燃煤電廠重金屬排放與周邊土壤重金屬污染評價

馮亦立 王家源

(1.深圳市生態環境監測站，廣東 深圳 518049；2.武漢市生態環境局，湖北 武漢 430022)

燃煤發電是我國主要的電力來源[1]，截至2020年11月，我國燃煤發電裝機總量達10.7億kW，占全國發電裝機總量的50.47%。隨著公眾環境意識的不斷增強，燃煤鍋爐燃燒后釋放的重金屬對大氣和土壤環境造成的危害已受到廣泛關注[2-3]。TIAN等[4]研究發現，我國燃煤電廠通過各種途徑排放到環境中的As、Pb、Cd、Cr和Hg分別達335.0、705.0、13.3、505.0、119.0 t。NRIAGU等[5]研究發現燃煤電廠排放的各種重金屬物質約占人為排放源的2%～17%。由于燃煤電廠自身的工業特性，其污染排放呈現排放總量高、排放連續集中的點源特征，受區域大氣擴散條件影響較大[6]。

目前，國際上針對燃煤電廠煙氣中重金屬排放均有不同程度的要求和限制，美國和歐盟分別制定了嚴格的排放標準來限制煙氣中重金屬排放，我國現行的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)主要針對SO2、氮氧化物(NOx)、煙塵等排放做出了限定，重金屬上只規定了Hg的排放限值。國內許多學者針對燃煤電廠重金屬排放問題進行大量研究，陳姝娟等[7]、車凱等[8]、王春波等[9]研究了燃煤電廠部分重金屬元素排放特性及協同脫除工藝；劉軍等[10]通過對燃煤電廠周邊大氣重金屬污染進行分析，研究了其分布特征及來源。然而這些研究主要針對燃煤電廠重金屬脫除工藝以及重金屬排放特征分析等方面，結合燃煤電廠煙氣中重金屬排放對周邊土壤重金屬污染的影響研究較少。基于此，本研究以某典型燃煤電廠為研究對象，測定了燃煤電廠煙囪入口煙氣中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As含量，同時根據當地氣象條件，采集了燃煤電廠周邊土壤樣品，分析了土壤中重金屬含量及分布情況，并對其污染程度進行評價，旨在分析燃煤電廠氣態污染物中重金屬排放對周邊土壤重金屬污染影響，為燃煤電廠周邊重金屬污染預防和治理提供基礎數據。

表1 燃煤樣品的工業分析Table 1 Industrial analysis of burning coal samples

表2 燃煤樣品中重金屬質量濃度Table 2 Mass concentration of heavy metals in burning coal samples mg/kg

1 樣品采集與分析方法

1.1 研究區概況

研究區地處太行山和燕山圍成大簸箕形地形的中部，屬于暖溫帶半干旱半濕潤季風氣候，年均氣溫12 ℃，年均風速2.6 m/s，年均降水量550 mm。研究區全年主導風向為北西北風(NNW)，相應風頻為8%，當地的地形特征及氣候條件使燃煤電廠排放的氣態污染物易于在區域內堆積。

1.2 燃煤電廠概況

研究的燃煤電廠建有兩臺350 MW超臨界供熱機組，煙氣凈化系統依次設置選擇性催化還原脫硝系統(SCR)、靜電除塵器(ESP)、濕法脫硫系統(WFGD)和濕式電除塵器(WESP)等處理設施。機組使用的燃煤為內蒙古煙煤和褐煤的混合煤，燃煤樣品的工業分析和重金屬質量濃度分析見表1、表2。

1.3 樣品采集及采樣點布置

根據燃煤電廠所在地的地形特征并結合主導風向，在燃煤電廠主導風向的上下風向及垂直方向的不同距離處分別設置采樣點，在主導風向下風向3 000、4 000 m左右增設采樣點，共采集19個表層土壤樣品(0～20 cm)，采樣點分布見圖1。土壤樣品采集嚴格執行四分法操作過程，將土壤樣品縮分后取1 kg裝入聚乙烯袋中帶回實驗室，并做好采樣時間和全球定位系統(GPS)位置記錄，具體方法參考《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)。

圖1 燃煤電廠周邊土壤采樣點分布Fig.1 Soil sampling sites around coal-fired power plant

在機組滿負荷工況下，使用煙氣重金屬采樣裝置在煙囪排放口斷面以連續等速采樣方式采集1.0 m3樣氣(標準狀態)，重復采集3組樣品，并將吸收液裝入玻璃瓶中密封，濾膜裝入密封盒保存帶回實驗室分析。

1.4 樣品檢測

采用《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T 15617—1996)中的方法對煙氣吸收液和濾膜進行預處理及分析；采用iCAP TQ型電感耦合等離子質譜(ICP-MS)儀(美國Thermo Fisher)對土壤中Cd、Cr、Ni、Pb含量進行檢測，具體操作參照《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質譜法》(HJ 803—2016)；采用9230型原子熒光光譜(AFS)儀對土壤中Hg、As含量進行檢測，具體操作參照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》(HJ 680—2013)。為保證數據的準確性和可靠性，每組樣品通過加入替代物和內標物進行回收率分析，同時采用平行樣和空白樣品方法進行質量控制[11]。

1.5 數據分析

采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數評價燃煤電廠周邊土壤重金屬污染情況，單因子污染指數計算見式(1)，內梅羅綜合污染指數計算見式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為第i種重金屬的單因子污染指數；Ci為土壤中第i種重金屬的測定值，mg/kg；Si為第i種重金屬背景值，mg/kg，本研究中Si取值參考文獻[12]；PN為內梅羅綜合污染指數；Pimax為單因子污染指數的最大值；Piaver為單因子污染指數的平均值。

單因子污染指數與內梅羅綜合污染指數評價標準見表3。

2 結果與討論

2.1 煙氣中重金屬元素的排放

燃煤電廠排放的煙氣經過脫硫、脫硝、除塵等處理設施后從煙囪排放至大氣環境。由表4可見，煙氣中重金屬質量濃度排序為Ni>Cr>As>Hg>Pb>Cd，根據燃煤電廠煙氣排放量計算出該廠通過煙氣向大氣環境中排放的Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd分別為19.08、6.20、5.07、4.80、1.21、0.18 kg/a。國內目前對于燃煤電廠重金屬排放要求主要執行GB 13223—2011，該標準僅對Hg的排放進行限定，對其他重金屬均無要求。《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)雖然對重金屬排放提出要求，但規定的限值較高，參考意義有限。因此，本研究參考USEPA在2011年12月頒布的火電廠污染物排放標準[13]，按照燃煤電廠每年運行5 000 h、平均負荷率為75%計算，計算單位發電量下Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd排放量分別為7.27、2.36、1.93、1.83、0.46、0.07 mg/(MW·h)，均滿足USEPA規定的排放限值要求，說明該燃煤電廠煙氣重金屬排放量相對較低。

2.2 燃煤電廠周邊土壤中重金屬含量特征

對燃煤電廠周邊土壤中6種重金屬質量濃度進行統計，并與《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)中第一類建設用地土壤污染風險篩選值及《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中農用地土壤污染風險篩選值(pH>7.5)進行對比，結果見表5。從平均值來看，燃煤電廠周邊土壤重金屬含量為Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，6種重金屬均滿足第一類建設用地土壤污染風險篩選值和農用地土壤污染風險篩選值要求，表明該燃煤電廠周邊土壤的環境風險總體較低。與寧東基地燃煤電廠周邊土壤重金屬含量[14]相比，本研究中Cr、Pb含量明顯偏高，Cd、Hg含量相對偏低；與山西某火力發電廠周邊農田土壤重金屬含量[15]相比，本研究中Cr、Ni含量明顯偏高，其他重金屬含量基本相近。可見不同燃煤電廠周邊土壤中重金屬分布規律存在一定差異，說明燃煤電廠土壤重金屬含量除受燃煤電廠煤種差異、機組負荷等影響外，同時與區域擴散條件、周邊環境、交通情況和人為活動也有一定的相關性。

表3 土壤重金屬污染分級標準Table 3 Standard for classification of heavy metal pollution in soil

表4 燃煤電廠重金屬排放量1)Table 4 Heavy metal emissions from coal-fired power plant

表5 土壤中重金屬質量濃度的描述性統計Table 5 Descriptive statistics of soil heavy metals mass concentrations

將燃煤電廠周邊土壤中重金屬含量與該區域土壤背景值對比發現，研究區域內Cd、Cr、Hg、Ni和Pb的平均值明顯高于背景值，As的平均值低于背景值。這是因為As受工業污染影響較少，且可以與土壤中Fe、Al、Ca離子相結合形成難溶化合物發生共沉，或被植物吸收等方式使其在環境中的濃度逐漸降低[16]。因此，As在不同地域內受自然環境影響較大。6種土壤重金屬濃度的變異系數為17%～100%，屬于中高度變異，尤其是Cd、Hg的變異系數分別達94%、100%，表明土壤中重金屬含量呈不均勻分布狀態，區域差異明顯。

2.3 燃煤電廠周邊土壤重金屬分布特征

對燃煤電廠周邊土壤重金屬的分布特征進行分析，發現Cr、Hg均表現為在燃煤電廠常年主導風向下風向含量較高，而常年主導風向上風向含量較低。As、Ni、Pb、Cd在燃煤電廠周邊各風向上的含量變化無明顯差異。煙氣中Hg、Cr排放濃度相對較高，且在燃煤電廠常年主導風向下風向含量高于其他方向，表明煙氣中Hg、Cr含量與燃煤電廠周邊土壤中的含量存在一定的正相關關系。煙氣中Ni排放濃度最高，但在燃煤電廠周邊各風向上的含量變化無明顯差異，這可能與Ni的化學性質和沉降特征有關；Cd、Pb在煙氣中排放濃度較低，而燃煤電廠周邊土壤中含量卻相對較高，且濃度分布與風向條件之間無明顯規律，表明Cd、Pb除受燃煤電廠氣態污染物排放影響外，同時受其他散狀污染源影響較為明顯。這與張金良等[17]、方鳳滿等[18]所研究的規律相一致，可見Hg、Cr是燃煤電廠氣態污染排放的特征元素。

此外，隨著與燃煤電廠的距離增加，土壤樣品中的重金屬含量呈現出先增大后減小的趨勢，以常年主導風向下風向為例，土壤中重金屬含量在距離燃煤電廠2 000～3 000 m時達到最高，而后逐漸降低。這是由于為了便于污染物的擴散，燃煤電廠煙囪高度一般設置在200 m以上，而最大落地濃度與煙囪距離和高斯大氣擴散模型相關。隨著與燃煤電廠距離繼續增大，擴散面積也隨之增大，對氣態污染物起到一定稀釋作用，因此落到地面的濃度逐漸降低。

2.4 燃煤電廠周邊土壤重金屬污染水平分析

經計算，燃煤電廠周邊土壤中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As的單因子污染指數分別為2.22、1.84、2.05、2.28、1.67、2.22，6種重金屬的內梅羅綜合污染指數為2.16，Cd、Hg、Ni、As處于中度污染水平，Cr、Pb處于輕微污染水平，土壤總體表現為重度污染水平。由前文分析可知，該燃煤電廠周邊土壤的環境風險總體較低，但評價結果顯示重金屬污染水平較高，這可能與本研究使用的背景值為1990年測定的中國土壤元素背景值，年代較久遠，故而導致評價結果偏高。總而言之，雖然目前燃煤電廠已經設置了SCR、ESP、WFGD、WESP等煙氣凈化設施，但仍需進一步加強煙氣中重金屬的脫除技術手段以保護周邊土壤環境。

3 結 論

(1) 經過煙氣凈化處理系統后，燃煤電廠煙氣中6種重金屬元素的排放質量濃度為0.02～2.00 μg/m3，向大氣中排放各種重金屬元素為0.18～19.08 kg/a，單位發電量的重金屬排放量滿足USEPA對火電廠污染物排放標準。

(2) 燃煤電廠周邊表層土壤重金屬平均值依次為Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，重金屬平均值均滿足GB 36600—2018中第一類建設用地土壤污染風險篩選值和GB 15618—2018中農用地土壤污染風險篩選值要求，表明該區域土壤環境風險較低。研究區內6種含量呈不均勻分布狀態，區域差異明顯。

(3) Cr、Hg在燃煤電廠常年主導風向下風向含量較高，而常年主導風向上風向含量較低。As、Ni、Pb、Cd在電廠周邊各風向上的含量變化無明顯差異。煙氣中Hg、Cr含量與燃煤電廠周邊土壤中相應元素含量表現為正相關關系，是燃煤電廠氣態污染排放的特征元素。燃煤電廠周邊各個方向土壤中重金屬元素含量呈現隨煙氣排放距離增加而先增大后減小的趨勢。

(4) 燃煤電廠周邊土壤重金屬污染水平分析結果表明，Cd、Hg、Ni、As處于中度污染水平，Cr、Pb處于輕微污染水平，需進一步加強煙氣中重金屬脫除的技術手段以保護周邊土壤環境。