上海市生活垃圾焚燒大氣污染物排放特征與排放系數(shù)研究

蔣軼倫,董 威,陳 立

(寶鋼環(huán)境監(jiān)測站，上海 201900)

引 言

2015年我國內(nèi)地設(shè)市的656個城市的生活垃圾清運量為1.91億t，生活垃圾無害化處理率達94.1%；無害化處理以衛(wèi)生填埋為主，約占總量的64%，焚燒處理量約占無害化處理總量的34%[1]。近年來隨著生活垃圾焚燒處理技術(shù)的發(fā)展和政府部門的政策引導(dǎo)，城市生活垃圾填埋量開始出現(xiàn)下降趨勢，生活垃圾焚燒處理量逐步增加。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年底我國投入運行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠有250座，其中采用爐排爐的有168座，總處理能力為23.8萬t/日[1]。對于城市生活垃圾處理來說，焚燒處理技術(shù)具有占地較省、減量效果明顯、余熱可以利用等優(yōu)點。生活垃圾焚燒大氣污染物包括顆粒物、SO2、NOX等固定污染源排放總量控制目標(biāo)污染物、以Hg為代表的重金屬及其化合物以及高環(huán)境毒性的痕量污染物二噁英類[ 2-3]等。

目前我國污染源普查核算中生活垃圾焚燒的主要大氣污染物產(chǎn)排放系數(shù)主要來源于2007年第一次全國污染源普查所編制的《集中式污染治理設(shè)施產(chǎn)排污系數(shù)手冊》(2010修訂)，具有一定的參考價值。但一則該手冊編制時間較早，對應(yīng)的是當(dāng)時的生活垃圾焚燒和煙氣凈化系統(tǒng)水平，系數(shù)更新不及時；二則目前重點關(guān)注的一些大氣污染物因子之前沒有被納入編制和研究范圍，如汞、鎘、鉛、鉻、砷5種廢氣重金屬污染物。

本研究通過污染源排氣實測方法，對上海市5家代表當(dāng)前焚燒技術(shù)水平的生活垃圾焚燒廠排放的主要大氣污染物進行系統(tǒng)的手工監(jiān)測，并歸納分析上海市生活垃圾焚燒煙氣中顆粒物、SO2、NOX、CO、HCl、重金屬、二噁英類等污染物的排放狀況和變化特征；結(jié)合生活垃圾焚燒廠生產(chǎn)資料和監(jiān)測現(xiàn)場工況，估算出各項大氣污染物的排放系數(shù)，使相關(guān)大氣污染物排放量的核算更加符合本地實際情況，為生活垃圾焚燒廠的環(huán)保管理、科學(xué)決策提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對象

本研究以上海市5家生活垃圾焚燒廠的共24臺次生活垃圾焚燒爐排放煙氣中的大氣污染物為研究對象。5家生活垃圾焚燒廠的基本情況見表1。

表1 本研究所涉上海市生活垃圾焚燒廠基本情況Tab.1 Information of the municipal solid waste incineration factories in this study

1.2 采樣與分析

煙氣樣品采集與分析參照上海市《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標(biāo)準》(DB31/ 768—2013)表3中的污染物因子進行。按照《固定污染源監(jiān)測 質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 373—2007)的要求進行樣品采集與分析的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。

利用智能煙塵平行采樣儀(武漢洪興偉業(yè)，HX-611型)進行煙氣量等煙氣排放參數(shù)和顆粒物濃度的測定；利用智能煙塵平行采樣儀(武漢洪興偉業(yè)，HX-611型)配合石英纖維濾紙筒(日本TOYO ADVANTEC 88RH型，內(nèi)徑22 mm，外徑25 mm，長90 mm)進行12種重金屬成分的檢測樣品采集；利用便攜式紅外氣體分析儀(北京雪迪龍，MODEL3080)進行煙氣含氧量和氣態(tài)污染物CO、SO2、NOX濃度的測定；利用煙氣采樣儀(青島嶗應(yīng)，3072型)進行HCl的檢測樣品采集；利用煙氣二噁英采樣儀(美國Environmental Supply Company C-5100型)配合石英纖維濾膜(GE Whatman QMA型，直徑82.6 mm)和大孔吸附樹脂(Sigma-Aldrich Amberlite XAD-2型，目數(shù)：20/60目)進行煙氣中二噁英類的樣品采集。對共計24臺次生活垃圾焚燒爐排放的煙氣污染物進行了3次平行采樣與檢測，樣品量共計648件。所有煙氣污染物的實驗室分析測定均采用DB31/ 768—2013表4所列的方法標(biāo)準。

1.3 生活垃圾焚燒廠現(xiàn)場監(jiān)測工況信息采集

對生活垃圾焚燒廠焚燒設(shè)施排放的煙氣污染物進行監(jiān)測時，相應(yīng)的工況要求按照國家相關(guān)環(huán)境保護標(biāo)準《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)和《固定源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 397—2007)的規(guī)定執(zhí)行。本研究實際監(jiān)測期間，各生活垃圾焚燒廠的焚燒設(shè)備和廢氣治理設(shè)施均正常運行，工況條件符合監(jiān)測要求。

為估算廢氣污染物排放系數(shù)，同步采集了各生活垃圾焚燒廠現(xiàn)場監(jiān)測期間生活垃圾小時焚燒量信息。

1.4 大氣污染物排放系數(shù)的制定

污染物產(chǎn)生系數(shù)指每單位原料的消耗，其所產(chǎn)生的指標(biāo)污染物的量，單位為g(污染物)/t(原料)。經(jīng)過末端治理技術(shù)(如：煙氣凈化設(shè)施)后，得到污染物排放系數(shù)，單位仍為g(污染物)/t(原料)，污染物排放系數(shù)理論上小于污染物產(chǎn)生系數(shù)。

本研究利用污染源實測法，采用以下公式估算生活垃圾焚燒大氣污染物的排放系數(shù)：

式中：Ef為生活垃圾焚燒大氣污染物排放系數(shù)，單位：g/t；Cf為廢氣污染物排放濃度，單位：mg/Nm3；vf為生活垃圾焚燒設(shè)施焚燒廢氣實測煙氣量，單位：Nm3/h；Tf為現(xiàn)場監(jiān)測期間生活垃圾焚燒量，單位：t/h。

2 結(jié)果與討論

2.1 生活垃圾焚燒大氣污染物排放濃度與達標(biāo)狀況

上海市5家生活垃圾焚燒廠穩(wěn)定焚燒工況下各大氣污染物排放小時平均濃度及煙氣排放相關(guān)參數(shù)情況如表2所示。

表2 生活垃圾焚燒大氣污染物排放濃度及煙氣排放相關(guān)參數(shù)Tab.2 Concentrations and other emission parameters of the air pollutants for municipal solid waste incineration

從表2數(shù)據(jù)可以看出，5家生活垃圾焚燒廠的排放煙氣中，顆粒物、CO、NOX、SO2、HCl、重金屬及其化合物、二噁英類共15種檢出大氣污染物的排放濃度均未超過DB31/768中表3列出的相應(yīng)污染物測定均值或日均值的排放限值，5家生活垃圾焚燒廠均實現(xiàn)了生活垃圾焚燒煙氣的達標(biāo)排放。

2.2 生活垃圾焚燒大氣污染物排放特征

2.2.1 生活垃圾焚燒廠工藝裝備分析

從表1對本研究進行監(jiān)測的生活垃圾焚燒廠工藝裝備的匯總情況可以看出，上海市這5家代表性生活垃圾焚燒廠具有以下共同點：(1)焚燒爐類型全部為爐排爐；(2)穩(wěn)定工況下垃圾焚燒溫度均在950～1 200℃區(qū)間，滿足DB31/768中焚燒爐爐膛溫度保持在850℃以上的要求；(3)煙氣凈化工藝相似，主要工藝為“SNCR脫氮+干法消石灰噴射+活性炭粉噴射+袋式除塵器+濕法洗滌”；(4)助燃劑有0#柴油和天然氣兩類，均為啟爐階段使用，穩(wěn)定工況時不使用助燃劑，因此認為助燃劑燃燒對現(xiàn)場監(jiān)測期間的垃圾焚燒煙氣中的大氣污染物無貢獻；(5)A廠焚燒設(shè)施監(jiān)測期間摻燒了醫(yī)療廢物，摻燒比例為5%；E廠摻燒了市政污泥，摻燒比例為1%，其他3家焚燒廠不存在摻燒情況。

2.2.2 大氣污染物排放特征

上海市生活垃圾焚燒煙氣污染物中顆粒物、CO、SO2、NOX和HCl的排放濃度在mg/m3水平。9種檢出重金屬的排放濃度在μg/m3水平。從檢出率看，重金屬大氣污染物中檢出率最高的為As、Pb、Cr和Ni，在5家生活垃圾焚燒廠夏、冬兩季的監(jiān)測中均有檢出；檢出率次高的為Cd，E廠排放的焚燒煙氣中未檢出；檢出率最低的重金屬成分為Co，僅在E廠排放的焚燒煙氣中檢出。從排放濃度水平看，生活垃圾焚燒煙氣中As、Pb、Cr、Cu、Mn、Ni的排放濃度在重金屬廢氣污染物中相對較高，大多數(shù)分布在1～10 μg/m3區(qū)間；Cd的排放濃度主要分布在10-1μg/m3數(shù)量級；Hg和Co的排放濃度較低，均分布在10-2μg/m3數(shù)量級。

二噁英類是生活垃圾焚燒煙氣中備受關(guān)注污染物。研究表明，生活垃圾焚燒排放是城市地區(qū)大氣中二噁英類物質(zhì)的最重要來源之一[4～6]。生活垃圾中廢棄的塑料制品中的含氯有機物是形成二噁英的主要前驅(qū)體[7-8]。從表2和下圖可以看出，本研究監(jiān)測的上海市5家生活垃圾焚燒廠煙氣中二噁英類的排放濃度均在0.06 ngTEQ/m3以下；A、B、C3家進行的夏、冬兩季監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，二噁英類在冬季的排放濃度整體高于夏季。這與垃圾焚燒廠周邊環(huán)境空氣中二噁英類的季節(jié)變化特征研究結(jié)果一致[6,9]。

圖 上海市生活垃圾焚燒廢氣污染物排放濃度Fig. Emission concentrations of the air pollutants for municipal solid waste incineration in Shanghai

考慮到重金屬和二噁英類是醫(yī)療廢物、市政污泥焚燒煙氣中的特征污染物[10-11]，而生活垃圾焚燒廠A摻燒5%醫(yī)療廢物、生活垃圾焚燒廠E摻燒1%市政污泥，但比較各廠的以上兩類污染因子的排放濃度數(shù)值后未發(fā)現(xiàn)摻燒兩廠的相應(yīng)污染因子出現(xiàn)高值，表明如此小比例的摻燒對煙氣中重金屬與二噁英類污染因子的排放水平影響不大。E廠排放煙氣中各檢出重金屬成分的排放濃度為5家生活垃圾焚燒廠中最低。另外，對各廠焚燒排放廢氣含氧量、含濕量進行的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，各廠煙氣含氧量在8.83%～10.38%之間，較為接近；除C廠外，各廠煙氣含濕量分布在16.58%～18.75%之間，C廠夏、冬兩季監(jiān)測的煙氣含濕量分別為8.43%和10.90%，低于其他4家焚燒廠的監(jiān)測值。比較15種廢氣污染物的各廠排放濃度均值可以看出，C廠多項污染物的排放濃度都相較其他焚燒廠為高，這一方面與所焚燒的生活垃圾中各污染物含量不同有關(guān)；另一方面C廠采用的煙氣凈化工藝與其他4家生活垃圾焚燒廠略有不同，其采用“石灰半干法”而不是“干法消石灰噴射”來脫酸、后續(xù)也沒有采用“濕法洗滌”工藝，這帶來了排放的焚燒煙氣含濕量和污染物濃度與其他焚燒廠排放的差異。

除上述二噁英類之外，其他14種檢出廢氣污染物未顯示出一定的季節(jié)趨勢。A、B、C3家生活垃圾焚燒廠夏、冬兩季的廢氣污染物排放濃度、排放參數(shù)平均值之間均達到顯著正相關(guān)(r= 0.9999，N= 19,p< 0.001)，這反映出污染源實測法的監(jiān)測對象——本地排放源相對穩(wěn)定的排放特點。

2.3 生活垃圾焚燒煙氣污染物排放系數(shù)確定

采用5家生活垃圾焚燒廠共24臺次焚燒爐的大氣污染物排放濃度和實測煙氣量數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)測現(xiàn)場工況，采用公式分別估算24臺次焚燒爐生活垃圾焚燒廢氣污染物的排放系數(shù)。

如前所述，上海市這5家代表性生活垃圾焚燒廠的焚燒爐類型、焚燒溫度和煙氣凈化工藝這3項對大氣污染物排放系數(shù)影響最大的工藝參數(shù)[12]具有高度一致性；不同焚燒爐的各大氣污染物的排放濃度相近，分布于同一數(shù)量級。因此，基于24臺次焚燒爐的大氣污染物排放系數(shù)估算值，對生活垃圾焚燒煙氣量及15個大氣污染物的排污系數(shù)估算值進行平均值、中位值取值，結(jié)果見表3。

表3 生活垃圾焚燒排放煙氣量及各廢氣污染物排污系數(shù)實測法估算值Tab.3 Calculated emission coefficients of the flue gas volume and the air pollutants for municipal solid waste incineration

實測法估算出的各廢氣污染物排放系數(shù)分布在3個量級，分別是顆粒物和4種氣態(tài)污染物的g/t、重金屬污染物分布的mg/t以及二噁英類的μgTEQ/t。從表3還可以看出，除As、Pb、Cr、Cu、Ni這五種重金屬廢氣污染物之外，從煙氣量到二噁英的排放系數(shù)平均值與中位值都十分接近。與煙氣中的顆粒物、SO2、NOX乃至二噁英類成分不同，廢氣重金屬污染物主要靠噴射活性炭粉吸附與布袋除塵去除，而每家焚燒廠的生活垃圾組成甚至同一家焚燒廠不同“批次”生活垃圾中重金屬成分都不盡相同，導(dǎo)致焚燒排放廢氣中各重金屬成分的濃度差異相對較大，這可能是本研究實測法估算出的As、Pb、Cr、Cu、Ni等重金屬廢氣污染物排放系數(shù)平均值與中位值相差較大的原因。

綜上，本研究污染源實測法獲得的排污系數(shù)平均值可代表上海市典型生活垃圾焚燒廠(即采用主流生產(chǎn)工藝及廢氣治理措施)的廢氣污染物排放系數(shù)。

2.4 上海市本地化排污系數(shù)與一污普國家系數(shù)的比較

將本研究獲得的廢氣污染物排污系數(shù)與2007年第一次全國污染源普查(以下簡稱一污普)制訂的《集中式污染治理設(shè)施產(chǎn)排污系數(shù)手冊》(2010修訂)中焚燒爐類型同為“爐排爐”的城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理設(shè)施排污系數(shù)進行比較，見表4。

表4 上海市生活垃圾焚燒廢氣污染物排污系數(shù)與一污普國家系數(shù)值的比較Tab.4 Comparison of emission coefficients of the air pollutants for municipal solid waste incineration in Shanghai with those released in the first national pollution census

比較發(fā)現(xiàn)，本研究與一污普生活垃圾焚燒煙氣量的排放系數(shù)十分接近，分別為4 283.54 Nm3/t和4 500 Nm3/t；顆粒物的排污系數(shù)有顯著下降，從一污普的225 g/t降至10.95 g/t；NOX的排污系數(shù)也有所下降，從一污普的1 000 g/t降至611.09 g/t；SO2的排放濃度在本研究進行的大部分監(jiān)測中已低于方法檢測限值，僅獲得3次有效監(jiān)測數(shù)值(表3)，其排污系數(shù)平均值31.87 g/t，顯著低于一污普的450 g/t，以上這些都反映出一污普至二污普十年間垃圾焚燒煙氣凈化工藝的升級和凈化效率的提高。

3 結(jié) 論

3.1 采用污染源實測法對上海市5家代表性生活垃圾焚燒廠排放的煙氣污染物進行了監(jiān)測。5家生活垃圾焚燒廠均實現(xiàn)了生活垃圾焚燒煙氣的達標(biāo)排放，其中顆粒物、CO、SO2、NOX和HCl的排放濃度在mg/m3水平；9種檢出重金屬污染物的排放濃度在μg/m3水平；二噁英類的排放濃度均低于0.06 ngTEQ/m3。

3.2 生活垃圾焚燒煙氣中檢出率和排放濃度最高的重金屬為As、Pb、Cr，是貢獻最大的三種煙氣重金屬成分；二噁英類在冬季的排放濃度整體高于夏季，其他14種檢出煙氣污染物排放濃度未顯示出季節(jié)特征；存在摻燒的生活垃圾焚燒排放煙氣中未發(fā)現(xiàn)醫(yī)療廢物和市政污泥特征的重金屬與二噁英類成分高值，表明小比例的摻燒對煙氣中重金屬與二噁英類成分的排放水平影響不大。

3.3 基于實測數(shù)據(jù)對上海市生活垃圾焚燒主流焚燒工藝和煙氣凈化工藝廠家的廢氣污染物排放系數(shù)進行估算，獲得的排放系數(shù)分布在三個排放量級：顆粒物和4種氣態(tài)污染物的g/t、重金屬污染物的mg/t以及二噁英類的μgTEQ/t。與第一次全國污染源普查制定的國家系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，顆粒物、SO2的排放系數(shù)有顯著下降，NOX的排放系數(shù)也有明顯下降，煙氣排放量系數(shù)基本持平，一污普至二污普十年間生活垃圾焚燒廢氣污染物排放控制成效由此可見。