《Journal of Hazardous Materials》：Heavy Metals, Radionuclides, and Rare Earth Elements in Drinking Water Treatment Sludge: Source Apportionment and Health Risk Implications
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本文针对饮用水处理污泥（WTS）土地回用中污染物来源不明、化学与放射性健康风险未充分评估的问题，通过整合多元统计（PCA/PMF）与概率风险模型（2D蒙特卡洛），揭示了WTS是地质源污染物的富集库，并发现铅（Pb）和砷（As）主导了健康风险，相关结果挑战了WTS“无毒”的普遍认知，为制定风险导向的污泥管理框架提供了科学依据。
当您打开水龙头，清澈的自来水汩汩流出，这背后是庞大的饮用水处理系统在高效运转。然而，在为我们生产出洁净饮用水的同时，这些水厂也产生了一种大量且日益增长的副产物——饮用水处理污泥（Drinking Water Treatment Sludge, WTS）。全球单个水厂每年可产生高达10万吨的WTS。面对如此巨量的固体废弃物，传统的处置方式如排入水体或焚烧，会带来水环境污染或空气污染等问题。因此，实现“零排放”的可持续策略，例如将污泥进行土地回用，作为低品级土壤改良剂，正成为越来越受欢迎的选择。这听起来像是个“变废为宝”的环保故事，但故事的另一面却暗藏隐忧。
一个普遍的认知是，与富含有机物和病原体的市政污水污泥不同，WTS主要来源于对天然原水的净化过程，通常被视为“无毒”或“非危害性”物质。因此，在许多国家和地区，对WTS土地回用的监管远不如对污水污泥严格。例如在美国，污水污泥的土地施用受《40 CFR Part 503》的严格监管，对重金属含量、病原体削减等有明确的数值限值和风险评估要求；而WTS则仅被视为一般固体废物，缺乏针对其土地回用的具体联邦标准。这种监管上的“盲区”基于一个假设：WTS是安全的。但越来越多的研究发现，WTS可能富集原水中的重金属和天然放射性核素，这些污染物在污泥中不断累积，若随土地回用进入环境，可能通过偶然摄入、皮肤接触和吸入等途径，对周边居民，尤其是儿童，构成长期的健康风险。那么，WTS中究竟富集了哪些污染物？它们从哪里来？如果进行土地回用，究竟会对人体健康造成多大的风险？目前，关于常见WTS（如混凝污泥）土地回用所导致的综合化学与放射性健康风险的研究仍然有限。
为了填补这一知识空白，由Inzhumarzhan Shakhmaral、Alisher Alibekov、Seunghee Han和Woojin Lee组成的研究团队，以哈萨克斯坦阿斯塔纳市的一个大型常规地表水处理厂为研究对象，开展了一项综合评估。他们的研究成果发表在环境科学领域的权威期刊《Journal of Hazardous Materials》上。这项研究旨在实现三个具体目标：量化WTS中痕量金属和铀同位素的赋存水平；运用多元统计方法解析污染物富集的主要来源和控制过程；并利用概率框架评估与土地回用相关的综合化学与放射性人体健康风险，从而为制定基于风险的管理策略提供依据。
研究人员在2024年的八个月份里，系统采集了阿斯塔纳水厂的WTS样品。他们主要采用X射线荧光光谱（X-ray fluorescence, XRF）和电感耦合等离子体发射光谱（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy, ICP-OES）分析了重金属成分，并因检测到高铀浓度，进一步使用电感耦合等离子体扇形场质谱（ICP-sector field mass spectrometry, ICP-SFMS）测定了铀同位素比值。在数据分析方面，他们运用了主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）和正矩阵分解（Positive Matrix Factorization, PMF）进行来源解析。在健康风险评估这一核心环节，研究采用了美国环保署（U.S. EPA）的框架，计算了12种污染物的致癌与非致癌风险，并创新性地运用了二维蒙特卡洛模拟（2D Monte Carlo Simulation, 2D MCS）来分别处理暴露参数的可变性和不确定性，从而得到更稳健的风险估计。
3.1. WTS characterization (WTS特征分析)
3.1.1. Heavy metals (重金属)
分析显示，阿斯塔纳WTS中重金属的平均浓度顺序为 Pb > Zn > Ni > Cr > As > Cu。其中，铅（Pb）和砷（As）的富集尤为突出。具体而言，Pb的平均浓度高达1063 mg/kg，As为52.43 mg/kg。通过与哈萨克斯坦本国生物污泥标准以及美国EPA Part 503标准对比发现，Pb的浓度超过了所有相关限值，As的浓度也超过了美国EPA的污染物浓度限值（41 mg/kg）。研究人员计算了监管富集因子（regulatory enrichment factor, EFreg），Pb和As的EFreg分别高达3.54和1.28，而铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）的EFreg远小于1。与国际上其他地区的WTS数据比较，阿斯塔纳WTS中的Pb和As浓度显著偏高，这表明该污泥若直接土地回用，将带来较高的污染风险。
3.1.2. Radionuclides (放射性核素)
对放射性核素的分析表明，水处理厂可被视为技术增强的天然放射性物质（Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Material, TENORM）源。WTS中铀同位素（U-238, U-235, U-234）的组成与天然铀一致，表明其来源于地质背景而非人为富集或贫化铀。计算得到的总天然铀活度浓度范围为1,258至1,725 Bq/kg，超过了哈萨克斯坦固体材料中天然铀的辐射卫生筛查阈值（1,000 Bq/kg），也远高于典型土壤和沉积物的本底水平。不过，其铀含量（约56.3 mg/kg）远低于美国核管理委员会（U.S. NRC）定义的“源材料”质量阈值（0.05%）。这表明，依据活度标准，该WTS需引起关注；而依据质量标准，则无需特别监管，凸显了不同监管框架下的评价差异。
3.2. Source identification (来源解析)
3.2.1. PCA-based source identification (基于PCA的来源解析)
主成分分析提取了三个主成分，共同解释了WTS成分73.5%的总方差。PC1（方差贡献率46.0%）以铁（Fe）、锰（Mn）的高载荷为特征，并关联镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、钒（V），这被解释为铁锰（氧氢）氧化物介导的痕量金属清除过程，反映了水库沉积物-水界面由氧化还原驱动的内部地球化学循环。PC2（方差贡献率16.8%）以锆（Zr）、铅（Pb）的高载荷为特征，并关联铀（U）、钇（Y），这被解释为源自含锆石花岗岩类副矿物风化的岩石成因输入，与阿斯塔纳水库东部的Vishnevsky花岗岩岩体有关。PC3（方差贡献率10.7%）以砷（As）、铀（U）、钒（V）的高载荷为特征，这被解释为含氧阴离子形成元素（As-U-V）在水文地球化学条件下的协同迁移，与氧化、碱性、富碳酸盐的水体环境相关。
3.2.2. PMF-based source apportionment (基于PMF的来源解析)
正矩阵分解进一步确认并量化了三个来源因子。因子F1（以Zr、U、Pb为主）对应PCA中的岩石成因因子；因子F2（以Zn、Cu、Mn为主）代表了Mn氧化物对二价痕量金属的特异性吸附；因子F3（以V、Fe、As、Ni为主）则代表了与铁氧化物相关的含氧阴离子滞留因子。PMF结果与PCA相互印证，表明WTS成分受相互关联的地球化学过程控制，而非离散的人为污染源。
3.3. Human health risk assessment (人体健康风险评估)
3.3.1. Non-carcinogenic risk (非致癌风险)
一维和二维蒙特卡洛模拟均显示，WTS土地回用可能带来严重的非致癌风险。对于儿童，危害指数（Hazard Index, HI）的中位数为54.4；对于成人，HI中位数为5.8，均远超安全阈值1.0。摄入是绝对主导的暴露途径，贡献了约95-98%的风险。在污染物贡献方面，铅（Pb）是首要驱动因子，贡献了约42-49%的HI；其次是砷（As），贡献22-24%；锆（Zr）、锰（Mn）和铀（U）也有显著贡献。敏感性分析表明，体重（BW）、暴露频率（EF）和摄入率（IngR）是影响风险估计的关键参数。
3.3.2. Carcinogenic risk (致癌风险)
致癌风险（Total Carcinogenic Risk, TCR）评估结果更为严峻。模拟结果显示，儿童和成人的TCR中位数分别为1.57 × 10-3和1.14 × 10-3，完全超过可接受风险上限（1 × 10-4）。摄入同样是主要途径。在污染物贡献上，砷（As）占据了绝对主导地位，贡献了约98%以上的TCR，其单独的风险值就已超过监管阈值一个数量级以上。铅（Pb）和铀同位素的贡献相对较小，但仍具有政策相关性。二维蒙特卡洛模拟在分离不确定性和变异性后，确认了高风险结论的稳健性。
这项研究通过将机制性来源解析与概率性化学-放射性风险评估相结合，得出了几个关键结论。首先，研究证实饮用水处理污泥（WTS）是地质源污染物的“富集库”，其成分受相互关联的过程驱动和岩石成因机制控制，而非离散的人为源。其次，研究发现WTS中多种污染物超过了相关监管阈值，其中铅（Pb）和砷（As）的富集尤为显著，总天然铀活度也超过了国家筛查水平。最关键的是，概率风险模型揭示，在所有模拟条件下，WTS土地回用均会导致健康风险超标。非致癌风险极为严重，主要由摄入途径驱动，并由Pb和As控制；致癌风险则完全超过可接受阈值，其中As的贡献超过98%。铀同位素增加了次要但可测量的放射性负担。
这些发现具有重要的科学意义和管理启示。它有力地挑战了“WTS无毒”的普遍假设，揭示了在特定地质环境下，常规水处理过程可能将原水中分散的污染物浓缩成具有高健康风险的残余物。研究指出，WTS的风险主要由一小部分元素（Pb, As）主导，这为风险管控提供了明确的靶点。从管理实践角度，研究呼吁建立风险导向的WTS管理框架，其核心建议包括：对WTS质量进行常规监测，重点关注高风险污染物；建立与残余物质量及暴露潜力相匹配的分级决策框架，区分不同的回用场景；将源水水质、处理工艺与残余物管理纳入一个整体的“控制循环”，实现前瞻性预警和调控；优先采取针对关键风险驱动污染物的稳定化/固定化措施。最终，这项研究为水务管理者提供了关键的工程指导，表明WTS的“有益回用”只有在辅以系统监测、风险分级决策和注重暴露控制的实施方案时，才可能成为一条真正可持续的路径，从而避免其成为意想不到的长期环境和公共卫生负担。
