燃煤電廠重金屬排放與周邊土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

馮亦立 王家源

(1.深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東 深圳 518049；2.武漢市生態(tài)環(huán)境局，湖北 武漢 430022)

燃煤發(fā)電是我國(guó)主要的電力來(lái)源[1]，截至2020年11月，我國(guó)燃煤發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)10.7億kW，占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量的50.47%。隨著公眾環(huán)境意識(shí)的不斷增強(qiáng)，燃煤鍋爐燃燒后釋放的重金屬對(duì)大氣和土壤環(huán)境造成的危害已受到廣泛關(guān)注[2-3]。TIAN等[4]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)燃煤電廠通過(guò)各種途徑排放到環(huán)境中的As、Pb、Cd、Cr和Hg分別達(dá)335.0、705.0、13.3、505.0、119.0 t。NRIAGU等[5]研究發(fā)現(xiàn)燃煤電廠排放的各種重金屬物質(zhì)約占人為排放源的2%～17%。由于燃煤電廠自身的工業(yè)特性，其污染排放呈現(xiàn)排放總量高、排放連續(xù)集中的點(diǎn)源特征，受區(qū)域大氣擴(kuò)散條件影響較大[6]。

目前，國(guó)際上針對(duì)燃煤電廠煙氣中重金屬排放均有不同程度的要求和限制，美國(guó)和歐盟分別制定了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制煙氣中重金屬排放，我國(guó)現(xiàn)行的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)主要針對(duì)SO2、氮氧化物(NOx)、煙塵等排放做出了限定，重金屬上只規(guī)定了Hg的排放限值。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)燃煤電廠重金屬排放問(wèn)題進(jìn)行大量研究，陳姝娟等[7]、車(chē)凱等[8]、王春波等[9]研究了燃煤電廠部分重金屬元素排放特性及協(xié)同脫除工藝；劉軍等[10]通過(guò)對(duì)燃煤電廠周邊大氣重金屬污染進(jìn)行分析，研究了其分布特征及來(lái)源。然而這些研究主要針對(duì)燃煤電廠重金屬脫除工藝以及重金屬排放特征分析等方面，結(jié)合燃煤電廠煙氣中重金屬排放對(duì)周邊土壤重金屬污染的影響研究較少?；诖耍狙芯恳阅车湫腿济弘姀S為研究對(duì)象，測(cè)定了燃煤電廠煙囪入口煙氣中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As含量，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，采集了燃煤電廠周邊土壤樣品，分析了土壤中重金屬含量及分布情況，并對(duì)其污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在分析燃煤電廠氣態(tài)污染物中重金屬排放對(duì)周邊土壤重金屬污染影響，為燃煤電廠周邊重金屬污染預(yù)防和治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 燃煤樣品的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of burning coal samples

表2 燃煤樣品中重金屬質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentration of heavy metals in burning coal samples mg/kg

1 樣品采集與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處太行山和燕山圍成大簸箕形地形的中部，屬于暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫12 ℃，年均風(fēng)速2.6 m/s，年均降水量550 mm。研究區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸蔽鞅憋L(fēng)(NNW)，相應(yīng)風(fēng)頻為8%，當(dāng)?shù)氐牡匦翁卣骷皻夂驐l件使燃煤電廠排放的氣態(tài)污染物易于在區(qū)域內(nèi)堆積。

1.2 燃煤電廠概況

研究的燃煤電廠建有兩臺(tái)350 MW超臨界供熱機(jī)組，煙氣凈化系統(tǒng)依次設(shè)置選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)(SCR)、靜電除塵器(ESP)、濕法脫硫系統(tǒng)(WFGD)和濕式電除塵器(WESP)等處理設(shè)施。機(jī)組使用的燃煤為內(nèi)蒙古煙煤和褐煤的混合煤，燃煤樣品的工業(yè)分析和重金屬質(zhì)量濃度分析見(jiàn)表1、表2。

1.3 樣品采集及采樣點(diǎn)布置

根據(jù)燃煤電廠所在地的地形特征并結(jié)合主導(dǎo)風(fēng)向，在燃煤電廠主導(dǎo)風(fēng)向的上下風(fēng)向及垂直方向的不同距離處分別設(shè)置采樣點(diǎn)，在主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向3 000、4 000 m左右增設(shè)采樣點(diǎn)，共采集19個(gè)表層土壤樣品(0～20 cm)，采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。土壤樣品采集嚴(yán)格執(zhí)行四分法操作過(guò)程，將土壤樣品縮分后取1 kg裝入聚乙烯袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，并做好采樣時(shí)間和全球定位系統(tǒng)(GPS)位置記錄，具體方法參考《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)。

圖1 燃煤電廠周邊土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Soil sampling sites around coal-fired power plant

在機(jī)組滿負(fù)荷工況下，使用煙氣重金屬采樣裝置在煙囪排放口斷面以連續(xù)等速采樣方式采集1.0 m3樣氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，重復(fù)采集3組樣品，并將吸收液裝入玻璃瓶中密封，濾膜裝入密封盒保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.4 樣品檢測(cè)

采用《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 15617—1996)中的方法對(duì)煙氣吸收液和濾膜進(jìn)行預(yù)處理及分析；采用iCAP TQ型電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)儀(美國(guó)Thermo Fisher)對(duì)土壤中Cd、Cr、Ni、Pb含量進(jìn)行檢測(cè)，具體操作參照《土壤和沉積物 12種金屬元素的測(cè)定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)；采用9230型原子熒光光譜(AFS)儀對(duì)土壤中Hg、As含量進(jìn)行檢測(cè)，具體操作參照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定 微波消解原子熒光法》(HJ 680—2013)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，每組樣品通過(guò)加入替代物和內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行回收率分析，同時(shí)采用平行樣和空白樣品方法進(jìn)行質(zhì)量控制[11]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)燃煤電廠周邊土壤重金屬污染情況，單因子污染指數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(1)，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為第i種重金屬的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中第i種重金屬的測(cè)定值，mg/kg；Si為第i種重金屬背景值，mg/kg，本研究中Si取值參考文獻(xiàn)[12]；PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為單因子污染指數(shù)的最大值；Piaver為單因子污染指數(shù)的平均值。

單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣中重金屬元素的排放

燃煤電廠排放的煙氣經(jīng)過(guò)脫硫、脫硝、除塵等處理設(shè)施后從煙囪排放至大氣環(huán)境。由表4可見(jiàn)，煙氣中重金屬質(zhì)量濃度排序?yàn)镹i>Cr>As>Hg>Pb>Cd，根據(jù)燃煤電廠煙氣排放量計(jì)算出該廠通過(guò)煙氣向大氣環(huán)境中排放的Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd分別為19.08、6.20、5.07、4.80、1.21、0.18 kg/a。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于燃煤電廠重金屬排放要求主要執(zhí)行GB 13223—2011，該標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)Hg的排放進(jìn)行限定，對(duì)其他重金屬均無(wú)要求。《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)雖然對(duì)重金屬排放提出要求，但規(guī)定的限值較高，參考意義有限。因此，本研究參考USEPA在2011年12月頒布的火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[13]，按照燃煤電廠每年運(yùn)行5 000 h、平均負(fù)荷率為75%計(jì)算，計(jì)算單位發(fā)電量下Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd排放量分別為7.27、2.36、1.93、1.83、0.46、0.07 mg/(MW·h)，均滿足USEPA規(guī)定的排放限值要求，說(shuō)明該燃煤電廠煙氣重金屬排放量相對(duì)較低。

2.2 燃煤電廠周邊土壤中重金屬含量特征

對(duì)燃煤電廠周邊土壤中6種重金屬質(zhì)量濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中第一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(pH>7.5)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。從平均值來(lái)看，燃煤電廠周邊土壤重金屬含量為Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，6種重金屬均滿足第一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值要求，表明該燃煤電廠周邊土壤的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總體較低。與寧東基地燃煤電廠周邊土壤重金屬含量[14]相比，本研究中Cr、Pb含量明顯偏高，Cd、Hg含量相對(duì)偏低；與山西某火力發(fā)電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬含量[15]相比，本研究中Cr、Ni含量明顯偏高，其他重金屬含量基本相近。可見(jiàn)不同燃煤電廠周邊土壤中重金屬分布規(guī)律存在一定差異，說(shuō)明燃煤電廠土壤重金屬含量除受燃煤電廠煤種差異、機(jī)組負(fù)荷等影響外，同時(shí)與區(qū)域擴(kuò)散條件、周邊環(huán)境、交通情況和人為活動(dòng)也有一定的相關(guān)性。

表3 土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard for classification of heavy metal pollution in soil

表4 燃煤電廠重金屬排放量1)Table 4 Heavy metal emissions from coal-fired power plant

表5 土壤中重金屬質(zhì)量濃度的描述性統(tǒng)計(jì)Table 5 Descriptive statistics of soil heavy metals mass concentrations

將燃煤電廠周邊土壤中重金屬含量與該區(qū)域土壤背景值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)Cd、Cr、Hg、Ni和Pb的平均值明顯高于背景值，As的平均值低于背景值。這是因?yàn)锳s受工業(yè)污染影響較少，且可以與土壤中Fe、Al、Ca離子相結(jié)合形成難溶化合物發(fā)生共沉，或被植物吸收等方式使其在環(huán)境中的濃度逐漸降低[16]。因此，As在不同地域內(nèi)受自然環(huán)境影響較大。6種土壤重金屬濃度的變異系數(shù)為17%～100%，屬于中高度變異，尤其是Cd、Hg的變異系數(shù)分別達(dá)94%、100%，表明土壤中重金屬含量呈不均勻分布狀態(tài)，區(qū)域差異明顯。

2.3 燃煤電廠周邊土壤重金屬分布特征

對(duì)燃煤電廠周邊土壤重金屬的分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Cr、Hg均表現(xiàn)為在燃煤電廠常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向含量較高，而常年主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向含量較低。As、Ni、Pb、Cd在燃煤電廠周邊各風(fēng)向上的含量變化無(wú)明顯差異。煙氣中Hg、Cr排放濃度相對(duì)較高，且在燃煤電廠常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向含量高于其他方向，表明煙氣中Hg、Cr含量與燃煤電廠周邊土壤中的含量存在一定的正相關(guān)關(guān)系。煙氣中Ni排放濃度最高，但在燃煤電廠周邊各風(fēng)向上的含量變化無(wú)明顯差異，這可能與Ni的化學(xué)性質(zhì)和沉降特征有關(guān)；Cd、Pb在煙氣中排放濃度較低，而燃煤電廠周邊土壤中含量卻相對(duì)較高，且濃度分布與風(fēng)向條件之間無(wú)明顯規(guī)律，表明Cd、Pb除受燃煤電廠氣態(tài)污染物排放影響外，同時(shí)受其他散狀污染源影響較為明顯。這與張金良等[17]、方鳳滿等[18]所研究的規(guī)律相一致，可見(jiàn)Hg、Cr是燃煤電廠氣態(tài)污染排放的特征元素。

此外，隨著與燃煤電廠的距離增加，土壤樣品中的重金屬含量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，以常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向?yàn)槔?，土壤中重金屬含量在距離燃煤電廠2 000～3 000 m時(shí)達(dá)到最高，而后逐漸降低。這是由于為了便于污染物的擴(kuò)散，燃煤電廠煙囪高度一般設(shè)置在200 m以上，而最大落地濃度與煙囪距離和高斯大氣擴(kuò)散模型相關(guān)。隨著與燃煤電廠距離繼續(xù)增大，擴(kuò)散面積也隨之增大，對(duì)氣態(tài)污染物起到一定稀釋作用，因此落到地面的濃度逐漸降低。

2.4 燃煤電廠周邊土壤重金屬污染水平分析

經(jīng)計(jì)算，燃煤電廠周邊土壤中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As的單因子污染指數(shù)分別為2.22、1.84、2.05、2.28、1.67、2.22，6種重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.16，Cd、Hg、Ni、As處于中度污染水平，Cr、Pb處于輕微污染水平，土壤總體表現(xiàn)為重度污染水平。由前文分析可知，該燃煤電廠周邊土壤的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總體較低，但評(píng)價(jià)結(jié)果顯示重金屬污染水平較高，這可能與本研究使用的背景值為1990年測(cè)定的中國(guó)土壤元素背景值，年代較久遠(yuǎn)，故而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏高?？偠灾?，雖然目前燃煤電廠已經(jīng)設(shè)置了SCR、ESP、WFGD、WESP等煙氣凈化設(shè)施，但仍需進(jìn)一步加強(qiáng)煙氣中重金屬的脫除技術(shù)手段以保護(hù)周邊土壤環(huán)境。

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過(guò)煙氣凈化處理系統(tǒng)后，燃煤電廠煙氣中6種重金屬元素的排放質(zhì)量濃度為0.02～2.00 μg/m3，向大氣中排放各種重金屬元素為0.18～19.08 kg/a，單位發(fā)電量的重金屬排放量滿足USEPA對(duì)火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 燃煤電廠周邊表層土壤重金屬平均值依次為Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，重金屬平均值均滿足GB 36600—2018中第一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值要求，表明該區(qū)域土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。研究區(qū)內(nèi)6種含量呈不均勻分布狀態(tài)，區(qū)域差異明顯。

(3) Cr、Hg在燃煤電廠常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向含量較高，而常年主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向含量較低。As、Ni、Pb、Cd在電廠周邊各風(fēng)向上的含量變化無(wú)明顯差異。煙氣中Hg、Cr含量與燃煤電廠周邊土壤中相應(yīng)元素含量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，是燃煤電廠氣態(tài)污染排放的特征元素。燃煤電廠周邊各個(gè)方向土壤中重金屬元素含量呈現(xiàn)隨煙氣排放距離增加而先增大后減小的趨勢(shì)。

(4) 燃煤電廠周邊土壤重金屬污染水平分析結(jié)果表明，Cd、Hg、Ni、As處于中度污染水平，Cr、Pb處于輕微污染水平，需進(jìn)一步加強(qiáng)煙氣中重金屬脫除的技術(shù)手段以保護(hù)周邊土壤環(huán)境。