基于HRA的邻避区域焚烧污染风险评估

朱阳光,杨 洁,乔萌萌,周 芮,毛嘉玲,杨 成 (苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏 苏州 215009)

生活垃圾焚烧以减量化、无害化和热能回收等优点而被政府决策部门接受[1],但焚烧过程不可避免产生烟气污染物,如氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、颗粒物(PM)、各类重金属以及二噁英类(PCDD/Fs)等[2-4],会加重邻避区域环境污染[5-6],危及邻避居民健康安全[7-8].垃圾分类回收制度混乱无序,净化工艺设备维护管理滞后,焚烧发电与供热产能不足,烟囱口污染物持续超标外排等,已经凸显我国焚烧厂运营管理诸多不足[9].环境风险管理对象、关键控制节点等不明晰,导致风险管理行为缺乏针对性,在控制失效下风险因子易转换成环境污染事故[10].为保障邻避居民健康安全,改善邻避区域生态环境,优化我国邻避区域焚烧风险决策和提高风险管理效率,已刻不容缓.

根据美国化学工程师学会(AIChE)对风险值定义,即风险=F(概率,后果)[11],邻避区域垃圾焚烧中存在的环境风险,以焚烧设施发生事故概率与其造成风险受体后果损失的乘积来表征.事故树分析法(FTA)描述事故发生从后果到原因的逻辑关系[12],可作为分析工具定量化估算焚烧事故概率.而焚烧事故造成邻避区域内风险受体的后果损失,涉及健康[13]、环境[14]、经济[15]等方面,为便于理论分析、缩小研究主体范围,本文侧重于邻避居民的健康损失来表征后果变量[16].而健康风险评估(HRA)则提供了这一技术方法[17],其主要特点是以风险度作为评价指标,利用毒理学、流行病学、环境测定和临床资料为基础,定量化评估特定暴露人群的健康风险程度[18].邻避区域垃圾焚烧与周边人群健康风险关系,国外学者通过实证研究已趋向成熟[19-22],研究拓展到大气污染扩散模型,广泛应用于区域复杂地形的有ADMS 模型[23]、AERMOD 模型[24]和 CALPUFF模型[25],在复杂气象(如风速、风向)、复杂地形条件下等,模拟烟气污染物浓度扩散分布规律[26-27],结合 GIS技术可视化邻避居民健康风险区域分布图[28-29].但研究模型分析受限于复杂、耗时,不便于企业及时预测邻避居民健康风险及可接受性.国内学者也已针对焚烧厂污染源相继开展大量的健康风险评估[30-33],但研究内容多集中于单一污染物,未能估算邻避区域焚烧风险总体水平.企业不能及时预估焚烧风险,无法以经济成本投入高效控制风险.为便于企业在有限可利用资源下,以较少时间、成本投入,及时预估多种污染物引发下风向邻避区域内的复合风险,本文提出邻避区域范围定量化界定方法,构建邻避区域焚烧污染风险评估模型,并给出其可接受性标准.以浙江省某市生活垃圾焚烧厂为例,科学估算其邻避区域焚烧污染风险,并提出控制措施应对,以期为我国焚烧厂管理提供决策参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与数据来源

研究区域位于浙江省某市城区内,区域地面气象参数统计(包括风向、风速、气温等)来源于中国气象局全球地面站(台站号58457)2016年逐日定时观测数据.该区域春夏季节盛行南西南风(SSW),秋冬季节盛行正北风(N),静风频率为2.16% (＜0.5m/s),焚烧烟气污染物扩散受到季风期内主导风向影响比较明显.大气稳定度可由季风期内太阳高度角均值计算[34]、太阳辐射等级以及地面风速查出[35-36].具体数值如表1.

研究对象位于该区近郊内(30°23'56″N,120°17'42″E),装有2台375t/d异重循环流化床生活垃圾焚烧炉,配2台6MW汽轮发电机组,炉后配置2套SNCR脱硝+半干式脱酸+布袋除尘+活性炭吸附的烟气净化装置.净化后的烟气经组合式烟囱外排,内有2个独立排气筒,内径1.9m,高度60m.烟气流速为 18m/s,外排温度 130℃,标况下烟气流量为125000Nm3/h,焚烧炉24h连续生产运营.根据该厂提供污染源自行监测方案,对烟囱排放口污染因子浓度 SO2、NOx、PM 采取自动监测方式,HCl、Cr、Cd、PCDD/Fs等委托其他公司进行手工监测,其中 SO2、NOx每日监测 1次,颗粒物 1 次/月,HCl、Cr、Cd 为 1 次/季度,二噁英 1次/a.本文针对 2015-07-31～2016-08-01期间焚烧厂烟囱排放口污染物浓度外排进行研究,浓度数据来源于浙江省企业自行监测信息公开平台.

表1 2016年研究区域气象参数值Table 1 Meteorological parameter for study area in 2016

1.2 风险评估模型与方法

焚烧厂风险因子识别,针对烟囱口污染因子i(主要为 SO2、NO2、HCl、PM10、Cd、Cr、PCDD/Fs等)排放进行研究.根据焚烧设施运营状况,本文比较两类风险情景设置：RA(运营达标排放下的风险水平)以及 RB(烟气净化系统失效下超标排放的风险水平)[37].这两类风险类型下,污染物长期持续外排,引发下风向邻避居民健康损失累积效应.为明确受焚烧风险影响下的区域人群特征,需对邻避区域范围定量化界定,进而构建邻避区域焚烧污染风险评估模型.根据各污染因子毒性参数选择和在线监测浓度数据收集,对RA、RB进行表征,并分别提出控制措施,如图1.

图1 环境风险评估框架Fig.1 Flow chart of environmental risk assessment

1.2.1 邻避区域界定方法 本文主要考虑环境污染物对机体长期慢性或蓄积性作用,为保护研究区域内(包括敏感人群等)机体经各种途径接触污染物,而不致引起超出生理性健康损害变化.邻避区域界定原理为：在研究区域不同气象条件下,预测焚烧厂高架点源下风向各点污染物浓度,以超出居民区日平均最高容许浓度的最远距离范围作为依据[38].根据邻避区域内气象条件,选择高斯模型对烟气污染物扩散进行模拟[39],以污染源扩散至地面浓度模拟值的空间分布规律界定邻避区域范围(图2).

式(1)为烟气污染物浓度扩散模型理论公式,式(2)表征邻避区域边界判定条件.

图2 邻避区域范围界定框Fig.2 Defined boundary for NIMBY area

选择污染因子NO2为基准界定,为超标期内平均浓度值.,以2014年浙江省某市居民区NO2年均浓度值表示[41].

1.2.2 RA表征方法 焚烧厂正常运营与达标排放期间,污染因子 i在不同气象条件下造成邻避区域k内居民健康风险损失为：

1.2.3 RA控制方法 RA表征焚烧污染源排放造成邻避居民健康风险损失水平.由于我国垃圾焚烧污染控制标准与欧美国家存在一定差距

[42-44],而邻避居民作为环境风险受体,即使污染因子 i排放均已达国标,却因污名化效应而对焚烧源长期持续排放担忧恐惧,结果在未来仍有可能影响企业与政府决策稳定性,其根源控制在于有效降低焚烧厂自身辐射出的风险水平[45].因而在焚烧设施正常运营时,企业在自身经济投入可承受下,应尽可能降低烟囱污染物排放口浓度

[46],以达到RA最优化风险可接受水平.

图3 净化工艺参数Fig.3 Parameters of purification system

为便于企业有效管理RA,以可接受的经济成本投入,达到国标下最优化风险水平.根据相关资料参考与焚烧行业调查等数据收集[47-49],整理出可达新标下的 7类烟气净化设备,如半干式反应脱硫塔(PS1)、SNCR脱硝喷射(PS2)、SCR催化反应器(PS3)、钙碱法湿式脱硫塔(PS4)、臭氧脱硝(PS5)、活性炭吸附(PS6)、布袋除尘器(PS7).不同工艺设备参数取值如图3.结合余热锅炉出口风险因子 i浓度值,算出.以值为纵坐标,相应烟气净化成本作为横坐标绘制曲线图来分析.

1.2.4 RB表征方法 本文将烟气净化系统失效后果与事故发生概率乘积来表征以该焚烧厂2015-7-31～2016-8-1全年运营期内,污染因子实测数据超标的频率表征.为真实有效反映超标期内各污染因子i排放对邻避居民健康损失效应贡献程度,构建 βiw因子,风险水平值以表征,

图4 40座焚烧厂污染物新旧标准超标率Fig.4 Pollutants ratio exceedance over old and new standard from 40 incinerators

1.2.5 RB控制思路 由式(4)得出,RB与焚烧厂规模以及烟气净化工艺有关.因此,企业在针对RB控制时,根据所选的焚烧炉设备及其烟气净化工艺,需满足 max RB≤RA*.若 RB＞RA*,即意味着此烟气净化系统污染因子 i类风险指数超标.若 B类事故风险一旦发生,造成的邻避区域环境污染难以在短时间内得到修复.此时,企业需根据烟气监测数据超标与现场设备运营状况,及时找出工艺系统故障原因,并进行针对性维护,以降低其故障发生概率.

1.3 邻避区域人群呼吸暴露风险评估癌物因子i对人体致癌强度系数,[mg/(kg·d)]-1.针对非致癌物HCl、PM10,尚未给出摄入RfD值,但根据 IARC给出暴露参考浓度 RfC(HCl)=0.02mg/m3,RfC(PM10)=0.05mg/m3,根据式(7)来分别计算 HCl、PM10参考剂量以及对人体非致癌物剂量-效应值

人体暴露焚烧烟气的途径主要有 3种,包括呼吸道、消化道(经口暴露)和皮肤暴露,而其中呼吸暴露是厂外空气敏感人群接触污染源最为直接的暴露途径[31].人体对污染因子i(SO2、NO2、HCl、PM10、Cd、Cr)健康风险暴露途径主要为呼吸摄取,二噁英为食物摄取和呼吸摄取2种[51].以选取的MSWI为研究对象,开展邻避区域人群呼吸暴露风险评估.

1.3.1 暴露模型 根据目前国内外常用的呼吸暴露量化方法[52-53],儿童和成人经呼吸摄入非致癌物的量 ADDi与致癌物的量 LADDi,分别按以下公式计算：

式中：ADDi为非致癌物因子i的单位体重日均暴露剂量,mg/(kg·d);LADDi为基于生命周期的致癌物因子i经呼吸途径终生日均暴露量, mg/(kg·d);ci'(x)为邻避区域大气污染物浓度值, mg/m3;IRinh为摄取速率,m3/d;EF为暴露频率,d/a; ED为暴露年限,a; BW为人群平均质量, kg; AT为平均作用时间,d.

1.3.2 剂量-效应参数选择 根据国际癌症研究机构(IARC)[54],将污染物 SO2、NO2、HCl、PM10划为非致癌物,Cd、Cr、PCDD/Fs划为致癌物.

对于非致癌物的毒性评估采用参考剂量RfDi表述,为非致癌物因子 i在呼吸摄取暴露途径下的参考剂量,mg/(kg·d);致癌物的毒性评估采用致癌斜率因子 SFi表述,为由动物推算出来致

表2 邻避区域人群呼吸暴露参数值Table 2 Exposure parameter values of human inhalation in NIMBY area

1.3.3 风险表征 非致癌物健康风险以Rn进行表征,致癌物健康风险以 Rc进行表征[59],计算公式如下：

式中：10-4为个体非致癌物健康风险终生最大可接受水平[30].分别为非致癌物与致癌物因子i对人体健康风险剂量-效应值, m3/(mg·a).评估模型相关参数取值如表2～表3.

表3 烟气污染物毒性参数Table 3 Toxic parameters for flue gas pollutants

2 结果与讨论

2.1 邻避区域范围界定

图5 污染物地面轴线浓度扩散趋势Fig.5 Diffusion trend of pollutants in ground axis concentration

对邻避区域范围进行定量化界定,如图5,分为两类：工商业区,春夏季节盛行南西南风(SSW),范 围 为 xSSW∈[663m,1760m], ySSW∈[-150m,150m]. ρa=0.0015 人/m2,Sa=3.29×105m2;居民区,秋冬季节盛行正北风(N),范围 xN∈ [930m,2280m],yN∈[-125m,125m]; ρa=0.004 人/m2, Sa=3.375×105m2.具体空间分布区域如图6.

图6 邻避区域实际范围界定Fig.6 Actual boundary for NIMBY area

2.2 风险评估结果

根据该焚烧厂 2015-07-31～2016-08-01期间烟气污染物浓度在线监测结果,如图7,在达标期内,污染因子 PM10、SO2、NO2浓度值接近于新标准(GB 18485-2014)浓度限值,HCl浓度值较标准低很多, Cd、Cr缺乏有效监测数据,二噁英检测浓度值为0.021ng/m3(达标).

图8中,超标期内PM10与酸性气体(SO2、HCl)超标情况严重,在春夏季超标率分别为 51.9%和76.5%;秋冬季分别为54.9%和67.6%,与图4中数据相比,已远超平均水平,说明该焚烧厂半干式脱硫塔与布袋除尘系统运营中存在严重失效故障.

由于该厂对 HCl、Cd、Cr、二噁英等污染因子实时在线检测设备缺乏,相应超标期内浓度数据无法收集,本文采用超出标准(GB 18485-2014)限值一倍的浓度值计算.由式(1)可计算超标期内各污染因子沿下风口邻避区域内地面浓度均值,如表4.针对不同气象条件下SSW、N,以NO2为例,模拟烟气污染物经大气扩散至邻避区域地面浓度分布规律,如图9.

图7 运营期内烟气污染物浓度动态变化Fig.7 Dynamic changes of pollutant concentrations during operating periods

图8 烟气污染物超标率Fig.8 Ratio exceedance of gas pollutants

针对Cd、Cr、二噁英在超标期内超标率PBi计算处理,因污染因子超标均属于活性炭吸附系统出现失效故障所致,本文以图4中重金属超标率最大值来估算,以7.83%的Hg超标率来表征.

表4 不同情境下烟气污染物浓度值(mg/m3)Table 4 Concentration of pollutants in different situations(mg/m3)

图9 污染物地面浓度大气扩散分布规律模拟Fig.9 Simulation of pollutant ground concentration distribution by atmospheric dispersion

2.3 风险控制措施

根据图10,其中,RA1→PS1+PS2+PS6+PS7;RA2→PS1+PS3+PS6+PS7; RA3→PS1+PS5+PS6+PS7; RA4→PS3+PS4+PS6+PS7; RA5→PS4+PS5+PS6+PS7; RA6→PS2+PS4+PS6+PS7.企业在经济成本可承受区间[a,b]内,可根据自身焚烧垃圾成分,以及烟气污染物的指标去除要求,选择达到最优化风险水平的烟气净化组合工艺.

图10 RA与Δc(投入)之间关系Fig.10 RA and Δc(invest) relationship diagram

由于RB＞RA*,SO2、HCl、颗粒物浓度超标严重,说明该焚烧厂半干式脱硫塔与布袋除尘系统存在严重失效故障.这两类设备现场运营状况应重点被监管,并针对故障原因及时维护与管理.

2.4 不确定性分析

2.4.1 毒性参数取值的不确定性 毒性参数RfDinh、SFinh在不同国家及地区存在着差异;环境中不同类型污染因子对邻避居民健康毒性效应,模型以相加作用简化处理,而实际可能存在更为复杂的拮抗或协同作用机理[65],均会对健康风险结果造成一定影响.

2.4.2 区域参数实测数据取值的不确定性 如参数ρk、C(i,j)w(x,y,0)等在下风口分布呈现区域性差异,当地人口统计资料匮乏,人群居住生活模式复杂多变.为便于模型风险分析进行简化,均采用平均值处理.对烟气净化工艺设备成本取值,源自于焚烧企业调研出的设备清单统计,然而不同企业不同区域对相同工艺设备的市场价格也不尽相同,均会对结果产生影响.

2.5 讨论

2.5.1 模型的精确度与适用性论证 垃圾焚烧厂在选址时,因其环境污染属性,会选择远离人口密集型居民区和环境敏感型生态区,认为烟囱高度大于邻避区域内建筑物高度的 2.5倍,无需考虑建筑物下洗作用.针对连续点源小尺度大气扩散(＜10km),一般只需考虑大气的扩散稀释作用,可不考虑污染物的化学转化等过程[66].通过大量小尺度扩散实验,特别是在平原或较平坦地区实验表明,污染物质在大气中扩散浓度基本接近正态分布[67].针对邻避区域小尺度内(＜10km)焚烧烟气污染物扩散,如研究对象地处平原地带,邻避区域内以村庄、民房等低层建筑物为主,不同季风期平均风速均＞2m/s等,适用于环评导则93推荐的高斯扩散模拟[68].环境数学模型构建,需要同时具备精确度和简单实用性,而这两者之间呈反比关系[69].高斯模型对气象资料要求低,求解简单,利于企业快捷应用.为论证其有效性,与已被认可的AERMOD模型相比较,在简单地形下,与实测值吻合度较好[70].在复杂地形下(不考虑建筑物下洗),采用地形修正项等可保证精确度要求[71].在处理对流条件浮力烟羽、垂直扩散以及混合层相互作用等方面,AERMOD模型模拟精确度相对更高,能更好反映污染物的实际扩散

[72].但对气象资料要求高,求解复杂,企业应用困难.当实际存在少数焚烧厂(考虑建筑物下洗)情况,93导则推荐模型基本不再适用,而AERMOD模型仍具备较高精确预测性[73].此时如何在保证精确度下,将其有效引入且简化求解过程,有待进一步研究.

2.5.2 模型的实际应用探讨 研究对象选择RA1的净化组合工艺,产生风险值接近 RA*,如图10.在国内已有应用成熟的净化工艺设备选择上,仍有很大潜力空间(RA下降),与我国焚烧业内行情相符.低价竞争、垃圾供应不足导致产能低下等,致使企业在满足国标下,尽可能降低设施监管成本,这与本文提出 RA控制方法(以最优化可接受风险水平确定经济投入成本)相悖,不利于 RA有效控制.地方政府应引导良性竞争,给予合理补贴费用,制定优惠政策支持,激励企业今后投入更多成本,维护设施风险管理.

由式(4)得,企业针对 RB可控变量为,焚烧设施实际运营下当 max RB≤RA*,运营期内 PBtotal、Cφ(i,j)处于较低水平,主要与非正常运营如点火开炉、设备维修等系统因素有关,无法避免,为可容许范畴.若 RB＞RA*,则 PBtotal、Cφ(i,j)处于较高水平,主要与工艺设备运转异常、监管失效等人为因素有关,期间排放造成邻避居民风险损失不可接受,容易引发邻避居民不满情绪.超标期内一系列指标监测数据,可转化为下风向邻避居民风险损失值,意味着RB评估模型可作为纽带桥梁,连接企业设施运转状况与邻避居民态度变化趋势,可为地方政府对两者兼管的一种有效预警指示,值得深入研究.

2.5.3 研究展望 对邻避区域范围定量界定,如图4,排除距离MSWI中心几百米辐射范围,说明该区域烟气污染物扩散对邻避居民健康风险影响较小,提示该区域存在其他不同类型的焚烧污染风险源.因焚烧风险具备缓发性和突发性双重属性,为便于理论模型构建,本文仅考虑焚烧风险的缓发性,其风险源对应烟气净化系统失效产生烟气污染物,体现在下风向邻避居民健康损失长期累积效应.而实际焚烧风险源还包括有毒气体如氨气等泄露爆炸事故,飞灰、底灰、垃圾渗滤液等危废泄露外排,会对下风向几百米范围内环境和居民损害很大,此类风险源具有突发性,有必要对此进一步研究,以丰富和完善邻避区域尺度内风险模型理论与实际应用性.

3 结论

3.1 结合焚烧设施运营状况,将焚烧风险细分为 RA与 RB.为有效评估污染物扩散影响,得到邻避区域范围定量化界定方法,构建邻避区域焚烧污染风险评估模型,并给出其可接受性标准,即RA≤ RA*,RB≤RA*.

3.2 对邻避区域范围进行定量化界定,分为两类：(a)工商业区,春夏季节盛行南西南风(SSW),范围xSSW∈[663m, 1760m], ySSW∈[-150m, 150m];(b)居民区,秋冬季节盛行正北风(N),范围 xN∈[930m,2280m], yN∈[-125m,125m].

3.3 2015-7-31～2016-8-1焚烧厂运营期间,颗粒物与酸性气体(SO2、HCl)浓度超标情况严重.春夏季超标率分别为 51.9%和 76.5%;秋冬季分别为54.9%和67.6%.

3.5 针对 RA控制,根据 6类烟气净化工艺组合与相应Δc(投入)估算,能够为焚烧厂以可接受成本投入,选择最优化风险水平的工艺类型.针对 RB控制,半干式脱硫塔与布袋除尘设备运营状况应该重点被监管,并针对故障原因及时维护与管理.

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