煤焦化殘渣污染特性與環(huán)境風險研究

黃耿博，楊延梅，黃啟飛，李雪冰，楊玉飛*

1.重慶交通大學河海學院

2.中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所

煤焦化是指煤在隔絕空氣條件下，受熱分解生成煤氣、焦油、焦炭等產品的過程[1]。我國是世界第一焦炭生產大國，2018 年我國的煤焦化企業(yè)數(shù)量約500 家，焦炭總產能約6.5 億t，年產焦炭4.38 億t、煤焦油2 000 萬t、粗（輕）苯550 多萬t，外供焦爐煤氣數(shù)百億m3[2-3]。作為資源消耗型行業(yè)，煤焦化生產過程中會產生大量的殘渣，部分殘渣如焦油渣、煤焦油、酸焦油等含大量的有害成分，在國內被作為危險廢物管理。

煤焦化是多環(huán)芳烴 (polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)的重要工業(yè)排放源，PAHs 年排放量占我國的13%～16%[4]。PAHs 是指由2 個或2 個以上苯環(huán)構成的稠環(huán)化合物，具有高度的致畸、致突變、致癌性，已有16 種PAHs 被美國國家環(huán)境保護局(US EPA)列為優(yōu)先控制污染物[5-6]。重金屬是煤焦化生產過程中的另一主要污染物，進入環(huán)境后會富集于動植物體內，并通過食物鏈和食物網進入人體而損害人體健康。目前，國內外已有研究重點關注煤焦化殘渣中的PAHs 與重金屬：焦油渣所含的PAHs 總濃度高達75 630～104 885 mg/kg，以2～3 環(huán)和4 環(huán)的PAHs 單體為主，高致突變性物質、致癌性物質總濃度均超過GB 5085.6—2007《危險廢物鑒別標準 毒性物質含量鑒別》[7-9]；焦化污泥中所含的PAHs 濃度為278～6 683 mg/kg，遠高于其他工業(yè)和市政污泥[10-13]，同時，焦化污泥中還含有大量的重金屬，Zn 的濃度高達425～612 mg/kg[14-15]；煤焦化除塵灰中含有大量的重金屬，其中Cu、Zn、Cr 的濃度較高[16]。然而，這些研究多關注于某些煤焦化殘渣的污染物濃度，對煤焦化殘渣的環(huán)境風險研究較少。煤焦化殘渣所含的污染物會伴隨其儲存與利用處置過程釋放進入環(huán)境中，對環(huán)境安全與人體健康存在潛在風險。因此，亟需開展煤焦化殘渣的污染特性與環(huán)境風險研究。

以山東濟南某煤焦化企業(yè)產生的殘渣為研究對象，利用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）、電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），對焦油渣、煤焦油、硫銨酸焦油、焦粉、剩余污泥進行檢測，全面分析5 種煤焦化殘渣中PAHs 組分濃度、環(huán)數(shù)分布及重金屬濃度。通過計算16 種PAHs 的等效毒性和8 種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，對煤焦化殘渣的環(huán)境風險進行評估，以期為煤焦化殘渣的環(huán)境風險控制提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以山東濟南某煤焦化企業(yè)煉焦過程產生的殘渣為材料，其生產工藝及產廢節(jié)點如圖1 所示。殘渣主要包括冷鼓工段機械化氨水澄清槽產生的焦油渣與煤焦油、硫銨工段脫氨產生的硫銨酸焦油、篩焦工序產生的焦粉、酚氰廢水處理站A/A/O工藝產生的剩余污泥。其中焦油渣為深黑色黏稠顆粒狀固體，煤焦油與硫銨酸焦油均為深黑色黏稠狀液體，焦粉為灰色粉末狀固體，剩余污泥為黑褐色泥狀固體。

圖1 某煤焦化企業(yè)煉焦工藝及產廢節(jié)點Fig.1 Coking process and pollutants producing nodes in a coal coking enterprise

1.2 試驗方法

1.2.1PAHs 濃度測定

參照HJ 951—2018《固體廢物 多環(huán)芳烴的測定氣相色譜-質譜法》測定US EPA 規(guī)定的優(yōu)先控制16 種PAHs。選擇40 mL 正己烷和丙酮混合溶液(體積比為1:1)作為提取劑，采用KQ-250DE 型超聲儀提取樣品中的多環(huán)芳烴，超聲條件為4 000 W、30 ℃，超聲20 min，循環(huán)3 次。提取液經旋蒸濃縮、硅膠層析柱凈化、氮吹濃縮后用正己烷定容至1 mL，待測。預處理后的樣品采用Agilent 7890GC-5975C 型GC-MS 測定PAHs 濃度。

PAHs 質量控制與質量保證通過空白加標回收試驗進行。添加16 種PAHs 混合標準樣品進行空白加標回收測定，得到樣品的回收率分別為：萘(Nap)，70.4%；苊烯(Ace)，78.6%；苊(Acy)，75.5%；芴(Flu)，83.7%；菲(Phe)，99.0%；蒽(Ant)，101%；熒蒽(Fla)，100%；芘(Pyr)，99.0%；苯并[a]蒽(BaA)，92.9%；?(Chr)，98.0%；苯并[b]熒蒽(BbF)，92.9%；苯并[k]熒蒽(BkF)，90.8%；苯并[a]芘(BaP)，88.8%；茚并[1,2,3-cd]芘(InP)，83.7%；二苯并[a,h]蒽（DahA），81.6%；苯并[ghi]苝(BghiP)，88.8%。滿足質量控制要求。

1.2.2重金屬濃度測定

參照HJ 781—2016《固體廢物 22 種金屬元素的測定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》測定煤焦化殘渣樣品中的Cu、Pb、Zn、Ni、Hg、Cd、Cr、As 的濃度。采用APL-Touchwin2.0 型微波消解儀對樣品進行消解，樣品消解之后趕酸，定容至100 mL，取上清液待測。預處理后的樣品采用Agilent 7500A 型ICP-MS 測定重金屬濃度。

1.3 環(huán)境風險評價方法

1.3.1多環(huán)芳烴的等效致癌毒性

PAHs 屬于揮發(fā)性有機污染物，可經呼吸道、消化道和皮膚等途徑進入人體，具有致癌風險[17]。16 種PAHs 中，BaP 具有很強的致癌性，常用于評價PAHs 的致癌毒性。采用Nisbet 等[18]的PAHs 毒性當量因子(TEF)計算方法來計算PAHs 單體等效毒性（BEQ）和總等效毒性(ΣBEQ)，用以表征5 種煤焦化殘渣的致癌風險。計算公式如下：

式中：BEQ 為PAHs 的等效毒性，mg/kg；Ci為PAHs單體i的濃度，mg/kg；TEFi為PAHs 單體i的毒性當量因子。

1.3.2重金屬環(huán)境風險評價

不同于揮發(fā)性有機物，重金屬常溫下不易揮發(fā)。煤焦化殘渣中重金屬的環(huán)境風險主要是滲漏與填埋對土壤造成污染。選擇在土壤重金屬污染研究中較為常用的潛在生態(tài)危害指數(shù)法，以濟南市土壤環(huán)境背景值為標準[19]，評價煤焦化殘渣重金屬對土壤的環(huán)境風險。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是將不同重金屬之間的毒性差異和環(huán)境對重金屬污染的敏感程度反應作為考慮因素，引入重金屬毒性系數(shù)確定土壤重金屬潛在危害程度[20]。計算公式如下：

煤焦化殘渣重金屬潛在生態(tài)風險評價標準[22]見表1。

表1 潛在生態(tài)風險評價等級劃分標準Table 1 Classification criteria for potential ecological risk assessment

2 結果與討論

2.1 煤焦化殘渣中多環(huán)芳烴組分分析

2.1.1多環(huán)芳烴濃度

不同煤焦化殘渣中16 種優(yōu)先控制的PAHs 濃度如圖2 所示。由圖2 可知，不同類型煤焦化殘渣的PAHs 濃度差異較大。焦油渣、煤焦油、硫銨酸焦油、焦粉中16 種PAHs 檢出率為100%，剩余污泥中僅有Fla、Pyr、Chr、BbF、BaP 被檢出。焦油渣中的PAHs 總濃度為96 088 mg/kg，其中Nap 濃度最高，占41.04%，其次是Fla，這與Ma 等[9]的研究結果相似。章麗萍等[23]檢測的煤間接液化工藝焦油渣中PAHs 濃度為39 833 mg/kg，其中Phe 濃度最高，其PAHs 濃度和組成與本研究差別較大，這是由于煤的加工工藝差異所致。煤焦油中PAHs 總濃度高達238 367 mg/kg，以NaP、Ace、Flu、Fla、Pyr 為主，其中NaP 濃度最高，占43.19%，這與章麗萍等[8]的研究結果一致。焦油渣與煤焦油的PAHs 組成較為相似，這是由于2 種殘渣均產生于荒煤氣冷鼓工段，且焦油渣產生于煤焦油離心分離過程，其PAHs 主要來源于焦油渣中未分離煤焦油。硫銨酸焦油中PAHs 總濃度為38 341 mg/kg，以NaP、Ace、Phe、Flu 為主，NaP 濃度最高，占49.87%。硫銨酸焦油的PAHs 濃度遠小于煤焦油，這與殘渣的產生節(jié)點有關，產生硫銨酸焦油的硫銨工段位于冷鼓工段后端，荒煤氣中的大部分PAHs 富集于煤焦油中，導致硫銨酸焦油的PAHs 明顯減少。焦粉中PAHs 總濃度為47.48 mg/kg，以Phe、Fla、Pyr 為主，F(xiàn)la 的濃度最高，占15.88%，該結果與李恩科等[24]報道的焦粉中PAHs 濃度為49.05 mg/kg相似，與王小娜等[25]報道的焦粉中PAHs 濃度為1 000.50 mg/kg 差別較大，這可能與熄焦工藝有關。熄焦分為濕法熄焦和干法熄焦，采用濕法熄焦時，熄焦廢水中所含的PAHs 容易混入焦粉中，導致焦粉的PAHs 濃度偏高，采用干法熄焦時，焦粉中的PAHs 進入廢氣中，通過地面除塵站除塵脫硫后排放[26]，故其PAHs 濃度較低。剩余污泥中的PAHs 總濃度為0.94 mg/kg，僅Fla、Pyr、Chr、BbF、BaP 被檢出。章麗萍等[23]檢測的煤間接液化工藝污泥中PAHs 濃度為189.98 mg/kg，遠高于本研究，這可能與焦化廢水性質及處理工藝有關。5 種煤焦化殘渣PAHs 總濃度為煤焦油＞焦油渣＞硫銨酸焦油＞焦粉＞剩余污泥。其中，煤焦油和焦油渣中高致突變性物質BaP 濃度分別為6 008 和2 359mg/kg，占比為0.60%和0.20%，高于GB 5085.6—2007 規(guī)定限值(0.1%)，屬于危險廢物；硫銨酸焦油中致癌性物質DahA、BkF、BbF 和BaA 的濃度之和為2 896 mg/kg，占比為0.29%，高于GB 5085.6—2007 規(guī)定限值(0.10%)，屬于危險廢物。這與三者被列入《國家危險廢物名錄》一致。焦粉、剩余污泥中高致突變性物質與致癌性物質濃度均不超過GB 5085.6—2007 規(guī)定限值，屬于一般工業(yè)固體廢物。

圖2 煤焦化殘渣中16 種PAHs 組分濃度Fig.2 Concetrations of sixteen PAHs in coal coking residues

16 種PAHs 均含有2～6 個苯環(huán)，環(huán)數(shù)影響其毒性大小，高環(huán)數(shù)的PAHs 致癌性大于低環(huán)數(shù)的PAHs。5 種煤焦化殘渣所含PAHs 的環(huán)數(shù)分布如圖3所示。

圖3 煤焦化殘渣PAHs 環(huán)數(shù)分布Fig.3 Ring number distribution of PAHs in coal coking residues

由圖3 可知，煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油中的PAHs 組成結構相似，均以2～3 環(huán)的PAHs 為主，所占比例均超過60%。低環(huán)PAHs 具有較高的亨利常數(shù)和蒸氣壓，容易揮發(fā)，主要以氣體形式存在[27]。煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油均為荒煤氣凈化產生的殘渣，其PAHs 組成結構與煤氣相似，煤氣中所含的主要為低環(huán)PAHs，故3 種殘渣以低環(huán)PAHs 為主。焦粉以4 環(huán)PAHs 為主，占比為47.45%，2～3 環(huán)PAHs 占比最低。剩余污泥中以4 環(huán)和5～6 環(huán)的PAHs 為主，2～3 環(huán)PAHs 均未檢出，該結果與劉雷等[28]的研究結果相似。焦粉與剩余污泥中PAHs 組成結構主要由PAHs 本身的性質決定。中高環(huán)PAHs 具有較低的亨利常數(shù)和蒸氣壓，主要以顆粒形式存在[27]。由于焦粉與剩余污泥均為顆粒物，故2 種殘渣均以中高環(huán)的PAHs 為主。

2.1.2多環(huán)芳烴等效致癌毒性

對煤焦化殘渣中多環(huán)芳烴進行致癌毒性計算，結果見表2。

由表2 可知，煤焦化殘渣的ΣBEQ 為煤焦油（9 586.96 mg/kg）＞焦油渣（3 716.97 mg/kg）＞硫銨酸焦油（1 123.62 mg/kg）＞焦粉（6.48 mg/kg）＞剩余污泥（0.31 mg/kg）。危險廢物煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油的ΣBEQ 遠高于一般工業(yè)固體廢物焦粉與剩余污泥，具有更高的致癌風險。煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油、焦粉的ΣBEQ 的主要貢獻來自4～6 環(huán)的PAHs，剩余污泥的ΣBEQ 主要由4 環(huán)和5 環(huán)的PAHs 貢獻。BaP 被公認為是致癌、致畸和致突變物質，對人體健康危害性極強，5 種煤焦化殘渣的BaP 單體對ΣBEQ 的貢獻率均超過60%，因此在煤焦化殘渣的處理處置過程中，需特別加強對BaP 的控制。

表2 煤焦化殘渣的PAHs 等效致癌毒性Table 2 PAHs equivalent carcinogenic toxicity of residues from coal coking process mg/kg

綜合5 種煤焦化殘渣的PAHs 濃度、環(huán)數(shù)分布與等效致癌毒性分析，煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油3 種殘渣的PAHs 總濃度很高，以易揮發(fā)的低環(huán)PAHs 為主，具有很強的致癌毒性，屬于危險廢物，在日常生產過程中需加強管理。具體可通過以下4 個方面進行改善：1）對殘渣的產生、貯存、運輸、處理及處置等環(huán)節(jié)，采取全過程密閉的操作方式，從源頭減少PAHs 揮發(fā)量；2）在氨水澄清槽、焦油離心機、焦油儲存罐、硫銨工段溢流槽等煤焦化殘渣產生設施加裝活性炭吸附裝置，減少廠區(qū)環(huán)境中的PAHs；3）為在煤焦化殘渣產生工段作業(yè)的員工配備防毒面具，降低PAHs 對人體的損害；4）對煤焦化殘渣進行及時清運與處理處置，減少殘渣貯存量。

2.2 煤焦化殘渣中重金屬分析

2.2.1重金屬濃度

煤焦化殘渣中8 種重金屬濃度見表3。

表3 煤焦化殘渣中8 種重金屬濃度Table 3 Concentrations of 8 heavy metals in coal coking residues mg/kg

由表3 可見，5 種煤焦化殘渣均含有一定量的重金屬，除硫銨酸焦油外，其余殘渣均為Zn 濃度最高。煤焦化殘渣的重金屬主要來源于原煤中重金屬受熱析出。我國煤中Zn 濃度為0.30～982.00 mg/kg，平均值為42.16 mg/kg，遠高于其他重金屬[29]，故大部分煤焦化殘渣中Zn 濃度最高。焦油渣中8 種重金屬均被檢出，其中Pb、Zn、Hg、Cd 的濃度分別為土壤背景值的5.68、6.14、15.00 和23.33 倍，Cd 的超標倍數(shù)最大。煤焦油中除Ni 以外，其余7 種重金屬均有檢出，其中Pb、Hg、Cd 的濃度分別為土壤背景值的1.76、10.75、6.00 倍，Hg 的超標倍數(shù)最大。硫銨酸焦油中重金屬Pb 未檢出，其余被檢出的重金屬中As 濃度最高，Hg、As 的濃度超過土壤背景值，其中Hg 的超標倍數(shù)最大，為43.75 倍。焦粉中8 種重金屬均被檢出，其中Cu、Pb、Cr 的濃度差別不大，Cu、Pb、Zn、Hg、Cd 的濃度超過土壤背景值，以Hg 的超標倍數(shù)最大，為15.00 倍。剩余污泥中除Cd 以外，其余7 種重金屬均有檢出，其中Cu、Zn、Hg 的濃度超過土壤背景值，Hg 的超標倍數(shù)高達31.75 倍。研究表明，我國城市污泥中Zn 濃度為16.76～1 484.52 mg/kg，Cu、Ni、Pb、Cr 濃度多小于200.00 mg/kg，As、Cd、Hg的濃度分別為0.38～24.83、0.27～10.00 和0.11～4.99 mg/kg[30]。本研究剩余污泥中各種重金屬濃度均在該范圍內，說明剩余污泥可作為城市污泥處置。燃煤釋放的Hg 是我國Hg 污染的主要來源，Hg 已成為煤中重點關注的微量元素[31]。5 種焦化殘渣中Hg 濃度均超過土壤背景值，超標倍數(shù)為10.75～43.75 倍，說明Hg 是煤焦化殘渣中的主要重金屬污染物。8 種重金屬的總濃度為焦油渣（583.68 mg/kg）＞焦粉（234.14 mg/kg）＞剩余污泥（157.91 mg/kg）＞煤焦油（92.27 mg/kg）＞硫銨酸焦油（90.15 mg/kg），其中固態(tài)殘渣的重金屬濃度高于液態(tài)殘渣，說明重金屬在固態(tài)殘渣中的富集程度更高。

2.2.2重金屬的環(huán)境風險

煤焦化殘渣重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)計算結果見表4。

表4 煤焦化殘渣重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)Table 4 Potential ecological risk index of heavy metals in coal coking residues

由表4 可知，5 種煤焦化殘渣中Hg 的潛在生態(tài)危害指數(shù)為430.00～1 750.00，均高于320，屬于極強生態(tài)風險因子。賀晶瑩等[14]對焦化污泥中的重金屬開展了潛在環(huán)境風險評價，結果表明焦化污泥中的Hg 具有極大的潛在環(huán)境風險，這與本研究結果一致。其余重金屬中，焦油渣中Cd 的潛在生態(tài)危害指數(shù)高于320，屬于極強生態(tài)風險因子，煤焦油中Cd 的潛在生態(tài)危害指數(shù)為180，具有很強的潛在生態(tài)風險；其余重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于40，可認為其環(huán)境風險較低。由于5 種殘渣中Hg 的潛在生態(tài)危害指數(shù)均很高，導致殘渣的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均超過600，具體表現(xiàn)為硫銨酸焦油＞焦油渣＞剩余污泥＞焦粉＞煤焦油，說明5 種煤焦化殘渣均具有很強的潛在生態(tài)風險，在處理處置過程中需加強對Hg 的控制，避免產生環(huán)境污染。煤焦化殘渣對土壤的污染主要發(fā)生在貯存、運輸及填埋過程。為降低煤焦化殘渣對土壤的環(huán)境風險，煤焦化廠區(qū)應設置具有防雨防滲功能的貯存場所，并對殘渣分類存放；同時，對殘渣運輸車輛加蓋防塵布，減少殘渣掉落；及時清掃廠區(qū)地面，減少大氣降塵及運輸過程殘渣掉落對土壤造成的環(huán)境風險；對填埋場地做好防滲措施，嚴格執(zhí)行廢物入場標準，減少煤焦化殘渣對土壤造成的污染。

3 結論

（1）5 種煤焦化殘渣的PAHs 總濃度為0.94～238 367 mg/kg，表現(xiàn)為煤焦油＞焦油渣＞硫銨酸焦油＞焦粉＞剩余污泥。煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油中高致突變性物質、致癌性物質濃度高于GB 5085.6—2007 規(guī)定限值，屬于危險廢物。煤焦油、焦油渣、硫銨酸焦油以2～3 環(huán)的PAHs 為主，焦粉以4 環(huán)的PAHs 為主，剩余污泥以4～6 的PAHs 為主。

（2）煤焦油、焦油渣、焦粉、剩余污泥中Zn 濃度最高，硫銨酸焦油中As 濃度最高。以濟南市土壤背景值為標準，焦油渣中超標重金屬為Pb、Zn、Hg、Cd，煤焦油中超標重金屬為Pb、Hg、Cd，硫銨酸焦油中超標重金屬為Hg 和As，焦粉中超標重金屬為Cu、Pb、Zn、Hg、Cd，剩余污泥中超標重金屬為Cu、Zn、Hg。5 種煤焦化殘渣中Hg 超標倍數(shù)為10.75～43.75 倍，是主要重金屬污染物。

（3）5 種煤焦化殘渣的等效致癌毒性（ΣBEQ）為0.31～9 586.96 mg/kg，表現(xiàn)為煤焦油＞焦油渣＞硫銨酸焦油＞焦粉＞剩余污泥，BaP 是5 種殘渣ΣBEQ 的主要貢獻者；Hg 是5 種煤焦化殘渣中最主要的重金屬，對土壤的潛在生態(tài)危害指數(shù)為620.06～1 813.83。5 種殘渣均具有很強的潛在生態(tài)風險。