農(nóng)村垃圾小型焚燒爐煙氣污染物排放特征及影響因素研究

嚴(yán) 驍，賈 燕，王美歡，許榕發(fā)，鄭 晶，任明忠

（環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所，國家環(huán)境保護環(huán)境污染健康風(fēng)險評價重點實驗室，廣州 510655）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)村人民的生活水平也日益提高，農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)量逐年增加。尚曉博等[1]研究調(diào)查，2011年我國農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)生量超過3億t，且仍以8%～10%的速度快速增長[2]。隨著新農(nóng)村建設(shè)工作的開展，“戶收集、村集中、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運、縣（市）集中處理”的城鄉(xiāng)一體化的運作模式在全國多地試點，但由于運輸成本較高，僅在沿海少數(shù)經(jīng)濟發(fā)達(dá)縣市成功應(yīng)用[3]。盡管《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ 90—2009）中規(guī)定焚燒規(guī)模不能小于 150 t·d－1，但由于焚燒處理減量化，適用范圍廣，垃圾小規(guī)模焚燒處理在我國多地農(nóng)村廣泛存在[4]。2015年《關(guān)于全面推進(jìn)農(nóng)村垃圾治理的指導(dǎo)意見》指出，“我國將逐步取締二次污染嚴(yán)重的簡易填埋設(shè)施以及小型焚燒爐等。邊遠(yuǎn)村莊垃圾盡量就地減量、處理，不具備處理條件的應(yīng)妥善儲存、定期外運處理”，表明小規(guī)模的垃圾處理處置設(shè)施在經(jīng)濟落后或偏遠(yuǎn)農(nóng)村仍然具有一定的適用性。然而，小型垃圾焚燒爐由于工藝、設(shè)備以及管理的不完善，垃圾處置產(chǎn)生的二次污染引起了社會廣泛的關(guān)注[5]。Zhang等[6]調(diào)查采樣發(fā)現(xiàn)，我國小型垃圾焚燒爐的PCDD/Fs（二噁英類污染物）的排放濃度遠(yuǎn)高于大型市政垃圾焚燒設(shè)施。目前，針對小型農(nóng)村垃圾焚燒爐煙氣中污染物特別是二噁英類污染物的研究報道還很稀少，劉勁松等[7]對一個小型農(nóng)村生活垃圾焚燒爐燃燒階段廢氣中二噁英的監(jiān)測結(jié)果高達(dá)69.2 ng TEQ·m－3，而桂莉[8]的研究發(fā)現(xiàn)某小型垃圾熱解氣化爐煙氣中的二噁英僅為0.197 ng TEQ·m－3，僅有的兩個研究均僅采集了1個煙氣樣品，且研究結(jié)果差異較大，不能呈現(xiàn)出我國小型農(nóng)村垃圾焚燒爐的煙氣污染物排放現(xiàn)狀。

簡易焚燒和熱解等農(nóng)村垃圾焚燒爐近年來在我國各地的許多農(nóng)村地區(qū)廣泛出現(xiàn)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村垃圾的妥善處理提供了新的方式，在一定程度上緩解了我國農(nóng)村垃圾散亂的現(xiàn)象，但目前針對小型農(nóng)村垃圾焚燒爐的工藝特征、污染物排放等均沒有規(guī)范，造成各類小型農(nóng)村垃圾焚燒爐技術(shù)參差不齊，而對于這些設(shè)施煙氣中污染物的排放情況，尚未有專門針對性研究。本研究通過對7座典型的農(nóng)村簡易焚燒和熱解爐煙氣、廢水中的污染物排放監(jiān)測分析，以獲得具有代表性的農(nóng)村垃圾焚燒爐煙氣污染物排放的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時對比不同熱處理方式和煙氣凈化設(shè)施對污染物排放的影響，為農(nóng)村地區(qū)因地制宜選擇垃圾處理設(shè)施工藝，減少垃圾處理二次污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和合理建議。

1 材料和方法

1.1 調(diào)查點位和樣品采集

本研究于2014年在我國西南地區(qū)選取了7座小型農(nóng)村垃圾焚燒爐開展了采樣監(jiān)測，并通過現(xiàn)場調(diào)研和問卷調(diào)查相結(jié)合的方式，對主要技術(shù)參數(shù)和工藝特征進(jìn)行了統(tǒng)計，焚燒爐的基本情況如表1所示。7座垃圾焚燒爐焚燒工藝主要為簡易焚燒和熱解兩種熱處理類型，煙氣凈化工藝包括濕法洗滌、活性炭吸附和布袋除塵，除6號和7號焚燒爐未采用煙氣凈化設(shè)備外，其他焚燒爐均采用一種或綜合多種煙氣凈化工藝設(shè)備。

樣品采集包括垃圾處理過程中的焚燒煙氣和煙氣洗滌廢水，其中煙氣樣品主要采集位置為煙氣排口，洗滌廢水采自循環(huán)冷卻水池。廢氣采樣系統(tǒng)連接好后應(yīng)進(jìn)行氣密性檢查，確保整體系統(tǒng)不漏氣。廢水采樣前，檢查和確認(rèn)廢水采樣器和樣品瓶的材質(zhì)能否滿足待測廢水的特性要求，做到不吸附、不溶出和不與待測污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。每批水樣選擇部分項目加采現(xiàn)場空白樣，并加入保存劑進(jìn)行固定，把樣品置于低溫下保存并將樣品迅速送交實驗室。其中，煙氣中二噁英樣品按照標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣和廢氣二噁英類的測定同位素稀釋高分辨氣相色譜－高分辨質(zhì)譜法》（HJ 77.2—2008）采集，煙氣中重金屬煙氣樣品遵循《固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996）采集。

表1 7座垃圾焚燒爐基本情況Table 1 The information of seven incinerator monitoring in this study

1.2 檢測方法

本研究主要目標(biāo)污染物為煙氣中Pb、Hg、Cd和Cr等重金屬以及二噁英，在測定其含量的同時，對一些煙氣洗滌廢水中的Pb、Hg、Cd和Cr含量進(jìn)行了采樣分析。主要儀器分析方法及檢出限見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣處理措施對二噁英排放影響

7座垃圾焚燒爐的煙氣二噁英排放濃度見表3。對于7座垃圾焚燒設(shè)施，除采用了“熱解氣化+二燃室+冷卻裝置+干法脫硫+活性炭吸附+布袋除塵”工藝的4號焚燒爐外，其他監(jiān)測點煙氣二噁英毒性當(dāng)量排放濃度均不同程度地超出《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485—2014）（圖 1），其中 1 號設(shè)施二噁英濃度高達(dá) 24.87 ng TEQ·m－3，是 GB 18485—2014規(guī)定的煙氣二噁英排放限值（0.1 ng TEQ·m－3）的約250倍。

4號、6號和7號焚燒爐采用了“熱解氣化+二燃室”技術(shù)，其中采用“冷卻裝置+干法脫硫+活性炭吸附+布袋除塵”煙氣凈化工藝的4號焚燒爐煙氣二噁英毒性當(dāng)量低至 0.038 ng TEQ·m－3，低于 GB 18485—2014中的限值，而未添加煙氣凈化裝置的6號和7號焚燒爐煙氣二噁英毒性當(dāng)量均值則分別為3.145 ng TEQ·m－3和 4.32 ng TEQ·m－3，分別是 GB 18485—2014中限值的約30倍和40倍，表明“活性炭吸附+布袋除塵”組合的煙氣凈化工藝對煙氣中的二噁英具有較好的去除效果。

Choi等[9]調(diào)查了韓國50個處理能力在40～195 kg·h－1的小型焚燒爐，大部分焚燒爐僅使用旋風(fēng)除塵器作為煙氣凈化系統(tǒng)，部分使用旋風(fēng)除塵+濕法洗滌/布袋等，但均未使用活性炭噴射吸附，其中焚燒爐煙氣二噁英的排放濃度高達(dá)609.27 ng TEQ·m－3，該研究的結(jié)論與本研究對于未采用活性炭噴射的焚燒爐的監(jiān)測結(jié)果較一致。對于同樣采用“簡易焚燒”處理工藝的1號和5號焚燒爐，使用水洗作為唯一煙氣凈化工藝的1號焚燒爐二噁英排放濃度最高，達(dá)到24.87 ng TEQ·m-3，是5號焚燒爐的21.6倍。采用“石灰水沐”的3號焚燒爐，二噁英排放濃度也達(dá)到17.45 ng TEQ·m-3。研究結(jié)果表明，無論是水洗還是石灰水沐，僅使用濕法洗滌工藝對煙氣中二噁英的去除效果并不理想。

表3 焚燒爐煙氣二噁英排放濃度Table 3 The concentration of dioxin in flue gas

圖1 焚燒爐煙氣二噁英毒性當(dāng)量排放濃度Figure 1 The toxic equivalent concentration of dioxin in flue gas

表2 煙氣中污染物指標(biāo)分析方法Table 2 The methods of pollutants analyzed in flue gas

2.2 不同焚燒工藝對煙氣二噁英含量的影響

對于同樣采用“濕法洗滌”煙氣凈化工藝的1、2號和3號焚燒爐，采用“簡易焚燒”工藝的1號和3號焚燒爐分別較采用“熱解”工藝的2號焚燒爐煙氣二噁英排放濃度高410%和257%。對于未設(shè)置額外的煙氣凈化裝置，采用“熱解氣化+二燃室”的6號和7號焚燒爐，煙氣二噁英含量分別為3.145、4.32 ng TEQ·m-3，低于采用“簡易焚燒”工藝的5號焚燒爐未凈化煙氣的二噁英含量（6.89 ng TEQ·Nm-3）。此外，研究發(fā)現(xiàn)，原始垃圾中PCDDs一般比PCDFs含量高，PCDFs主要來自于焚燒后的合成[10]。從表3可知，各監(jiān)測位點煙氣中PCDFs/PCDDs比值均大于1，表明煙氣中的二噁英類污染物可能主要來源于垃圾焚燒和煙氣降溫過程中合成的PCDFs，因此，采用熱解技術(shù)較一般焚燒更能有效抑制二噁英的生成。

2.3 煙氣和煙氣洗滌液中重金屬污染情況

從圖2可見，7座焚燒爐煙氣中總Cr和Pb的排放濃度均低于GB 18485—2014限值（Cr+Pb≤1.0 mg·m-3），除 1 號焚燒爐 Cd 排放濃度達(dá) 0.113 mg·m-3超過GB 18485—2014排放限值外，其他焚燒爐煙氣中Cd濃度均遠(yuǎn)低于排放限值。結(jié)合表4中各焚燒爐煙氣洗滌液重金屬含量可見，1號焚燒爐煙氣洗滌液中Cd、Pb含量均遠(yuǎn)低于檢測下限，排除在洗滌過程中二次污染的可能性，同時也說明簡單采用水洗工藝并不能有效去除煙氣中的Cd和Pb。

圖2 焚燒爐煙氣重金屬排放濃度Figure 2 The heavy metals concentration in flue gas

表4 焚燒爐煙氣洗滌液重金屬含量Table 4 The heavy metals concentrations in washing wastewater

在7座焚燒爐中，1、2、6號焚燒爐的煙氣Hg含量超過GB 18485—2014的限值，其他焚燒爐煙氣中Hg含量均能達(dá)標(biāo)排放。同樣，采用“堿液洗滌”且未采用“活性炭吸附+布袋除塵”工藝的3號焚燒爐，煙氣Hg含量也能達(dá)到較低的0.041 mg·m-3，說明“堿液洗滌”工藝對煙氣中Hg具有較好的去除效果，其原因可能是Hg2+與堿液中的OH-發(fā)生反應(yīng)：Hg2++2OH-=HgO+H2O，產(chǎn)生的HgO沉淀在洗滌液中被去除。

采用“活性炭吸附+布袋除塵”的4號焚燒爐煙氣中各重金屬含量均能控制在較低水平，且低于GB 18485—2014的限值，比同樣采用“熱解氣化+二燃室”焚燒工藝的6號和7號焚燒爐相比，4號焚燒爐煙氣中Cd和總Cr均未檢出，Pb濃度也較低，提示“活性炭吸附+布袋除塵”對煙氣中重金屬的去除具有較好的效果。

3 結(jié)論

（1）所調(diào)查的7座焚燒爐的煙氣樣品中二噁英和重金屬濃度存在較大差異。僅有1座焚燒爐的煙氣樣品中二噁英濃度明顯低于其他樣品，符合《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485—2014）中的排放標(biāo)準(zhǔn)，其余6座焚燒爐的二噁英均高于標(biāo)準(zhǔn)限值，最高超標(biāo)約250倍。所調(diào)查的焚燒爐的煙氣樣品中重金屬濃度則大部分排放達(dá)標(biāo)，僅3座焚燒爐的Hg濃度和1座焚燒爐的Cd濃度排放超標(biāo)。

（2）不同的焚燒和煙氣處理工藝對煙氣中污染物濃度也存在影響，在本研究監(jiān)測的7座焚燒爐中，采用熱解-焚燒工藝的焚燒爐所產(chǎn)生的煙氣中二噁英及重金屬排放濃度均低于簡易焚燒工藝；“活性炭吸附+布袋除塵”對煙氣二噁英及多種重金屬污染物的去除有較好的效果；堿液水洗對煙氣中Hg有較好的去除效果；普通水洗對二噁英及重金屬污染物去除均無明顯效果。

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