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学校人造草坪危害性研究和识别

大字小字2015年4月14日

人造草坪目前被广泛用于公园、幼儿园场地、球场和学校操场等地。但是对于人造草坪材料是否有毒有害,以及“热岛效应”对活动人群的安全问题,越来越引起人们的普遍关注。本文将通过对渭滨区小学的人造草坪的调查情况,结合专家对人造草坪调研的相关文献和数据报告后,提出人造草坪对大气环境和人体可能存在的危害因子。人造草坪中有害物质的挥发对大气的污染问题各国都在积极寻找革新的办法,随着我国部分拥有知识产权有实力企业的崛起,我国的人造草坪质量会随着全球一体化蓬勃发展而逐渐提高。 

一、国内人造草坪现状 

人造草坪诞生于上个世纪60年代的美国,它是以非生命的塑料化纤产品为原料,采用人工方法制作的拟草坪。由于人造草坪养护简单、排水迅速、场地平整等功效,目前人造草坪已被广泛用于儿童和成人休闲和游玩的草场、公园和各个运动场馆以及学校运动场地的建造。目前国内有20多家人造草坪的生产商,从规模、设备、技术、产品质量、销售能力等指标来看,真正有实力的只有寥寥数家。其他生产商目前还处于小工厂、非专业生产的阶段,甚至有些生产商是由地毯厂转变而来。这些人造草坪生产商大都集中在我国的南方以及上海等地区,它们之间的大多数都缺乏品牌意识,缺乏一定的市场操作能力,缺乏非常专业的管理团队和技术人员;致使国内的人造草坪质量参差不齐,低档产品泛滥,同时国内编织低端产业发达,但核心材料草丝纤维制备高端产业空白。我国所使用的人造草坪大多依靠赖进口,昂贵的价格会使许多的学校望而却步,有的不得不从一些小作坊式的生产厂家选购低价劣质的产品。 

二、人造草坪的结构 

人造草坪由3层材料组成。基础层是由夯实土层、碎石层和沥青或混凝土层组成。基础层之上是一层缓冲层,通常为橡胶或泡沫塑料组成。第三层,也是表层,为草皮层。依制造的表面形状有绒毛草皮、圆环形卷曲状尼龙丝草皮、叶状聚丙烯纤维草皮、尼龙丝编制的透水草皮等。 

三、草皮层有毒有害化学污染物的危害识别 

人造草坪是由聚乙烯和聚丙烯混合材料组成、编织起来可以模拟草叶。这种“草”被垂直铺设,多为聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)为主,也可用聚氯乙烯和聚酰胺等。片叶上着以仿天然草的绿色。 

塑料化纤材料包含了大量的已知或疑似能引起健康影响的化学物。生产厂家为了改善或弥补塑料材料的性能,往原料中加入添加剂是可以使具有更多的新的功能——仿天然草的颜色、阻燃特性、耐高温、紫外线吸收剂、结构增强和耐磨性等。然而,往往是这些品种如此繁多的添加剂,在改善和增强了材料的某些性能之后,也成为人造草坪二次污染的主要危害因子。 

再生塑料常用的添加剂有: 

(l)填料:多数填料起增强作用,同时也是塑料改性、制备复合材料的重要组成部分,例如石墨、二硫化铝、石棉纤维和玻璃纤维等;又称填充剂或填料。填料在塑料组成材料中约占40%一70%,常用的填料有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、铝粉、炭黑、云母、二硫化铝、石棉、玻璃纤维等。其中纤维填料可提高塑料的结构强度;石棉填料可改善塑料的耐热性;云母填料能增强塑料的电绝缘性;石墨、二硫化铝填料可改善塑料的磨擦和耐磨性能等。此外,由于填料一般都比合成树脂便宜,故填料的加入能降低塑料的成本。 

(2)固化:又称硬化剂或熟化剂。其作用在于通过交联使树脂具有体型网状结构,成为较坚硬和稳定的橡胶制品,不同品种的树脂应采用不同品种的固化剂。例如,在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺,在环氧树脂中加入乙二胺、顺丁烯二酸酐等。 

(3)增塑剂:为了提高塑料在加工时的可塑性和制品的柔韧性、弹性等, 

在塑料制品的生产加工时要加入少量的增塑剂。增塑剂通常是具有不易挥发的分子量较低的固体或液体有机化合物。主要为脂类和酮类、常用的有邻苯二甲酸二辛脂、磷酸二辛脂、磷酸二甲苯脂、己二酸脂、二苯甲酮等。例如,聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁脂,可使塑料变得柔软而有弹性,但研究表明,它可对实验动物的生殖器官、血液、肾脏、肺脏、肝脏等多种器官造成损伤,尤其是孕妇和发育期儿童对其的毒作用非常敏感。 

(4)稳定剂:人造草坪在成型加工和使用过程中,由于受热、光氧的作用,过早地发生降解,氧化断链、交联等现象,使材料性能变坏。为了防止受热、光照等的作用使塑料纤维过早老化而加入的少量能起稳定化作用的物质,例如,添加酚类和胺类等有机物能抗氧化,炭墨则可用作紫外线吸收剂; 热稳定剂是除增塑剂外塑料制品中用得最多的添加剂。总的来说, 环氧化的种子油或植物油如大豆油( ESBO) 等被大量用作塑料食品包装材料的热稳定剂、润滑剂和增塑剂等。聚氯乙稀、聚偏二氯乙烯和聚苯乙烯等材料通常含有0. 1% ~ 27%不等的环氧化植物油。由于植物油中残留的乙烯氧化物毒性极强, 因此油的纯度将直接影响其毒性程度。通常, 其分子量越大(即溶解度越小), 毒性越弱。 

(5)阻燃剂:作用是阻止燃烧或造成自熄,比较成熟的阻燃剂有氧化锑等无机物或磷酸酷类和含澳化合物等有机物。 

(6)着色剂:为使塑料制品具有特定的色彩和光泽,可加入着色剂。着色剂按其在着色介质中的溶解性分为染料和颜料。染料皆为有机化合物,可溶于被着色的树脂中;颜料一般为无机化合物,不溶于被着色介质,其着色性是通过本身的高分散性颗粒分散于被染介质,其折射率与基体差别大,吸收一部分光,而又反射另一部分光线,给人以颜色的视觉。颜料不仅对塑料具有着色性,同时兼有填料和稳定剂的作用。此外,根据建筑塑料使用及成型加工中的需要,有时还加入润滑剂、抗静电剂、发泡剂、阻燃剂及防霉剂等。 

下面以人造草坪的草皮层再生塑料纤维为例,来分析其主要成份再生塑料纤维中可能存在的危害因子。 

塑料纤维的生产原料来源极其复杂,不可避免地含有聚氯乙烯成分,或含有其他未知的毒物及大量肉眼无法见到的微生物。原料在加工的过程中,加入增塑剂以及塑料稳定剂如硬脂酸铅, 再生塑料纤维在生产过程中为掩盖原料杂质多而加入着色剂,所以常见各种色彩炫丽的草坪。其渗透性、挥发性较强,遇油、热时易渗出。若是有机着色剂,还含有苯并芘致癌物,可导致胃癌、肠癌等,有的再生塑料生产中加入大量的碳酸钙及滑石粉等无机矿物填充料,卫生指标蒸发残渣大大超标,学生在上面玩耍时误食,进入人体后易形成胆石症等。有的再生塑料有一股刺鼻的气味,释放出有毒气体HCl, ,进入人体形成危害。 

四、橡胶粒填充物的危害识别 

最常见合成橡胶主要由乙烯-丙烯和苯乙烯-丁二烯组成,其中添加不同含量的硫化剂、填料、增塑剂和抗氧化剂,不同厂家添加配方也不同。轮胎橡胶还含有多环芳烃(PAHs)、邻苯二甲酸酯和挥发性有机化合物(VOCs)。橡胶在燃烧后可能产生CO、SO2、H2S、HCN、NO2、HCI、砷、镉、铅、镍、多环芳烃和挥发性有机化合物。一些研究显示,这些化学物在橡胶燃烧时会被大量释放,也可以在橡胶颗粒老化的过程中被缓慢释放出来。 

加州环境健康危害评估办公室(OEHHA)在其2007年1月题为“运动场和田径跑道使用的回收废弃轮胎的健康效应评估”的报告中指出,轮胎橡胶颗粒可释放出49种化学物。基于一项模拟胃液消化的实验,OEHHA估算了人终生一次摄入橡胶颗粒患肿瘤的风险为千万分之1.2,远低于百万分之1的最低风险阈值。在一个手试实验中,OEHHA估算人通过手、口途径接触橡胶颗粒填充物,摄入1,2-苯并芘(轮胎橡胶中发现的一种可疑人致癌物)而患肿瘤的风险增至百万分之2.9。这一估算值是建立在常规运动场最初12年使用寿命的假设基础上。作者认为该致癌风险“较最低水平略高。” 

美国康乃狄克州环境与人群健康公司于2007年夏季委托康乃狄克州农业实验站进行一项研究,以确定橡胶颗粒中的毒性物质能否释放至空气或水体。名为“人造草坪”的报告(Artificial Turf)中,用质谱-气相色谱方法共检测出25种化学物,其确定性为72~99%。肯定包含的化合物包括刺激物苯并噻唑和正十六烷、致癌剂及疑似内分泌干扰物叔丁基对羟基茴香醚和可损害粘膜的腐蚀剂特辛基酚。 

人造草坪的填充物是细小的橡胶颗粒,这些填充颗粒可通过空气传播,被吸入体内,并可随着衣物和运动器材被带入屋内。对成人而言,黑色细小的橡胶颗粒充其量不过是惹人生厌。但是当儿童暴露于这些填充物时会不会有什么危害。非营利的草根环境教育组织的执行主任PattiWood认为:“由于其毒性,在废渣填埋或海洋倾废区处理这种橡胶粒本都是非法的,我们又怎么能让孩子们在它们上面玩耍?” 

五、人造草坪对土壤和植物的危害识别 人造草坪在使用过程中可能影响到周围相当大的生态系统。人造草坪经过日晒、雨淋、风吹后,其中的有害物质从塑料和橡胶中溶出,随着雨水等自然降水渗入到土壤中,对土壤产生污染。其对土壤的污染包括改变土壤的物理结构和化学性质,影响植物营养吸收和生长;影响土壤中微生物的活动;破坏土壤内部的生态平衡;有害物质在土壤中发生累积,致使土壤中有害物质超标,妨碍植物生长,严重时甚至导致植物死亡。将土壤中的酶和与土壤关系密切的植物作为主要评价受体,通过测定土壤中不同酶的活性变化,以及在土壤中生长的植物的生长发育,测得再生聚乙烯废塑料资源化工产品中污染物主要是重金属,包括铅、镉、铬、砷等,其中以重金属铅的浓度最高,影响最大。有害物质还会通过植物吸收、转移到果实体内,通过食物链影响人体健康和饲喂的动物;此外,再生建筑材料携带的病菌还会传播疾病,对环境形成生物危害。 

E H H I项目研究了人造草坪场地是否会通过雨水或水雾喷溅增加水污染。研究发现,橡胶填料中的25种化学物和4种金属(锌、硒、铅和镉)能释放到水中,而且由于人造草坪不能吸收或过滤雨水,化学物没有经过植被的有效过滤,其中的有害物质随自然降水流入江河湖泊,使地表水污染;随着渗透水进入土壤使得地下水受到污染,直接流入湖泊、河流或海洋,则会造成更大面积的水体污染。 

人造草坪的主要成分聚乙烯属非生物降解材料,经8至10年老化淘汰后,形成数以吨计的高聚物垃圾。因此必须合理处置这种废弃材料。人造草坪委员会主席Rick Doyle说,填充物可以清洁后再利用,用做其他用途,例如用做橡胶沥青、焚化,铺在土壤上以使土壤和填埋的垃圾分开,或者回收利用。然而实际上,废弃的人造草坪通常被掩埋。 

六、人造草坪的“热岛效应” 

人造草坪的坪床结构由橡胶、混凝土或沥青组成,基本不能起到涵养水源的作用,所以不能降低地表温度,而且其热容量小,导致表面温度大幅高于空气温度,特别是在封闭式的体育场中这一问题更为严重。夏季中午时分,人造草坪场地上可以观察到地表附近的空气有明显的受热扭曲现象。有关实验数据表明,30℃以上的高温条件下,天然草坪的表面平均温度低于气温2℃至3℃,而人造草坪表面温度则高于气温6℃至11℃,且随气温升高。人造草坪表面温度上升幅度要明显高于天然草坪。哥伦比亚大学气候系统研究中心的副研究员Stuart Gaffin在进行城市树木和公园的致凉爽收益项目研究时,开始涉及人造草坪运动场的温度问题研究。利用热红外卫星图像和地理信息系统,Gaffin发现城市里很多最热的地方是人造草坪场地。现场研究的直接温度测量数据显示,人造草坪运动场的温度可以比天然草坪高出60℉,夏季的表面温度可达160℉。例如,2007年7月6日,中午的空气温度为78℉,太阳直射的天然草坪的温度是85℉,而邻近的人造草坪运动场的温度则达到了140℉。 



人造草坪的许多物理特性,包括黑色素、低密度质量、不能使水气化以降低周围空气温度,使其在太阳照射下能快速升高温度。这不仅对在运动场上活动的人有害,还会加剧“热岛效应”——由于黑色的人造表面(如屋顶和沥青)可吸收热量,造成城市比周边区域更热。通过对黑色屋顶和人造草坪场地的多次现场调查,Gaffin认为,在升高表面温度方面,人造草坪和黑色屋顶不相上下。Mount Sinai医学院儿童环境卫生特别小组的医学主任Joel Formans说过:“在温度超过122℉的表面上呆10分钟以上即可造成皮肤损伤,因此这个问题的确实需要关注。” 

七、人造草坪可以藏匿更多的细菌 

空气中大部分细菌对人类没有危害, 但是也存在一些病原菌, 并且能够向周围的环境中扩散, 导致人类过敏反应, 对免疫力低下的人们造成严重的健康危害。这些细菌可能包括溶血性链球菌、结核杆菌、肺炎球菌等致病性微生物。 人造草坪缝隙中通风不良,空气湿度大、细菌可保持较长生存时间和致病性。为了解人造草坪细菌分布及物种组成情况,我们对我市部分学校的人造草坪跑道、篮球场、升旗台不同场所细菌分布状况于2003年元月进行了检测。 

材料和方法 

1、培养基 

营养琼脂培养基, 以及富集培养基、分离培养基、保存培养基、生理生化试剂和无菌水等。 

2、仪器和鉴定卡 

VITEK- 32 全自动微生物分析仪、革兰氏阴性菌鉴定卡( GNI) 、快速革兰氏阴性菌鉴定卡( GNI) 、革兰氏阳性菌鉴定卡( GPI) , 

3、采样布点 

2013年元月7日至10日、对6所学校3个采样点进行草坪真菌总数监测。 

4、采样方法 

采用自然沉降法, 将营养琼脂培养基占取采样点5min 后, 放置于37℃生物培养箱中, 经48个小时培养后, 直接计数平皿中菌落总数。 

以空气细菌总数15个/皿为评价标准。升旗台中细菌总数监测合格率很高, 跑道和篮球场合格率则较低, 表明了活动时间长、运动剧烈、学生活动频繁有很大的关系。 

人造草坪不同场所细菌总数合格率 

对已采样的人造草坪已鉴定的细菌共有6种,其中革兰阳性菌较多( 约占72.5%) , 革兰阴性菌较少( 约占32.6%) , 其中优势细菌属为微球菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属和葡萄球菌属,分别占总细菌的33.5.0%、24%、17.5%、15.9%, 这与引起呼吸系统感染病的病原菌种类相一致。 

人造草坪不同场所细菌总数合格率 

人造草坪制造商Sprinturf资助的一项工业研究发现,与单纯橡胶填充物相比,含有沙和橡胶混合物的填充物内细菌数量高5万倍。这些致病细菌会随着粉尘的风扬和学生的运动被带到空气中,可引起吸入性过敏性霉尘病。病人胸闷、咳嗽、发热、乏力、关节痛等。尤其对一天在人造草坪中带领学生活动超过3小时的体育教师人身健康构成很大的威胁。 

结 语 

综合上述可知,廉价人造草坪本身的有毒有害物质是导致校园环境和学生安全问题的重要因素之一。目前,世界各地的人们越来越重视环境污染对人体危害的问题,低廉人造草坪中有害物质的挥发对大气的污染不容忽视,对于人造草坪填充物的关注,欧洲公司也在寻找革新的办法,例如,意大利正尝试在市场上推行无毒的新型热塑性材料作为填料的人造草坪。一家地板商MONDO产生的ECOFILL,是一种专项技术的聚烯氢颗粒,专用于人造草坪。该公司声称,这种材料更有效散热,不含聚氯乙烯、乙烯、增塑剂、重金属和其他有害物质,并可100%的回收。另一种替代方式是用植物原料的材料制成填充物。近年来,各国对人造草坪的质量安全问题也制定了越来越严格的限量标准。国际足联(FIFA)提出了人造草坪足球场的评估标准—— “FIFA推荐标志”的认证。FIFA推荐标志只颁发给那些通过了一系列严格的实验室及场地测试的人造草坪足球场,而不仅是单块草皮,因此,制造商首先必须通过实验室测试,包括产品鉴定、耐久性、耐侯性、球员(或球)与草皮表面的相互作用性能等测试。通过了这些测试后,对所有铺装好的足球场进行现场测试,其中包括场地结构测试以及测试球员(或球)与草皮表面的相互作用性能等。自国际足联推行人造草坪场地品质认证以来,全世界6大区的270个成员国中,有19个公司铺设的106块场地获得认证。

获得品质认证的场地数量与分布 

从表中可以看出,欧洲人造草坪场地通过认证的数量最多、级别最高;亚洲仅有19块场地通过1星级别认证,而中国尚无通过FIFA品质认证的场地。随着中国人造草坪行业的发展,我们相信将出现追求卓越品质的企业积极申请FIFA品质认证,并期待通过推行FIFA品质概念,遏制中国人造草坪行业良莠不齐、鱼目混珠的现象,让我们少年儿童在洁净的天空下快乐的成长。 

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