《火葬场大气污染物排放标准》实施对火化炉烟气二英减排的影响

尹文华，刘丽君，李旭东，谢丹平，杨艳艳，韩静磊，彭江波，何志远，冯桂贤，黄汉明

生态环境部华南环境科学研究所，广东 广州 510655

近年来，我国学者对部分大气污染物排放标准和《大气污染防治行动计划》的实施效果进行了评估，结果显示，大气污染状况得到较大改善，但仍存在个别指标未能得到有效监管或不能满足高质量发展要求的情况. 2001 年日本火化机烟气中PCDD/Fs 毒性当量浓度(以I-TEQ 计，下同)为0.064～24 ng/m，2014 年调查发现已降至0.000 053～11 ng/m，说明日本火化机PCDD/Fs 减排效果非常明显. 目前，关于GB 13801-2015 实施前后对PCDD/Fs 影响及其效果评估的研究较为鲜见. 因此，该研究于2019 年选取我国南方某地区17 家殡仪馆32 台火化机(拣灰炉和平板炉各16 台)为研究对象，研究火化烟气中PCDD/Fs 的污染特征和影响因素，与已有研究对比评估GB 13801-2015 实施以来的效果，并基于实测数据估算火化机PCDD/Fs 排放因子，以期为殡葬行业PCDD/Fs 污染防治对策的制定提供依据.

1 材料与方法

1.1 现场调查

2015 年行业标准GB 13801-2015 的颁布使我国殡葬行业烟气的治理发生较大变革，各地火葬场逐步采取措施，安装烟气治理装置，减少污染物的排放，以达到相应的标准要求. 相比2014 年，2019 年南方某地区火化机“布袋除尘(ACI)+活性炭(BF)”、急冷设施、二燃室安装率明显提高.

火化机按所用燃料种类可分燃煤式、燃油式和燃气式3 类，燃油火化机占全国火化机的95%，其中拣灰炉和平板炉占比分别为20%和80%. 燃煤式火化机已落后，多已被淘汰；燃气式火化机主要适用于大、中城市或气体燃料丰富的地区，目前在我国使用较少.

监测期间，记录每个样品的火化时间，同步调查32 台火化机的火化炉类型、废气处理工艺类型及其使用情况、随葬品类型和数量等，评估其对PCDD/Fs排放的影响. 现场调查情况如表1 所示.

表1 殡仪馆现场调查情况Table 1 On-site investigation of funeral parlor

1.2 样品采集

该研究使用PCDD/Fs 自动等速烟气采样器(MEGA System，APIS，意大利)在烟囱排放口处采集其排放的烟气样品，检测指标为17 种2,3,7,8-位氯代PCDD/Fs.

火化烟气采样方法有别于其他典型行业，具体如下：单个样品采样测试从遗体入炉开始(入炉前确保炉温在850 ℃以上)，至遗体火化结束后主燃烧器关闭结束，即对火化全过程进行采样测试. 每个PCDD/Fs样品采集时间和采集体积根据每具遗体火化时间而定，一般约30～60 min，采样标干体积约0.5～1.0 m，至少应满足试验所需的最小体积要求. 一般取样时间受炉型和遗体的影响，如拣灰炉焚烧过程会翻动，燃烧更充分，火化所需时间比平板炉长. 当遗体火化时间较短、等速情况下不足以满足最小采样体积时，需选用恒流模式采样. 火化未成年遗体或其他较小遗体时，不开展现场监测.

采集过程中，适时关注烟气中焦油量，因焦油较多时容易堵住滤筒，使采样泵运行负荷增大，如有需要应更换滤筒.

1.3 样品前处理与仪器设定

烟气PCDD/Fs 样品提取前添加提取内标(EPA23 ISS)，经索氏提取和液液萃取两种方式提取，再经旋转蒸发浓缩后依次通过自动净化柱或多层硅胶柱净化，将洗脱液浓缩并转移至进样瓶中，添加进样内标(EPA 23 RS)，待分析. 分析仪器为Agilent 6890气相色谱-高分辨质谱联用仪(Autospec Premier 型，Waters，美国)，DB-5MS (60 m×0.25 mm×0.25 μm)色谱柱，进样量为1 μL，不分流进样. 色谱柱升温程序：初始温度为140 ℃，保持2 min，以8 ℃/min 升至220 ℃，1.48 ℃/min 升至260 ℃，最后4 ℃/min 升至310 ℃，保持4 min，进样口温度280 ℃. 质谱条件：电离能为35 eV；离子化电流为600 μA；EI 离子源为300 ℃；SIM 模式下分辨率＞10 000.

1.4 质量保证与质量控制

质控措施包括采样空白、实验室空白、空白加标试验，空白样品检出结果均低于方法检出限. 所有PCDD/Fs 样品的采样内标回收率为78.6%～103.1%，净化内标回收率为58.4%～101.8%；操作空白和运输空白回收率分别介于64.4%～109.3%和65.5%～112.5%之间，均满足标准要求.

1.5 排放因子计算

全国火化机数量多、分布广，且受各地风俗限制，难以全面调查所有火化机烟气中PCDD/Fs 的排放状况. 在此情况下，有必要引入排放因子估算全国火化机烟气中PCDD/Fs 的排放总量.

每个PCDD/Fs 废气样品的采样过程即为1 具遗体的焚烧过程，PCDD/Fs 废气排放因子计算公式：

式中：EF 为废气排放因子，即焚烧1 具遗体时通过废气排放的PCDD/Fs 的量(以I-TEQ 计，下同)，ng/具；为排放废气中PCDD/Fs 的毒性当量浓度，ng/m；为标准状态下排放废气的流量，m/h；为每具遗体的火化时间(即每个样品的监测时长)，一般为0.5～1.0 h.

2 结果与讨论

2.1 废气中PCDD/Fs 排放水平分析

此次调查监测的32 台火化机排放的废气中PCDD/Fs 浓度为0.078～11 ng/m，平均值为1.9 ng/m；毒性当量浓度范围为0.033～7.4 ng/m，平均值为1.1 ng/m，接近北京市及国内其他地区的检测结果.统计发现，18 台火化机PCDD/Fs 排放毒性当量浓度超过《火葬场大气污染物排放标准》(GB 13801-2015)限值(0.5 ng/m)，超标率为56.2%，其中最大超标倍数为13.8. 不同殡仪馆排放浓度水平差异较大，推测原因可能与焚烧工况、废气净化措施、管理水平、入炉的随葬品种类和数量等因素有关.

进一步分析发现，16 台拣灰炉中PCDD/Fs 超标率为62.5%，PCDD/Fs 毒 性 当 量 浓 度 为0.033～7.4 ng/m，中位值为0.82 ng/m，平均值为1.3 ng/m；16 台平板炉PCDD/Fs 毒性当量浓度为0.084～4.5 ng/m，中位值为0.48 ng/m，平均值为0.85 ng/m，超标率为50.0%. 平板炉PCDD/Fs 超标率和浓度平均值均低于拣灰炉，与周志广等研究结果相似. 可能是由于两种炉膛结构不同，拣灰炉密封性和焚烧工况劣于平板炉，漏风较严重，所调查的拣灰炉含氧量(14.0%～20.0%，平均值为18.4%)高于平板炉(11.1%～19.9%，平均值为17.8%). 因此，较差的焚烧工况和较高的含氧量为PCDD/Fs 的再形成提供了条件.

2.2 行业排放趋势分析

该研究中火化机PCDD/Fs 毒性当量浓度与该区域已有研究结果相比，呈现出明显下降趋势(见表2).4 年来，南方某地区火化机烟气中PCDD/Fs 排放浓度水平降幅达66.9%，但超标率基本不变. 由此说明，GB 13801-2015 的实施，特别是2017 年7 月1 日现有单位遗体火化执行新标准限值后，对该地区殡葬行业PCDD/Fs 减排发挥了积极作用. 此外，由于焚烧技术和烟气处理工艺不断进步，监管日趋严格，行业环保意识增强，部分旧火化炉已升级改造，且配备烟气处理设施的比例不断升高，使行业PCDD/Fs 减排工作取得明显成效，但相比日本殡葬行业仍存在差距.

由表2 可见，4 年来平板炉达标率均高于拣灰炉，但拣灰炉的超标率随时间推移而降低，而平板炉超标率升高，说明近年来拣灰炉的排污状况有所改善，平板炉则相反. 这可能是由于多数殡仪馆所配置的平板炉建设较早、相对老旧，而拣灰炉属于高端炉型，新炉较多、废气处理设施维护较好，且处理效率高. 随着经济水平提升，人们更愿意使用高端的拣灰炉，导致其使用和维护频率高于平板炉.

表2 近年来火化机烟气中PCDD/Fs 排放情况Table 2 PCDD/Fs emission from crematories in recent years

2.3 有无废气处理工艺对PCDD/Fs 排放的影响

根据是否配套废气处理工艺来统计32 台火化机烟气PCDD/Fs 排放水平及超标率(见表3). 由表3 可见，约25%的火化炉未配置废气处理设施或处理设施无法正常运行，其PCDD/Fs 毒性当量浓度为0.32～7.4 ng/m，平均值为2.5 ng/m，超标率高达75.0%，接近于10 年前国内研究结果. 熊程程等调查发现，未经净化处理的火化烟气中PCDD/Fs 毒性当量浓度范围为1.3～5.2 ng/m，与笔者研究结果相近. 由表3可见，75%火化炉采用“ACI+BF”处理设施，其PCDD/Fs 超标率为58.3%，毒性当量浓度平均值为0.83 ng/m，优于2015 年调查结果，再次说明该行业近年来减排效果显著. 按理论PCDD/Fs 去除率和目前技术可达程度，配置且规范运行的“ACI+BF”处理设施，PCDD/Fs 的去除率为92.0%～96.0%，在某些情况下甚至高达99.95%. 未配置处理设施时烟气PCDD/Fs 平均浓度(2.5 ng/m)相当于进入废气处理设施前的浓度，PCDD/Fs 去除率仅为67.3%，可能是部分处理设施维护不到位、使用率低、活性炭投加量不足或更换周期太长、运行情况不佳所致.

表3 有无烟气处理工艺时PCDD/Fs 排放水平和超标率Table 3 PCDD/Fs emission and the exceeding rates with or without flue gas treatment processes

指纹特征(见图1)显示：直排或处理设施无法正常运行时，2,3,7,8-TCDF 占比(11.8%)最高，其次为1,2,3,4,6,7,8-HpCDF(9.0%)和OCDD(8.4%)等高氯代同系物；含“ACI+BF”处理设施时，2,3,7,8-TCDF(23.2%)、2,3,4,7,8-PeCDF (14.3%)、1,2,3,7,8-PeCDF(14.0%)等低氯代同系物占比较高，表明“ACI+BF”处理设施主要去除高氯代PCDD/Fs，因为饱和蒸气压较低的高氯代同系物比低氯代同系物更容易被活性炭吸附，且PCDF 比PCDD 更 容 易 被 吸 附. PCDF/PCDD(浓度比，下同)为2.2～3.5，呈现出典型的高温热过程特征，表明非均相合成(200～400 ℃)的从头合成()是PCDD/Fs 的主要生成方式.

图1 烟气中PCDD/Fs 同类物占比Fig.1 Content distribution of PCDD/Fs congeners in flue gas

2.4 废气处理设施运行管理水平对PCDD/Fs 排放的影响

现场调研发现，4 家殡仪馆选用同一厂家、相同工艺的废气处理设施，均采用“旋风除尘+干法脱酸+ACI+BF”处理工艺，但运行管理水平差异较大.其中，两家殡仪馆废气处理设施运行情况良好，并定期对炉膛、换热器、布袋、烟道清灰，定期检查和更换布袋，减少“记忆效应”的影响，其PCDD/Fs 排放浓度范围为0.084～0.34 ng/m，平均值为0.22 ng/m，均实现达标排放；而另外两家殡仪馆运行管理水平相对较差，处理设施运行和维护情况不佳，处理效率低，PCDD/Fs 排放浓度范围为0.59～3.2 ng/m，平均值为2.0 ng/m，均高于标准限值(0.5 ng/m). 结果表明，环保设施运行状况良好、管理水平较高的殡仪馆的PCDD/Fs 排放浓度明显低于运行管理较差的殡仪馆.

2.5 随葬品对PCDD/Fs 排放的影响

受各地习俗影响，不同地区随葬品种类和数量有所不同. 此次调查中有15 台火化机随葬品较多(如含木棺、棉被或较多衣物等)，PCDD/Fs 毒性当量浓度范围为0.084～7.4 ng/m，平均值为1.6 ng/m，超标率为73.3%；10 台火化机随葬品较少(如含少量衣物、纸钱)，PCDD/Fs 毒性当量浓度范围为0.06～3.2 ng/m，平均值为0.76 ng/m，超标率为60.0%；7 台火化机无随葬品，PCDD/Fs 毒性当量浓度范围为0.033～2.7 ng/m，平均值为0.53 ng/m，超标率为28.6%(见图2). 随葬品复杂，含有纺织品、塑料、油漆等以及富含Cl、S等元素，均会影响焚烧工况且易生成PCDD/Fs. 研究表明，祭品焚烧会产生大量有害物质，包括颗粒物、CO、SO、NO和非甲烷碳氢化合物等，排放浓度超过标准限值时对环境和人类健康有较大影响，需引起重视.

图2 随葬品多寡对二英排放水平和超标率的影响Fig.2 PCDD/Fs emission and the exceeding rates when there were more or less funerary objects

2.6 我国火化机烟气中PCDD/Fs 排放因子

根据32 台火化炉排放烟气PCDD/Fs 毒性当量浓度、焚烧工况数据和2020 年全国火化遗体数量，计算火化机烟气PCDD/Fs 排放因子为67.8～39 981 ng/具，其范围较大，主要是因为排放浓度水平差异较大. PCDD/Fs 排放因子平均值为4 217 ng/具，拣灰炉、平板炉PCDD/Fs 排放因子平均值分别为5 013 和2 574 ng/具，高于2014 年日本火化机PCDD/Fs 排放因子平均值(1 400 ng/具)，接近我国其他火化烟气PCDD/Fs 排放因子研究结果，一定程度上表明在全国具有普适性. 由此估算2020 年全国火化机年排放总量(以I-TEQ 计，下同)为0.354～209 g，平均值为22.0 g，与2013 年估算值(22.2 g)基本持平，低于2012 年估算值(96 g/a)以及2004 年我国PCDD/Fs排放清单中火化遗体排放至大气中PCDD/Fs 的总量(43.7 g/a).

按污染物控制措施来分，直排或处理设施无法正常运行时PCDD/Fs 排放因子为9 271 ng/具，含“ACI+BF”处理设施且正常运行时PCDD/Fs 排放因子为2 355 ng/具，均显著低于联合国环境规划署(UNEP)于2005 年发布的第1 和第2 级排放因子(分别为90 和10 μg/具)，但高于第3 级排放因子〔即优化控制措施的排放因子(0.4 μg/具)〕，可能因随葬品掺入、焚烧控制、处理工艺及运行管理等差异所致.

3 结论与建议

a) 我国南方某地区32 台火化机废气PCDD/Fs排放浓度差异较大，范围为0.033～7.4 ng/m，毒性当量浓度平均值超过《火葬场大气污染物排放标准》(GB 13801-2015)限值的1.2 倍；PCDD/Fs 超标率较高，其中平板炉的PCDD/Fs 排放状况稍优于拣灰炉，与炉膛结构和焚烧工况有关.

b) 与GB 13801-2015 实施前该地区研究结果相比，火化机排放废气中PCDD/Fs 浓度平均值下降了66.9%，但超标率相近. 标准的实施和技术的进步对降低PCDD/Fs 排放水平起到了积极作用，但仍有较大改善空间.

c) 废气处理工艺、废气处理设施运行管理水平和随葬品混烧对PCDD/Fs 排放水平影响较大. 对于配备“ACI+BF”处理设施且正常运行的火化机，其烟气PCDD/Fs 排放水平和超标率明显低于废气处理设施缺失或无法正常运行的火化炉，且标准施行以来减排效果显著. “ACI+BF”处理设施主要去除高氯代PCDD/Fs，废气处理设施缺失或无法正常运行时以七氯代和八氯代等高氯代同系物为主，含“ACI+BF”处理设施时以四氯代、五氯代等低氯代同系物为主. 指纹谱图表明，PCDD/Fs 的主要生成机理可能为从头合成().

d) 基于实测数据获取了火化机废气PCDD/Fs 排放因子平均值为4 217 ng/具，拣灰炉、平板炉PCDD/Fs 排放因子平均值分别为5 013、2 574 ng/具，废气处理设施缺失或无法正常运行时PCDD/Fs 排放因子平均值为9 271 ng/具，配备“ACI+BF”处理设施时PCDD/Fs 排放因子平均值为2 355 ng/具. 有必要更新我国殡葬行业遗体火化PCDD/Fs 排放因子，建立最新的殡葬行业遗体火化PCDD/Fs 排放清单.

e) 建议殡仪馆加强管理，及时检修、维护火化炉和烟气处理设施，使用脉冲方式投加足量活性炭，定期更换布袋，严格执行标准规定，控制含塑料、布条等遗物祭品入炉焚烧，将随葬品另炉焚烧.

f) 建议民政部门和环保部门做好管理、监督和技术帮扶工作，督促行业按规定安装和运行高效的废气处理设施，确保排放废气中PCDD/Fs 和其他污染物符合行业排放标准.