石英被国际癌症研究机构（IARC）列为第一类致癌物，其工业排放的可吸入颗粒物是评估人类暴露的重要因素。我们量化了从118家工业厂房中收集到的颗粒物中石英的质量浓度，涵盖13个主要来源类别，旨在识别主要工业贡献者。废物焚烧和电弧炉炼钢的石英浓度最高，分别为16,924 μg/g和12,005 μg/g。调查的工业来源石英总排放量为24,581.3吨。水泥窑协同处理固体废物、焦化厂、生铁高炉、铁矿石烧结和电弧炉炼钢是中国石英排放的主要工业来源，可能导致癌症风险增加77.2%。这些数据对评估普通人群暴露风险和工业可持续发展具有重要意义。
石英是二氧化硅最稳定的形式，可从工业源释放到大气中并进入人体。IARC在1997年和2012年将其分类为第一类致癌物，表明其与肺癌风险增加有明确因果关系。石英被列入美国国立卫生研究院发布的致癌物报告。可吸入石英可直接进入肺部，职业暴露与肺结核、慢性阻塞性肺病、矽肺和肺癌等疾病相关。研究还表明石英尘暴露可增加工人肾病患病率。全球超过5000万工人面临可吸入结晶硅的职业暴露。根据全球疾病负担研究，2019年职业性硅尘暴露导致65,870人死亡，其中12,886人死于矽肺。
采矿、建筑、水泥生产和玻璃生产等是职业性石英暴露的主要来源。对于普通人群，主要途径是含有石英的消费品，如化妆品、滑石粉、火柴和油漆。化妆品通过皮肤接触石英，而不是吸入。石英可通过工业烟囱或堆栈释放到大气中，被吸入。北京大气中已发现较高浓度的石英，引起关注。
工业活动在全球经济和基础设施发展中重要，但相关的石英排放尚未引起足够关注。研究已考察工作场所中的石英水平，以评估工人暴露；但不清楚有多少石英通过工业堆栈进入空气。缺乏工业活动的石英排放清单，导致对普通人群健康风险的理解不足。填补这些研究空白是全球挑战，也是工业可持续发展的关键。中国是重要工业大国，其石英排放数据可作为高收入国家的参考。
编制一份全面排放清单极具挑战性，并缺乏大量工业厂房的监测数据。我们对13个工业类别的118家工厂进行了综合现场研究，可能是迄今最大样本量的单一研究。收集实际生产过程中产生的工业颗粒物样品，使用X射线衍射定量测定石英质量浓度，并推导了排放因子（EFs）。估算了工业颗粒物中可吸入石英的排放量，并绘制了中国大陆31个省份的空间分布。此外，比较了不同省份的石英排放量，这对于制定有效控制策略至关重要。本研究对全球工业可持续发展具有实际意义。
工业颗粒物中的石英质量浓度
118个工业颗粒物样品的X射线衍射（XRD）光谱以及相应的石英质量浓度如图1所示。不同工业来源的石英质量浓度相差一个到两个数量级。大多数关于可吸入石英的研究主要集中在高暴露环境的行业，如建筑、矿山和铸造厂等。然而，工业生产活动排放到大气中的颗粒物也包含高浓度的可吸入石英，这一结果很少被报道。
图 1：13 个工业部门颗粒物中的石英质量浓度
排放高浓度石英（>8,000 μg/g）的工业过程包括城市固体废物焚烧（WI）、电弧炉炼钢（EAF）、水泥窑协同处理固体废物（CK）、二次铜冶炼（SCu）和高炉生铁生产（BFI）。例如，WI的平均石英浓度为16,924 μg/g，EAF为12,005 μg/g，CK为11,245 μg/g，SCu为10,109 μg/g，BFI为8,515 μg/g。这些行业的原材料中含有高量的硅，因此排放的石英浓度较高。相比之下，燃煤电厂（CFPP）排放的可吸入石英平均为2,845 μg/g，其他如二次铝、铅和锌冶炼（SAl、SPb、SZn）、初级铜冶炼（PCu）和危险废物焚烧（HWI）排放的石英浓度相对较低（<7,000 μg/g）。
WI、EAF和BFI等工业来源由于其高排放浓度和频繁的工业活动，具有较大的减排潜力。研究发现这些工业过程也是石英暴露的显著来源，对减少职业暴露风险和普通人群的暴露风险具有重要意义。
工业颗粒物中的石英排放
为了有效控制源头，明确工业活动释放的颗粒物的来源和数量至关重要。我们采用欧洲环境署和联合国环境规划署推荐的方法估算排放清单。研究聚焦于中国几个省份，评估了来自13个工业来源的石英颗粒物。图2展示了这些不同工业来源的石英排放。综合考虑这些来源，中国年度大气石英排放量约为24,581.3吨。这些排放可导致大气石英浓度增加4.27 μg/m³，已达到加拿大职业健康与安全中心规定的职业暴露限值的17.1%。
图 2：基于 13 个工业部门的石英排放空间分布
这些排放不可避免地增加了普通人群的潜在暴露风险。我们根据美国环境保护署的“人体健康风险评估手册”估算了可吸入石英的癌症风险（CR）和慢性危害指数（HI）。普通人群的估算CR为3.5 × 10−5，儿童为6.4 × 10−5，表明两者均处于可接受范围内。然而，这13个工业来源的石英排放可使中国的CR增加77.2%。
CK（21,527.1吨）、COP（2,315.7吨）、BFI（332.8吨）、IOS（222.1吨）和EAF（117.2吨）是重要的工业贡献者。不同省份的石英排放差异很大：CFPP和EAF的差异可达四个数量级；BFI和SAl可达三个数量级；CK、HWI、WI、COP、PCu、SCu、SPb和SZn的差异可达两个数量级。广东、山东、江苏、安徽、河北和四川是重要的石英排放省份，合计贡献9,100.9吨，占2021年中国大气石英排放量的37.0%。
工业发展是社会生产和进步的基石，特别是在中国这样的高人口密度国家。根据区域经济中心评估石英排放有助于制定区域特定的减排政策。中国分为四个区域：东部、中部、西部和东北部。东部和中部地区是主要排放者，需要在这些地区加大减排力度。CK也是一个重要的工业贡献者，因此需要在高排放区域集中努力。对于BFI来源，东部地区是主要排放者，占51.8%。需要在东部和中部地区增加对IOS来源减排的关注。对于COP来源，西部地区贡献最大，占35.4%，中部地区占33.2%。东部地区是WI来源的主要排放者，占65.8%。
讨论
中国是一个重要的工业大国，所调查的13个工业活动的生产量在全球范围内名列前茅。值得注意的是，COP、WI、PCu、CFPP、BFI和CK的产量占全球产量的30.1%至69.0%。中国拥有与欧洲和美国相似的成熟工业技术，因此评估中国这些工业来源的石英排放状况可以为其他国家提供有价值的参考。我们展示了中国九个省份的石英排放量并评估了各工业部门的贡献（图3），这可以为源排放控制提供关键见解。
图3：中国 13 个工业部门的石英排放总量
九个省份（广东、山东、江苏、安徽、河北、四川、浙江、河南和湖北）每年的石英排放量至少为1,100吨，广东最高为1,594.2吨，其次是山东和江苏。这些省份的居民面临更高的石英暴露风险，建议中国在制定减排政策时重点关注这九个省份。
研究证实了中国GDP与石英排放量之间的正相关关系（图 4）（R = 0.83），尤其是工业活动密集的省份。这些结果有助于识别石英排放源并制定精确的控制策略，适用于不同经济基础和工业结构的国家。在石英排放量最高的九个省份中，五个在东部，三个在中部，一个在西部，这与这些地区的高度工业化和经济发展密切相关。
图 4：工业排放与经济发展之间的关系
石英排放的前五大来源为CK、COP、BFI、IOS和EAF，占13个行业排放量的99.7%。这些来源应在石英排放量最高的省份中得到严格监管，特别是为了降低肺癌风险。所有省份都需关注CK排放，因为石英砂是水泥生产的主要原材料，提高污染控制设备的效率将大大降低居民的致癌风险。
除工作场所外，还应考虑工业来源PM中的可吸入石英排放，旨在降低普通居民的癌症风险。我们对118个工业设施进行了实地调查，估算了可吸入石英的排放量并确定了关键来源。不同工业来源的石英排放差异表明了有针对性的减排途径，CK、COP、BFI、IOS和EAF等行业是主要的减排目标。13个工业来源的石英排放可能使中国的CR增加高达77.2%，特别是工业活动密集的省份，石英排放与GDP之间存在正相关关系。研究结果为识别石英排放源并制定精确的控制策略提供了见解，适用于不同经济基础和工业结构的国家。
原文信息
原文标题：Atmospheric emissions of respirable quartz from industrial activities in China
来源期刊：Nature Sustainability
发表年份：2024年
作者信息：Qiuting Yang，Guorui Liu，Lili Yang，Jianghui Yun，Xiaoyue Zhang，Chenyan Zhao，Minghui Zheng，Guibin Jiang
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01388-6
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编辑：严萌
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