生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙塵中重金屬沉降對土壤環(huán)境的影響研究

劉景霞，李 赟

(1.云南晨銘環(huán)境科技有限公司，云南 昆明 650228；2.云南沁川環(huán)境科技有限公司，云南 昆明 650228)

1 引言

目前，城市生活垃圾成為了各國面臨的重要問題。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口數(shù)量逐漸增多，所產(chǎn)生的城市垃圾量也逐漸增加。在對這些垃圾進(jìn)行處理的過程中，最常用的方法就是焚燒法，它可以實(shí)現(xiàn)對城市垃圾體積的減量，同時(shí)還可以利用焚燒之后的余熱進(jìn)行供暖或者發(fā)電，從而將垃圾轉(zhuǎn)變成為新的能源。但是與此同時(shí)，生活垃圾在焚燒的過程中也會產(chǎn)生一定的污染，煙塵當(dāng)中含有一定量的重金屬，這些重金屬會進(jìn)入到土壤當(dāng)中造成土壤污染[1]。為了更好地了解重金屬在土壤當(dāng)中沉降的特點(diǎn)，探究重金屬沉降對土壤環(huán)境所造成的污染，本文以某地的生活垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目為例，進(jìn)行了探究實(shí)驗(yàn)。

2 項(xiàng)目概況

該地區(qū)生活垃圾焚燒發(fā)電廠于2018年投入使用規(guī)模為2000 t，采用的是機(jī)械爐排焚燒爐，同時(shí)配置了多臺余熱過濾和汽輪發(fā)電機(jī)組。該地區(qū)的地形為平原，地勢比較平坦，西南地區(qū)略高，整體上屬于溫帶季風(fēng)性氣候，全年平均溫度為12 ℃左右，風(fēng)向主要是東北風(fēng)。

3 生活垃圾焚燒發(fā)電廠周邊土壤當(dāng)中重金屬沉降特征實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法和過程

3.1.1 樣品布點(diǎn)和采集

由于該發(fā)電廠的主導(dǎo)風(fēng)向之為東北風(fēng)，因此在樣品布點(diǎn)的時(shí)候在距離該發(fā)電廠位置主導(dǎo)東北風(fēng)下風(fēng)向的45°方向采集了20個(gè)土壤樣品，這些樣品與發(fā)電廠之間的距離不同。為了對該樣品進(jìn)行對照，還在與該發(fā)電廠距離10 km之外、附近不存在污染源且與發(fā)電場地區(qū)地質(zhì)相似處取了6個(gè)農(nóng)田土壤作為對照樣品。為了確保對照結(jié)果的準(zhǔn)確性，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)和對照土壤均為棕壤土，土壤的質(zhì)地相似。在土壤采集的過程中參照的是《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)，每一份樣品都是采取耕作層的混合土，按照0.5 m×0.5 m的梅花布點(diǎn)方式進(jìn)行采樣，采樣深度為15 cm左右。在完成采樣之后，使用四分法縮分之后將1 kg的土壤樣品裝入樣品袋、帶入到實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，同時(shí)做好相應(yīng)的記錄。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)過程

在正式進(jìn)行試驗(yàn)之前，需要先將土壤的樣品進(jìn)行預(yù)處理。具體來說，需要先將土壤進(jìn)行敲打和壓碎，并從中挑揀出雜質(zhì)，將剩余的土壤樣品充分混合。然后使用四分法進(jìn)行取樣，將樣品使用孔徑大小為0.25 mm的尼龍篩進(jìn)行過篩，然后在其中稱取0.4 g的樣品置于坩堝當(dāng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，首先在坩堝當(dāng)中加入少許的水將土壤樣品浸濕，然后加入硝酸溶液和氯酸溶液各5 mL，搖勻之后將整個(gè)坩堝放在套筒當(dāng)中。然后將套筒放在180 ℃的烘箱當(dāng)中對樣品進(jìn)行分解。2 h之后從烘箱當(dāng)中取出樣品，將樣品冷卻至室溫之后取出坩堝。將坩堝的內(nèi)壁用水沖洗干凈，然后在其中加入3 mL的氫氟酸溶液。將坩堝置于電熱板上，保持100 ℃持續(xù)加熱，將樣品單中的硅去除，直至坩堝當(dāng)中的樣品開始冒濃白煙之后進(jìn)行定容，定容50 mL并過濾，然后進(jìn)行測定。

為了控制實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，本次土壤檢測試樣當(dāng)中所采取的測量均為重復(fù)測量和加標(biāo)回收的方式，確保每一批次樣品單中的各種元素的回收率控制在95%左右，每次重復(fù)測量的偏差值為0.5%左右。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1 實(shí)驗(yàn)地土壤當(dāng)中各種重金屬元素含量特征

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)土壤樣品中的pH值為6.75，所有的重金屬含量均符合國家《土壤環(huán)境質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)。其中錳、銅這兩種重金屬的含量高于當(dāng)?shù)赝寥榔骄尘爸?。與對照組的土壤相比，實(shí)驗(yàn)組土壤當(dāng)中的錳、汞和鉛這3種重金屬的含量較高(表1)。

表1 120個(gè)樣品中主要重金屬含量統(tǒng)計(jì) mg/kg

由于本次實(shí)驗(yàn)的生活垃圾焚燒發(fā)電廠的使用時(shí)間只有一年多，因此周圍土壤當(dāng)中重金屬元素的沉降現(xiàn)象并不是很明顯。其中，錳元素的含量比較高，主要是由于該元素作為土壤自然源的標(biāo)識元素，受到外界環(huán)境的影響比較小，主要是受到土壤成土過程和水土流失的影響。而土壤當(dāng)中的汞元素則主要來源于生活垃圾焚燒，此外，其他的燃煤燃燒活動以及工業(yè)生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生一定的汞元素。而鉛元素產(chǎn)生的主要原因就是人為活動，主要是汽車尾氣排放、采礦業(yè)以及金屬加工業(yè)。由于實(shí)驗(yàn)地的周圍有部分農(nóng)田，還有一條主干道，因此容易受到人為的污染。與此同時(shí)，還有部分鉛元素是來自于自然，主要是在礦物和巖石當(dāng)中存在鉛元素。

3.2.2 重金屬元素在空間上的分布特征

實(shí)驗(yàn)地生活垃圾焚燒發(fā)電廠周圍的土壤當(dāng)中錳元素和鉛元素的分布并沒有呈現(xiàn)出空間特征，但是汞元素空間分布的差異比較明顯。具體來說，在常年主導(dǎo)風(fēng)向也就是東北風(fēng)的下風(fēng)向0.5 km處土壤當(dāng)中汞元素的含量最高。隨著土壤與發(fā)電場之間距離的增加，汞元素的含量逐漸下降，這符合點(diǎn)源污染物的分布特點(diǎn)。這也說明了發(fā)電場周圍土壤中汞元素含量較多是受到生活垃圾焚燒發(fā)電廠的影響。

4 生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙塵中重金屬沉降對土壤環(huán)境的影響

4.1 實(shí)驗(yàn)方法和過程

4.1.1 預(yù)測模式

重金屬沉降是造成土壤重金屬污染的主要途徑[2]。生活垃圾焚燒發(fā)電廠的煙塵當(dāng)中含有一定的重金屬，這些煙塵進(jìn)入到大氣當(dāng)中之后隨著大氣擴(kuò)散與遷移，在這個(gè)過程中重金屬也隨著自然降水和大氣沉降進(jìn)入到土壤當(dāng)中。

4.1.2 參數(shù)選擇

根據(jù)相關(guān)研究表明，重金屬在土壤當(dāng)中不會受到自然淋溶的作用而發(fā)生遷移[3]。在綜合考慮了土壤當(dāng)中的植物富集作用、土壤侵蝕以及滲漏等過程發(fā)生的重金屬流失之后，重金屬在土壤當(dāng)中的年殘留率一般保持在90%左右，因此本次研究所選取的數(shù)值就是90%。

4.1.3 重金屬污染物進(jìn)入到土壤當(dāng)中的測算

在測算的過程中，采用了AERMOD模式系統(tǒng)，對2019年氣象站的治療進(jìn)行逐日計(jì)算，然后對土壤當(dāng)中鉛和汞這兩種重金屬的含量進(jìn)行預(yù)測。通過大氣預(yù)測影響預(yù)測結(jié)果可以看出，本次研究當(dāng)中各種重金屬1 h最大落地濃度貢獻(xiàn)值均為0.0001 mg/m3。汞元素的年輸入量為0.0185 mg/m3，而鉛元素的年輸入量為0.0184 mg/m3，二者較為接近。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過上述的預(yù)測計(jì)算方法，得出了本研究當(dāng)中生活垃圾焚燒發(fā)電廠在投入使用之后的不同時(shí)間內(nèi)，各種重金屬的輸入量和濃度是不同的，隨著時(shí)間的增加，重金屬的量也在不斷增加。

由此可以看出，在該生活垃圾焚燒發(fā)電廠投產(chǎn)之后的半年、1年、5年的時(shí)間當(dāng)中，煙塵當(dāng)中重金屬沉降在濃度最大值以及累計(jì)值均滿足國家的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算可以得出，在運(yùn)行25年之后的時(shí)間，該生活垃圾焚燒發(fā)電廠周圍的土壤當(dāng)中汞元素的濃度約為國家標(biāo)準(zhǔn)的0.5%左右；而鉛元素可以達(dá)到3%左右，因此對當(dāng)?shù)氐耐寥烙绊懖⒉淮蟆?/p>

5 結(jié)語

生活垃圾焚燒發(fā)電廠所排放的煙塵當(dāng)中含有重金屬，這些重金屬在環(huán)境當(dāng)中經(jīng)過遷移和轉(zhuǎn)化之后會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，也會經(jīng)過沉淀、溶解、吸附等物理變化，在這個(gè)過程中的汞、鉛等化學(xué)元素會在重力的作用下發(fā)生沉降，并在自然降水的情況下遷移至土壤當(dāng)中[4]。

通過生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙塵中重金屬沉降特征的分析實(shí)驗(yàn)可以看出，實(shí)驗(yàn)地周圍土壤當(dāng)中的各種重金屬元素含量均符合國家的要求，只有錳元素和銅元素高于當(dāng)?shù)氐囊髽?biāo)準(zhǔn)。土壤當(dāng)中的汞元素呈現(xiàn)出了明顯的空間分布特征，這與當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向具有直接的聯(lián)系[5]。其中土壤當(dāng)中的鉛元素主要來自于汽車尾氣排放、采礦和金屬制造等人類活動，而汞元素的來源則主要是生活垃圾焚燒發(fā)電廠的煙塵排放。因此，汞元素在未來需要重點(diǎn)檢測。

通過生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙塵中重金屬沉降對土壤環(huán)境的影響實(shí)驗(yàn)可以看出，實(shí)驗(yàn)地的發(fā)電廠重金屬污染防治效果比較明顯，排放物當(dāng)中的各項(xiàng)重金屬無論是累計(jì)值還是濃度都在可控范圍內(nèi)，對土壤環(huán)境的影響不大，在可接受的范圍之內(nèi)。