上海市多個生活垃圾焚燒廠土壤特征污染物分布及相關性研究

姚澤生，陳 奕，嚴立宇，諸 毅

(上海環(huán)境綠色生態(tài)修復科技有限公司，上海 200232)

0 引 言

近年來，焚燒在中國城市生活垃圾的處置中所占比重越來越高，隨之而來的，如何評估及控制生活垃圾焚燒廠的污染情況，特別的，監(jiān)管其對土壤環(huán)境的影響也越來越重要。生活垃圾焚燒廠中涉及滲濾液、煙氣、飛灰等多種污染源，可能對土壤環(huán)境和人體健康造成影響。生活垃圾焚燒廠在達到垃圾減量化、無害化的同時，卻也會帶來對廠區(qū)內(nèi)部及周邊土壤及地下水污染的隱患[1]。因此，國內(nèi)外越來越多的研究傾向于生活垃圾焚燒廠的實例分析及其周邊土壤的特征污染物評價，尤其是重金屬和二噁英[2]。

為了解生活垃圾焚燒廠內(nèi)土壤特征污染物的分布及相關性，本研究針對上海市多個不同運營時間的在產(chǎn)生活垃圾焚燒廠，根據(jù)其近年來土壤及地下水自行監(jiān)測工作數(shù)據(jù)，選取了Pb、Cd、Cu、Ni、Be、Co、As、Mn、Mo、Hg和C10-40等11種焚燒廠特征污染物。分析其土壤特征污染物含量的變異程度、分布規(guī)律及相互關聯(lián)，研究其生產(chǎn)運營過程中土壤污染防控情況與生產(chǎn)年代是否有關，在過去研究中常見的針對單一實例的不同污染指標間相互比較分析的基礎上，將不同運營狀況的廠區(qū)的污染情況進行橫向比較，為我國在產(chǎn)生活垃圾焚燒廠的土壤污染風險管控工作提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 生活垃圾焚燒廠概況

本次研究區(qū)域的四個研究對象均為上海市在產(chǎn)生活垃圾焚燒廠，分別為D焚燒廠、C焚燒廠、F焚燒廠、J焚燒廠。研究對象均采用傾斜往復式順推雙列爐排工藝，煙氣通過噴霧反應器和袋式過濾器處理后由煙囪排入大氣，垃圾滲瀝液經(jīng)污水處理系統(tǒng)處理后納管排放，飛灰、爐渣采用填埋處理。焚燒廠處理單元包括：垃圾貯存單元、垃圾攪拌單元、垃圾焚燒單元、余熱回收單元、煙氣凈化單元、滲濾液處理單元、灰渣處理單元等。同時，研究對象的區(qū)域構成也呈現(xiàn)一致性，均包含主廠區(qū)、污水處理區(qū)、危廢倉庫、油庫、污泥干化區(qū)等。研究對象的歷史用途、運營年份、處理能力、占地面積、煙囪高度、煙氣凈化工藝、是否處于工業(yè)區(qū)等基本信息見表1。

表1 研究對象差異對比

1.2 點位布設與測試指標

在研究對象的主廠區(qū)、污水處理區(qū)、危廢倉庫、油庫和污泥干化區(qū)等五個區(qū)域布設了10個土壤采樣點(每個區(qū)域2個采樣點)。由于污染物在土壤的遷移途徑大多為垂向，因此本研究選取了表層土壤樣品(0～50 cm)。根據(jù)上海市生活垃圾的組分、焚燒過程中可能產(chǎn)生的污染物、以及自行監(jiān)測相關技術規(guī)范，確定了11項測試指標，分別為：Pb、Cd、Cu、Ni、Be、Co、As、Mn、Mo、Hg和C10-40。

2 結果與討論

2.1 土壤特征污染物含量的描述性統(tǒng)計分析

對研究區(qū)域四個研究對象總計四十個樣本進行匯總后，得到表2，可以看出，研究區(qū)域11個指標均未超出標準限值。

變異系數(shù)能夠反映不同采樣點之間的平均變異程度，同時也能夠反映該元素受人為因素的影響程度[1]。變異系數(shù)越小，表明該特征污染物以該地區(qū)背景含量為主；變異系數(shù)越大，則表明其分布受人為影響因素較大。[3]由表2可知，鎳和鈷的變異系數(shù)分別為11.15%和10.59%，屬于低度變異(變異系數(shù)<15%)；鈹、砷和錳的變異系數(shù)分別為23.22%、27.09%和29.87%，屬于中度變異(15%<變異系數(shù)<36%)；鉛、鎘、銅、鉬、汞和總石油烴的變異系數(shù)分別為53.85%、136.68%、165.81%、97.88%、86.58%和147.04%，屬于高度變異(變異系數(shù)>36%)。由此可見，本研究區(qū)域內(nèi)的土壤特征污染物的變異系數(shù)大多屬于高度變異，表明其分布受人為因素影響程度較大[3]。

表2 研究區(qū)域土壤特征污染物描述性統(tǒng)計結果

2.2 相關性分析

進一步對40個樣本點的11個指標進行Pearson相關性研究，可得表3，可以看出Cd-Pb，Ni-Pb，Cu-Pb，Hg-Pb，Co-Pb，C10-40-Pb，Hg-Cd，Cu-Ni，Be-Ni，Be-Hg，Co-Hg，C10-40-Hg，Co-Be，C10-40-Co，C10-40-Be、As-Mo、Be-Mo、Co-Mo、Mn-Co的相關性通過了顯著性檢驗。其中，鉛與除砷、硒、鉬外的其余特征污染物均有顯著的正相關關系，可以作為生活垃圾焚燒廠的污染監(jiān)測指示污染物，通過鉛的檢測，可以有效驗證該區(qū)域是否存在污染遷移等相關情況[4-6]。

由表3還可以看出，Cd-Pb，Hg-Pb，Mo-As三組特征污染物間有顯著性超過99.99%(P<0.0001)的正相關性，其中Cd-Pb的相關系數(shù)甚至高達0.86，接近線性關系。結合表1，Pb、Cd、Hg三種特征污染物的變異系數(shù)均屬于高度變異，說明受人為影響較大，表明這些污染物間可能具有同源性，具體同源關系還需進一步資料收集與分析。

表3 研究區(qū)域土壤特征污染物相關性分析

2.3 分布圖

為了驗證相關性分析中揭示的研究區(qū)域Cd-Pb可能存在的同源性，用每個研究對象內(nèi)10個采樣點的鎘、鉛含量通過Surfer11中克里金插值法進行插值，得到研究區(qū)域內(nèi)鎘、鉛的空間分布，并進一步繪制出四個焚燒廠中鎘、鉛的分布圖，如圖1所示。

通過比對可以看出，本研究區(qū)域內(nèi)鎘、鉛的空間分布顯示出較高的一致性，富集區(qū)域有明顯的重疊，分別集中于D焚燒廠的油庫區(qū)域及污水處理區(qū)域、C焚燒廠的危廢倉庫區(qū)域、F焚燒廠的污水處理區(qū)域、J焚燒廠的污水處理區(qū)域。這進一步驗證了上節(jié)中，鎘和鉛兩種特征污染物的同源性。值得注意的是，C焚燒廠的鎘、鉛富集區(qū)域位于研究對象的危廢倉庫區(qū)域，該區(qū)域主要用于穩(wěn)定化飛灰、袋式除塵廢棄濾料的暫存，飛灰中富集了較高浸出濃度的鉛、鎘等特征污染物，從而導致危廢倉庫區(qū)域附近鎘、鉛的富集，也從一定程度上印證了Cd-Pb的同源性。

2.4 聚類分析

由于研究對象的年份跨度相對較大(2003-2016)，不同研究對象的運營情況及土壤污染防控情況可能不同，為了解生產(chǎn)年代與土壤污染情況的關系，借助聚類分析對研究對象污染情況進行分類。

選取11個特征污染物濃度平均值(將10個采樣點進行平均)作為一個研究對象的特征指標，由于四個研究對象的采樣點基于相同選取標準(主廠區(qū)、污水處理區(qū)、危廢倉庫、油庫、污泥干化區(qū))，具有一一對應關系，因此該指標具有可比性。用得到的特征指標，基于馬氏距離和最短距離法[7]，對四個研究對象進行聚類分析，得到譜系圖如圖2所示。

由圖2，年份最早的D焚燒廠與其他3廠馬氏距離最遠，說明其污染情況最為特殊，這可能與早期生活垃圾焚燒廠土壤污染風險管控意識、生產(chǎn)運營過程中管理水平有關，例如：地下排污管線、地面防滲設施等。

年份接近(2013-2016)的J焚燒廠、C焚燒廠、F焚燒廠則可視為一類，由于2013年以來，上海市加強了土壤污染管控，2013年以后生活垃圾焚燒廠的土壤污染情況與運營時間無明顯關聯(lián)。

3 結束語

(1)研究區(qū)域內(nèi)鉛、鎘、銅、鉬、汞和總石油烴的變異系數(shù)分別為53.85%、136.68%、165.81%、97.88%、86.58%和147.04%，屬于高度變異，本研究區(qū)域內(nèi)的土壤特征污染物分布受人為因素影響程度較大。

(2)研究區(qū)域內(nèi)的40個樣本中，鉛與除砷、硒、鉬外的其余特征污染物均有顯著的正相關關系，可以作為生活垃圾焚燒廠的污染監(jiān)測指示污染物，通過鉛的檢測，可以有效驗證該區(qū)域是否存在污染遷移等相關情況。

(3)研究區(qū)域內(nèi)鎘、鉛的空間分布明顯重疊，存在同源性可能性極大，可能與飛灰暫存管理情況有關。同時，污水處理區(qū)域存在較高富集，在以后的研究中需重視該區(qū)域的污染情況。

(4)聚類分析結果表明年份最早的D焚燒廠污染情況最為特殊，這可能與早期生活垃圾焚燒廠土壤污染風險管控意識、生產(chǎn)運營過程中管理水平有關。