上海市多個(gè)生活垃圾焚燒廠土壤特征污染物分布及相關(guān)性研究

姚澤生，陳 奕，嚴(yán)立宇，諸 毅

(上海環(huán)境綠色生態(tài)修復(fù)科技有限公司，上海 200232)

0 引 言

近年來(lái)，焚燒在中國(guó)城市生活垃圾的處置中所占比重越來(lái)越高，隨之而來(lái)的，如何評(píng)估及控制生活垃圾焚燒廠的污染情況，特別的，監(jiān)管其對(duì)土壤環(huán)境的影響也越來(lái)越重要。生活垃圾焚燒廠中涉及滲濾液、煙氣、飛灰等多種污染源，可能對(duì)土壤環(huán)境和人體健康造成影響。生活垃圾焚燒廠在達(dá)到垃圾減量化、無(wú)害化的同時(shí)，卻也會(huì)帶來(lái)對(duì)廠區(qū)內(nèi)部及周邊土壤及地下水污染的隱患[1]。因此，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究?jī)A向于生活垃圾焚燒廠的實(shí)例分析及其周邊土壤的特征污染物評(píng)價(jià)，尤其是重金屬和二噁英[2]。

為了解生活垃圾焚燒廠內(nèi)土壤特征污染物的分布及相關(guān)性，本研究針對(duì)上海市多個(gè)不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間的在產(chǎn)生活垃圾焚燒廠，根據(jù)其近年來(lái)土壤及地下水自行監(jiān)測(cè)工作數(shù)據(jù)，選取了Pb、Cd、Cu、Ni、Be、Co、As、Mn、Mo、Hg和C10-40等11種焚燒廠特征污染物。分析其土壤特征污染物含量的變異程度、分布規(guī)律及相互關(guān)聯(lián)，研究其生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中土壤污染防控情況與生產(chǎn)年代是否有關(guān)，在過(guò)去研究中常見的針對(duì)單一實(shí)例的不同污染指標(biāo)間相互比較分析的基礎(chǔ)上，將不同運(yùn)營(yíng)狀況的廠區(qū)的污染情況進(jìn)行橫向比較，為我國(guó)在產(chǎn)生活垃圾焚燒廠的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控工作提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 生活垃圾焚燒廠概況

本次研究區(qū)域的四個(gè)研究對(duì)象均為上海市在產(chǎn)生活垃圾焚燒廠，分別為D焚燒廠、C焚燒廠、F焚燒廠、J焚燒廠。研究對(duì)象均采用傾斜往復(fù)式順推雙列爐排工藝，煙氣通過(guò)噴霧反應(yīng)器和袋式過(guò)濾器處理后由煙囪排入大氣，垃圾滲瀝液經(jīng)污水處理系統(tǒng)處理后納管排放，飛灰、爐渣采用填埋處理。焚燒廠處理單元包括：垃圾貯存單元、垃圾攪拌單元、垃圾焚燒單元、余熱回收單元、煙氣凈化單元、滲濾液處理單元、灰渣處理單元等。同時(shí)，研究對(duì)象的區(qū)域構(gòu)成也呈現(xiàn)一致性，均包含主廠區(qū)、污水處理區(qū)、危廢倉(cāng)庫(kù)、油庫(kù)、污泥干化區(qū)等。研究對(duì)象的歷史用途、運(yùn)營(yíng)年份、處理能力、占地面積、煙囪高度、煙氣凈化工藝、是否處于工業(yè)區(qū)等基本信息見表1。

表1 研究對(duì)象差異對(duì)比

1.2 點(diǎn)位布設(shè)與測(cè)試指標(biāo)

在研究對(duì)象的主廠區(qū)、污水處理區(qū)、危廢倉(cāng)庫(kù)、油庫(kù)和污泥干化區(qū)等五個(gè)區(qū)域布設(shè)了10個(gè)土壤采樣點(diǎn)(每個(gè)區(qū)域2個(gè)采樣點(diǎn))。由于污染物在土壤的遷移途徑大多為垂向，因此本研究選取了表層土壤樣品(0～50 cm)。根據(jù)上海市生活垃圾的組分、焚燒過(guò)程中可能產(chǎn)生的污染物、以及自行監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，確定了11項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)，分別為：Pb、Cd、Cu、Ni、Be、Co、As、Mn、Mo、Hg和C10-40。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤特征污染物含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)研究區(qū)域四個(gè)研究對(duì)象總計(jì)四十個(gè)樣本進(jìn)行匯總后，得到表2，可以看出，研究區(qū)域11個(gè)指標(biāo)均未超出標(biāo)準(zhǔn)限值。

變異系數(shù)能夠反映不同采樣點(diǎn)之間的平均變異程度，同時(shí)也能夠反映該元素受人為因素的影響程度[1]。變異系數(shù)越小，表明該特征污染物以該地區(qū)背景含量為主；變異系數(shù)越大，則表明其分布受人為影響因素較大。[3]由表2可知，鎳和鈷的變異系數(shù)分別為11.15%和10.59%，屬于低度變異(變異系數(shù)<15%)；鈹、砷和錳的變異系數(shù)分別為23.22%、27.09%和29.87%，屬于中度變異(15%<變異系數(shù)<36%)；鉛、鎘、銅、鉬、汞和總石油烴的變異系數(shù)分別為53.85%、136.68%、165.81%、97.88%、86.58%和147.04%，屬于高度變異(變異系數(shù)>36%)。由此可見，本研究區(qū)域內(nèi)的土壤特征污染物的變異系數(shù)大多屬于高度變異，表明其分布受人為因素影響程度較大[3]。

表2 研究區(qū)域土壤特征污染物描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 相關(guān)性分析

進(jìn)一步對(duì)40個(gè)樣本點(diǎn)的11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性研究，可得表3，可以看出Cd-Pb，Ni-Pb，Cu-Pb，Hg-Pb，Co-Pb，C10-40-Pb，Hg-Cd，Cu-Ni，Be-Ni，Be-Hg，Co-Hg，C10-40-Hg，Co-Be，C10-40-Co，C10-40-Be、As-Mo、Be-Mo、Co-Mo、Mn-Co的相關(guān)性通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。其中，鉛與除砷、硒、鉬外的其余特征污染物均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，可以作為生活垃圾焚燒廠的污染監(jiān)測(cè)指示污染物，通過(guò)鉛的檢測(cè)，可以有效驗(yàn)證該區(qū)域是否存在污染遷移等相關(guān)情況[4-6]。

由表3還可以看出，Cd-Pb，Hg-Pb，Mo-As三組特征污染物間有顯著性超過(guò)99.99%(P<0.0001)的正相關(guān)性，其中Cd-Pb的相關(guān)系數(shù)甚至高達(dá)0.86，接近線性關(guān)系。結(jié)合表1，Pb、Cd、Hg三種特征污染物的變異系數(shù)均屬于高度變異，說(shuō)明受人為影響較大，表明這些污染物間可能具有同源性，具體同源關(guān)系還需進(jìn)一步資料收集與分析。

表3 研究區(qū)域土壤特征污染物相關(guān)性分析

2.3 分布圖

為了驗(yàn)證相關(guān)性分析中揭示的研究區(qū)域Cd-Pb可能存在的同源性，用每個(gè)研究對(duì)象內(nèi)10個(gè)采樣點(diǎn)的鎘、鉛含量通過(guò)Surfer11中克里金插值法進(jìn)行插值，得到研究區(qū)域內(nèi)鎘、鉛的空間分布，并進(jìn)一步繪制出四個(gè)焚燒廠中鎘、鉛的分布圖，如圖1所示。

通過(guò)比對(duì)可以看出，本研究區(qū)域內(nèi)鎘、鉛的空間分布顯示出較高的一致性，富集區(qū)域有明顯的重疊，分別集中于D焚燒廠的油庫(kù)區(qū)域及污水處理區(qū)域、C焚燒廠的危廢倉(cāng)庫(kù)區(qū)域、F焚燒廠的污水處理區(qū)域、J焚燒廠的污水處理區(qū)域。這進(jìn)一步驗(yàn)證了上節(jié)中，鎘和鉛兩種特征污染物的同源性。值得注意的是，C焚燒廠的鎘、鉛富集區(qū)域位于研究對(duì)象的危廢倉(cāng)庫(kù)區(qū)域，該區(qū)域主要用于穩(wěn)定化飛灰、袋式除塵廢棄濾料的暫存，飛灰中富集了較高浸出濃度的鉛、鎘等特征污染物，從而導(dǎo)致危廢倉(cāng)庫(kù)區(qū)域附近鎘、鉛的富集，也從一定程度上印證了Cd-Pb的同源性。

2.4 聚類分析

由于研究對(duì)象的年份跨度相對(duì)較大(2003-2016)，不同研究對(duì)象的運(yùn)營(yíng)情況及土壤污染防控情況可能不同，為了解生產(chǎn)年代與土壤污染情況的關(guān)系，借助聚類分析對(duì)研究對(duì)象污染情況進(jìn)行分類。

選取11個(gè)特征污染物濃度平均值(將10個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行平均)作為一個(gè)研究對(duì)象的特征指標(biāo)，由于四個(gè)研究對(duì)象的采樣點(diǎn)基于相同選取標(biāo)準(zhǔn)(主廠區(qū)、污水處理區(qū)、危廢倉(cāng)庫(kù)、油庫(kù)、污泥干化區(qū))，具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此該指標(biāo)具有可比性。用得到的特征指標(biāo)，基于馬氏距離和最短距離法[7]，對(duì)四個(gè)研究對(duì)象進(jìn)行聚類分析，得到譜系圖如圖2所示。

由圖2，年份最早的D焚燒廠與其他3廠馬氏距離最遠(yuǎn)，說(shuō)明其污染情況最為特殊，這可能與早期生活垃圾焚燒廠土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控意識(shí)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中管理水平有關(guān)，例如：地下排污管線、地面防滲設(shè)施等。

年份接近(2013-2016)的J焚燒廠、C焚燒廠、F焚燒廠則可視為一類，由于2013年以來(lái)，上海市加強(qiáng)了土壤污染管控，2013年以后生活垃圾焚燒廠的土壤污染情況與運(yùn)營(yíng)時(shí)間無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)研究區(qū)域內(nèi)鉛、鎘、銅、鉬、汞和總石油烴的變異系數(shù)分別為53.85%、136.68%、165.81%、97.88%、86.58%和147.04%，屬于高度變異，本研究區(qū)域內(nèi)的土壤特征污染物分布受人為因素影響程度較大。

(2)研究區(qū)域內(nèi)的40個(gè)樣本中，鉛與除砷、硒、鉬外的其余特征污染物均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，可以作為生活垃圾焚燒廠的污染監(jiān)測(cè)指示污染物，通過(guò)鉛的檢測(cè)，可以有效驗(yàn)證該區(qū)域是否存在污染遷移等相關(guān)情況。

(3)研究區(qū)域內(nèi)鎘、鉛的空間分布明顯重疊，存在同源性可能性極大，可能與飛灰暫存管理情況有關(guān)。同時(shí)，污水處理區(qū)域存在較高富集，在以后的研究中需重視該區(qū)域的污染情況。

(4)聚類分析結(jié)果表明年份最早的D焚燒廠污染情況最為特殊，這可能與早期生活垃圾焚燒廠土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控意識(shí)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中管理水平有關(guān)。