農村垃圾小型焚燒爐煙氣污染物排放特征及影響因素研究

嚴 驍，賈 燕，王美歡，許榕發，鄭 晶，任明忠

（環境保護部華南環境科學研究所，國家環境保護環境污染健康風險評價重點實驗室，廣州 510655）

隨著社會經濟的快速發展，農村人民的生活水平也日益提高，農村生活垃圾產量逐年增加。尚曉博等[1]研究調查，2011年我國農村生活垃圾年產生量超過3億t，且仍以8%～10%的速度快速增長[2]。隨著新農村建設工作的開展，“戶收集、村集中、鎮轉運、縣（市）集中處理”的城鄉一體化的運作模式在全國多地試點，但由于運輸成本較高，僅在沿海少數經濟發達縣市成功應用[3]。盡管《生活垃圾焚燒處理工程技術規范》（CJJ 90—2009）中規定焚燒規模不能小于 150 t·d－1，但由于焚燒處理減量化，適用范圍廣，垃圾小規模焚燒處理在我國多地農村廣泛存在[4]。2015年《關于全面推進農村垃圾治理的指導意見》指出，“我國將逐步取締二次污染嚴重的簡易填埋設施以及小型焚燒爐等。邊遠村莊垃圾盡量就地減量、處理，不具備處理條件的應妥善儲存、定期外運處理”，表明小規模的垃圾處理處置設施在經濟落后或偏遠農村仍然具有一定的適用性。然而，小型垃圾焚燒爐由于工藝、設備以及管理的不完善，垃圾處置產生的二次污染引起了社會廣泛的關注[5]。Zhang等[6]調查采樣發現，我國小型垃圾焚燒爐的PCDD/Fs（二噁英類污染物）的排放濃度遠高于大型市政垃圾焚燒設施。目前，針對小型農村垃圾焚燒爐煙氣中污染物特別是二噁英類污染物的研究報道還很稀少，劉勁松等[7]對一個小型農村生活垃圾焚燒爐燃燒階段廢氣中二噁英的監測結果高達69.2 ng TEQ·m－3，而桂莉[8]的研究發現某小型垃圾熱解氣化爐煙氣中的二噁英僅為0.197 ng TEQ·m－3，僅有的兩個研究均僅采集了1個煙氣樣品，且研究結果差異較大，不能呈現出我國小型農村垃圾焚燒爐的煙氣污染物排放現狀。

簡易焚燒和熱解等農村垃圾焚燒爐近年來在我國各地的許多農村地區廣泛出現，為偏遠地區農村垃圾的妥善處理提供了新的方式，在一定程度上緩解了我國農村垃圾散亂的現象，但目前針對小型農村垃圾焚燒爐的工藝特征、污染物排放等均沒有規范，造成各類小型農村垃圾焚燒爐技術參差不齊，而對于這些設施煙氣中污染物的排放情況，尚未有專門針對性研究。本研究通過對7座典型的農村簡易焚燒和熱解爐煙氣、廢水中的污染物排放監測分析，以獲得具有代表性的農村垃圾焚燒爐煙氣污染物排放的監測數據，同時對比不同熱處理方式和煙氣凈化設施對污染物排放的影響，為農村地區因地制宜選擇垃圾處理設施工藝，減少垃圾處理二次污染提供基礎數據和合理建議。

1 材料和方法

1.1 調查點位和樣品采集

本研究于2014年在我國西南地區選取了7座小型農村垃圾焚燒爐開展了采樣監測，并通過現場調研和問卷調查相結合的方式，對主要技術參數和工藝特征進行了統計，焚燒爐的基本情況如表1所示。7座垃圾焚燒爐焚燒工藝主要為簡易焚燒和熱解兩種熱處理類型，煙氣凈化工藝包括濕法洗滌、活性炭吸附和布袋除塵，除6號和7號焚燒爐未采用煙氣凈化設備外，其他焚燒爐均采用一種或綜合多種煙氣凈化工藝設備。

樣品采集包括垃圾處理過程中的焚燒煙氣和煙氣洗滌廢水，其中煙氣樣品主要采集位置為煙氣排口，洗滌廢水采自循環冷卻水池。廢氣采樣系統連接好后應進行氣密性檢查，確保整體系統不漏氣。廢水采樣前，檢查和確認廢水采樣器和樣品瓶的材質能否滿足待測廢水的特性要求，做到不吸附、不溶出和不與待測污染物發生化學反應。每批水樣選擇部分項目加采現場空白樣，并加入保存劑進行固定，把樣品置于低溫下保存并將樣品迅速送交實驗室。其中，煙氣中二噁英樣品按照標準《環境空氣和廢氣二噁英類的測定同位素稀釋高分辨氣相色譜－高分辨質譜法》（HJ 77.2—2008）采集，煙氣中重金屬煙氣樣品遵循《固定污染源排氣中顆粒物和氣態污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996）采集。

表1 7座垃圾焚燒爐基本情況Table 1 The information of seven incinerator monitoring in this study

1.2 檢測方法

本研究主要目標污染物為煙氣中Pb、Hg、Cd和Cr等重金屬以及二噁英，在測定其含量的同時，對一些煙氣洗滌廢水中的Pb、Hg、Cd和Cr含量進行了采樣分析。主要儀器分析方法及檢出限見表2。

2 結果與討論

2.1 煙氣處理措施對二噁英排放影響

7座垃圾焚燒爐的煙氣二噁英排放濃度見表3。對于7座垃圾焚燒設施，除采用了“熱解氣化+二燃室+冷卻裝置+干法脫硫+活性炭吸附+布袋除塵”工藝的4號焚燒爐外，其他監測點煙氣二噁英毒性當量排放濃度均不同程度地超出《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（GB 18485—2014）（圖 1），其中 1 號設施二噁英濃度高達 24.87 ng TEQ·m－3，是 GB 18485—2014規定的煙氣二噁英排放限值（0.1 ng TEQ·m－3）的約250倍。

4號、6號和7號焚燒爐采用了“熱解氣化+二燃室”技術，其中采用“冷卻裝置+干法脫硫+活性炭吸附+布袋除塵”煙氣凈化工藝的4號焚燒爐煙氣二噁英毒性當量低至 0.038 ng TEQ·m－3，低于 GB 18485—2014中的限值，而未添加煙氣凈化裝置的6號和7號焚燒爐煙氣二噁英毒性當量均值則分別為3.145 ng TEQ·m－3和 4.32 ng TEQ·m－3，分別是 GB 18485—2014中限值的約30倍和40倍，表明“活性炭吸附+布袋除塵”組合的煙氣凈化工藝對煙氣中的二噁英具有較好的去除效果。

Choi等[9]調查了韓國50個處理能力在40～195 kg·h－1的小型焚燒爐，大部分焚燒爐僅使用旋風除塵器作為煙氣凈化系統，部分使用旋風除塵+濕法洗滌/布袋等，但均未使用活性炭噴射吸附，其中焚燒爐煙氣二噁英的排放濃度高達609.27 ng TEQ·m－3，該研究的結論與本研究對于未采用活性炭噴射的焚燒爐的監測結果較一致。對于同樣采用“簡易焚燒”處理工藝的1號和5號焚燒爐，使用水洗作為唯一煙氣凈化工藝的1號焚燒爐二噁英排放濃度最高，達到24.87 ng TEQ·m-3，是5號焚燒爐的21.6倍。采用“石灰水沐”的3號焚燒爐，二噁英排放濃度也達到17.45 ng TEQ·m-3。研究結果表明，無論是水洗還是石灰水沐，僅使用濕法洗滌工藝對煙氣中二噁英的去除效果并不理想。

表3 焚燒爐煙氣二噁英排放濃度Table 3 The concentration of dioxin in flue gas

圖1 焚燒爐煙氣二噁英毒性當量排放濃度Figure 1 The toxic equivalent concentration of dioxin in flue gas

表2 煙氣中污染物指標分析方法Table 2 The methods of pollutants analyzed in flue gas

2.2 不同焚燒工藝對煙氣二噁英含量的影響

對于同樣采用“濕法洗滌”煙氣凈化工藝的1、2號和3號焚燒爐，采用“簡易焚燒”工藝的1號和3號焚燒爐分別較采用“熱解”工藝的2號焚燒爐煙氣二噁英排放濃度高410%和257%。對于未設置額外的煙氣凈化裝置，采用“熱解氣化+二燃室”的6號和7號焚燒爐，煙氣二噁英含量分別為3.145、4.32 ng TEQ·m-3，低于采用“簡易焚燒”工藝的5號焚燒爐未凈化煙氣的二噁英含量（6.89 ng TEQ·Nm-3）。此外，研究發現，原始垃圾中PCDDs一般比PCDFs含量高，PCDFs主要來自于焚燒后的合成[10]。從表3可知，各監測位點煙氣中PCDFs/PCDDs比值均大于1，表明煙氣中的二噁英類污染物可能主要來源于垃圾焚燒和煙氣降溫過程中合成的PCDFs，因此，采用熱解技術較一般焚燒更能有效抑制二噁英的生成。

2.3 煙氣和煙氣洗滌液中重金屬污染情況

從圖2可見，7座焚燒爐煙氣中總Cr和Pb的排放濃度均低于GB 18485—2014限值（Cr+Pb≤1.0 mg·m-3），除 1 號焚燒爐 Cd 排放濃度達 0.113 mg·m-3超過GB 18485—2014排放限值外，其他焚燒爐煙氣中Cd濃度均遠低于排放限值。結合表4中各焚燒爐煙氣洗滌液重金屬含量可見，1號焚燒爐煙氣洗滌液中Cd、Pb含量均遠低于檢測下限，排除在洗滌過程中二次污染的可能性，同時也說明簡單采用水洗工藝并不能有效去除煙氣中的Cd和Pb。

圖2 焚燒爐煙氣重金屬排放濃度Figure 2 The heavy metals concentration in flue gas

表4 焚燒爐煙氣洗滌液重金屬含量Table 4 The heavy metals concentrations in washing wastewater

在7座焚燒爐中，1、2、6號焚燒爐的煙氣Hg含量超過GB 18485—2014的限值，其他焚燒爐煙氣中Hg含量均能達標排放。同樣，采用“堿液洗滌”且未采用“活性炭吸附+布袋除塵”工藝的3號焚燒爐，煙氣Hg含量也能達到較低的0.041 mg·m-3，說明“堿液洗滌”工藝對煙氣中Hg具有較好的去除效果，其原因可能是Hg2+與堿液中的OH-發生反應：Hg2++2OH-=HgO+H2O，產生的HgO沉淀在洗滌液中被去除。

采用“活性炭吸附+布袋除塵”的4號焚燒爐煙氣中各重金屬含量均能控制在較低水平，且低于GB 18485—2014的限值，比同樣采用“熱解氣化+二燃室”焚燒工藝的6號和7號焚燒爐相比，4號焚燒爐煙氣中Cd和總Cr均未檢出，Pb濃度也較低，提示“活性炭吸附+布袋除塵”對煙氣中重金屬的去除具有較好的效果。

3 結論

（1）所調查的7座焚燒爐的煙氣樣品中二噁英和重金屬濃度存在較大差異。僅有1座焚燒爐的煙氣樣品中二噁英濃度明顯低于其他樣品，符合《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（GB 18485—2014）中的排放標準，其余6座焚燒爐的二噁英均高于標準限值，最高超標約250倍。所調查的焚燒爐的煙氣樣品中重金屬濃度則大部分排放達標，僅3座焚燒爐的Hg濃度和1座焚燒爐的Cd濃度排放超標。

（2）不同的焚燒和煙氣處理工藝對煙氣中污染物濃度也存在影響，在本研究監測的7座焚燒爐中，采用熱解-焚燒工藝的焚燒爐所產生的煙氣中二噁英及重金屬排放濃度均低于簡易焚燒工藝；“活性炭吸附+布袋除塵”對煙氣二噁英及多種重金屬污染物的去除有較好的效果；堿液水洗對煙氣中Hg有較好的去除效果；普通水洗對二噁英及重金屬污染物去除均無明顯效果。

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