染的刺激，女生组比男生组心脏自主神经活动所产生的反应更为显著。
3）通过对污泥脱水间恶臭气体进行健康风险评估可知，二氯甲烷和苯存在潜在致癌风险。污水处理厂污泥脱水间非致癌危害指数HI小于1，其非致癌健康风险在可接受范围内。
参考文献：
恶臭主要是由含硫化合物、醛、丁酸类物质引起的，唐小东等[58]研究了广州一个典型城市污水处理厂挥发性恶臭有机物的组成和含量，苯系物、2丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲硫醚等是该污水处理厂重要的分子标志物，污水进水区、污泥处理区是污水处理厂恶臭气体的主要污染源。Cheng等[9]对费城东北污水处理厂恶臭中有机硫化物进行检测表明二甲基硫醚为主要物质，其平均浓度为419μg/L；Lasaridi等[10]探讨了希腊污水处理厂的恶臭问题，共监测了硫化氢、氨、苯、甲苯等10种物质，其中硫化氢为重要组成（0.01～200mg/m3），与Cooper等[11]在佛罗里达州的研究结果相近；Lehtinen等[5]监测了污水处理厂非甲烷类VOCs和厂内工作人员个体暴露量，结果显示TVOCs浓度为149.8～7719.0μg/L，工作人员的个体暴露量不会引起重要的健康问题，但会引发恶心、过敏等症状。笔者选取天津市纪庄子污水处理厂进行研究，实地监测各构筑物及厂界处恶臭气体的浓度，分析恶臭气体排放特征，并通过急性暴露实验探究恶臭气体对人体心脏自主神经活动的影响，同时进行致癌与非致癌风险评估。
1实验方法
1.1纪庄子污水处理厂简介
天津市纪庄子污水处理厂总规模为54万m3/d，污水处理采用了脱氮AO工艺、脱氮除磷AAO工艺以及除磷AO工艺，污泥处理采用浓缩中温厌氧消化机械脱水处理工艺[12]。
1.2样品采集与分析方法
按照纪庄子污水处理厂的工艺流程依次在不同的处理单元设置采样点，设置顺序为：格栅、初沉池、曝气池、二次沉淀池、污泥浓缩池、污泥脱水间及厂界，在采样的同时监测风速、风向。使用8L聚四氟乙烯采样袋对源进行采样，采样袋在采样前先用现场气体清洗袋子2～3次，再采集样气，采样时间约60s，密封进气口，带回实验室分析。采样点选取在各处理单元下风向边界线上，采样头高度为1.5m，即人体呼吸带高度。将采样袋中的气体注入GCMS自动进样分析仪，分析样品中气体成分及浓度。
研究中实验人员还进行了恶臭强度调查，分别在每个构筑物下风向处进行臭味嗅辨，并将结果进行统计。同时选取24名测试人员（身体健康）佩戴HOLTER，进行急性暴露实验，佩戴人员在休息室静休15min后，测量血压，记录其5min心电信号后；在格栅前记录4～5min的心电信号；回休息室测量血压，静休0.5h，观察延迟反应。
2结果与讨论
2.1组成特征分析
对污水处理厂恶臭气体进行分析，共检测出67种恶臭气体，其中烷烃21种、烯烃5种、芳香烃15种、卤代烃14种、含氧化合物7种、含硫化合物5种，不同处理单元恶臭气体中各物种的浓度（取自然对数值）如图1所示。
图1各监测点不同恶臭物种的浓度自然对数值
从图1所示各监测点恶臭气体浓度值可以判断各处理单元恶臭气体以硫化物和含氧化合物为主。各监测点恶臭气体浓度大小为：格栅（2775.43μg/m3）>污泥浓缩（814.73μg/m3）>污泥脱水间（574.04μg/m3）>初沉池（565.30μg/m3）>厂界处（521.97μg/m3）>二沉池（513.07μg/m3）>曝气池（436.99μg/m3），格栅处恶臭气体总浓度最大，其中硫化氢的含量为2286.74μg/m3，占该处恶臭气体总量的82%，是其嗅阈值的5.6倍。根据城镇污水处理厂污染物排放标准[13]，厂界废气排放最高允许浓度二级标准硫化氢为0.06mg/m3，实验监测得厂界处硫化氢浓度为0.1mg/m3，是标准值的近1.7倍。
2.2污水处理厂恶臭指数评估
恶臭混合气体中，采用阈稀释倍数作为衡量物种对臭气强度贡献指标，阈稀释倍数计算公式为
Mi=Ci/ui（1）
式中：Mi为物种i的阈稀释倍数；Ci为物种i的物质浓度，ui为物种i的嗅阈值。恶臭物质的阈稀释倍数越高，该物质在臭气中的贡献值越大。按照总和模型法，混合物的臭气浓度等于各成分阈稀释倍数的总和[14]。
根据式（1）计算可知格栅处的恶臭气体浓度远远高出其它点位，恶臭气体总体阈稀释倍数为5737141，恶臭气体整体嗅阈值为0.000484，与硫化氢相近，硫化物对总恶臭强度的贡献率为997%。厂界处的臭气浓度为258067.62，参考城镇污水处理厂污染物排放标准[13]，厂界废气排放最高允许浓度二级标准恶臭浓度为20，表明该厂厂界处远远超出标准值。格栅、厂界处各物种的阈稀释倍数如表1所示。2.3健康风险评估
2.3.1恶臭气体对心脏自主神经活动的影响对于心脏自主神经活动状态一般采用心率变异性（Heartratevariability，HRV）表征。心率变异性HRV的产生主要是由于心脏窦房结自律活动时交感神经和副交感神经不断受中枢神经及压力、化学感受器传入的心血管反射等因素调节[1517]。
以HRV作为研究指标，选取24名18～30岁大学生（男11名，女13名），进行HOLTER急性暴露实验，测定的参数包括血压、心率、HRV时域指标（SDNN、rMSSD）、HRV频域指标（LF、HF、LF/HF）。图2是19名被试者现场测试前后的血压值，其中SBP1、SBP2分别代表现场测试前、后被试者的收缩压，DBP1、DBP2分别代表现场测试前、后被试者的舒张压。
图2被试者的血压值
图2显示，被试者在现场测试前、后的血压值（SBP/DBP）无显著性差异，对比SBP、DBP，除了个别试验者略超出正常范围外，其他均在正常范围内，由此可知污水处理厂格栅处的恶臭刺激对被试者的血压值未产生明显影响，即受恶臭刺激人体血压指标反映正常。
由十二导全息动态心电图结果显示了24名被试者在室内安静时间段-现场测试-回到室内安静时间段整个过程的心率变化情况，其最快心率、最慢心率值如图3所示。
图3最快心率、最慢心率值
正常成人安静时的心率在70b/min左右，实验中被试者心率平均值在正常范围内，最慢心率均出现在室内安静时段，最快心率多出现在现场测试时段，由图3可知，最快心率明显偏高，说明在现场测试阶段被试者受恶臭气体刺激心率变化较大。
由HOLTER测试所得的心率变异性（HRV）各参数值与参数正常值[18]的对比，如图4、5所示。
图4HRV时域指数
图5HRV频域指数
HRV时域指数是以RR间期的变异为基础，SDNN、rMSSD参数反映了心脏自主神经系统总的调控情况，即窦性心律不齐的程度，男、女组SDNN平均值只为正常值的50%，受恶臭气体影响，rMSSD明显集中于正常范围的平均值以下。HRV频域指数中，高频带（HF，0.15～0.40Hz）成分由迷走神经的张力所决定，主要代表呼吸变异，低频带（LF，0.04～0.15Hz）成分受交感神经和副交感神经共同影响，其中交感神经占优势，LF/HF比值代表交感迷走神经张力的平衡状态[1920]。男生组LF值为正常值的7倍左右，而女生组LF值是正常值的近10倍；男、女生组HF平均值均低于正常范围平均值，表明迷走神经活动减弱；男生组LF/HF平均比值高出正常值2.8倍，女生组LF/HF平均比值高出正常值7.3倍，说明被试者交感神经活动增强，可能降低心室活动阈值，严重者将诱发致命性室性心律失常。此外，对比图4、5中女性和男性的实验结果可知，同时受到恶臭污染的刺激，女性比男性心脏自主神经活动所产生的反应更为显著。
2.3.2致癌与非致癌风险评估致癌风险评估，一般用终生致癌风险（LifetimeCancerRisk，LCR）为衡量指标。用慢性摄入量（ChronicDailyIntake，CDI）作为潜在剂量评估职业慢性暴露，公式为：
由表2可知，二氯甲烷和苯的终身致癌风险值（LCR）均介于10-6～10-4之间，表明其存在潜在致癌风险；污水处理厂污泥脱水间非致癌危害指数HI为0.11，其值小于1，表明非致癌健康风险在可接受范围内。
3结论
1）各监测点恶臭气体浓度由大到小的顺序依次为格栅、污泥浓缩、污泥脱水、初沉池、厂界处、二次沉淀池、曝气池，恶臭气体以硫化物和含氧化合物为主。影响污水处理厂恶臭指数的主要物种为硫化物、芳香烃类。
2）急性暴露实验结果表明：被试者血压反应正常；最快心率多出现在现场测试时段，且受恶臭气体刺激在现场测试阶段心率明显偏高。HRV时域指数中，男、女组SDNN平均值只为正常值的50%，rMSSD明显低于正常值；HRV频域指数中，HF值均低于正常值，LF、LF/HF值远远高出正常值，说明被试者交感神经活动增强，可能降低心室活动阈值，严重者将诱发致命性室性心律失常。对比男、女生组的实验结果可知，同时受恶臭污染的刺激，女生组比男生组心脏自主神经活动所产生的反应更为显著。
3）通过对污泥脱水间恶臭气体进行健康风险评估可知，二氯甲烷和苯存在潜在致癌风险。污水处理厂污泥脱水间非致癌危害指数HI小于1，其非致癌健康风险在可接受范围内。
参考文献：