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挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)是污染地块中常见的污染物,以单一或复合污染形式存在,在超过50%的污染地块中成为超标污染物[1-2]。与重金属、半挥发性有机物等污染物相比,VOCs易挥发、易迁移、且有异味[3-4],导致其调查、评估、修复与风险管控的技术难度均更大,成为污染地块研究和管理的难点和重点。《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行):GB 36600—2018》[5]规定的45个基本项目中有27种为VOCs,许多国家也专门针对污染地块VOCs制定了调查评估与风险控制技术指南或导则[6]。
对于VOCs来说,自土壤中挥发进入室内空气(有建筑物情景)[7-8]、室外空气(绿地情景)[9]并产生的呼吸暴露途径是最主要的人体暴露途径;而前者又称“蒸气入侵”,被广泛关注和研究[10-12]。我国污染地块风险评估导则中推荐J&E模型(以下简称“导则模型”)对VOCs从土壤中挥发至土壤气、土壤气迁移、在暴露点混合等过程进行模拟[13],但也存在不确定性。如导则模型在计算VOCs在土壤水、气和固三相间的分配中偏向保守,且忽略了VOCs向上迁移发生的吸附、生物降解等作用,导致模型预测值与实测值存在较大差异,因而研究者推荐采用DED模型、增加生物降解模型或直接测定土壤气的方式开展土壤VOCs的风险评估[14-18]。另一方面,除了2015年北京市发布了15种VOCs的土壤气筛选值外[19],我国尚无全面的污染地块土壤气VOCs筛选值标准;且基于污染地块人体健康风险评估得到的空气允许值、土壤气VOCs筛选值与我国现行室内外环境空气质量标准、VOCs异味控制标准及嗅阈值均不接轨,我国污染地块VOCs的风险评估技术体系尚有较大完善空间[20]。
文章基于导则模型,推导不同用地情景下风险可接受阈值对应的空气VOCs允许浓度、土壤气衰减因子及土壤气VOCs筛选值,并与我国空气质量标准、EPA相关筛选值、嗅阈值进行比较,以期对完善我国污染地块土壤VOCs风险评估技术体系提供参考。
基于导则模型计算的污染地块挥发性有机物空气、土壤气限值研究
Study on acceptable levels of volatile organic compounds in air and soil gas in contaminated sites based on Guideline model
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摘要: 我国主要采用风险评估导则模型模拟VOCs在污染地块土壤中的扩散迁移和进入室内外暴露点,系统分析模型预测扩散后的气体浓度鲜有研究。文章基于导则模型,研究了31种VOCs的空气允许浓度及对应的土壤气限值。模型计算结果表明,呼吸暴露产生的人体健康风险达到可接受阈值时,VOCs室内空气允许浓度为1.6×10−5~25 (居住用地)和2.9×10−5~60 mg/m3(工业用地),部分VOCs室内空气允许浓度远低于室内空气质量标准。VOCs的土壤气-室内空气衰减因子为1.9×10−6~5.6×10−5(居住用地)和8.4×10−7~2.4×10−5(工业用地),低于美国国家环境保护局(US Environmental Protection Agency,EPA)推荐值3~4个数量级;31种VOCs基于蒸气入侵的土壤气筛选值分别为1.3~5.7×105 (居住用地)和5.8~3.0×106 mg/m3(工业用地),较EPA土壤气筛选值高约3~4个数量级,大多数土壤气筛选值高于嗅阈值。研究结果可为VOCs污染地块土壤气筛选值的制定和使用提供参考。Abstract: The diffusion and migration of volatile organic compounds (VOCs) in contaminated soil into indoor and outdoor exposure points were mostly simulated by the models recommended by the Risk Assessment Guideline of Contaminated Sites. However, few studies systematically analyzed the gas concentration predicted by the model. This study calculated the acceptable air concentrations of 31 VOCs and their corresponding screening levels for soil gas. The results showed the corresponding acceptable indoor air concentrations (AIACs) of VOCs were 1.6×10−5~25 mg/m3 under residential land use scenarios, and 2.9×10−5~60 mg/m3 under industrial land use scenarios. The AIACs of some VOCs were much lower than the Indoor Air Quality Standard. The soil gas to indoor air attenuation factors for the 31 VOCs were 1.9×10−6~5.6×10−5 (residential land use), and 8.4×10−7~2.4×10−5 (industrial land use), which were 3~4 orders of magnitude lower than the values recommended by the US EPA. The screening levels of soil gas considering vapor intrusion were 1.3~5.7×105 mg/m3 (residential land use) and 5.8~3.0×106 mg/m3 (industrial land use), which were 3~4 orders of magnitude higher than the US EPA’s screening levels. Besides, most of the soil gas screening values derived by the models were over the odor thresholds of the corresponding VOCs. The results of this research could provide a reference for the derivation of soil gas screening levels and handling of soil gas testing results in VOCs-contaminated sites.
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表 1 本研究选取的VOCs
Table 1. VOCs selected in the study
序号 中文名 CAS 编号 美国EPA居住用地空
气筛选值/mg·m−3美国EPA工商用地空
气筛选值/mg·m−3嗅阈值#/mg·m−3 1 丙酮 67-64-1 3.2×101 1.4×102 1.2×102 † 2 苯 71-43-2 3.6×10−4 1.6×10−3 8.6 † 3 甲苯 108-88-3 5.2 2.2×101 1.2 † 4 乙苯 100-41-4 1.1×10−3 4.9×10−3 7.4×10−1 † 5 对二甲苯 106-42-3 1.0×10−1 4.4×10−1 2.5×10−1 † 6 间二甲苯 108-38-3 1.0×10−1 4.4×10−1 1.8×10−1 † 7 邻二甲苯 95-47-6 1.0×10−1 4.4×10−1 1.6 † 8 一溴二氯甲烷 75-27-4 7.6×10−5 3.3×10−4 1.7×103 ‡ 9 1,2-二溴甲烷 106-93-4 4.7×10−6 2.0×10−5 7.7×101 ‡ 10 四氯化碳 56-23-5 4.7×10−4 2.0×10−3 2.9×101 † 11 氯苯 108-90-7 5.2×10−2 2.2×10−1 9.8×10−1 ‡ 12 三氯甲烷 67-66-3 1.2×10−4 5.3×10−4 1.9×101 † 13 氯甲烷 74-87-3 9.4×10−2 3.9×10−1 2.1×101 ‡ 14 1,4-二氯苯 106-46-7 2.6×10−4 1.1×10−3 7.2×10−1 ‡ 15 1,2-二氯苯 95-50-1 2.1×10−1 8.8×10−1 1.8 ‡ 16 1,1-二氯乙烷 75-34-3 1.8×10−3 7.7×10−3 4.8×102 ‡ 17 1,2-二氯乙烷 107-06-2 1.1×10−4 4.7×10−4 2.4×101 ‡ 18 1,1-二氯乙烯 75-35-4 2.1×10−1 8.8×10−1 2.0×103 ‡ 19 1,2-反式-二氯乙烯 156-60-5 4.2×10−2 1.8×10−1 3.4×10−1 ‡ 20 二氯甲烷 75-09-2 1.0×10−1 1.2 5.6×102 † 21 1,2-二氯丙烷 78-87-5 7.6×10−4 3.3×10−3 1.3 ‡ 22 硝基苯 98-95-3 7.0×10−5 3.1×10−4 2.4×10−2 ‡ 23 苯乙烯 100-42-5 1.0 4.4 2.1×10−1 ‡ 24 1,1,2,2-四氯乙烷 79-34-5 4.8×10−5 2.1×10−4 1.0×101 ‡ 25 四氯乙烯 127-18-4 1.1×10−2 4.7×10−2 5.2 † 26 三氯乙烯 79-01-6 4.8×10−4 3.0×10−3 2.1×101 † 27 氯乙烯 75-01-4 1.7×10−4 2.8×10−3 2.6×101 ‡ 28 1,2,3-三氯丙烷 96-18-4 3.1×10−4 1.3×10−3 6.0×102 ‡ 29 1,1,1-三氯乙烷 71-55-6 5.2 2.2×101 8.7×101 ‡ 30 1,1,2-三氯乙烷 79-00-5 1.8×10−4 7.7×10−4 2.7 ‡ 31 萘 91-20-3 8.3×10−5 3.6×10−4 2.0×10−1 ‡ 注:† ,嗅阈值来自文献[21];‡,嗅阈值来自文献[22];# ,嗅阈值换算:嗅阈值(mg·m−3)=嗅阈值(ppm)×分子量/24.5。 表 2 模型参数
Table 2. Model parameters
参数符号 参数名称 单位 第一类用地取值 第二类用地取值 Ls 下层污染土壤层埋深 cm 50 50 A 污染源区面积 cm2 16000000 16000000 ρb 土壤容重 g·cm−3 1.5 1.5 Pw 土壤含水率 g·g−1 0.2 0.2 ρs 土壤颗粒密度 g·cm-3 2.65 2.65 Uair 混合区大气流速风速 cm·s−1 200 200 δair 混合区高度 cm 200 200 W 污染源区宽度 cm 4000 4000 r 地基裂隙中空气体积比 无量纲 0.26 0.26 θwcarck 地基裂隙中水体积比 无量纲 0.12 0.12 Lcrack 室内地基厚度 cm 35 35 LB 室内空间体积与气态污染物入渗面积之比 cm 220 300 ER 室内空气交换速率 次·d−1 12 20 η 地基和墙体裂隙表面积所占比例 无量纲 0.0005 0.0005 EDa 成人暴露期 a 24 25 EDc 儿童暴露期 a 6 - EFIa 成人室内暴露频率 d·a−1 262.5 187.5 EFIc 儿童室内暴露频率 d·a−1 262.5 - EFOa 成人室外暴露频率 d·a−1 87.5 62.5 EFOc 儿童室外暴露频率 d·a−1 87.5 - BWa 成人平均体重 kg 61.8 61.8 BWc 儿童平均体重 kg 19.2 — DAIRa 成人每日空气呼吸量 m3·d−1 14.5 14.5 DAIRc 儿童每日空气呼吸量 m3·d−1 7.5 - SAF 暴露于土壤的参考剂量分配比例 无量纲 0.33 0.33 ATca 致癌效应平均时间 d 27740 27740 ATnc 非致癌效应平均时间 d 2190 9125 表 3 31种VOCs土壤气-室外空气衰减因子参数敏感性比例统计
Table 3. Sensitivity ratio of soil air-outdoor air attenuation factors to 31 VOCs
% 衰减因子 最小值 25%分位数 中位数 75%分位数 最大值 A 100 100 100 100 100 U −91 −91 −91 −91 −91 δair −91 −91 −91 −91 −91 W −91 −91 −91 −91 −91 Ls −91 −91 −91 −91 −91 ρb −156 −142 −120 −87 12 ρs 307 1301 1338 1351 1357 Pw −569 −565 −557 −535 66 表 4 31种VOCs土壤气-室内空气衰减因子参数敏感性比例统计
Table 4. Sensitivity ratio of soil air-indoor air attenuation factors to 31 VOCs
% 衰减因子 最小值 25%分位数 中位数 75%分位数 最大值 Ls −6 −1 −1 −1 −1 ρb −156 −142 −120 −87 12 ρs 5 5 6 7 18 Pw −16 −13 −12 −11 4 LB −91 −91 −91 −91 −91 ER −91 −91 −91 −91 −91 Lcrack −90 −90 −90 −90 −86 η 93 99 99 99 99 θacrack −145 89 152 180 195 θwcarck −58 −53 −43 −22 55 -
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