医疗废物是一种特殊的固体废物，含多种有害物和致病细菌，具有很强传染性和致病性(钟宁等，2004).据统计，2005年我国医疗废物产量约为74万t(Duan et al., 2008)，且仍在快速增长，对社会和环境安全造成了很大的威胁.因此，医疗废物无害化处置是一项十分重要的工作.目前，医疗废物处置技术主要有高温焚烧法、高压蒸汽法、微波消毒法、化学法、等离子体法和热解法(张虹等，2005).由于焚烧法具有快速减量化、减容化、无害化等优点，已被证明是一种快速有效的医疗废物处置技术但由于固废焚烧存在多种污染物排放问题，尤其是重金属和二 英的排放，制约了焚烧技术的推广应用.目前，有关医疗废物焚烧炉二 英排放对周围环境的影响已得到初步研究(Li et al., 2010; Gao et al., 2009)，但针对医疗废物焚烧炉重金属排放对环境的影响研究则相对较少.医疗废物经焚烧后会产生约30%的底灰和3%的飞灰(刘汉桥等，2007)，而烟气中的重金属则以气态和富集于飞灰上的固态形式排放进入大气(Kuo et al., 2007)，并通过干湿沉降直接进入土壤及水体中(Rimmer et al., 2006).由于重金属往往具有很强的环境生态毒性与生物累积性，对生态和人类健康构成了严重的潜在威胁(Weber et al., 2007; Reis et al., 2007)，从而引起了关注.本研究以浙江北部某医疗废物焚烧厂为例，基于区域内10种金属在土壤中的含量水平及分布特征，探究其影响因子及潜在污染来源，以期为评估医疗废物焚烧厂重金属排放对周边土壤环境的长期影响和健康风险评价提供参考.同时，正确了解焚烧炉运行过程中存在的潜在的环境风险，可以指导焚烧厂的安全运行和科学管理，促进居民对焚烧技术的理性认识.

本文所研究的医疗废物焚烧厂(北纬35.91°，东经120.00°)位于浙江北部，2007年5月开始投入运行.焚烧炉采用了回转窑结合二燃室的焚烧技术，设计日处理10 t医疗废物，尾气净化系统包括急冷塔、半干法脱硫塔和布袋除尘器.烟囱高度为35 m，低于周围山峰.浙北地区属于亚热带季风气候区，风向随季节变化明显，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风.杭宁高速在附近经过，周围1000 m内没有村庄，在外围(高速公路)焚烧厂建筑物不可见(严密等，2011).

2007年在焚烧厂运行前，对厂区周边进行了10个土壤样品的采集.采样点利用手持式GPS进行定位，具体如图 1所示.利用筒式取土器(长度×直径: 24 cm×4 cm)进行土壤采样，取土深度为10 cm.为有效反应取样点的土壤特性，采用五点采样法采样(在半径2 m的圆上，4个主方向和圆心点上各取等份土，然后混合作为该点的土壤样品).每个点大概采集1.5 kg土壤，去除其中的砂砾和植物残屑，在室内风干后研磨成粉末(<0.25 mm)，然后低温保存待预处理及仪器分析.焚烧厂运行5年后，利用同样方法在相同地点进行了采样.

图 1(Fig. 1)

图 1 土壤采样点分布图(图中括号中数字表示离焚烧炉距离，m) Fig. 1 Location of soil samples(The numbers show the distances from incinerator，m)

样品采集后，去除其中的砂砾和植物残屑，干燥研磨过筛.根据《固体废物中的重金属测定消解法》(GB/T15555.2—1995)，按照程序进行HNO₃、HF和HClO₄对0.1 g土壤样品的消解，消解后用去离子水定容到50 mL.利用ICP-MS对砷(As)、镉(Cd)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)、锑(Sb)、钒(V)、锌(Zn)等10种金属进行测量.

利用SPSS16.0统计分析软件及PCA分析方法对重金属含量进行统计分析.利用Preliminary Remediation Goals(PRGs)对周边居民进行健康风险评价，其中，PRGs是美国环境保护署(US EPA)颁布的旨在保护人体健康的污染土壤初步修复目标值，可定义为在对污染场地进行初步调查后开展修复方法选择时初步设定的修复目标值，不仅包括居住用地还包括工业、商业用地(US EPA，2012).

表 1是2007年和2012年焚烧炉周围土壤样品中金属平均含量和变化情况，以及与我国土壤环境质量标准农业用地二级标准值的比值和典型焚烧炉周边土壤中的金属含量.由表可知，2007年土壤中铅的含量最高，达到199.93 mg · kg^-1；其次是锌，达到79.67 mg · kg^-1；接下来分别是铜(23.53 mg · kg^-1)、 砷(17.96 mg · kg^-1)、锑(12.67 mg · g^-1)、镍(12.66 mg · kg^-1)、钒(7.64 mg · kg^-1)、镉(0.87 mg · kg^-1)；Hg的含量最低，为0.59 mg · kg^-1.而2012年土壤中金属含量最高的是Zn，达到254.81 mg · kg^-1；其次是铅(153.60 mg · kg^-1)；含量最低的则是Cd，为1.37 mg · kg^-1.从表中可知，除铅外，其他金属都有不同程度的增加.其中，变化幅度最大的是钒，从7.64 mg · kg^-1增加到53.80 mg · kg^-1，增幅达到604.48%；其次是汞，从0.59 mg · kg^-1增加到3.89 mg · kg^-1，增幅达560%.

表1(Table 1)

表1 土壤中金属含量、变化趋势及典型焚烧炉周边土壤中金属含量 Table 1 Concentrations and temporal trend of metal concentrations in soil samples and metal concentration in soil around the typical incinerator

表1 土壤中金属含量、变化趋势及典型焚烧炉周边土壤中金属含量 Table 1 Concentrations and temporal trend of metal concentrations in soil samples and metal concentration in soil around the typical incinerator 重金属 含量/(mg·kg-1) 变化幅度 (2007—2012年) 比值 其他地区金属含量/(mg·kg-1) 2007年 2012年 农业 居住 工业 温岭 纽卡斯尔 加泰罗尼亚 As 17.96 39.66 120.0% 99.1% 79.3% 56.60%   20.00 8.56 Cd 0.87 1.37 57.2% 456.0% 13.7% 6.85% 2.6 0.65 0.27 Cu 23.53 48.72 107.0% 97.4% 16.2% 9.74% 296.3 233.00 38.20 Hg 0.59 3.89 560.0% 1111.0% 97.2% 19.40% 1.0 0.50 0.04 Ni 12.66 18.00 42.2% 22.5% 12.0% 9.00% 48.0 30.00 16.90 Pb 199.93 153.60 -23.2% 192.0% 51.2% 25.60% 501.9 350.00 42.50 Sb 12.67 15.90 25.5% 159.0% 53.0% 39.70%     0.12 V 7.64 53.80 604.0% 41.4% 26.9% 21.50%     32.40 Zn 79.67 254.81 219.0% 127.0% 50.9% 36.40% 432.7 419.00   总计 355.51 589.74 65.8%

根据我国土壤环境质量标准(GB 15618—2008)(中华人民共和国环境保护部，2008)，2012年焚烧厂周边土壤中除了Cu、Ni、V的含量低于土壤质量农业用地二级标准值之外，其余都有不同程度的超标，其中，汞为限值的1111%，镉为限值的456%，但都在土壤质量居住用地和工业用地二级标准之内，无一超标.对比国内外研究发现，研究区的金属含量均高于西班牙加泰罗尼亚地区危险废物焚烧炉周边土壤金属含量(Vilavert et al., 2012)，与英国纽卡斯尔地区的生活垃圾焚烧炉周边土壤金属含量相比则互有高低(Rimmer et al., 2006)，但与温岭电子废物处理厂周边土壤中金属含量相比则明显低很多(Tang et al., 2010).

图 2显示了离焚烧炉不同距离的各采样点重金属总含量分布.由图可知，大部分采样点的总含量都有所增高，但增幅不明显，其总含量随距离增加而降低的趋势也不明显.因此，认为周边土壤受到焚烧炉污染物排放的影响较小.在这10个采样点中，这是因为S6(725 m)、S9(1165 m)样点的重金属含量偏离的比较明显，S6地处高速路附近，2011年有一条新的公路在附近修建；S9位于村庄主干道旁的农田边，研究期间在附近发现好几个露天焚烧点.如表 2所示，S6和S9中Pb(241.70 mg · kg^-1和422.50 mg · kg^-1)和Zn(340.10 mg · kg^-1和130.70 mg · kg^-1)的值特别高.而Collett等(1998)研究表明，焚烧厂对周围土壤中Cd和Pb的含量没有明显影响；杨金燕等(2005)研究认为，土壤中铅的来源主要有工业生产、交通运输、垃圾处理及农用施肥.因此，认为当地土壤中重金属含量还受到了其它污染源的影响.

图 2(Fig. 2)

图 2 土壤中金属总含量随距离的变化分布 Fig. 2 Metals concentration distribution with the distance from plant

表2(Table 2)

表2 2007和2012年研究区土壤中金属含量 Table 2 Metal concentrations in soil in 2007 and 2012

表2 2007和2012年研究区土壤中金属含量 Table 2 Metal concentrations in soil in 2007 and 2012 年份 采样点 As Cd Cu Hg Ni Pb Sb V Zn 总计 2007 S1 41.36 4.06 33.56 0.52 5.78 44.54 13.25 12.01 135.40 290.5   S2 28.68 0.56 16.29 0.67 12.15 95.54 14.12 5.53 70.01 243.6   S3 13.35 0.45 11.44 0.75 12.71 52.05 18.55 6.85 150.10 266.3   S4 57.42 1.72 80.34 0.28 6.77 1525.00 43.15 4.44 218.20 1937.0   S5 7.48 0.31 17.60 0.97 27.67 54.03 4.14 5.68 37.05 154.9   S6 9.73 0.49 19.41 1.21 14.08 66.40 5.66 7.71 49.75 174.5   S7 8.24 0.28 18.49 0.42 13.15 28.45 10.20 11.95 34.24 125.4   S8 5.13 0.26 10.62 0.41 10.68 50.95 11.12 14.35 29.34 132.9   S9 6.76 0.35 12.74 0.21 12.05 37.43 3.22 5.91 44.01 122.7   S10 1.46 0.25 14.82 0.46 11.51 45.23 3.30 1.94 28.59 107.6 2012 S1 13.33 0.46 15.47 5.65 20.49 68.29 6.53 65.11 84.15 279.5   S2 13.35 0.55 12.26 4.48 15.71 58.81 3.28 40.75 802.40 951.6   S3 15.27 0.25 30.48 2.45 8.00 126.50 3.45 48.39 84.91 319.7   S4 151.00 5.61 244.7 2.43 35.12 443.50 92.15 71.69 831.80 1878.0   S5 10.30 0.32 22.67 4.70 24.50 50.20 4.73 66.83 62.79 247.0   S6 142.00 4.32 72.58 2.42 16.18 241.70 10.04 46.53 340.10 875.9   S7 8.60 0.52 14.91 4.94 25.26 44.03 3.81 51.04 67.97 221.1   S8 6.48 0.38 16.18 5.78 7.59 40.96 14.76 65.33 51.44 208.9   S9 26.94 0.67 41.46 1.57 17.05 422.50 17.36 51.16 130.70 709.4   S10 9.28 0.66 16.43 4.45 10.12 39.59 2.87 31.14 91.89 206.4   飞灰 19.15 10.8 732.90 197.90 101.10 92.89 156.10 17.46 475.40 1804.0

图 3是2007年和2012年土壤和飞灰中重金属含量情况分布图.由图可知，土壤中的金属都以Pb、Zn、As为主，而飞灰中以Cu、Zn、Hg为主.说明土壤和飞灰中的金属分布存在较大差异，该地区其他金属污染源及影响因素不可忽视.

图 3(Fig. 3)

图 3 土壤及飞灰中金属含量分布比较 Fig. 3 Comparison of metals distribution in soil and ash

为进一步研究评价样品间的关联性与差异性，引进了主成分分析法(Principal component analysis，PCA)，PCA可以将一个事件的多个变量在丢失信息最少的基础上，综合成几个较少的综合指标，即主因子.主成分数以特征值>1为条件进行筛选.表 3为因子分析经Varimax旋转后前3个主成分及各种金属的载荷，发现方差累计贡献率达88.5%.第一主成分(PC1)贡献率为52.22%，与Cu、Hg、Ni、Sb、Cd相关，这类金属受外环境影响较小，主要受成土过程和土壤流失的影响，因此，第一主成分主要反映土壤环境自身的作用.第二主成分(PC2)贡献率为18.70%，与Pb和As相关，第三主成分(PC3)贡献率为17.63%，与V和Zn相关，认为其反映了距离及采样点地形的影响.图 4a和图 4b所示，样品由于采样年份的不同而呈明显的集聚，并且与飞灰距离较远，这意味着除了飞灰这一潜在的影响因素之外，还有其他潜在污染源.土壤样品中锌和铅含量很高，可能与含铅汽油及含锌润滑油的使用有关(Day et al., 1975; Miguel et al., 1997).此外，许多当地企业从事萤石开采和加工，而萤石里含有铁、铅等重金属(史帅星等，2010);同时，每年80%~90%生产的砷用于生产有机磷农药并被施用于土壤上(Nriagu et al., 1988).这些都是土壤中重金属的潜在来源.

表3(Table 3)

表3 土壤中重金属主成分载荷 Table 3 Rotated component matrix for metals in soils

表3 土壤中重金属主成分载荷 Table 3 Rotated component matrix for metals in soils 金属 载荷 成分1 成分2 成分3 Cu 0.989 0.094 0.064 Hg 0.970 -0.138 -0.094 Ni 0.960 -0.137 0.098 Sb 0.927 0.269 0.113 Cd 0.891 0.303 0.190 Pb -0.012 0.899 -0.142 As 0.127 0.698 0.576 V -0.060 -0.153 0.892 Zn 0.432 0.392 0.606 特征值 4.700 1.683 1.587 方差贡献率 52.221% 18.695% 17.628% 累计贡献率 52.221% 70.917% 88.545%

图 4(Fig. 4)

图 4 2007年(a)和2012年(b)研究区土壤中重金属分布的主成分分析(F代表2007年样品，S代表2012年样品) Fig. 4 Principal component analysis(PCA)of soil samples collected in 2007(a) and 2012(b)

从表 2可知，部分金属含量超过了我国土壤环境质量标准的有关限值，因此，对居住在附近的村民进行非致癌风险和致癌风险评估就显得很重要.本文利用2012年土壤金属的平均含量与美国EPA Preliminary Remediation Goals规定的居民生活区安全值的比值进行风险评估(US EPA，2012).图 5a为非致癌风险评估结果，可知，除了砷之外，其他元素的含量都在安全值范围之内，砷的含量明显超出安全值(22 mg · kg^-1)，比值达到180%.图 5b是致癌风险的评估结果，发现镉在安全值(1800 mg · kg^-1)之内而砷再次超标.这个结果与Nadal等(2005)的研究结果相一致，他们认为砷之所以普遍超标是因为美国EPA制定的致癌风险安全值(0.39 mg · kg^-1)和环境中砷的含量相比过低的缘故，例如，英国土壤中砷的背景值为10.9 mg · kg^-1(Martin et al., 2009)；根据《中国土壤元素背景值》，我国土壤中砷背景值为11.2 mg · kg^-1(宋志东等，2012).本研究中S4样点的砷含量在焚烧炉运行前后都是最高的，这是因为S4位于山坡上，存在比较严重的水土流失和风化现象，在风化的过程中，铝和铁的含量会增加，进而会导致砷含量的增加(翁焕新等，2000)；另一重要原因就是含砷有机磷农药的使用(Nriagu et al., 1988)，因此，需减少该地区含砷农药的使用.

图 5(Fig. 5)

图 5 2012年研究区土壤金属非致癌风险(a)和致癌风险(b)比较 Fig. 5 Non-carcinogenic risk(a) and carcinogenic risk(b)comparison of metal concentrations in soils in 2012

研究表明，医疗垃圾焚烧厂运行5年后周围土壤中重金属含量有着不同程度的变化，其中，含量最高的为锌，平均含量达到254.81 mg · kg^-1；增幅最大的为钒，从7.64 mg · kg^-1增加到53.80 mg · kg^-1，增幅达到604%.2012年土壤中低于土壤质量农业用地二级标准值的金属只有Cu、Ni和V，汞超标最严重，达到限值的1111%；其次是镉，达到限值的456%，但所有金属含量都在土壤质量居住用地和工业用地二级标准之内.主成分分析结果表明，医疗废物焚烧厂并不是周边土壤中重金属的唯一污染来源，还存在其它潜在污染源.同时，利用美国EPA Preliminary Remediation Goals规定的居民生活区安全值进行风险评估研究表明，砷在非致癌风险和致癌风险的评估中均超标，必须尽量减少砷释放到环境中的量.本研究进行了医疗废物焚烧炉周边土壤重金属浓度调查研究，但仍需更多的研究工作以更全面了解医疗废物焚烧炉对周围环境及人体的健康影响.