上海市生活垃圾焚烧大气污染物排放特征与排放系数研究

蒋轶伦,董 威,陈 立

(宝钢环境监测站，上海 201900)

引 言

2015年我国内地设市的656个城市的生活垃圾清运量为1.91亿t，生活垃圾无害化处理率达94.1%；无害化处理以卫生填埋为主，约占总量的64%，焚烧处理量约占无害化处理总量的34%[1]。近年来随着生活垃圾焚烧处理技术的发展和政府部门的政策引导，城市生活垃圾填埋量开始出现下降趋势，生活垃圾焚烧处理量逐步增加。据统计，截至2016年底我国投入运行的生活垃圾焚烧发电厂有250座，其中采用炉排炉的有168座，总处理能力为23.8万t/日[1]。对于城市生活垃圾处理来说，焚烧处理技术具有占地较省、减量效果明显、余热可以利用等优点。生活垃圾焚烧大气污染物包括颗粒物、SO2、NOX等固定污染源排放总量控制目标污染物、以Hg为代表的重金属及其化合物以及高环境毒性的痕量污染物二噁英类[ 2-3]等。

目前我国污染源普查核算中生活垃圾焚烧的主要大气污染物产排放系数主要来源于2007年第一次全国污染源普查所编制的《集中式污染治理设施产排污系数手册》(2010修订)，具有一定的参考价值。但一则该手册编制时间较早，对应的是当时的生活垃圾焚烧和烟气净化系统水平，系数更新不及时；二则目前重点关注的一些大气污染物因子之前没有被纳入编制和研究范围，如汞、镉、铅、铬、砷5种废气重金属污染物。

本研究通过污染源排气实测方法，对上海市5家代表当前焚烧技术水平的生活垃圾焚烧厂排放的主要大气污染物进行系统的手工监测，并归纳分析上海市生活垃圾焚烧烟气中颗粒物、SO2、NOX、CO、HCl、重金属、二噁英类等污染物的排放状况和变化特征；结合生活垃圾焚烧厂生产资料和监测现场工况，估算出各项大气污染物的排放系数，使相关大气污染物排放量的核算更加符合本地实际情况，为生活垃圾焚烧厂的环保管理、科学决策提供依据。

1 研究方法

1.1 研究对象

本研究以上海市5家生活垃圾焚烧厂的共24台次生活垃圾焚烧炉排放烟气中的大气污染物为研究对象。5家生活垃圾焚烧厂的基本情况见表1。

表1 本研究所涉上海市生活垃圾焚烧厂基本情况Tab.1 Information of the municipal solid waste incineration factories in this study

1.2 采样与分析

烟气样品采集与分析参照上海市《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》(DB31/ 768—2013)表3中的污染物因子进行。按照《固定污染源监测 质量保证与质量控制技术规范》(HJ/T 373—2007)的要求进行样品采集与分析的质量保证和质量控制。

利用智能烟尘平行采样仪(武汉洪兴伟业，HX-611型)进行烟气量等烟气排放参数和颗粒物浓度的测定；利用智能烟尘平行采样仪(武汉洪兴伟业，HX-611型)配合石英纤维滤纸筒(日本TOYO ADVANTEC 88RH型，内径22 mm，外径25 mm，长90 mm)进行12种重金属成分的检测样品采集；利用便携式红外气体分析仪(北京雪迪龙，MODEL3080)进行烟气含氧量和气态污染物CO、SO2、NOX浓度的测定；利用烟气采样仪(青岛崂应，3072型)进行HCl的检测样品采集；利用烟气二噁英采样仪(美国Environmental Supply Company C-5100型)配合石英纤维滤膜(GE Whatman QMA型，直径82.6 mm)和大孔吸附树脂(Sigma-Aldrich Amberlite XAD-2型，目数：20/60目)进行烟气中二噁英类的样品采集。对共计24台次生活垃圾焚烧炉排放的烟气污染物进行了3次平行采样与检测，样品量共计648件。所有烟气污染物的实验室分析测定均采用DB31/ 768—2013表4所列的方法标准。

1.3 生活垃圾焚烧厂现场监测工况信息采集

对生活垃圾焚烧厂焚烧设施排放的烟气污染物进行监测时，相应的工况要求按照国家相关环境保护标准《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)和《固定源废气监测技术规范》(HJ/T 397—2007)的规定执行。本研究实际监测期间，各生活垃圾焚烧厂的焚烧设备和废气治理设施均正常运行，工况条件符合监测要求。

为估算废气污染物排放系数，同步采集了各生活垃圾焚烧厂现场监测期间生活垃圾小时焚烧量信息。

1.4 大气污染物排放系数的制定

污染物产生系数指每单位原料的消耗，其所产生的指标污染物的量，单位为g(污染物)/t(原料)。经过末端治理技术(如：烟气净化设施)后，得到污染物排放系数，单位仍为g(污染物)/t(原料)，污染物排放系数理论上小于污染物产生系数。

本研究利用污染源实测法，采用以下公式估算生活垃圾焚烧大气污染物的排放系数：

式中：Ef为生活垃圾焚烧大气污染物排放系数，单位：g/t；Cf为废气污染物排放浓度，单位：mg/Nm3；vf为生活垃圾焚烧设施焚烧废气实测烟气量，单位：Nm3/h；Tf为现场监测期间生活垃圾焚烧量，单位：t/h。

2 结果与讨论

2.1 生活垃圾焚烧大气污染物排放浓度与达标状况

上海市5家生活垃圾焚烧厂稳定焚烧工况下各大气污染物排放小时平均浓度及烟气排放相关参数情况如表2所示。

表2 生活垃圾焚烧大气污染物排放浓度及烟气排放相关参数Tab.2 Concentrations and other emission parameters of the air pollutants for municipal solid waste incineration

从表2数据可以看出，5家生活垃圾焚烧厂的排放烟气中，颗粒物、CO、NOX、SO2、HCl、重金属及其化合物、二噁英类共15种检出大气污染物的排放浓度均未超过DB31/768中表3列出的相应污染物测定均值或日均值的排放限值，5家生活垃圾焚烧厂均实现了生活垃圾焚烧烟气的达标排放。

2.2 生活垃圾焚烧大气污染物排放特征

2.2.1 生活垃圾焚烧厂工艺装备分析

从表1对本研究进行监测的生活垃圾焚烧厂工艺装备的汇总情况可以看出，上海市这5家代表性生活垃圾焚烧厂具有以下共同点：(1)焚烧炉类型全部为炉排炉；(2)稳定工况下垃圾焚烧温度均在950～1 200℃区间，满足DB31/768中焚烧炉炉膛温度保持在850℃以上的要求；(3)烟气净化工艺相似，主要工艺为“SNCR脱氮+干法消石灰喷射+活性炭粉喷射+袋式除尘器+湿法洗涤”；(4)助燃剂有0#柴油和天然气两类，均为启炉阶段使用，稳定工况时不使用助燃剂，因此认为助燃剂燃烧对现场监测期间的垃圾焚烧烟气中的大气污染物无贡献；(5)A厂焚烧设施监测期间掺烧了医疗废物，掺烧比例为5%；E厂掺烧了市政污泥，掺烧比例为1%，其他3家焚烧厂不存在掺烧情况。

2.2.2 大气污染物排放特征

上海市生活垃圾焚烧烟气污染物中颗粒物、CO、SO2、NOX和HCl的排放浓度在mg/m3水平。9种检出重金属的排放浓度在μg/m3水平。从检出率看，重金属大气污染物中检出率最高的为As、Pb、Cr和Ni，在5家生活垃圾焚烧厂夏、冬两季的监测中均有检出；检出率次高的为Cd，E厂排放的焚烧烟气中未检出；检出率最低的重金属成分为Co，仅在E厂排放的焚烧烟气中检出。从排放浓度水平看，生活垃圾焚烧烟气中As、Pb、Cr、Cu、Mn、Ni的排放浓度在重金属废气污染物中相对较高，大多数分布在1～10 μg/m3区间；Cd的排放浓度主要分布在10-1μg/m3数量级；Hg和Co的排放浓度较低，均分布在10-2μg/m3数量级。

二噁英类是生活垃圾焚烧烟气中备受关注污染物。研究表明，生活垃圾焚烧排放是城市地区大气中二噁英类物质的最重要来源之一[4～6]。生活垃圾中废弃的塑料制品中的含氯有机物是形成二噁英的主要前驱体[7-8]。从表2和下图可以看出，本研究监测的上海市5家生活垃圾焚烧厂烟气中二噁英类的排放浓度均在0.06 ngTEQ/m3以下；A、B、C3家进行的夏、冬两季监测数据显示，二噁英类在冬季的排放浓度整体高于夏季。这与垃圾焚烧厂周边环境空气中二噁英类的季节变化特征研究结果一致[6,9]。

图 上海市生活垃圾焚烧废气污染物排放浓度Fig. Emission concentrations of the air pollutants for municipal solid waste incineration in Shanghai

考虑到重金属和二噁英类是医疗废物、市政污泥焚烧烟气中的特征污染物[10-11]，而生活垃圾焚烧厂A掺烧5%医疗废物、生活垃圾焚烧厂E掺烧1%市政污泥，但比较各厂的以上两类污染因子的排放浓度数值后未发现掺烧两厂的相应污染因子出现高值，表明如此小比例的掺烧对烟气中重金属与二噁英类污染因子的排放水平影响不大。E厂排放烟气中各检出重金属成分的排放浓度为5家生活垃圾焚烧厂中最低。另外，对各厂焚烧排放废气含氧量、含湿量进行的现场监测数据显示，各厂烟气含氧量在8.83%～10.38%之间，较为接近；除C厂外，各厂烟气含湿量分布在16.58%～18.75%之间，C厂夏、冬两季监测的烟气含湿量分别为8.43%和10.90%，低于其他4家焚烧厂的监测值。比较15种废气污染物的各厂排放浓度均值可以看出，C厂多项污染物的排放浓度都相较其他焚烧厂为高，这一方面与所焚烧的生活垃圾中各污染物含量不同有关；另一方面C厂采用的烟气净化工艺与其他4家生活垃圾焚烧厂略有不同，其采用“石灰半干法”而不是“干法消石灰喷射”来脱酸、后续也没有采用“湿法洗涤”工艺，这带来了排放的焚烧烟气含湿量和污染物浓度与其他焚烧厂排放的差异。

除上述二噁英类之外，其他14种检出废气污染物未显示出一定的季节趋势。A、B、C3家生活垃圾焚烧厂夏、冬两季的废气污染物排放浓度、排放参数平均值之间均达到显著正相关(r= 0.9999，N= 19,p< 0.001)，这反映出污染源实测法的监测对象——本地排放源相对稳定的排放特点。

2.3 生活垃圾焚烧烟气污染物排放系数确定

采用5家生活垃圾焚烧厂共24台次焚烧炉的大气污染物排放浓度和实测烟气量数据，结合监测现场工况，采用公式分别估算24台次焚烧炉生活垃圾焚烧废气污染物的排放系数。

如前所述，上海市这5家代表性生活垃圾焚烧厂的焚烧炉类型、焚烧温度和烟气净化工艺这3项对大气污染物排放系数影响最大的工艺参数[12]具有高度一致性；不同焚烧炉的各大气污染物的排放浓度相近，分布于同一数量级。因此，基于24台次焚烧炉的大气污染物排放系数估算值，对生活垃圾焚烧烟气量及15个大气污染物的排污系数估算值进行平均值、中位值取值，结果见表3。

表3 生活垃圾焚烧排放烟气量及各废气污染物排污系数实测法估算值Tab.3 Calculated emission coefficients of the flue gas volume and the air pollutants for municipal solid waste incineration

实测法估算出的各废气污染物排放系数分布在3个量级，分别是颗粒物和4种气态污染物的g/t、重金属污染物分布的mg/t以及二噁英类的μgTEQ/t。从表3还可以看出，除As、Pb、Cr、Cu、Ni这五种重金属废气污染物之外，从烟气量到二噁英的排放系数平均值与中位值都十分接近。与烟气中的颗粒物、SO2、NOX乃至二噁英类成分不同，废气重金属污染物主要靠喷射活性炭粉吸附与布袋除尘去除，而每家焚烧厂的生活垃圾组成甚至同一家焚烧厂不同“批次”生活垃圾中重金属成分都不尽相同，导致焚烧排放废气中各重金属成分的浓度差异相对较大，这可能是本研究实测法估算出的As、Pb、Cr、Cu、Ni等重金属废气污染物排放系数平均值与中位值相差较大的原因。

综上，本研究污染源实测法获得的排污系数平均值可代表上海市典型生活垃圾焚烧厂(即采用主流生产工艺及废气治理措施)的废气污染物排放系数。

2.4 上海市本地化排污系数与一污普国家系数的比较

将本研究获得的废气污染物排污系数与2007年第一次全国污染源普查(以下简称一污普)制订的《集中式污染治理设施产排污系数手册》(2010修订)中焚烧炉类型同为“炉排炉”的城镇生活垃圾焚烧处理设施排污系数进行比较，见表4。

表4 上海市生活垃圾焚烧废气污染物排污系数与一污普国家系数值的比较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

比较发现，本研究与一污普生活垃圾焚烧烟气量的排放系数十分接近，分别为4 283.54 Nm3/t和4 500 Nm3/t；颗粒物的排污系数有显著下降，从一污普的225 g/t降至10.95 g/t；NOX的排污系数也有所下降，从一污普的1 000 g/t降至611.09 g/t；SO2的排放浓度在本研究进行的大部分监测中已低于方法检测限值，仅获得3次有效监测数值(表3)，其排污系数平均值31.87 g/t，显著低于一污普的450 g/t，以上这些都反映出一污普至二污普十年间垃圾焚烧烟气净化工艺的升级和净化效率的提高。

3 结 论

3.1 采用污染源实测法对上海市5家代表性生活垃圾焚烧厂排放的烟气污染物进行了监测。5家生活垃圾焚烧厂均实现了生活垃圾焚烧烟气的达标排放，其中颗粒物、CO、SO2、NOX和HCl的排放浓度在mg/m3水平；9种检出重金属污染物的排放浓度在μg/m3水平；二噁英类的排放浓度均低于0.06 ngTEQ/m3。

3.2 生活垃圾焚烧烟气中检出率和排放浓度最高的重金属为As、Pb、Cr，是贡献最大的三种烟气重金属成分；二噁英类在冬季的排放浓度整体高于夏季，其他14种检出烟气污染物排放浓度未显示出季节特征；存在掺烧的生活垃圾焚烧排放烟气中未发现医疗废物和市政污泥特征的重金属与二噁英类成分高值，表明小比例的掺烧对烟气中重金属与二噁英类成分的排放水平影响不大。

3.3 基于实测数据对上海市生活垃圾焚烧主流焚烧工艺和烟气净化工艺厂家的废气污染物排放系数进行估算，获得的排放系数分布在三个排放量级：颗粒物和4种气态污染物的g/t、重金属污染物的mg/t以及二噁英类的μgTEQ/t。与第一次全国污染源普查制定的国家系数比较发现，颗粒物、SO2的排放系数有显著下降，NOX的排放系数也有明显下降，烟气排放量系数基本持平，一污普至二污普十年间生活垃圾焚烧废气污染物排放控制成效由此可见。