燃煤电厂周边大气重金属污染特征及来源解析

刘 军，陈 耿，柯钊跃，杨立辉

广东省环境监测中心,广东 广州 510308

燃煤电厂周边大气重金属污染特征及来源解析

刘 军，陈 耿，柯钊跃，杨立辉

广东省环境监测中心,广东 广州 510308

为探究燃煤电厂周边大气环境中重金属的污染特征与来源,对广东某山区燃煤电厂周边地区环境和污染源的重金属进行测定,分析其污染特征,采用因子分析法和Pb同位素示踪法对环境中的重金属进行来源解析。结果表明,研究区域室内积尘中重金属浓度水平明显高于土壤重金属,污染空间分布与当地气象条件相关。环境空气TSP中重金属主要来自2个污染源,Cd、Pb、As主要来自电厂燃煤,Ca、Mn、Al、Mg主要来自土壤扬尘。TSP、降尘、积尘样品所含的Pb均与电厂采集的煤、炉渣、粉煤灰样品所含的Pb具有同源性,与其他污染源同源性不明显,说明研究区域大气中Pb污染主要来自电厂燃烧所排放的烟尘,其他污染源影响不大。

燃煤电厂;重金属;大气污染;来源解析;铅同位素;因子分析

Abstract:In order to evaluate the pollution characteristics and sources of heavy metals in atmosphere surrounding coal-fired power plant, the concentrations of heavy metals in the environment and sources surrounding a coal-fired power plant were measured in a mountainous area of Guangdong Province. The characteristics of heavy metal pollution were also studied. The source apportionment of heavy metals in local environment was carried out using factor analysis and lead (Pb) isotope analysis technique. The results showed that heavy metal concentration in indoor dusts of study area was significantly higher than in soil, which spatial distribution of pollution associated with the local meteorological conditions. The pollution of heavy metals in the ambient air TSP was mainly from two sources. Cd, Pb, As were mainly from coal-fired power plants, and Cu, Mn, Al, Mg were mainly from soil dust. Pb isotope in samples of TSP, deposits and dusts was homologous with samples of coal, slag and fly ash from the power plant, but not with other sources. Thus, atmospheric Pb pollution in study area was mainly from the power plant emissions of soot, not other sources of pollution.

Keywords:coal-fired power plant;heavy metal;air pollution;source apportionment;lead isotope;factor analysis

煤是我国最主要的能源,2013年国内燃煤电厂耗煤量为19.0亿t,占煤炭消耗总量的44.7%[1]。煤中所含的Hg、Pb、As、Cr、Cd等痕量重金属[2-4]在燃烧过程中会部分或全部挥发成气态,富集在细颗粒物表面随废气排放[5]。燃煤电厂重金属的排放量较大,TIAN等[6]估算我国2010年燃煤电厂排放的Hg、As、Pb、Cd、Cr分别为119、335、705、13.3、505 t。NRAIGU[7]测算出燃煤电厂排放的As、Cd、Cr、Hg分别占人为源排放的2%～6%、2%～3%、14%～17%、9%～17%。

重金属毒性大且化学性质稳定,具有迁移性和沉积性,对环境和人体健康危害较大[8]。燃煤电厂大气重金属污染具有排放量大、排放集中、影响范围大的特点[9],若电厂选址于大气污染扩散条件较差的山区,烟尘容易在局部地区沉降并累积,经过长期暴露、降水淋洗,水溶性和挥发性成分流失后,形成重金属明显富集的积尘,其部分重金属含量大大高于土壤[10-12]。积尘普遍存在于人群住宅的角落,与人体接触的概率高,通过呼吸道和皮肤被人体吸收或直接摄入,对人体健康的影响是潜在的、隐蔽的、长期的[13]。

当前,国内对于燃煤电厂大气重金属污染的控制相对滞后,现行《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)仅对汞的排放进行控制,对其他重金属均无要求。究其原因,在于对燃煤电厂大气重金属污染的关注度不够,缺乏充分的研究,忽略了控制此类污染的必要性。目前，国内也尚无针对燃煤电厂周边大气环境中重金属的来源解析研究,难以说清燃煤电厂对周边大气重金属污染的贡献程度。

本文选取广东省山区一家大型燃煤电厂作为研究对象,该电厂建设3台燃煤机组,年耗煤200多万t,所处地形为山区,不利于大气污染扩散。通过采集该电厂燃煤、炉渣等介质及周边环境样品,测定了Al、As、Ca、Cd、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Pb、Zn等11种元素的含量和Pb同位素,分析电厂周边室内积尘重金属的污染特征,利用因子分析法对环境空气TSP中的重金属开展来源解析,并利用Pb同位素示踪法对环境空气TSP、积尘、降尘中的Pb进行来源解析,旨在为燃煤电厂大气重金属污染的控制提供参考。

1 材料与方法

1.1点位布设和样品采集

根据环评资料,该电厂大气污染物最大落地浓度在距厂界约1.6 km处。以电厂为中心，半径为3 km的范围作为研究区域。监测期间为西北风,在上风向敏感点布设1#点位,下风向敏感点布设2#～4#点位,电厂最近敏感点布设5#点位,监测环境空气TSP中的重金属和降尘中的Pb,TSP连续监测7 d,降尘连续采样30 d。为了解电厂对周边大气重金属的累积影响,在当地常年主导方向下风向(即电厂以北)不同距离处增设6#～8#点位。布点情况如图1所示。8个监测点均采集土壤和室内积尘样品。共采集35个环境空气样品、5个降尘样品、8个土壤样品和18个室内积尘样品。

同时,采集该电厂的燃煤、粉煤灰、炉渣样品各2个,周边污染源的2家水泥厂、5家煤场和1家建材厂的煤、岩石、水泥、灰渣等固体样品12个,监测Pb质量浓度及Pb同位素。

1.2样品分析与数据处理

采集TSP用石英滤膜经陶瓷剪刀剪碎后用HCl-HNO3消解,煤样灰化后用HF-HClO4消解,其他固体样品风干研磨后用HCl-HNO3-HF-HClO4消解,采用等离子发射光谱仪测定重金属。降尘中Pb同位素采用扇形磁场等离子体质谱测定,其余样品Pb同位素采用等离子体质谱测定。

数据处理采用SPSS和Excel软件。

1.3来源解析方法

利用因子分析法对空气TSP中重金属进行来源解析。从全部变量中归纳出公共因子,并解析出各个因子的因子负载。根据经验判定各排放源中的标识性重金属元素,从而确定各公因子所代表的排放源种类[14]。

利用Pb同位素示踪法对空气、土壤、积尘、降尘样品中的Pb进行来源解析。通过聚类分析法分析比较环境样品和污染源样品中的Pb同位素指纹特征值(206Pb/207Pb、208Pb /206Pb),两者相似度越高,说明该污染源对受污染介质的贡献率可能越大[15]。

2 结果与讨论

2.1环境中重金属的污染特征

研究区域环境中重金属的质量浓度如表1所示。各重金属元素的平均质量浓度水平依次为环境空气TSP中Ca>Al>Fe>Mg>Pb=Zn>As>Cu>Mn>Cr>Cd;土壤中Al>Ca>Fe>Mg>Mn>Zn>As>Pb>Cr>Cu>Cd;室内积尘中Ca>Fe>Al>Mg>Zn>Mn>Cr>Pb>Cu>As>Cd。参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准中Pb季平均限值(1 μg/m3)评价,空气中Pb为达标。土壤中Pb、Cr达到《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级标准,Zn、As、Cd、Cu则出现不同程度的超标。

表1 研究区域环境中重金属的质量浓度Table 1 The concentrations of heavy metals in theenvironment of study area

注：“*”表示浓度单位为%。

室内积尘是长期累积形成的,对反映点位长期的大气重金属污染情况有很好的代表性。研究区域积尘各重金属元素的平均质量浓度均不同程度高于土壤,其中积尘的Zn、Cr、Cd、Pb平均质量浓度分别为土壤的10.2、7.7、6.7、5.2倍。常静等[16]测得上海地表灰尘Zn、Pb、Cu、Cd均值分别是土壤背景值的6～8倍,与本研究结果接近。采用内梅罗综合污染指数法对各监测点位积尘重金属进行综合评价,标准值参照GB 15618—1995标准中的二级标准,结果如表2所示。可见,电厂以北1#、6#～8#点位的内梅罗指数总体相对高于2#～5#点位,这与当地常年主导风向为南风有关。与电厂距离相等的2#、8#点位(2 km)、1#、4#点位(3 km),其内梅罗指数与受影响风向的风频大小相对应。7#点位的内梅罗指数最高,原因可能在于该点处于燃气站内,长期有重型柴油货车出入,加上积尘很少清扫,累积时间很长。2#、3#、4#点位距离较近,但3#点位某小学的积尘内梅罗指数高于其他两个点,也是由于所采样的教室荒置时间长、长期未打扫、重金属累积时间长所致。综上,研究区域室内积尘中重金属浓度水平较高,其空间分布与当地气象条件相关,可能受电厂点源排放的烟尘影响。积尘累积时间越长,其重金属含量越高。

表2 积尘重金属污染内梅罗指数Table 2 The Nemerow index of heavy metal pollutionin dusts

2.2TSP中重金属因子分析来源解析

对TSP中重金属成分的因子分析结果如表3所示。Pearson 相关性分析结果如表4所示。因子分析将所有变量划分为2个因子,这2个因子的累积方差贡献率占总方差的83.663%,表明当地环境空气TSP中的重金属主要来自两个污染源。

由表3可以看出，因子1中,Cd、Pb、As的载荷较高,这3种元素显著相关,可能来自同一污染源,且均为煤燃烧所产生的特征元素,故推断因子1代表电厂燃煤源。

因子2中,Ca、Mn、Al、Mg的载荷较高,这4种元素属于当地土壤中含量很高的金属元素,且4种元素两两具有相关性,可能来自同一污染源,故推断因子2代表土壤扬尘源。

表3 TSP中重金属成分方差极大旋转后的因子载荷矩阵Table 3 Varimax rotated factor loading matrixof heavy metals in TSP

表4 TSP中各重金属的Pearson相关系数Table 4 Pearson correlation coefficient of heavy metals in TSP

注：“*”表示在0.05 水平(双侧)上显著相关;“** ”表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

2.3Pb同位素示踪来源解析

对采集的84个环境样品和污染源样品进行Pb同位素分析,将同位素组成接近的样品同源合并后进行聚类分析(图2),同时绘制样品的Pb同位素组成图(图3)。

图3 各样品Pb同位素组成Fig.3 The Pb isotopic composition of samples

根据图2、图3,样品按同位素组成可分为四类:第一类包括TSP、降尘、积尘、6#、8#点位土壤、电厂煤、电厂灰、电厂炉渣、煤场3煤和水泥厂1水泥;第二类包括1#、3#、4#、7#点位土壤、建材厂煤、煤场1煤和煤场2煤;第三类包括2#点位土壤、建材厂渣、煤场4煤和煤场5煤;第四类为水泥厂2水泥。

土壤样品的Pb同位素组成变化分布范围较大,土壤中铅来源较为复杂,可能来源于汽车尾气、燃煤烟尘、扬尘、外来土壤或污泥及当地土壤背景等。

第一类中,电厂所采集的炉渣、粉煤灰、煤样中的Pb元素具有明显的同源性,电厂附近的水泥厂1水泥粉由于使用了电厂的灰渣为原料,与电厂样品的Pb同源性明显。环境中的TSP、降尘、积尘样品的Pb元素与电厂的样品、煤场3煤具有同源性。煤场3的煤含Pb量达99 μg/g,煤粉对周围环境有一定的影响,但考虑到煤场无组织排放的颗粒物粒径大,影响范围有限。所研究区域大范围的同源Pb大气污染可能来源于电厂燃烧排放的Pb富集程度较高的烟尘。

第二类中,建材厂煤、煤场1煤和煤场2煤可能为同一产地的煤,与环境样品中Pb元素同源性不明显。

第三类中,煤场4煤和煤场5煤可能为同一产地的煤,建材厂渣为外地运来的建材原料。第三、第四类样品均与环境样品中Pb元素同源性不明显。

可见,电厂周边的大气Pb污染主要来源为电厂本身,其他污染源的影响不大。

3 结论

1)研究区域环境空气中的重金属未超标,周边环境室内积尘中重金属含量明显高于土壤。积尘中重金属的空间分布与当地气象条件相关,可能受电厂点源排放的烟尘影响。积尘累积时间越长,其重金属含量越高。

2)由因子分析得出,研究区域环境空气TSP中重金属主要来源于2个污染源,Cd、Pb、As主要来源于电厂燃煤源,Ca、Mn、Al、Mg主要来源于土壤扬尘源。

3)由Pb同位素示踪分析得出,环境中TSP、降尘、积尘样品所含的Pb均与电厂采集的炉渣、粉煤灰、煤样样品所含的Pb具有同源性,与其他污染源同源性不明显,说明研究区域大范围的同源Pb大气污染主要来自电厂燃烧所排放的对Pb富集程度高的烟尘,其他污染源的影响不大。

[ 1] 国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2014[M].北京:中国统计出版社, 2015:194-195.

[ 2] 王文峰,秦勇,宋党育.燃煤电厂中微量元素迁移释放研究[J].环境科学学报,2003,23(6):748-752.

WANG Wenfeng, QIN Yong, SONG Dangyu. Study on the mobility and release of trace elements in coal-fired power plant[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2003,23(6):748-752.

[ 3] 裴冰.上海市燃煤电厂重金属排放状况研究[C]∥中国环境科学学会学术年会论文集. 北京:中国环境科学出版社,2013.

[ 4] 秦攀.煤燃烧重金属生成规律的研究[D].杭州:浙江大学,2005:8-9.

[ 5] HELBLE J J. Trace element behavior during coal combustion: result of a laboratory study[J]. Fuel Processing Technology, 1990, 24:1 811-1 818.

[ 6] TIAN H, LIU K, ZHOU J, et al. Atmospheric emission inventory of hazardous trace elements from China’s coal-fired power plants-temporal trends and spatial variation characteristics[J]. Environ Sci Technol, 2014, 48(6):3 575-3 582.

[ 7] NRAIGU J O, PACYNA J M. Quantitative assessment of worldwide contamination of air, water and soils by trace metals[J]. Nature, 1988, 333:134-139.

[ 8] 郝吉明,段雷,易红宏,等.燃烧源可吸入颗粒物的物理化学特征[M].北京:科学出版社,2008:94-115.

[ 9] 陈耿.广东省煤电行业大气铅污染现状分析[J].环境监测管理与技术,2016,28(1):24-63.

CHEN Geng. Status analysis of lead pollution from coal-fired power industry in Guangdong Province[J].

The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2016,28(1):24-63.

[10] 赵宙.石家庄市街道积尘重金属污染研究[D].石家庄:河北师范大学,2009.

[11] 任春辉,卢新卫,李晓雪,等.宝鸡长青镇工业园区周围灰尘重金属污染特征及健康风险[J].地球与环境,2012,40(3):367-374.

REN Chunhui, LU Xinwei, LI Xiaoxue, et al. Pollution level and health risk of heavy metals in dust from the surrounding environment of the industrial park in Changqing Town of Baoji[J]. Earth and Environment, 2012,40(3):367-374.

[12] 龙永珍,戴塔根,邹海洋.长株潭地区积尘的地球化学特征[J].湘潭大学自然科学学报,2008,30(4):106-111.

LONG Yongzhen, DAI Tagen, ZOU Haiyang. Geochemistry features of accumulated dust in Changsha, Zhuzhou and Xiangtan[J]. Natural Science Journal of Xiangtan University, 2008,30(4):106-111.

[13] 陈耿,刘军,杨立辉,等.燃煤电厂周边地区积尘重金属污染特征与健康风险评价[J].中山大学学报 (自然科学版),2016,55(1):107-113.

CHEN Geng, LIUjun, YANG Lihui, et al. Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals in dust surrounding a coal-fired power plant[J]. Acta Scientiarum Natrualium Universitatis Sunyatseni, 2016,55(1):107-113.

[14] 陈治宇.佛山市城区交通环境PM2.5污染特征及源解析研究[D].广州:华南理工大学,2013.

[15] 赵多勇,魏益民,魏帅,等.基于同位素解析技术的大气降尘铅污染来源研究[J].安全与环境学报,2013,13(4):107-110.

ZHAO Duoyong, WEI Yiming, WEI Shuai, et al. Pb pollution source identification and apportionment in the atmospheric deposits based on the lead isotope analysis technique[J]. Journal of Safety and Environment, 2013,13(4):107-110.

[16] 常静,刘敏,李先华,等.上海地表灰尘重金属污染的健康风险评价[J].中国环境科学,2009,29(5):548-554.

CHANG Jing, LIU Min, LI Xianhua, et al. Primary research on health risk assessment of heavy metals in road dust of Shanghai[J]. China Environmental Science2009,29(5):548-554.

PollutionCharacteristicsandSourceApportionmentofHeavyMetalsinAtmosphereSurroundingaCoal-firedPowerPlant

LIU Jun, CHEN Geng, KE Zhaoyue, YANG Lihui

Guangdong Environmental Monitoring Centre, Guangzhou 510308, China

X823

A

1002-6002(2017)03- 0094- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.14

2016-05-17;

2016-11-28

广东省环保专项资金资助项目(2110399)

刘 军(1969-), 男，湖南醴陵人，硕士，高级工程师。