我國城市生活垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬和有機污染特征

薛 淼 謝金亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

伴隨著人口增長、快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程加速，我國城市生活垃圾量激增，已成為生態(tài)文明建設(shè)中突出的環(huán)境問題。生活垃圾焚燒設(shè)施因具有占地少、減容減量程度高、消毒徹底、焚燒余熱可利用等優(yōu)勢[1]，近年來已經(jīng)成為我國城市生活垃圾無害化處置的重要手段。生活垃圾焚燒會向大氣直接釋放重金屬、二噁英類 (PCDD/Fs)、多環(huán)芳烴(PAHs)等污染物，影響環(huán)境空氣質(zhì)量，危害人群健康。同時，大氣污染物還可經(jīng)大氣沉降等過程，匯集至土壤，并在地表徑流、植物吸收等作用下，污染地表水、地下水和食物，進一步加劇對人群健康和生態(tài)系統(tǒng)的危害。本文基于文獻實例研究分析了生活垃圾焚燒廠周邊土壤的重金屬和有機污染水平、分布及環(huán)境風險等特征。

1 我國生活垃圾處理現(xiàn)狀

1)我國城市生活垃圾產(chǎn)生量之大、增速之快是其他國家未曾經(jīng)歷的。2004年，我國超過美國成為全球垃圾產(chǎn)生量最大的國家[2]。我國城市生活垃圾產(chǎn)生量由1979年的2 508萬t(以清運量計)激增至2017年的21 521萬t(以清運量計)[3]。1979年至2016年，垃圾產(chǎn)生量年度復合增長率約5.8%[4]。1980年至2012年，人均垃圾日產(chǎn)生量由0.5 kg/人增至1.12 kg/人[5-6]。

2)我國城市生活垃圾無害化處理率正逐步提高。2017年全國平均無害化處理率已達98%[3]。衛(wèi)生填埋和焚燒是我國垃圾無害化的主要處置方式，并呈現(xiàn)由 “衛(wèi)生填埋為主、焚燒為輔”向“焚燒為主、填埋為補充” 轉(zhuǎn)變的趨勢[4]。2002年，我國衛(wèi)生填埋占生活垃圾無害化處理量的89.3%，而2017年已降至57.2%[3]。

3)近年來，垃圾焚燒處置因具有諸多優(yōu)勢而發(fā)展快速。至2017年，全國已建成生活垃圾焚燒設(shè)施286座，處理能力合計29.8萬t/d[3]。《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》明確將“到 2020 年底，設(shè)區(qū)城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的 50%以上，其中東部地區(qū)達到 60%以上”、“到 2020 年底，具備條件的直轄市、計劃單列市和省會城市(建成區(qū))實現(xiàn)原生垃圾零填埋”列為發(fā)展目標。可以預見，我國生活垃圾焚燒處置將延續(xù)快速發(fā)展的勢頭。

2 垃圾焚燒的主要環(huán)境問題

垃圾焚燒會產(chǎn)生飛灰、焚燒爐渣和焚燒煙氣。

(1)飛灰。約占生活垃圾固體總量3%～5%。焚燒爐爐膛溫度在800～1 000 ℃，超過部分重金屬單質(zhì)和氯化物沸點，生活垃圾中的重金屬大部分會進入飛灰[7]。飛灰是煙氣除塵器收集下的物質(zhì)，由于重金屬和二噁英等有毒有害物質(zhì)含量高，已被列入我國危險廢物名錄。目前，飛灰普遍在水泥穩(wěn)定固化后送至生活垃圾填埋場。

(2)焚燒爐渣。約占生活垃圾固體總量的25%～30%，焚燒爐渣在我國按一般工業(yè)固體廢物進行管理，普遍作為建筑材料進行資源化利用。

(3)焚燒煙氣向環(huán)境空氣釋放酸性氣體(SO2、NOx、HCl、HF等)、顆粒物、重金屬、多環(huán)芳烴、二噁英等污染物，對周邊大氣環(huán)境質(zhì)量和人群健康產(chǎn)生不利影響。釋放到環(huán)境中的污染物還會通過干濕沉降、地表徑流等過程威脅土壤、地下水等環(huán)境質(zhì)量，并通過食物暴露等進一步威脅人群健康[5]。

土壤是焚燒煙氣中污染物的主要的匯和受納介質(zhì)，也是食物等其他暴露途徑的重要二次源。土壤環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系到食品安全、公眾健康。《土壤污染防治行動計劃》、《中華人民共和國土壤污染防治法》的相繼頒布將我國土壤污染防治提升至新的高度。因此，關(guān)注生活垃圾焚燒廠對周邊土壤環(huán)境的污染水平和污染特征是十分必要的。

3 生活垃圾焚燒設(shè)施周邊土壤的污染特征

3.1 焚燒廠周邊土壤的重金屬污染特征

重金屬毒性大，生物富集性和環(huán)境遷移性較強。生活垃圾中重金屬主要來自廢棄金屬制品或鍍金屬制品(如電池、電子產(chǎn)品、燈)、含重金屬成分的材料(如油漆、油墨、染料、彩色報紙)等[8]。重金屬經(jīng)焚燒以氣態(tài)或顆粒態(tài)進入焚燒煙氣，再經(jīng)干濕沉降進入土壤中積累，形成污染隱患。

3.1.1 焚燒廠周邊土壤重金屬濃度水平

1)實測研究顯示，城市生活垃圾焚燒廠周邊土壤中重金屬含量高于區(qū)域土壤背景濃度。湯慶合等[9]對上海浦東御橋生活垃圾焚燒廠周邊土壤和植物的調(diào)查結(jié)果顯示，焚燒廠運行2年后，周邊土壤中汞含量高于土壤背景值，當?shù)胤N植的蔬菜葉片中汞含量超過國家衛(wèi)生標準[10]。黃錦瓊[11]分析了2015年和2016年我國南方某生活垃圾焚燒廠及周邊(400～1 000 m)表層土壤(0～20 cm)中重金屬的含量。結(jié)果顯示，部分點位Pb含量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準[12]；相較于2015年，2016年重金屬濃度水平顯著上升。郭彥海等[13-14]對上海某生活垃圾焚燒廠周邊(0.6～3.6 km)表層土壤(0～20 cm)重金屬含量的分析結(jié)果顯示，除As和Hg未檢出外，土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等含量均高于上海市土壤背景含量，其中Cd的平均含量和最大含量分別是背景含量的2.9倍和7.7倍；且主成分分析結(jié)果進一步表明區(qū)域土壤Cd、Cr、Pb、Cu、Zn主要來自工業(yè)源、交通源和垃圾焚燒煙氣排放。

2)然而由于垃圾成分、環(huán)境歸趨過程和污染來源復雜，部分實測研究并未發(fā)現(xiàn)焚燒廠周邊土壤重金屬較背景濃度有明確增加，或者所檢測到的土壤濃度增量是否源自垃圾焚燒廠缺乏證據(jù)[15]。王俊堅等[16]對深圳某生活垃圾焚燒廠周邊(0.2～2 km)表層土壤的研究發(fā)現(xiàn)，在焚燒廠運行近25年后，未有明顯的重金屬累積現(xiàn)象，表層土壤中重金屬含量較廣東省歷史背景值無大幅增加。研究者推測可能與該地區(qū)風化淋溶等較高強度的輸出有關(guān)。馮經(jīng)昆[17]對重慶同興垃圾焚燒廠周邊土壤的研究發(fā)現(xiàn)， Cr、Cu、Pb、Zn等重金屬水平高于土壤背景值，但源解析結(jié)果表明垃圾焚燒排放并不是重金屬增量的主要原因。

3.1.2 焚燒廠周邊土壤重金屬Hg污染特征

重金屬中Hg因其特殊的物理化學性質(zhì)，是唯一主要以氣相分布于大氣中的重金屬[18]，且易遷移、毒性大，尤為受關(guān)注。生活垃圾中的Hg來源廣泛，包括電池、油漆、開關(guān)、電子產(chǎn)品、體溫計、血壓計、燈、殺蟲劑、藥品、化妝品等[19]。生活垃圾中超過90%的Hg隨著焚燒煙氣進入環(huán)境，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署估算，2010年我國垃圾焚燒煙氣中汞排放約占人為源大氣汞總量的6%[19]。

1)呂占祿等[20]檢測了運行1年多的某生活垃圾焚燒廠周邊土壤中重金屬含量，結(jié)果顯示焚燒廠及周邊土壤中Hg含量超過對照點；Hg的空間分布差異最為明顯，在常年主導風向下風向和次主導風向下風向500 m土壤中濃度最高，而后距焚燒廠越遠含量越低。

2)趙曦等[21]對珠三角東部某大型垃圾焚燒廠周邊表層土壤的研究指出，Hg和Zn的含量均超過廣東土壤背景值，而其他金屬與背景值差別不大；且主成分分析結(jié)果顯示，土壤中的Hg與垃圾焚燒廠存在有較強的聯(lián)系。

3.1.3 焚燒廠周邊土壤重金屬的賦存形態(tài)

重金屬污染的健康危害不僅取決于濃度高低，其毒性危害還與賦存狀態(tài)有關(guān)。土壤重金屬的賦存形態(tài)主要有可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵- 錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)；其中可交換態(tài)為不穩(wěn)定態(tài)，易遷移、易被生物利用，是可利用態(tài)；碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵- 錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)是潛在可利用態(tài)；殘渣態(tài)為惰性態(tài)，難以被生物利用。郭彥海等[14]對垃圾焚燒廠周邊土壤的分析結(jié)果顯示，區(qū)域土壤中Cr，Cu和Ni以殘渣態(tài)為主，生物有效性較低；Cd、Pb和Zn潛在可利用態(tài)占比較高，存在較高的釋放風險。

3.2 垃圾焚燒廠周邊土壤二噁英等有機污染物污染特征

二噁英類，包括多氯二苯并二噁英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)，是一類有強毒性的持久性有機污染物和環(huán)境激素類物質(zhì)。作為固廢焚燒的特征污染物之一，二噁英廣受關(guān)注。我國原控制標準[22]中二噁英的排放限值為1.0 ng TEQ/m3，高于歐盟的0.1 ng TEQ/m3和美國的0.2 ng TEQ/m3。2014年國家對原標準進行了修訂，新標準[23]中二噁英排放限值為0.1 ng TEQ/m3。

3.2.1 焚燒廠周邊土壤二噁英的污染水平

我國學者對生活垃圾焚燒廠周邊土壤中的PCDD/Fs濃度水平和譜特征進行了研究。

1)黃晨等[24]分析了4座生活垃圾焚燒廠周邊土壤中17種2,3,7,8-PCDD/Fs二噁英的污染水平，濃度為0.77～3.10 ng TEQ/kg，平均值為2.01 ng TEQ/kg。

2)鄧蕓蕓等[25]采集了上海2座垃圾焚燒廠周邊土壤樣品，檢測結(jié)果顯示土壤中二噁英的濃度均值分別為349.47 ng/kg、4.37 ng TEQ/kg。在各個異構(gòu)體中，八氯代二苯并二噁英(OCDD)質(zhì)量占比最大，為77.46%；五氯代二苯并呋喃(PeCDF)毒性當量濃度貢獻最大，為28.14%。焚燒廠周邊土壤中二噁英濃度高于背景土壤濃度(211.10 ng/kg、2.56 ng TEQ/kg)。

3)黃錦瓊[11]分析了我國南方某垃圾焚燒廠周邊土壤中二噁英含量，在2015年、2016年分別為1.74～8.11 ng TEQ/kg和0.45～8.53 ng TEQ/kg；土壤中二噁英的指紋特征與空氣及水體中二噁英的指紋特征相似，表明空氣中的干濕沉降是土壤中二噁英的重要來源。

4)張振全[26]在廣東省選取2座垃圾焚燒廠，測定了周邊土壤中二噁英污染水平。A廠周邊土壤中二噁英濃度為0.66～7.11 ng TEQ/kg，廠區(qū)內(nèi)土壤濃度高于周邊地區(qū)，點位受風向影響的關(guān)系并不顯著；B廠周邊土壤中二噁英濃度較高，為3.7～20.1 ng TEQ/kg，超過了管控標準[27]的篩選值(第一類建設(shè)用地為10-5mg TEQ/kg)。

3.2.2 焚燒廠周邊土壤二噁英的分布特征

一般認為，土壤中的二噁英主要沉積在表層，向深層轉(zhuǎn)移的趨勢不明顯。Jones等[28]對土壤柱的分析結(jié)果指出，近90%的二噁英是在0～10 cm的表層土中，在10～20 cm和20～30 cm土層中的二噁英量只有5%和1%。劉麗君等[29]對廣東省某垃圾焚燒廠周邊土壤的研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤(0～15 cm)中二噁英濃度是1.74～8.28 ng TEQ/kg，而下層土壤(15～30 cm)中的濃度是0.294～0.68 ng TEQ/kg。但在黃晨等[24]的研究中，土壤中二噁英呈現(xiàn)不同的垂直分布特征：淺層土壤平均濃度為1.77 ng TEQ/kg，深層土壤平均濃度為2.25 ng TEQ/kg；其中2家焚燒廠周邊深層土壤中二噁英濃度高于淺層土壤。

3.2.3 焚燒廠周邊土壤中二噁英的主要貢獻源

已有研究表明，除垃圾焚燒外，土壤中的二噁英也受其他污染源影響。劉勁松[30]等對農(nóng)村簡易生活垃圾焚燒爐周邊土壤的研究指出，土壤中二噁英濃度(2.29～9.45 ng TEQ/kg)高于土壤背景值(0.537 ng TEQ/kg)，但主成分分析結(jié)果顯示，除焚燒排放外，土壤中的二噁英也受到其他污染源影響。Xu等[31]的研究認為生活垃圾焚燒廠與周邊土壤中二噁英濃度水平有關(guān)，但總體來講，貢獻有限。露天焚燒、移動源、鍋爐等是土壤中二噁英的主要貢獻源。目前，土壤中二噁英的定量源解析研究較少，缺乏準確可靠的源解析技術(shù)，存在一定知識空缺。

3.2.4 焚燒廠周邊土壤中其他有機污染物的污染特征

除二噁英外，垃圾焚燒還釋放其他有機污染物。

1)多環(huán)芳烴。張晗等[32]發(fā)現(xiàn)淮北某生活垃圾焚燒電廠周邊土壤中多環(huán)芳烴(PAHs)濃度水平明顯高于對照區(qū)，最大濃度位于距離焚燒廠1 km處。

2)多溴聯(lián)苯醚。孟博等[33]發(fā)現(xiàn)哈爾濱某垃圾焚燒廠周邊土壤中的多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)濃度比市區(qū)土壤值高1～2個數(shù)量級。運行時間較長、處理量更大的焚燒廠周邊土壤中PBDEs濃度顯著更高。

3)六氯丁二烯(HCBD)。是一種新型持久性有機污染物。有研究[34]在焚燒煙氣和飛灰中檢測出了高濃度的HCBD。劉文聰?shù)萚35]對浙江某垃圾焚燒廠周邊表層土壤的研究發(fā)現(xiàn)，HCBD的檢出率為65%，但濃度相對較低，平均值為0.21 ng/g。

我國生活垃圾焚燒廠周邊土壤污染的相關(guān)文獻報道見表1。

表1 我國生活垃圾焚燒廠周邊土壤污染文獻報道

4 結(jié)論

由于占地少、減容減量程度高、消毒徹底、焚燒余熱可利用等優(yōu)勢，焚燒成為我國生活垃圾無害化的重要處置方式，發(fā)展迅速。生活垃圾焚燒煙氣包括重金屬、二噁英、多環(huán)芳烴等污染物。焚燒煙氣中的污染物可經(jīng)大氣干濕沉降等過程在焚燒廠周邊土壤中積累。

1)文獻研究指出，我國生活垃圾焚燒廠周邊土壤中重金屬和二噁英等污染物的濃度水平與焚燒廠有關(guān)：部分研究中焚燒廠周邊土壤中重金屬和二噁英濃度超過區(qū)域背景濃度；但由于垃圾成分、污染物來源和環(huán)境歸趨過程復雜，以及焚燒廠規(guī)模與運行時間不一等原因，垃圾焚燒對周邊土壤環(huán)境質(zhì)量的影響程度不盡相同；垃圾焚燒對周邊土壤重金屬和二噁英污染貢獻水平尚不清楚。

2)另外，有文獻發(fā)現(xiàn)焚燒廠周邊土壤部分點位Pb含量超過標準[12]要求，部分點位二噁英含量超過標準[27]的篩選值。此外，焚燒廠周邊土壤還可積累多環(huán)芳烴、多溴聯(lián)苯醚、六氯丁二烯等污染物。

3)生活垃圾焚燒的污染控制直接關(guān)系到周邊環(huán)境質(zhì)量和居民健康。生活垃圾焚燒污染特征和控制技術(shù)應持續(xù)得到學界和管理上的重視。