生活垃圾焚燒煙氣中重金屬排放濃度影響因素研究

羅克菊，金 超，劉美玲

(重慶市北碚區生態環境監測站，重慶 400700)

1 引言

隨著我國社會經濟的高速發展，地方區域城鎮化的快速推進以及居民人口數量的不斷增長，城市生活垃圾呈逐年上升趨勢[1，2]。根據《中國統計年鑒》可知，全國2015年生活垃圾清運量19141.9萬t，2020年生活垃圾清運量23511.7萬t， 相比增加了22.8%。重慶市2015年生活垃圾清運量440萬t，2020年生活垃圾清運量628.5萬t，相比增加了42.8%。因此，隨著城市生活垃圾產生量的不斷上升，其對環境帶來的影響也越來越突出。

目前，國內外垃圾處理方法有：衛生填埋、堆肥、焚燒等[3]。根據中國統計年鑒可知全國2015年生活垃圾無害化處理量18013萬t，其中采取焚燒處理6175.5萬t，占比34.3%，焚燒處理廠220家，處理能力219080 t/d。2020年生活垃圾無害化處理量高達23452.3萬t，與2015年相比增加了30.2%，其中采用焚燒處理方式14607.6萬t，與2015年相比增加了137%，占比提升至62.3%，升高了28%；焚燒處理廠463家，處理能力567804 t/d，與2015年相比分別增加了110%和159%。重慶市2015年生活垃圾無害化處理量433.9萬t，其中采取焚燒處理148.3萬t，占比34.2%，焚燒處理廠2家，處理能力3600 t/d。2020年生活垃圾無害化處理量高達589.7萬t，與2015年相比增加了35.9%，其中采用焚燒處理方式386.2萬t，與2015年相比增加了160%，占比提升至65.5%，升高了31.3%；焚燒處理廠7家，處理能力11100 t/d，與2015年相比分別增加了250%和208%。因此，焚燒以其顯著的無害化、資源化和減量化效果，成為目前處理城市生活垃圾最主要的方式之一[4～8]。但是生活垃圾在焚燒處理過程中會產生大量的大氣污染物，不可避免地會對周邊環境造成二次污染，特別是垃圾焚燒帶來的重金屬污染愈發受到重視，也成為目前環保領域的研究熱點[9,10]。

重金屬污染物在焚燒過程中其物質不會被生成或破壞，只發生遷移和轉化，最終排入外環境中并可在環境中長時間停留，不被環境中的微生物所降解，是焚燒煙氣中毒害性相對較大的一類污染物[11～14]。鎳、銅、錳及其化合物等重金屬作為焚燒煙氣中最常見的有害物質，對環境構成極大的潛在威脅，具有生物學作用，可對人的皮膚、粘膜和呼吸道有刺激作用，可引起皮炎和氣管炎，甚至發生肺炎等嚴重疾病，具有致癌性，因此探討其他排放因子對其影響具有重要意義[15]。本文通過統計分析生活垃圾焚燒爐排放口煙氣中污染因子的長期監測數據，建立重金屬排放濃度與多項氣體參數的影響因素模型，為減少生活垃圾焚燒煙氣中重金屬的排放濃度提供參考依據。

2 數據來源

將重慶市某地生活垃圾焚燒企業作為研究對象，以2019～2022年該企業焚燒爐出口煙氣長期監測結果為依據，結果數據檢出情況，確定重點研究鎳、銅、錳及其化合物的排放濃度與氧含量、煙塵排放濃度、二氧化硫排放濃度、氮氧化物排放濃度和一氧化碳排放濃度等5個影響因素的相關性。

3 分析方法及儀器

鎳、銅、錳及其化合物采樣方法、前處理方法和分析方法參照《空氣和廢氣 顆粒物中金屬元素的測定 電感耦合等離子體發射光譜法》(HJ 777-2015)。煙塵采樣和分析方法參照《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物測定 重量法》(HJ836-2017)。二氧化硫采樣分析方法參照《固定污染源排氣 二氧化硫的測定 定電位電解法》(HJT 57-2017)，氮氧化物采樣分析方法參照《固定污染源廢氣 氮氧化物的測定 定電位電解法》(HJ 693-2014)，一氧化碳的采樣分析方法參照《固定污染源廢氣 一氧化碳的測定 定電位電解法》(HJ973-2018)，氧含量采樣分析方法按照《固定污染源排氣中顆粒物和氣態污染物采樣方法》(GB/T16157-1996)。采樣儀器使用眾瑞、嶗應和天虹出廠的低濃度顆粒物采樣儀和煙塵煙氣采樣儀，重金屬分析儀使用thermofisher和PerkinElmer的等離子發射發射光譜儀，上述儀器均進行了計量檢定。

4 結果與討論

運用自然對數法對焚燒爐煙氣的監測結果進行標準化處理，為確保獲得正值數據，則選用ln(x+1)進行處理。Y1、Y2、Y3分別代表生活垃圾焚燒煙氣中標準化后的鎳、銅、錳排放濃度，X1、X2、X3、X4、X5分別代表標準化后的氧含量、煙塵排放濃度、二氧化硫排放濃度、氮氧化物排放濃度、一氧化碳排放濃度，然后運用SPSS軟件中的逐步回歸法對數據進行統計分析處理[16]。

4.1 鎳排放濃度

由表1、表2和表3可知，鎳排放濃度通過SPSS軟件一共篩選出2個模型，其中擬合優度分別為9.1%和14.8%，F統計量對應的P值均為0，為差異極顯著。對2個模型進行t檢驗，得出的P值均小于0.05，差異顯著，具有統計學意義。因模型2包含的影響因素較多，且擬合優度較模型1好，故綜合評估，模型2優于模型1。

表2 模型摘要(Anovac)

生活垃圾焚燒煙氣中鎳排放濃度的影響因素模型為：

Y1=0.514-0.216X1+0.016X5

(1)

從式(1)可知，焚燒煙氣中鎳排放濃度受氧含量和一氧化碳排放濃度的顯著影響，且與氧含量成反比，與一氧化碳排放濃度成正比。從系數來看，氧含量對鎳排放濃度的影響大于一氧化碳排放濃度。

表3 模型摘要(系數a)

4.2 銅排放濃度

由表4～6可知，銅排放濃度通過SPSS軟件只篩選出1個模型，擬合優度為53.6%，F統計量對應的P值為0，為差異極顯著。對該模型進行t檢驗，得出的P值均為0，差異顯著，具有統計學意義。

表4 模型匯總

表5 模型摘要(Anovac)

生活垃圾焚燒煙氣中銅排放濃度的影響因素模型為：

Y2=0.019-0.004X4

(2)

從式(2)可知，焚燒煙氣中銅的排放濃度受氮氧化物排放濃度顯著影響，且與氮氧化物排放濃度成反比。

表6 模型摘要(系數a)

4.3 錳排放濃度

由表7～9可知，錳排放濃度通過SPSS軟件只篩選出1個模型，擬合優度為11.1%，F統計量對應的P值為0.010，小于0.05，為差異極顯著。對該模型進行t檢驗，得出的P值均小于0.05，差異顯著，具有統計學意義。

表7 模型匯總

表8 模型摘要(Anovac)

生活垃圾焚燒煙氣中錳排放濃度的影響因素模型為：

Y3=0.265-0.109X1

(3)

從式(3)可知，焚燒煙氣中錳排放濃度與氧含量有較大的關系，且與氧含量成反比。

表9 模型摘要(系數a)

5 結論

通過SPSS軟件對重慶市某地生活垃圾焚燒企業焚燒爐出口煙氣監測數據進行統計分析，采用逐步回歸法對鎳、銅、錳排放濃度影響因素進行回歸分析，得出鎳排放濃度的影響因素模型為：

Y1=0.514-0.216X1+0.016X5

(4)

式(4)中，Y1、X1、X5分別為鎳排放濃度、氧含量和一氧化碳排放濃度標準化數據。

銅排放濃度的影響因素模型為：

Y2=0.019-0.004X4

(5)

式(5)中，Y2、X4分別為銅排放濃度和氮氧化物排放濃度標準化數據。

錳排放濃度的影響因素模型為：

Y3=0.265-0.109X1

(6)

式(6)中，Y3為錳排放濃度標準化數據。

由上述模型可知，生活垃圾焚燒煙氣中鎳排放濃度受氧含量和一氧化碳排放濃度的顯著影響，且氧含量與鎳排放濃度成反比，一氧化碳排放濃度與鎳排放濃度成正比。煙氣中銅排放濃度與氮氧化物排放濃度具有顯著相關性，與其成反比。煙氣中錳排放濃度與氧含量有顯著相關性，與其成反比。因此，為了減少生活垃圾焚燒煙氣中鎳的排放濃度，可以采取能夠控制氧含量和一氧化碳排放濃度的措施。為了減少煙氣中銅的排放濃度，可以通過有效控制氮氧化物排放來達到減排目的。為了減少煙氣中銅的排放濃度，可以采取措施有效管控氧含量的水平，從而降低生活垃圾焚燒企業對周邊環境的影響。