基于HRA的鄰避區域焚燒污染風險評估

朱陽光,楊 潔,喬萌萌,周 芮,毛嘉玲,楊 成 (蘇州科技大學環境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215009)

生活垃圾焚燒以減量化、無害化和熱能回收等優點而被政府決策部門接受[1],但焚燒過程不可避免產生煙氣污染物,如氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、顆粒物(PM)、各類重金屬以及二噁英類(PCDD/Fs)等[2-4],會加重鄰避區域環境污染[5-6],危及鄰避居民健康安全[7-8].垃圾分類回收制度混亂無序,凈化工藝設備維護管理滯后,焚燒發電與供熱產能不足,煙囪口污染物持續超標外排等,已經凸顯我國焚燒廠運營管理諸多不足[9].環境風險管理對象、關鍵控制節點等不明晰,導致風險管理行為缺乏針對性,在控制失效下風險因子易轉換成環境污染事故[10].為保障鄰避居民健康安全,改善鄰避區域生態環境,優化我國鄰避區域焚燒風險決策和提高風險管理效率,已刻不容緩.

根據美國化學工程師學會(AIChE)對風險值定義,即風險=F(概率,后果)[11],鄰避區域垃圾焚燒中存在的環境風險,以焚燒設施發生事故概率與其造成風險受體后果損失的乘積來表征.事故樹分析法(FTA)描述事故發生從后果到原因的邏輯關系[12],可作為分析工具定量化估算焚燒事故概率.而焚燒事故造成鄰避區域內風險受體的后果損失,涉及健康[13]、環境[14]、經濟[15]等方面,為便于理論分析、縮小研究主體范圍,本文側重于鄰避居民的健康損失來表征后果變量[16].而健康風險評估(HRA)則提供了這一技術方法[17],其主要特點是以風險度作為評價指標,利用毒理學、流行病學、環境測定和臨床資料為基礎,定量化評估特定暴露人群的健康風險程度[18].鄰避區域垃圾焚燒與周邊人群健康風險關系,國外學者通過實證研究已趨向成熟[19-22],研究拓展到大氣污染擴散模型,廣泛應用于區域復雜地形的有ADMS 模型[23]、AERMOD 模型[24]和 CALPUFF模型[25],在復雜氣象(如風速、風向)、復雜地形條件下等,模擬煙氣污染物濃度擴散分布規律[26-27],結合 GIS技術可視化鄰避居民健康風險區域分布圖[28-29].但研究模型分析受限于復雜、耗時,不便于企業及時預測鄰避居民健康風險及可接受性.國內學者也已針對焚燒廠污染源相繼開展大量的健康風險評估[30-33],但研究內容多集中于單一污染物,未能估算鄰避區域焚燒風險總體水平.企業不能及時預估焚燒風險,無法以經濟成本投入高效控制風險.為便于企業在有限可利用資源下,以較少時間、成本投入,及時預估多種污染物引發下風向鄰避區域內的復合風險,本文提出鄰避區域范圍定量化界定方法,構建鄰避區域焚燒污染風險評估模型,并給出其可接受性標準.以浙江省某市生活垃圾焚燒廠為例,科學估算其鄰避區域焚燒污染風險,并提出控制措施應對,以期為我國焚燒廠管理提供決策參考.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與數據來源

研究區域位于浙江省某市城區內,區域地面氣象參數統計(包括風向、風速、氣溫等)來源于中國氣象局全球地面站(臺站號58457)2016年逐日定時觀測數據.該區域春夏季節盛行南西南風(SSW),秋冬季節盛行正北風(N),靜風頻率為2.16% (＜0.5m/s),焚燒煙氣污染物擴散受到季風期內主導風向影響比較明顯.大氣穩定度可由季風期內太陽高度角均值計算[34]、太陽輻射等級以及地面風速查出[35-36].具體數值如表1.

研究對象位于該區近郊內(30°23'56″N,120°17'42″E),裝有2臺375t/d異重循環流化床生活垃圾焚燒爐,配2臺6MW汽輪發電機組,爐后配置2套SNCR脫硝+半干式脫酸+布袋除塵+活性炭吸附的煙氣凈化裝置.凈化后的煙氣經組合式煙囪外排,內有2個獨立排氣筒,內徑1.9m,高度60m.煙氣流速為 18m/s,外排溫度 130℃,標況下煙氣流量為125000Nm3/h,焚燒爐24h連續生產運營.根據該廠提供污染源自行監測方案,對煙囪排放口污染因子濃度 SO2、NOx、PM 采取自動監測方式,HCl、Cr、Cd、PCDD/Fs等委托其他公司進行手工監測,其中 SO2、NOx每日監測 1次,顆粒物 1 次/月,HCl、Cr、Cd 為 1 次/季度,二噁英 1次/a.本文針對 2015-07-31～2016-08-01期間焚燒廠煙囪排放口污染物濃度外排進行研究,濃度數據來源于浙江省企業自行監測信息公開平臺.

表1 2016年研究區域氣象參數值Table 1 Meteorological parameter for study area in 2016

1.2 風險評估模型與方法

焚燒廠風險因子識別,針對煙囪口污染因子i(主要為 SO2、NO2、HCl、PM10、Cd、Cr、PCDD/Fs等)排放進行研究.根據焚燒設施運營狀況,本文比較兩類風險情景設置：RA(運營達標排放下的風險水平)以及 RB(煙氣凈化系統失效下超標排放的風險水平)[37].這兩類風險類型下,污染物長期持續外排,引發下風向鄰避居民健康損失累積效應.為明確受焚燒風險影響下的區域人群特征,需對鄰避區域范圍定量化界定,進而構建鄰避區域焚燒污染風險評估模型.根據各污染因子毒性參數選擇和在線監測濃度數據收集,對RA、RB進行表征,并分別提出控制措施,如圖1.

圖1 環境風險評估框架Fig.1 Flow chart of environmental risk assessment

1.2.1 鄰避區域界定方法 本文主要考慮環境污染物對機體長期慢性或蓄積性作用,為保護研究區域內(包括敏感人群等)機體經各種途徑接觸污染物,而不致引起超出生理性健康損害變化.鄰避區域界定原理為：在研究區域不同氣象條件下,預測焚燒廠高架點源下風向各點污染物濃度,以超出居民區日平均最高容許濃度的最遠距離范圍作為依據[38].根據鄰避區域內氣象條件,選擇高斯模型對煙氣污染物擴散進行模擬[39],以污染源擴散至地面濃度模擬值的空間分布規律界定鄰避區域范圍(圖2).

式(1)為煙氣污染物濃度擴散模型理論公式,式(2)表征鄰避區域邊界判定條件.

圖2 鄰避區域范圍界定框Fig.2 Defined boundary for NIMBY area

選擇污染因子NO2為基準界定,為超標期內平均濃度值.,以2014年浙江省某市居民區NO2年均濃度值表示[41].

1.2.2 RA表征方法 焚燒廠正常運營與達標排放期間,污染因子 i在不同氣象條件下造成鄰避區域k內居民健康風險損失為：

1.2.3 RA控制方法 RA表征焚燒污染源排放造成鄰避居民健康風險損失水平.由于我國垃圾焚燒污染控制標準與歐美國家存在一定差距

[42-44],而鄰避居民作為環境風險受體,即使污染因子 i排放均已達國標,卻因污名化效應而對焚燒源長期持續排放擔憂恐懼,結果在未來仍有可能影響企業與政府決策穩定性,其根源控制在于有效降低焚燒廠自身輻射出的風險水平[45].因而在焚燒設施正常運營時,企業在自身經濟投入可承受下,應盡可能降低煙囪污染物排放口濃度

[46],以達到RA最優化風險可接受水平.

圖3 凈化工藝參數Fig.3 Parameters of purification system

為便于企業有效管理RA,以可接受的經濟成本投入,達到國標下最優化風險水平.根據相關資料參考與焚燒行業調查等數據收集[47-49],整理出可達新標下的 7類煙氣凈化設備,如半干式反應脫硫塔(PS1)、SNCR脫硝噴射(PS2)、SCR催化反應器(PS3)、鈣堿法濕式脫硫塔(PS4)、臭氧脫硝(PS5)、活性炭吸附(PS6)、布袋除塵器(PS7).不同工藝設備參數取值如圖3.結合余熱鍋爐出口風險因子 i濃度值,算出.以值為縱坐標,相應煙氣凈化成本作為橫坐標繪制曲線圖來分析.

1.2.4 RB表征方法 本文將煙氣凈化系統失效后果與事故發生概率乘積來表征以該焚燒廠2015-7-31～2016-8-1全年運營期內,污染因子實測數據超標的頻率表征.為真實有效反映超標期內各污染因子i排放對鄰避居民健康損失效應貢獻程度,構建 βiw因子,風險水平值以表征,

圖4 40座焚燒廠污染物新舊標準超標率Fig.4 Pollutants ratio exceedance over old and new standard from 40 incinerators

1.2.5 RB控制思路 由式(4)得出,RB與焚燒廠規模以及煙氣凈化工藝有關.因此,企業在針對RB控制時,根據所選的焚燒爐設備及其煙氣凈化工藝,需滿足 max RB≤RA*.若 RB＞RA*,即意味著此煙氣凈化系統污染因子 i類風險指數超標.若 B類事故風險一旦發生,造成的鄰避區域環境污染難以在短時間內得到修復.此時,企業需根據煙氣監測數據超標與現場設備運營狀況,及時找出工藝系統故障原因,并進行針對性維護,以降低其故障發生概率.

1.3 鄰避區域人群呼吸暴露風險評估癌物因子i對人體致癌強度系數,[mg/(kg·d)]-1.針對非致癌物HCl、PM10,尚未給出攝入RfD值,但根據 IARC給出暴露參考濃度 RfC(HCl)=0.02mg/m3,RfC(PM10)=0.05mg/m3,根據式(7)來分別計算 HCl、PM10參考劑量以及對人體非致癌物劑量-效應值

人體暴露焚燒煙氣的途徑主要有 3種,包括呼吸道、消化道(經口暴露)和皮膚暴露,而其中呼吸暴露是廠外空氣敏感人群接觸污染源最為直接的暴露途徑[31].人體對污染因子i(SO2、NO2、HCl、PM10、Cd、Cr)健康風險暴露途徑主要為呼吸攝取,二噁英為食物攝取和呼吸攝取2種[51].以選取的MSWI為研究對象,開展鄰避區域人群呼吸暴露風險評估.

1.3.1 暴露模型 根據目前國內外常用的呼吸暴露量化方法[52-53],兒童和成人經呼吸攝入非致癌物的量 ADDi與致癌物的量 LADDi,分別按以下公式計算：

式中：ADDi為非致癌物因子i的單位體重日均暴露劑量,mg/(kg·d);LADDi為基于生命周期的致癌物因子i經呼吸途徑終生日均暴露量, mg/(kg·d);ci'(x)為鄰避區域大氣污染物濃度值, mg/m3;IRinh為攝取速率,m3/d;EF為暴露頻率,d/a; ED為暴露年限,a; BW為人群平均質量, kg; AT為平均作用時間,d.

1.3.2 劑量-效應參數選擇 根據國際癌癥研究機構(IARC)[54],將污染物 SO2、NO2、HCl、PM10劃為非致癌物,Cd、Cr、PCDD/Fs劃為致癌物.

對于非致癌物的毒性評估采用參考劑量RfDi表述,為非致癌物因子 i在呼吸攝取暴露途徑下的參考劑量,mg/(kg·d);致癌物的毒性評估采用致癌斜率因子 SFi表述,為由動物推算出來致

表2 鄰避區域人群呼吸暴露參數值Table 2 Exposure parameter values of human inhalation in NIMBY area

1.3.3 風險表征 非致癌物健康風險以Rn進行表征,致癌物健康風險以 Rc進行表征[59],計算公式如下：

式中：10-4為個體非致癌物健康風險終生最大可接受水平[30].分別為非致癌物與致癌物因子i對人體健康風險劑量-效應值, m3/(mg·a).評估模型相關參數取值如表2～表3.

表3 煙氣污染物毒性參數Table 3 Toxic parameters for flue gas pollutants

2 結果與討論

2.1 鄰避區域范圍界定

圖5 污染物地面軸線濃度擴散趨勢Fig.5 Diffusion trend of pollutants in ground axis concentration

對鄰避區域范圍進行定量化界定,如圖5,分為兩類：工商業區,春夏季節盛行南西南風(SSW),范 圍 為 xSSW∈[663m,1760m], ySSW∈[-150m,150m]. ρa=0.0015 人/m2,Sa=3.29×105m2;居民區,秋冬季節盛行正北風(N),范圍 xN∈ [930m,2280m],yN∈[-125m,125m]; ρa=0.004 人/m2, Sa=3.375×105m2.具體空間分布區域如圖6.

圖6 鄰避區域實際范圍界定Fig.6 Actual boundary for NIMBY area

2.2 風險評估結果

根據該焚燒廠 2015-07-31～2016-08-01期間煙氣污染物濃度在線監測結果,如圖7,在達標期內,污染因子 PM10、SO2、NO2濃度值接近于新標準(GB 18485-2014)濃度限值,HCl濃度值較標準低很多, Cd、Cr缺乏有效監測數據,二噁英檢測濃度值為0.021ng/m3(達標).

圖8中,超標期內PM10與酸性氣體(SO2、HCl)超標情況嚴重,在春夏季超標率分別為 51.9%和76.5%;秋冬季分別為54.9%和67.6%,與圖4中數據相比,已遠超平均水平,說明該焚燒廠半干式脫硫塔與布袋除塵系統運營中存在嚴重失效故障.

由于該廠對 HCl、Cd、Cr、二噁英等污染因子實時在線檢測設備缺乏,相應超標期內濃度數據無法收集,本文采用超出標準(GB 18485-2014)限值一倍的濃度值計算.由式(1)可計算超標期內各污染因子沿下風口鄰避區域內地面濃度均值,如表4.針對不同氣象條件下SSW、N,以NO2為例,模擬煙氣污染物經大氣擴散至鄰避區域地面濃度分布規律,如圖9.

圖7 運營期內煙氣污染物濃度動態變化Fig.7 Dynamic changes of pollutant concentrations during operating periods

圖8 煙氣污染物超標率Fig.8 Ratio exceedance of gas pollutants

針對Cd、Cr、二噁英在超標期內超標率PBi計算處理,因污染因子超標均屬于活性炭吸附系統出現失效故障所致,本文以圖4中重金屬超標率最大值來估算,以7.83%的Hg超標率來表征.

表4 不同情境下煙氣污染物濃度值(mg/m3)Table 4 Concentration of pollutants in different situations(mg/m3)

圖9 污染物地面濃度大氣擴散分布規律模擬Fig.9 Simulation of pollutant ground concentration distribution by atmospheric dispersion

2.3 風險控制措施

根據圖10,其中,RA1→PS1+PS2+PS6+PS7;RA2→PS1+PS3+PS6+PS7; RA3→PS1+PS5+PS6+PS7; RA4→PS3+PS4+PS6+PS7; RA5→PS4+PS5+PS6+PS7; RA6→PS2+PS4+PS6+PS7.企業在經濟成本可承受區間[a,b]內,可根據自身焚燒垃圾成分,以及煙氣污染物的指標去除要求,選擇達到最優化風險水平的煙氣凈化組合工藝.

圖10 RA與Δc(投入)之間關系Fig.10 RA and Δc(invest) relationship diagram

由于RB＞RA*,SO2、HCl、顆粒物濃度超標嚴重,說明該焚燒廠半干式脫硫塔與布袋除塵系統存在嚴重失效故障.這兩類設備現場運營狀況應重點被監管,并針對故障原因及時維護與管理.

2.4 不確定性分析

2.4.1 毒性參數取值的不確定性 毒性參數RfDinh、SFinh在不同國家及地區存在著差異;環境中不同類型污染因子對鄰避居民健康毒性效應,模型以相加作用簡化處理,而實際可能存在更為復雜的拮抗或協同作用機理[65],均會對健康風險結果造成一定影響.

2.4.2 區域參數實測數據取值的不確定性 如參數ρk、C(i,j)w(x,y,0)等在下風口分布呈現區域性差異,當地人口統計資料匱乏,人群居住生活模式復雜多變.為便于模型風險分析進行簡化,均采用平均值處理.對煙氣凈化工藝設備成本取值,源自于焚燒企業調研出的設備清單統計,然而不同企業不同區域對相同工藝設備的市場價格也不盡相同,均會對結果產生影響.

2.5 討論

2.5.1 模型的精確度與適用性論證 垃圾焚燒廠在選址時,因其環境污染屬性,會選擇遠離人口密集型居民區和環境敏感型生態區,認為煙囪高度大于鄰避區域內建筑物高度的 2.5倍,無需考慮建筑物下洗作用.針對連續點源小尺度大氣擴散(＜10km),一般只需考慮大氣的擴散稀釋作用,可不考慮污染物的化學轉化等過程[66].通過大量小尺度擴散實驗,特別是在平原或較平坦地區實驗表明,污染物質在大氣中擴散濃度基本接近正態分布[67].針對鄰避區域小尺度內(＜10km)焚燒煙氣污染物擴散,如研究對象地處平原地帶,鄰避區域內以村莊、民房等低層建筑物為主,不同季風期平均風速均＞2m/s等,適用于環評導則93推薦的高斯擴散模擬[68].環境數學模型構建,需要同時具備精確度和簡單實用性,而這兩者之間呈反比關系[69].高斯模型對氣象資料要求低,求解簡單,利于企業快捷應用.為論證其有效性,與已被認可的AERMOD模型相比較,在簡單地形下,與實測值吻合度較好[70].在復雜地形下(不考慮建筑物下洗),采用地形修正項等可保證精確度要求[71].在處理對流條件浮力煙羽、垂直擴散以及混合層相互作用等方面,AERMOD模型模擬精確度相對更高,能更好反映污染物的實際擴散

[72].但對氣象資料要求高,求解復雜,企業應用困難.當實際存在少數焚燒廠(考慮建筑物下洗)情況,93導則推薦模型基本不再適用,而AERMOD模型仍具備較高精確預測性[73].此時如何在保證精確度下,將其有效引入且簡化求解過程,有待進一步研究.

2.5.2 模型的實際應用探討 研究對象選擇RA1的凈化組合工藝,產生風險值接近 RA*,如圖10.在國內已有應用成熟的凈化工藝設備選擇上,仍有很大潛力空間(RA下降),與我國焚燒業內行情相符.低價競爭、垃圾供應不足導致產能低下等,致使企業在滿足國標下,盡可能降低設施監管成本,這與本文提出 RA控制方法(以最優化可接受風險水平確定經濟投入成本)相悖,不利于 RA有效控制.地方政府應引導良性競爭,給予合理補貼費用,制定優惠政策支持,激勵企業今后投入更多成本,維護設施風險管理.

由式(4)得,企業針對 RB可控變量為,焚燒設施實際運營下當 max RB≤RA*,運營期內 PBtotal、Cφ(i,j)處于較低水平,主要與非正常運營如點火開爐、設備維修等系統因素有關,無法避免,為可容許范疇.若 RB＞RA*,則 PBtotal、Cφ(i,j)處于較高水平,主要與工藝設備運轉異常、監管失效等人為因素有關,期間排放造成鄰避居民風險損失不可接受,容易引發鄰避居民不滿情緒.超標期內一系列指標監測數據,可轉化為下風向鄰避居民風險損失值,意味著RB評估模型可作為紐帶橋梁,連接企業設施運轉狀況與鄰避居民態度變化趨勢,可為地方政府對兩者兼管的一種有效預警指示,值得深入研究.

2.5.3 研究展望 對鄰避區域范圍定量界定,如圖4,排除距離MSWI中心幾百米輻射范圍,說明該區域煙氣污染物擴散對鄰避居民健康風險影響較小,提示該區域存在其他不同類型的焚燒污染風險源.因焚燒風險具備緩發性和突發性雙重屬性,為便于理論模型構建,本文僅考慮焚燒風險的緩發性,其風險源對應煙氣凈化系統失效產生煙氣污染物,體現在下風向鄰避居民健康損失長期累積效應.而實際焚燒風險源還包括有毒氣體如氨氣等泄露爆炸事故,飛灰、底灰、垃圾滲濾液等危廢泄露外排,會對下風向幾百米范圍內環境和居民損害很大,此類風險源具有突發性,有必要對此進一步研究,以豐富和完善鄰避區域尺度內風險模型理論與實際應用性.

3 結論

3.1 結合焚燒設施運營狀況,將焚燒風險細分為 RA與 RB.為有效評估污染物擴散影響,得到鄰避區域范圍定量化界定方法,構建鄰避區域焚燒污染風險評估模型,并給出其可接受性標準,即RA≤ RA*,RB≤RA*.

3.2 對鄰避區域范圍進行定量化界定,分為兩類：(a)工商業區,春夏季節盛行南西南風(SSW),范圍xSSW∈[663m, 1760m], ySSW∈[-150m, 150m];(b)居民區,秋冬季節盛行正北風(N),范圍 xN∈[930m,2280m], yN∈[-125m,125m].

3.3 2015-7-31～2016-8-1焚燒廠運營期間,顆粒物與酸性氣體(SO2、HCl)濃度超標情況嚴重.春夏季超標率分別為 51.9%和 76.5%;秋冬季分別為54.9%和67.6%.

3.5 針對 RA控制,根據 6類煙氣凈化工藝組合與相應Δc(投入)估算,能夠為焚燒廠以可接受成本投入,選擇最優化風險水平的工藝類型.針對 RB控制,半干式脫硫塔與布袋除塵設備運營狀況應該重點被監管,并針對故障原因及時維護與管理.

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