燃煤电厂重金属排放与周边土壤重金属污染评价

冯亦立 王家源

(1.深圳市生态环境监测站，广东 深圳 518049；2.武汉市生态环境局，湖北 武汉 430022)

燃煤发电是我国主要的电力来源[1]，截至2020年11月，我国燃煤发电装机总量达10.7亿kW，占全国发电装机总量的50.47%。随着公众环境意识的不断增强，燃煤锅炉燃烧后释放的重金属对大气和土壤环境造成的危害已受到广泛关注[2-3]。TIAN等[4]研究发现，我国燃煤电厂通过各种途径排放到环境中的As、Pb、Cd、Cr和Hg分别达335.0、705.0、13.3、505.0、119.0 t。NRIAGU等[5]研究发现燃煤电厂排放的各种重金属物质约占人为排放源的2%～17%。由于燃煤电厂自身的工业特性，其污染排放呈现排放总量高、排放连续集中的点源特征，受区域大气扩散条件影响较大[6]。

目前，国际上针对燃煤电厂烟气中重金属排放均有不同程度的要求和限制，美国和欧盟分别制定了严格的排放标准来限制烟气中重金属排放，我国现行的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)主要针对SO2、氮氧化物(NOx)、烟尘等排放做出了限定，重金属上只规定了Hg的排放限值。国内许多学者针对燃煤电厂重金属排放问题进行大量研究，陈姝娟等[7]、车凯等[8]、王春波等[9]研究了燃煤电厂部分重金属元素排放特性及协同脱除工艺；刘军等[10]通过对燃煤电厂周边大气重金属污染进行分析，研究了其分布特征及来源。然而这些研究主要针对燃煤电厂重金属脱除工艺以及重金属排放特征分析等方面，结合燃煤电厂烟气中重金属排放对周边土壤重金属污染的影响研究较少。基于此，本研究以某典型燃煤电厂为研究对象，测定了燃煤电厂烟囱入口烟气中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As含量，同时根据当地气象条件，采集了燃煤电厂周边土壤样品，分析了土壤中重金属含量及分布情况，并对其污染程度进行评价，旨在分析燃煤电厂气态污染物中重金属排放对周边土壤重金属污染影响，为燃煤电厂周边重金属污染预防和治理提供基础数据。

表1 燃煤样品的工业分析Table 1 Industrial analysis of burning coal samples

表2 燃煤样品中重金属质量浓度Table 2 Mass concentration of heavy metals in burning coal samples mg/kg

1 样品采集与分析方法

1.1 研究区概况

研究区地处太行山和燕山围成大簸箕形地形的中部，属于暖温带半干旱半湿润季风气候，年均气温12 ℃，年均风速2.6 m/s，年均降水量550 mm。研究区全年主导风向为北西北风(NNW)，相应风频为8%，当地的地形特征及气候条件使燃煤电厂排放的气态污染物易于在区域内堆积。

1.2 燃煤电厂概况

研究的燃煤电厂建有两台350 MW超临界供热机组，烟气净化系统依次设置选择性催化还原脱硝系统(SCR)、静电除尘器(ESP)、湿法脱硫系统(WFGD)和湿式电除尘器(WESP)等处理设施。机组使用的燃煤为内蒙古烟煤和褐煤的混合煤，燃煤样品的工业分析和重金属质量浓度分析见表1、表2。

1.3 样品采集及采样点布置

根据燃煤电厂所在地的地形特征并结合主导风向，在燃煤电厂主导风向的上下风向及垂直方向的不同距离处分别设置采样点，在主导风向下风向3 000、4 000 m左右增设采样点，共采集19个表层土壤样品(0～20 cm)，采样点分布见图1。土壤样品采集严格执行四分法操作过程，将土壤样品缩分后取1 kg装入聚乙烯袋中带回实验室，并做好采样时间和全球定位系统(GPS)位置记录，具体方法参考《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)。

图1 燃煤电厂周边土壤采样点分布Fig.1 Soil sampling sites around coal-fired power plant

在机组满负荷工况下，使用烟气重金属采样装置在烟囱排放口断面以连续等速采样方式采集1.0 m3样气(标准状态)，重复采集3组样品，并将吸收液装入玻璃瓶中密封，滤膜装入密封盒保存带回实验室分析。

1.4 样品检测

采用《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 15617—1996)中的方法对烟气吸收液和滤膜进行预处理及分析；采用iCAP TQ型电感耦合等离子质谱(ICP-MS)仪(美国Thermo Fisher)对土壤中Cd、Cr、Ni、Pb含量进行检测，具体操作参照《土壤和沉积物 12种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子体质谱法》(HJ 803—2016)；采用9230型原子荧光光谱(AFS)仪对土壤中Hg、As含量进行检测，具体操作参照《土壤和沉积物 汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解原子荧光法》(HJ 680—2013)。为保证数据的准确性和可靠性，每组样品通过加入替代物和内标物进行回收率分析，同时采用平行样和空白样品方法进行质量控制[11]。

1.5 数据分析

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数评价燃煤电厂周边土壤重金属污染情况，单因子污染指数计算见式(1)，内梅罗综合污染指数计算见式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi为第i种重金属的单因子污染指数；Ci为土壤中第i种重金属的测定值，mg/kg；Si为第i种重金属背景值，mg/kg，本研究中Si取值参考文献[12]；PN为内梅罗综合污染指数；Pimax为单因子污染指数的最大值；Piaver为单因子污染指数的平均值。

单因子污染指数与内梅罗综合污染指数评价标准见表3。

2 结果与讨论

2.1 烟气中重金属元素的排放

燃煤电厂排放的烟气经过脱硫、脱硝、除尘等处理设施后从烟囱排放至大气环境。由表4可见，烟气中重金属质量浓度排序为Ni>Cr>As>Hg>Pb>Cd，根据燃煤电厂烟气排放量计算出该厂通过烟气向大气环境中排放的Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd分别为19.08、6.20、5.07、4.80、1.21、0.18 kg/a。国内目前对于燃煤电厂重金属排放要求主要执行GB 13223—2011，该标准仅对Hg的排放进行限定，对其他重金属均无要求。《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)虽然对重金属排放提出要求，但规定的限值较高，参考意义有限。因此，本研究参考USEPA在2011年12月颁布的火电厂污染物排放标准[13]，按照燃煤电厂每年运行5 000 h、平均负荷率为75%计算，计算单位发电量下Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd排放量分别为7.27、2.36、1.93、1.83、0.46、0.07 mg/(MW·h)，均满足USEPA规定的排放限值要求，说明该燃煤电厂烟气重金属排放量相对较低。

2.2 燃煤电厂周边土壤中重金属含量特征

对燃煤电厂周边土壤中6种重金属质量浓度进行统计，并与《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中第一类建设用地土壤污染风险筛选值及《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中农用地土壤污染风险筛选值(pH>7.5)进行对比，结果见表5。从平均值来看，燃煤电厂周边土壤重金属含量为Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，6种重金属均满足第一类建设用地土壤污染风险筛选值和农用地土壤污染风险筛选值要求，表明该燃煤电厂周边土壤的环境风险总体较低。与宁东基地燃煤电厂周边土壤重金属含量[14]相比，本研究中Cr、Pb含量明显偏高，Cd、Hg含量相对偏低；与山西某火力发电厂周边农田土壤重金属含量[15]相比，本研究中Cr、Ni含量明显偏高，其他重金属含量基本相近。可见不同燃煤电厂周边土壤中重金属分布规律存在一定差异，说明燃煤电厂土壤重金属含量除受燃煤电厂煤种差异、机组负荷等影响外，同时与区域扩散条件、周边环境、交通情况和人为活动也有一定的相关性。

表3 土壤重金属污染分级标准Table 3 Standard for classification of heavy metal pollution in soil

表4 燃煤电厂重金属排放量1)Table 4 Heavy metal emissions from coal-fired power plant

表5 土壤中重金属质量浓度的描述性统计Table 5 Descriptive statistics of soil heavy metals mass concentrations

将燃煤电厂周边土壤中重金属含量与该区域土壤背景值对比发现，研究区域内Cd、Cr、Hg、Ni和Pb的平均值明显高于背景值，As的平均值低于背景值。这是因为As受工业污染影响较少，且可以与土壤中Fe、Al、Ca离子相结合形成难溶化合物发生共沉，或被植物吸收等方式使其在环境中的浓度逐渐降低[16]。因此，As在不同地域内受自然环境影响较大。6种土壤重金属浓度的变异系数为17%～100%，属于中高度变异，尤其是Cd、Hg的变异系数分别达94%、100%，表明土壤中重金属含量呈不均匀分布状态，区域差异明显。

2.3 燃煤电厂周边土壤重金属分布特征

对燃煤电厂周边土壤重金属的分布特征进行分析，发现Cr、Hg均表现为在燃煤电厂常年主导风向下风向含量较高，而常年主导风向上风向含量较低。As、Ni、Pb、Cd在燃煤电厂周边各风向上的含量变化无明显差异。烟气中Hg、Cr排放浓度相对较高，且在燃煤电厂常年主导风向下风向含量高于其他方向，表明烟气中Hg、Cr含量与燃煤电厂周边土壤中的含量存在一定的正相关关系。烟气中Ni排放浓度最高，但在燃煤电厂周边各风向上的含量变化无明显差异，这可能与Ni的化学性质和沉降特征有关；Cd、Pb在烟气中排放浓度较低，而燃煤电厂周边土壤中含量却相对较高，且浓度分布与风向条件之间无明显规律，表明Cd、Pb除受燃煤电厂气态污染物排放影响外，同时受其他散状污染源影响较为明显。这与张金良等[17]、方凤满等[18]所研究的规律相一致，可见Hg、Cr是燃煤电厂气态污染排放的特征元素。

此外，随着与燃煤电厂的距离增加，土壤样品中的重金属含量呈现出先增大后减小的趋势，以常年主导风向下风向为例，土壤中重金属含量在距离燃煤电厂2 000～3 000 m时达到最高，而后逐渐降低。这是由于为了便于污染物的扩散，燃煤电厂烟囱高度一般设置在200 m以上，而最大落地浓度与烟囱距离和高斯大气扩散模型相关。随着与燃煤电厂距离继续增大，扩散面积也随之增大，对气态污染物起到一定稀释作用，因此落到地面的浓度逐渐降低。

2.4 燃煤电厂周边土壤重金属污染水平分析

经计算，燃煤电厂周边土壤中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As的单因子污染指数分别为2.22、1.84、2.05、2.28、1.67、2.22，6种重金属的内梅罗综合污染指数为2.16，Cd、Hg、Ni、As处于中度污染水平，Cr、Pb处于轻微污染水平，土壤总体表现为重度污染水平。由前文分析可知，该燃煤电厂周边土壤的环境风险总体较低，但评价结果显示重金属污染水平较高，这可能与本研究使用的背景值为1990年测定的中国土壤元素背景值，年代较久远，故而导致评价结果偏高。总而言之，虽然目前燃煤电厂已经设置了SCR、ESP、WFGD、WESP等烟气净化设施，但仍需进一步加强烟气中重金属的脱除技术手段以保护周边土壤环境。

3 结 论

(1) 经过烟气净化处理系统后，燃煤电厂烟气中6种重金属元素的排放质量浓度为0.02～2.00 μg/m3，向大气中排放各种重金属元素为0.18～19.08 kg/a，单位发电量的重金属排放量满足USEPA对火电厂污染物排放标准。

(2) 燃煤电厂周边表层土壤重金属平均值依次为Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，重金属平均值均满足GB 36600—2018中第一类建设用地土壤污染风险筛选值和GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值要求，表明该区域土壤环境风险较低。研究区内6种含量呈不均匀分布状态，区域差异明显。

(3) Cr、Hg在燃煤电厂常年主导风向下风向含量较高，而常年主导风向上风向含量较低。As、Ni、Pb、Cd在电厂周边各风向上的含量变化无明显差异。烟气中Hg、Cr含量与燃煤电厂周边土壤中相应元素含量表现为正相关关系，是燃煤电厂气态污染排放的特征元素。燃煤电厂周边各个方向土壤中重金属元素含量呈现随烟气排放距离增加而先增大后减小的趋势。

(4) 燃煤电厂周边土壤重金属污染水平分析结果表明，Cd、Hg、Ni、As处于中度污染水平，Cr、Pb处于轻微污染水平，需进一步加强烟气中重金属脱除的技术手段以保护周边土壤环境。