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来自地下的威胁:检测与防止有害蒸气入侵

September 22, 2017 聚焦 Comments Off on 来自地下的威胁:检测与防止有害蒸气入侵

被蒸气入侵的地下室

尽管室内空气质量多年来一直是公共健康领域的一个重点问题,然而只是近年来人们才意识到蒸气入侵是室内空气污染的来源之一。目前,研究人员正在寻找更好的方法来测量和控制那些可以从土壤及地下水进入建筑物的挥发性物质。
© JG Photography/Alamy Stock Photo

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室内天然氡气暴露于1980年代开始受到社会各界的广泛关注,而现在一种类似却不为人熟知的室内污染物正逐步引起人们的注意——蒸气入侵:地下水及土壤中的挥发性化学物质以蒸气形式进入其上方建筑物内。

蒸气入侵的4个主要来源为工业用地、军事用地、干洗店及加油站,这些场所曾经或正在生产或大量使用溶剂、脱脂剂和其它挥发性化学物质。很少有专家愿意评估美国的蒸气入侵状况,但肯塔基大学“超级基金”研究中心(University of Kentucky Superfund Research Center)的工程学副教授Kelly Pennell指出,“几乎所有的城市环境都存在一定程度的历史性污染。”只要存在挥发性化学污染物,就需要考虑蒸气入侵问题。

“1990年代末期甚至到2000年代以前,没人真正清楚[蒸气入侵]的巨大潜在危害,”Geosyntec咨询公司高级主管、科罗拉多州的工程师Dave Folkes说道,“由于不太了解这一崭新的领域,因而存在很多忧虑、未知及不确定性,我们都在努力学习如何加快工作进度。”

Folkes认为该领域如今已经较为成熟,已有工具可以评估及减少蒸气入侵,也有相应法规监管这种情况。随着技术及法规的逐步完善,人们对蒸气入侵的发生机制及其健康风险也有了更深入的了解。由此也引出了新的问题。

国立环境健康科学研究所(National Institute of Environmental Health Sciences)资助了一些蒸气入侵研究项目。该研究所超级基金研究项目主管William Suk指出,“蒸气入侵是一个很复杂的问题,需要多领域合作共同解决。科学家们正努力从健康及工程的角度审视该问题,以期了解如何检测化学物质及预测暴露,如何评估健康危害以及如何解决问题。”

重点关注的化学物质

对于蒸气入侵,人们最关注的化学物质是氯化溶剂如三氯乙烯(trichloroethylene)——通常用作金属脱脂剂,以及四氯乙烯(tetrachloroethylene,又名全氯乙烯)——常用于干洗的一种脱脂剂。布朗大学超级基金研究项目副主管Eric Suuberg表示,通常认为石油衍生化合物如汽油及机油污染的危害低于三氯乙烯和四氯乙烯,因为与更稳定的氯化溶剂相比,这些化合物在土壤中更容易生物降解。 长期吸入四氯乙烯可以危害认知及运动功能、肝脏、肾脏、免疫及血液系统,并可导致多种癌症。有证据表明即使是低剂量暴露,长此以往也会危害神经及神经行为功能。 2011年的一项研究报道了青少年风险行为率上升(如吸烟和吸毒)与妊娠期及幼儿期饮用水高浓度四氯乙烯暴露之间具有关联性。最近另一项回顾性研究发现,成人癫痫及某些癌症(尤其是宫颈癌)风险增加与早年暴露于饮用水四氯乙烯污染之间具有关联性。另有证据表明,饮用水四氯乙烯污染可能导致出生缺陷,不过其研究结果尚不足以下结论。 现已知或怀疑三氯乙烯暴露可以导致多种癌症。流行病学及动物研究表明饮用水污染可以导致体重下降、肝肾功能损伤,吸入暴露则可以危害神经、免疫、生殖系统及发育。还有证据表明三氯乙烯可能导致胎儿心脏出现结构缺陷。 美国环保署于2011年更新了三氯乙烯的健康危害评估,降低了经口及吸入的终生暴露参考值。这在很大程度上是出于对三氯乙烯及其代谢产物对胎儿心脏发育影响的担忧。然而波士顿大学公共健康学院超级基金研究项目的环境健康副教授Wendy Heiger-Bernays指出,极低值的健康效应研究基于动物器官、细胞及分子研究,因此颇具争议。

一些研究人员及监管机构认为对心脏健康影响的证据不充分或不一致,不足以支持重建风险管理政策。“争议源于人们认识到这只是低浓度暴露,有许多地方、家庭及企业受到蒸气入侵影响,面临高额费用及风险沟通的极大挑战,”Heiger-Bernays解释道。

污染遗留问题

通过对美国某些知名污染地区的研究,人们对蒸气入侵的机制已经有了较深入的了解。其中一例是位于纽约州恩迪科特镇(Endicott)的一家制造厂,IBM在这里运营生产直到1980年代。大约320英亩(约1.3平方公里)范围镇中心及居民区的地下水被三氯乙烯、四氯乙烯及其它化学品污染,直到现在污染仍然存在。在恩迪科特镇进行的一项流行病学研究发现,心脏缺陷与产妇居住地存在三氯乙烯及四氯乙烯蒸气入侵问题有关联性,低出生体重及胎儿生长受限与产妇居住地受三氯乙烯污染之间有关联性。

IBM在纽约州恩迪科特镇的制造厂

蒸气入侵通常与地下水污染有关。挥发性物质在美国的广泛使用导致了无数地下水流受到污染,而只有部分记录在案。IBM在纽约州恩迪科特镇的制造厂(如图,摄于1958年左右)是被详细研究的场所之一。
© George Rinhart/Getty Images

另一个值得注意的污染地区位于科罗拉多州丹佛市,雷德菲尔德(Redfield)制造厂在这里长达几十年制造步枪瞄准镜及类似产品。1990年代末期发现该地区地下水被清洁剂包括三氯乙烯污染,引起政府有关部门的注意。雷德菲尔德是美国第一批重大蒸气入侵地区之一,人们很快意识到即使相对小规模污染也可以产生深远的环境影响。 “雷德菲尔德是一个非常小的工厂,只是负责清洗步枪瞄准镜上的油脂,”现场调查及减灾项目经理Folkes说道,“[泄漏的脱脂剂]污染范围可能只有4英尺乘8英尺大小(约合3平方米),然而顺着地下水流污染远达2英里(约合3.2公里)以外。”

位于加州山景城(Mountain View)的谷歌办公室几年前也检测到高浓度三氯乙烯,可见蒸气可以轻易入侵建筑物。总部位于加州的非营利机构“公共环境监督中心”(Center for Public Environmental Oversight)执行董事Lenny Siegel表示,该建筑位于已知污染地区,但抽检确认该建筑的暖通空调系统(Heating, Ventilating and Air Conditioning )可以防止蒸气入侵。当暖通空调系统出现问题以及护板出现异常开口时,导致了建筑物内气压改变,室内三氯乙烯水平开始上升。这些问题解决后,三氯乙烯水平即恢复到了安全值。 除了这些有记录的案例,现在日趋明显全国各地存在无数的小规模蒸气流。“你在纽约市或者任何大城市随便哪里戳一个洞,都会发现陈年干洗剂污染,”Siegel说道。 纽约的一位环境律师Larry Schnapf说市区内有很多没有官方记录的地下水污染,因为物业交易过程中买方或者卖方发现这种问题后,通常会取消交易但是不会将信息公之于众。“我见过不少交易没有达成,因为买家看到检测结果后说,‘我可不想冒险买这个,’”他解释道,“通常买家不会上报,由于未达成交易所以卖家也不会上报,而[污染]仍在那里。”

蒸汽入侵示意图

化学物质溅到或倾倒在地面后,生成的蒸气可以通过土壤散播很远。在合适的条件下,进入地下水的化学物质可以沿着最小阻力路径扩散数英里远。蒸气可能通过多种途径进入室内,包括建筑物地基或地板上的裂缝、接缝或开口;混凝土楼板中的膨胀节;或暴露在爬行空间中有裂缝的石块。
新的研究表明,蒸气也可以经污水管道进入室内。蒸气可以通过裂缝或不正确接合处进入下水管道,而污水管道内本身也可能含有合法或非法倾倒的挥发性物质。出现泄漏或管道故障时,下水道中的蒸气就会进入室内。
Illustration: Jane Whitney for EHP. Adapted from EPA (2008),11 Pennell et al. (2013),16 and Dawit Bekele and Ravi Naidu (unpublished)

蒸气入侵的特征难以描述,部分原因是室内空气同时含有其它挥发性化学物质。Suuberg指出,蒸气入侵相关化学物质的室内浓度升高还可以由这些因素导致:室内或连体车库内存放汽油、使用某些商业脱脂剂、把干洗过的衣物带回家。 这说明只在室内空气样品中检测到化学物质不足以确定存在蒸气入侵问题。“评估建筑物的蒸气入侵危害时,所有这些居家来源都需要考虑在内或者排除在考虑之列,”Suuberg说道。

地下水流示意图

如果几个家庭的室内空气样本表明存在蒸气入侵,那么对于同一时期构建、具有类似结构的住宅,即使没有采样数据也可以评估蒸气入侵的可能性。这种情况下可以推荐采取蒸气减缓措施。
Illustration: Jane Whitney for EHP. Adapted from EPA (2015)

室内空气污染物水平随时间变化而显著波动,而其中一些最大波动往往由天气或季节变化导致,许多研究人员正在探索如何量化建筑物的蒸气入侵问题。“这是当今该领域的核心问题——需要多频繁地采集数据才有足够依据支持法规决策,”Suuberg解释道,“没人知道答案。”这种不确定性也导致现在仍然没有一个各方认可的描述室内空气污染物的方法。

解决问题

好消息是,一旦发现并确认蒸气入侵,解决问题通常相对简单。负责废弃物现场清理的马萨诸塞州环保局助理局长Paul Locke指出,设置便携式空气净化器可以即时降低暴露水平,环保局库存多台这种设备作为处理受污染住宅区的临时应急措施。“我们可以非常迅速地实施这些初步措施,只需短短几天时间,”Locke说道。

长期解决方案通常是安装一个蒸气入侵减缓系统。传统的减缓系统包括楼板下的砾石层提供空隙使气体流通,安装立管收集并排出蒸气。该系统以被动方式或通过风扇为建筑物下的土壤减压,以拦截蒸气并将其排放到室外。 Folkes认为新的发展方向主要集中在材料质量更好或运作更具可持续性的标准系统(例如自动化系统)。他说相比传统系统,最先进且最有前途的替代方案是Pontarolo工程公司首创的“充气楼板”概念。该公司开发出名为Cupolex®的回收塑料,用以取代水泥板底部的砾石层。Folkes表示Cupolex®可以比砾石层提供更大的空隙,更易于空气流通,可以提供更有效的通风,因而所需安装的风扇尺寸也更小。

一些专家及监管部门支持在地下水污染区域附近的新施工现场安装蒸气减缓系统,这样可以从一开始就降低潜在风险和成本,而不是之后再评估与解决(或担心有所疏忽)问题。这种先期预防策略与美国肺脏协会(American Lung Association)的一个氡气工作小组的建议相一致。 2015年该工作组建议更新州及地方建筑标准,规定降低氡气风险措施如氡气减缓系统。 Entanglement科技公司(Entanglement Technologies)执行总裁Tony Miller的最终目标是采样技术成为建筑标准的一部分,并与蒸气入侵减缓系统配合使用。他公司研发的自主坚固多气体光学分析仪(Autonomous Rugged Optical Multigas Analyzer)是一种易操作的便携式传感器,可以在建筑物内不同地点快速进行多次测量,从而降低评估成本。该系统目前尚处于原型阶段,现场试验已经列入日程,理论上讲该系统会比目前的一些技术更容易、更迅速地找到蒸气源。

有证据表明,用有机物如生物炭(木炭的一种形式)修复污染土壤可以降低部分风险。“在受污染的地下水流上方如果覆盖着未被污染的矿化粘土或有机质,土壤介质可以为挥发性物质提供很强的结合表面,”澳大利亚纽卡斯尔大学(University of Newcastle)全球环境治理中心(Global Centre for Environmental Remediation)主管Ravi Naidu说道。他解释说有机物可以与挥发性物质结合并降低其危害,因此土壤中粘土、有机质及次生矿物质含量是预测入侵风险的关键因素。

非常规途径

然而事实表明,有害蒸气并不总是通过土壤进入建筑物。在2013年发表的一项案例研究中,Pennell与同事证明四氯乙烯可以通过污水管线进入家庭——很可能经由马桶内出故障的蜡封。马桶密封处修复后,四氯乙烯浓度便降到了安全值。“我们维修管道系统时通常专注于漏水的问题,除非出现讨厌的气味否则不会考虑到蒸气泄漏问题,”她说道。

工人们正在安装充气地板

工人们正在安装充气地板。类似于传统的蒸气减缓系统,充气地板可以把建筑物下方的蒸气安全排放到室外。
Image courtesy of Geosyntec Consultants

目前Pennell的研究团队正试图建立一个模型,以便更深入了解蒸气如何通过下水道进入室内空气。她解释说无论合法或非法排放的化学物质都可以经污水进入下水道系统,受污染的地下水和蒸气也可以通过开裂或老化的下水管道进入。(她指出人们已经充分认识到地下水进入下水道的问题,陈旧的基础设施是城市面临的更大挑战。)

蒸气可能沿着非常规途径进入建筑物使得问题更加复杂化,研究人员正试图弄清楚如何将这一额外变量纳入现有的预测蒸气运行的措施。 “过去10~15年来我们一直在发展完善有助于调查的经验规则。例如,距离地下水流100英尺(约合30.5米)以外的影响我们通常观察不到,“Folkes说道,“但我们一直在关注所谓的优先通道——可能是下水道或者高渗透性砂砾层或…岩石上的裂缝——可能导致蒸气传播得更远更快,而且比我们的经验规则估计的浓度还要高。”

虽然Folkes认为这种情况通常不会发生,但在某些情况下可能会是个问题。例如在亚利桑那州立大学所属的一家研究机构,发现基础排水管连接着一个内含受污染地下水的雨水排放管道,这使得蒸气可以很容易地通过管道进入房间内,Folkes解释到。 Pennell指出发达城市的地下水污染相当普遍,因而蒸气入侵比人们想象的更为常见。但是值得欣慰的是人们对蒸气入侵的意识不断增强,进而日趋重视室内空气质量及其健康影响。 Pennell解释说,“通过安装减缓系统、减少使用含有[挥发性物质]的消费品、修复受污染的地下水、了解建筑通风系统如何影响室内空气质量,我们可以防止很多环境健康风险,改善社区健康。”

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Rachel Cernansky,来自科罗拉多州丹佛市的自由撰稿人,撰写科学、健康及环境方面的文章。她的作品发表在《耶鲁环境360》(Yale Environment 360)、《自然》(Nature)、《文化饮食》(Civil Eats)以及《纽约时报》(The New York Times)等。

译自EHP 124(8): A141-A146 (2016)

翻译:周 江

*本文参考文献请浏览英文原文

原文链接

http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A141