燃煤電廠周邊大氣重金屬污染特征及來源解析

劉 軍，陳 耿，柯釗躍，楊立輝

廣東省環境監測中心,廣東 廣州 510308

燃煤電廠周邊大氣重金屬污染特征及來源解析

劉 軍，陳 耿，柯釗躍，楊立輝

廣東省環境監測中心,廣東 廣州 510308

為探究燃煤電廠周邊大氣環境中重金屬的污染特征與來源,對廣東某山區燃煤電廠周邊地區環境和污染源的重金屬進行測定,分析其污染特征,采用因子分析法和Pb同位素示蹤法對環境中的重金屬進行來源解析。結果表明,研究區域室內積塵中重金屬濃度水平明顯高于土壤重金屬,污染空間分布與當地氣象條件相關。環境空氣TSP中重金屬主要來自2個污染源,Cd、Pb、As主要來自電廠燃煤,Ca、Mn、Al、Mg主要來自土壤揚塵。TSP、降塵、積塵樣品所含的Pb均與電廠采集的煤、爐渣、粉煤灰樣品所含的Pb具有同源性,與其他污染源同源性不明顯,說明研究區域大氣中Pb污染主要來自電廠燃燒所排放的煙塵,其他污染源影響不大。

燃煤電廠;重金屬;大氣污染;來源解析;鉛同位素;因子分析

Abstract:In order to evaluate the pollution characteristics and sources of heavy metals in atmosphere surrounding coal-fired power plant, the concentrations of heavy metals in the environment and sources surrounding a coal-fired power plant were measured in a mountainous area of Guangdong Province. The characteristics of heavy metal pollution were also studied. The source apportionment of heavy metals in local environment was carried out using factor analysis and lead (Pb) isotope analysis technique. The results showed that heavy metal concentration in indoor dusts of study area was significantly higher than in soil, which spatial distribution of pollution associated with the local meteorological conditions. The pollution of heavy metals in the ambient air TSP was mainly from two sources. Cd, Pb, As were mainly from coal-fired power plants, and Cu, Mn, Al, Mg were mainly from soil dust. Pb isotope in samples of TSP, deposits and dusts was homologous with samples of coal, slag and fly ash from the power plant, but not with other sources. Thus, atmospheric Pb pollution in study area was mainly from the power plant emissions of soot, not other sources of pollution.

Keywords:coal-fired power plant;heavy metal;air pollution;source apportionment;lead isotope;factor analysis

煤是我國最主要的能源,2013年國內燃煤電廠耗煤量為19.0億t,占煤炭消耗總量的44.7%[1]。煤中所含的Hg、Pb、As、Cr、Cd等痕量重金屬[2-4]在燃燒過程中會部分或全部揮發成氣態,富集在細顆粒物表面隨廢氣排放[5]。燃煤電廠重金屬的排放量較大,TIAN等[6]估算我國2010年燃煤電廠排放的Hg、As、Pb、Cd、Cr分別為119、335、705、13.3、505 t。NRAIGU[7]測算出燃煤電廠排放的As、Cd、Cr、Hg分別占人為源排放的2%～6%、2%～3%、14%～17%、9%～17%。

重金屬毒性大且化學性質穩定,具有遷移性和沉積性,對環境和人體健康危害較大[8]。燃煤電廠大氣重金屬污染具有排放量大、排放集中、影響范圍大的特點[9],若電廠選址于大氣污染擴散條件較差的山區,煙塵容易在局部地區沉降并累積,經過長期暴露、降水淋洗,水溶性和揮發性成分流失后,形成重金屬明顯富集的積塵,其部分重金屬含量大大高于土壤[10-12]。積塵普遍存在于人群住宅的角落,與人體接觸的概率高,通過呼吸道和皮膚被人體吸收或直接攝入,對人體健康的影響是潛在的、隱蔽的、長期的[13]。

當前,國內對于燃煤電廠大氣重金屬污染的控制相對滯后,現行《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)僅對汞的排放進行控制,對其他重金屬均無要求。究其原因,在于對燃煤電廠大氣重金屬污染的關注度不夠,缺乏充分的研究,忽略了控制此類污染的必要性。目前，國內也尚無針對燃煤電廠周邊大氣環境中重金屬的來源解析研究,難以說清燃煤電廠對周邊大氣重金屬污染的貢獻程度。

本文選取廣東省山區一家大型燃煤電廠作為研究對象,該電廠建設3臺燃煤機組,年耗煤200多萬t,所處地形為山區,不利于大氣污染擴散。通過采集該電廠燃煤、爐渣等介質及周邊環境樣品,測定了Al、As、Ca、Cd、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Pb、Zn等11種元素的含量和Pb同位素,分析電廠周邊室內積塵重金屬的污染特征,利用因子分析法對環境空氣TSP中的重金屬開展來源解析,并利用Pb同位素示蹤法對環境空氣TSP、積塵、降塵中的Pb進行來源解析,旨在為燃煤電廠大氣重金屬污染的控制提供參考。

1 材料與方法

1.1點位布設和樣品采集

根據環評資料,該電廠大氣污染物最大落地濃度在距廠界約1.6 km處。以電廠為中心，半徑為3 km的范圍作為研究區域。監測期間為西北風,在上風向敏感點布設1#點位,下風向敏感點布設2#～4#點位,電廠最近敏感點布設5#點位,監測環境空氣TSP中的重金屬和降塵中的Pb,TSP連續監測7 d,降塵連續采樣30 d。為了解電廠對周邊大氣重金屬的累積影響,在當地常年主導方向下風向(即電廠以北)不同距離處增設6#～8#點位。布點情況如圖1所示。8個監測點均采集土壤和室內積塵樣品。共采集35個環境空氣樣品、5個降塵樣品、8個土壤樣品和18個室內積塵樣品。

同時,采集該電廠的燃煤、粉煤灰、爐渣樣品各2個,周邊污染源的2家水泥廠、5家煤場和1家建材廠的煤、巖石、水泥、灰渣等固體樣品12個,監測Pb質量濃度及Pb同位素。

1.2樣品分析與數據處理

采集TSP用石英濾膜經陶瓷剪刀剪碎后用HCl-HNO3消解,煤樣灰化后用HF-HClO4消解,其他固體樣品風干研磨后用HCl-HNO3-HF-HClO4消解,采用等離子發射光譜儀測定重金屬。降塵中Pb同位素采用扇形磁場等離子體質譜測定,其余樣品Pb同位素采用等離子體質譜測定。

數據處理采用SPSS和Excel軟件。

1.3來源解析方法

利用因子分析法對空氣TSP中重金屬進行來源解析。從全部變量中歸納出公共因子,并解析出各個因子的因子負載。根據經驗判定各排放源中的標識性重金屬元素,從而確定各公因子所代表的排放源種類[14]。

利用Pb同位素示蹤法對空氣、土壤、積塵、降塵樣品中的Pb進行來源解析。通過聚類分析法分析比較環境樣品和污染源樣品中的Pb同位素指紋特征值(206Pb/207Pb、208Pb /206Pb),兩者相似度越高,說明該污染源對受污染介質的貢獻率可能越大[15]。

2 結果與討論

2.1環境中重金屬的污染特征

研究區域環境中重金屬的質量濃度如表1所示。各重金屬元素的平均質量濃度水平依次為環境空氣TSP中Ca>Al>Fe>Mg>Pb=Zn>As>Cu>Mn>Cr>Cd;土壤中Al>Ca>Fe>Mg>Mn>Zn>As>Pb>Cr>Cu>Cd;室內積塵中Ca>Fe>Al>Mg>Zn>Mn>Cr>Pb>Cu>As>Cd。參照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級標準中Pb季平均限值(1 μg/m3)評價,空氣中Pb為達標。土壤中Pb、Cr達到《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)二級標準,Zn、As、Cd、Cu則出現不同程度的超標。

表1 研究區域環境中重金屬的質量濃度Table 1 The concentrations of heavy metals in theenvironment of study area

注：“*”表示濃度單位為%。

室內積塵是長期累積形成的,對反映點位長期的大氣重金屬污染情況有很好的代表性。研究區域積塵各重金屬元素的平均質量濃度均不同程度高于土壤,其中積塵的Zn、Cr、Cd、Pb平均質量濃度分別為土壤的10.2、7.7、6.7、5.2倍。常靜等[16]測得上海地表灰塵Zn、Pb、Cu、Cd均值分別是土壤背景值的6～8倍,與本研究結果接近。采用內梅羅綜合污染指數法對各監測點位積塵重金屬進行綜合評價,標準值參照GB 15618—1995標準中的二級標準,結果如表2所示。可見,電廠以北1#、6#～8#點位的內梅羅指數總體相對高于2#～5#點位,這與當地常年主導風向為南風有關。與電廠距離相等的2#、8#點位(2 km)、1#、4#點位(3 km),其內梅羅指數與受影響風向的風頻大小相對應。7#點位的內梅羅指數最高,原因可能在于該點處于燃氣站內,長期有重型柴油貨車出入,加上積塵很少清掃,累積時間很長。2#、3#、4#點位距離較近,但3#點位某小學的積塵內梅羅指數高于其他兩個點,也是由于所采樣的教室荒置時間長、長期未打掃、重金屬累積時間長所致。綜上,研究區域室內積塵中重金屬濃度水平較高,其空間分布與當地氣象條件相關,可能受電廠點源排放的煙塵影響。積塵累積時間越長,其重金屬含量越高。

表2 積塵重金屬污染內梅羅指數Table 2 The Nemerow index of heavy metal pollutionin dusts

2.2TSP中重金屬因子分析來源解析

對TSP中重金屬成分的因子分析結果如表3所示。Pearson 相關性分析結果如表4所示。因子分析將所有變量劃分為2個因子,這2個因子的累積方差貢獻率占總方差的83.663%,表明當地環境空氣TSP中的重金屬主要來自兩個污染源。

由表3可以看出，因子1中,Cd、Pb、As的載荷較高,這3種元素顯著相關,可能來自同一污染源,且均為煤燃燒所產生的特征元素,故推斷因子1代表電廠燃煤源。

因子2中,Ca、Mn、Al、Mg的載荷較高,這4種元素屬于當地土壤中含量很高的金屬元素,且4種元素兩兩具有相關性,可能來自同一污染源,故推斷因子2代表土壤揚塵源。

表3 TSP中重金屬成分方差極大旋轉后的因子載荷矩陣Table 3 Varimax rotated factor loading matrixof heavy metals in TSP

表4 TSP中各重金屬的Pearson相關系數Table 4 Pearson correlation coefficient of heavy metals in TSP

注：“*”表示在0.05 水平(雙側)上顯著相關;“** ”表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

2.3Pb同位素示蹤來源解析

對采集的84個環境樣品和污染源樣品進行Pb同位素分析,將同位素組成接近的樣品同源合并后進行聚類分析(圖2),同時繪制樣品的Pb同位素組成圖(圖3)。

圖3 各樣品Pb同位素組成Fig.3 The Pb isotopic composition of samples

根據圖2、圖3,樣品按同位素組成可分為四類:第一類包括TSP、降塵、積塵、6#、8#點位土壤、電廠煤、電廠灰、電廠爐渣、煤場3煤和水泥廠1水泥;第二類包括1#、3#、4#、7#點位土壤、建材廠煤、煤場1煤和煤場2煤;第三類包括2#點位土壤、建材廠渣、煤場4煤和煤場5煤;第四類為水泥廠2水泥。

土壤樣品的Pb同位素組成變化分布范圍較大,土壤中鉛來源較為復雜,可能來源于汽車尾氣、燃煤煙塵、揚塵、外來土壤或污泥及當地土壤背景等。

第一類中,電廠所采集的爐渣、粉煤灰、煤樣中的Pb元素具有明顯的同源性,電廠附近的水泥廠1水泥粉由于使用了電廠的灰渣為原料,與電廠樣品的Pb同源性明顯。環境中的TSP、降塵、積塵樣品的Pb元素與電廠的樣品、煤場3煤具有同源性。煤場3的煤含Pb量達99 μg/g,煤粉對周圍環境有一定的影響,但考慮到煤場無組織排放的顆粒物粒徑大,影響范圍有限。所研究區域大范圍的同源Pb大氣污染可能來源于電廠燃燒排放的Pb富集程度較高的煙塵。

第二類中,建材廠煤、煤場1煤和煤場2煤可能為同一產地的煤,與環境樣品中Pb元素同源性不明顯。

第三類中,煤場4煤和煤場5煤可能為同一產地的煤,建材廠渣為外地運來的建材原料。第三、第四類樣品均與環境樣品中Pb元素同源性不明顯。

可見,電廠周邊的大氣Pb污染主要來源為電廠本身,其他污染源的影響不大。

3 結論

1)研究區域環境空氣中的重金屬未超標,周邊環境室內積塵中重金屬含量明顯高于土壤。積塵中重金屬的空間分布與當地氣象條件相關,可能受電廠點源排放的煙塵影響。積塵累積時間越長,其重金屬含量越高。

2)由因子分析得出,研究區域環境空氣TSP中重金屬主要來源于2個污染源,Cd、Pb、As主要來源于電廠燃煤源,Ca、Mn、Al、Mg主要來源于土壤揚塵源。

3)由Pb同位素示蹤分析得出,環境中TSP、降塵、積塵樣品所含的Pb均與電廠采集的爐渣、粉煤灰、煤樣樣品所含的Pb具有同源性,與其他污染源同源性不明顯,說明研究區域大范圍的同源Pb大氣污染主要來自電廠燃燒所排放的對Pb富集程度高的煙塵,其他污染源的影響不大。

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PollutionCharacteristicsandSourceApportionmentofHeavyMetalsinAtmosphereSurroundingaCoal-firedPowerPlant

LIU Jun, CHEN Geng, KE Zhaoyue, YANG Lihui

Guangdong Environmental Monitoring Centre, Guangzhou 510308, China

X823

A

1002-6002(2017)03- 0094- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.14

2016-05-17;

2016-11-28

廣東省環保專項資金資助項目(2110399)

劉 軍(1969-), 男，湖南醴陵人，碩士，高級工程師。