再生水回用于工业冷却中有机污染物健康风险研究

城市污水处理厂来水中生活污水比例高，含盐量低、可生化性好，处理工艺成熟，系统运行稳定，排放标准严格，是优质的再生水水源。而钢铁、火电等高耗水行业的工业循环冷却系统水量消耗大，对水质要求不高。因此，城市污水处理厂再生水回用于大型钢铁或火电企业的工业循环冷却系统，已成为目前再生水利用的最重要方式之一[1]。再生水回用过程中的次生环境健康风险一直受到较多的关注[2, 3, 4]，但研究内容主要集中于再生水中重金属、病源微生物的影响，对于再生水中残留的部分有机污染物在回用过程中对健康的影响未有深入研究[5, 6, 7]。笔者设计了一套工业循环冷却水动态实验系统，模拟冷却塔内再生水与空气之间的热质交换过程，监测再生水逸散到周边大气中的有机污染物浓度，采用剂量-反应暴露评价模型，开展健康风险评估和研究。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用再生水取自常州市戚墅堰污水处理厂，进水中的生活污水比例超过85%，其污水处理和再生工艺为：A2O+微絮凝过滤+臭氧消毒+加氯消毒+砂滤，再生水示范工程一期工程规模为4万m3/d，全部泵送至某钢铁公司的清水池，作为该企业冷却水的补充水。再生水各主要常规指标全年平均值(见表1)均远远低于《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923—2005)中敞开式循环冷却水系统补充水的相应标准限值。

1.2 实验装置与流程

敞开式循环冷却水系统是钢铁企业最常用的冷却水系统，热水经过冷却塔或冷却池与空气直接接触，冷却后循环使用。再生水在冷却塔中与空气发生传热和传质交换过程，水中的有机污染物部分逸散到空气中。实验专门设计了冷却水循环动态模拟系统(如图1所示)，系统由燃气热水器、循环水泵、带雾化喷头的水箱以及热工计量计(温度计、压力表、转子流量计)和控制阀门组成。其中燃气热水器模拟冷却系统的换热器功能，带雾化喷头的水箱模拟冷却塔中循环水与空气的热质交换过程，水箱与管路均采用不锈钢材料，温度计、转子流量计、压力表采集系统运行参数与工况。经过1个星期的试运行，不断置换水箱中的实验用水，对实验系统中残留的有机物进行冲洗，排除装置附着物对实验采样的干扰。

图1 冷却水循环动态模拟系统

实验采样阶段各工况参数为：热水器出水温度不超过50 ℃，水箱循环水水温控制在30~45 ℃范围内，实验循环水流量稳定在300 L/h。

2 采样与检测

2.1 采样

VOCs采样过程为SKC Airchek 2000 大气采样器按顺序连接减速阀与Tenax吸附管，预设采样流量至500 mL/min，Tenax吸附管气体入口处用连接管与水箱冷却系统出口处连接，打开采样器，采样时间为8 h(采样体积为240 L)。SVOC的采样过程为打开XAD-2树脂吸附管两端玻璃密封口，与SKC Airchek 2000大气采样器相连接，预设采样流量至 2 500 mL/min，XAD-2树脂吸附管气体入口处用连接管与水箱冷却系统出口处连接，打开采样器，采样时间为8 h(采样体积为1 200 L)。样品采集完成后迅速取下吸附管，吸附管两端用特氟龙帽密封，放入4 ℃冰箱中保存，样品保存不超过7 d。

2.2 检测方法

采用固体吸附剂(Tenax吸附管)富集空气中的挥发性有机物，将吸附管置于热脱附仪中，经气相色谱分离后用质谱进行检测。通过与待测目标物标准质谱图的比较和保留时间进行定性，内标法定量。空气中的半挥发性有机物用装有XAD-2吸附剂的采样管采集，用乙醚-正己烷(体积比1∶9)解吸后，经旋转蒸发仪浓缩，浓缩液定容后进GC-MS分析。测试所用标准品均采用美国o2si公司产品，仪器运行参数如表2所示。

2.3 检测结果

检测项目包括：单环芳香烃、卤代脂肪族化合物等7大类57种挥发性有机物;苯酚、多环芳烃、有机磷等10大类126种半挥发性有机物。检测结果显示，包括苯、氯苯、氯烷烃类26种挥发性有机物被检出;萘、二甲基萘2种半挥发性有机物被检出。

3 环境健康风险评价

3.1 暴露参数

暴露参数是用来描述人体暴露环境介质的特征和行为的基本参数[8]，决定环境健康风险评价的准确性，以1位在冷却塔周边工作的男性工人为例，每天工作8 h，工作时间内轻微活动与中体力活动概率为1∶1，计算工人8 h工作时呼吸量IR和吸入污染物量，并折算经呼吸道对污染物的日均暴露剂量(ADD)，见式(1)。

式中：ADD ——污染物的日均暴露剂量，mg/(kg˙d);

C——模拟实验检出并折算成空气中的污染物质量浓度，mg/m3;

IR ——呼吸量，m3/d;

ET ——暴露时间，d/a;

EF ——暴露频率，d/a;

ED ——暴露持续时间，a;

BW ——体重，kg;

AT ——平均暴露时间，d。

3.2 非致癌风险评价

非致癌风险采用有阈污染物健康风险评价。有阈污染物是已知或假设在一定污染物暴露浓度下，对人或动物不发生有害作用的物质，一般指非致癌物。人体暴露于某非致癌污染物的健康风险用式(2)计算。

式中：RfD——污染物在呼吸暴露途径下的剂量参考值，mg/(kg˙d)。

3.3 致癌风险评价

致癌风险采用无阈污染物健康风险评价。无阈污染物是指大于零的任何剂量都可能具有有害作用的物质，一般指致癌物。根据检测结果，采用在低剂量暴露下人体暴露于某致癌污染物的健康风险评价公式(3)。

式中：q——动物推算出来的人的致癌强度系数，kg˙d/mg 。

3.4 参数选取

华东地区年龄为18~44岁的城市男性工人在轻微活动和轻体力活动状态下，短期呼吸量分别为9.8 L/min和26.2 L/min，暴露时间为8 h/d，暴露频率250 d/a，暴露持续时间30 a，平均暴露时间取江苏男性平均期望寿命为74.6岁，平均体重70 kg[9]。实验中污染物暴露剂量参考值(RfD)采用美国EPA综合风险信息系统(IRIS)数据库中的推荐值。运用T25[10]来推算致癌强度系数q，其中T25是指25%的动物存在慢性癌变风险时，动物每天单位公斤体重摄入致癌物质的剂量[mg/(kg˙d)]。致癌强度系数q可由式(4)推算。

式中：当致癌物的日均暴露剂量为T25时，其对应的慢性癌变风险概率(Risk)取0.25。

表3列出了模拟实验中，城市污水处理厂再生水回用于工业冷却系统过程时水中28种有机污染物经冷却塔逸散到周边空气中的质量浓度。 美国EPA的综合风险信息系统(IRIS)数据库给出了其中18项有机物的RfD[0.000 5～0.2 mg/(kg˙d)]，文献[10]给出了其中4项有机物的T25[1.2～105mg/(kg˙d)]。

根据表3 中被检出的污染物浓度、参考剂量和致癌强度系数等参数代入式(1)～式(4)，可以得出目标人群长期有机污染物摄入量、非致癌和致癌风险值，见表4。

3.5 结果与讨论

运用美国EPA推荐的剂量-反应环境健康风险暴露评价模型进行计算，忽略各类污染物危害的协同作用和拮抗作用，对计算值进行加和。由表4可以看出，冷却塔周边的工人吸入冷却水逸散到空气中的有机污染物，各有机污染物非致癌风险在9.56×10-5～1.06×10-2之间，非致癌风险指数合计为6.18×10-2，且远小于1时，非致癌风险在安全范围。致癌风险在1.63×10-7～5.19×10-6之间，基本满足欧美国家推荐的致癌风险标准(10-5～10-4)，其中苯的致癌风险指数为1.63×10-7，小于美国EPA推荐的风险值(10-5)。

冷却塔作为污染物逸散源，如考虑周边空气中污染物浓度随冷却塔距离的增加而等比下降等因素，冷却塔周边的工人健康风险指数实际值要小于计算值，因此再生水中的有机污染物不会对目标人群健康造成明显影响。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

4 结论

(1)城市污水处理厂是优质的再生水水源，回用于工业冷却系统过程中有机污染物非致癌风险在9.56×10-5～1.06×10-2之间，致癌风险在1.63×10-7～5.19×10-6之间，再生水中的有机污染物不会对暴露人群健康造成明显影响。

(2)由于卤代烃在污水生化处理过程中难以降解，再生水中的卤代烃对健康风险的影响大于苯系物，其中三氯乙烯的非致癌风险指数为1.06×10-2，1，2，3-三氯丙烷的致癌风险指数为5.19×10-6 ，上述两项指标远大于苯的风险值。

(3)再生水回用健康风险控制是一个全过程管理过程，作为再生水水源的城市污水处理厂应以生化性良好的生活污水为主，严格控制工业废水接入比例，减少卤代烃等难降解的污染物，从源头控制风险[11]。

(4)有机物致癌强度系数T25选用美国EPA的综合风险信息系统及文献中推荐的动物实验数据，还需进一步验证。