农村垃圾小型焚烧炉烟气污染物排放特征及影响因素研究

严 骁，贾 燕，王美欢，许榕发，郑 晶，任明忠

（环境保护部华南环境科学研究所，国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室，广州 510655）

随着社会经济的快速发展，农村人民的生活水平也日益提高，农村生活垃圾产量逐年增加。尚晓博等[1]研究调查，2011年我国农村生活垃圾年产生量超过3亿t，且仍以8%～10%的速度快速增长[2]。随着新农村建设工作的开展，“户收集、村集中、镇转运、县（市）集中处理”的城乡一体化的运作模式在全国多地试点，但由于运输成本较高，仅在沿海少数经济发达县市成功应用[3]。尽管《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》（CJJ 90—2009）中规定焚烧规模不能小于 150 t·d－1，但由于焚烧处理减量化，适用范围广，垃圾小规模焚烧处理在我国多地农村广泛存在[4]。2015年《关于全面推进农村垃圾治理的指导意见》指出，“我国将逐步取缔二次污染严重的简易填埋设施以及小型焚烧炉等。边远村庄垃圾尽量就地减量、处理，不具备处理条件的应妥善储存、定期外运处理”，表明小规模的垃圾处理处置设施在经济落后或偏远农村仍然具有一定的适用性。然而，小型垃圾焚烧炉由于工艺、设备以及管理的不完善，垃圾处置产生的二次污染引起了社会广泛的关注[5]。Zhang等[6]调查采样发现，我国小型垃圾焚烧炉的PCDD/Fs（二噁英类污染物）的排放浓度远高于大型市政垃圾焚烧设施。目前，针对小型农村垃圾焚烧炉烟气中污染物特别是二噁英类污染物的研究报道还很稀少，刘劲松等[7]对一个小型农村生活垃圾焚烧炉燃烧阶段废气中二噁英的监测结果高达69.2 ng TEQ·m－3，而桂莉[8]的研究发现某小型垃圾热解气化炉烟气中的二噁英仅为0.197 ng TEQ·m－3，仅有的两个研究均仅采集了1个烟气样品，且研究结果差异较大，不能呈现出我国小型农村垃圾焚烧炉的烟气污染物排放现状。

简易焚烧和热解等农村垃圾焚烧炉近年来在我国各地的许多农村地区广泛出现，为偏远地区农村垃圾的妥善处理提供了新的方式，在一定程度上缓解了我国农村垃圾散乱的现象，但目前针对小型农村垃圾焚烧炉的工艺特征、污染物排放等均没有规范，造成各类小型农村垃圾焚烧炉技术参差不齐，而对于这些设施烟气中污染物的排放情况，尚未有专门针对性研究。本研究通过对7座典型的农村简易焚烧和热解炉烟气、废水中的污染物排放监测分析，以获得具有代表性的农村垃圾焚烧炉烟气污染物排放的监测数据，同时对比不同热处理方式和烟气净化设施对污染物排放的影响，为农村地区因地制宜选择垃圾处理设施工艺，减少垃圾处理二次污染提供基础数据和合理建议。

1 材料和方法

1.1 调查点位和样品采集

本研究于2014年在我国西南地区选取了7座小型农村垃圾焚烧炉开展了采样监测，并通过现场调研和问卷调查相结合的方式，对主要技术参数和工艺特征进行了统计，焚烧炉的基本情况如表1所示。7座垃圾焚烧炉焚烧工艺主要为简易焚烧和热解两种热处理类型，烟气净化工艺包括湿法洗涤、活性炭吸附和布袋除尘，除6号和7号焚烧炉未采用烟气净化设备外，其他焚烧炉均采用一种或综合多种烟气净化工艺设备。

样品采集包括垃圾处理过程中的焚烧烟气和烟气洗涤废水，其中烟气样品主要采集位置为烟气排口，洗涤废水采自循环冷却水池。废气采样系统连接好后应进行气密性检查，确保整体系统不漏气。废水采样前，检查和确认废水采样器和样品瓶的材质能否满足待测废水的特性要求，做到不吸附、不溶出和不与待测污染物发生化学反应。每批水样选择部分项目加采现场空白样，并加入保存剂进行固定，把样品置于低温下保存并将样品迅速送交实验室。其中，烟气中二噁英样品按照标准《环境空气和废气二噁英类的测定同位素稀释高分辨气相色谱－高分辨质谱法》（HJ 77.2—2008）采集，烟气中重金属烟气样品遵循《固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》（GB/T 16157—1996）采集。

表1 7座垃圾焚烧炉基本情况Table 1 The information of seven incinerator monitoring in this study

1.2 检测方法

本研究主要目标污染物为烟气中Pb、Hg、Cd和Cr等重金属以及二噁英，在测定其含量的同时，对一些烟气洗涤废水中的Pb、Hg、Cd和Cr含量进行了采样分析。主要仪器分析方法及检出限见表2。

2 结果与讨论

2.1 烟气处理措施对二噁英排放影响

7座垃圾焚烧炉的烟气二噁英排放浓度见表3。对于7座垃圾焚烧设施，除采用了“热解气化+二燃室+冷却装置+干法脱硫+活性炭吸附+布袋除尘”工艺的4号焚烧炉外，其他监测点烟气二噁英毒性当量排放浓度均不同程度地超出《生活垃圾焚烧污染物控制标准》（GB 18485—2014）（图 1），其中 1 号设施二噁英浓度高达 24.87 ng TEQ·m－3，是 GB 18485—2014规定的烟气二噁英排放限值（0.1 ng TEQ·m－3）的约250倍。

4号、6号和7号焚烧炉采用了“热解气化+二燃室”技术，其中采用“冷却装置+干法脱硫+活性炭吸附+布袋除尘”烟气净化工艺的4号焚烧炉烟气二噁英毒性当量低至 0.038 ng TEQ·m－3，低于 GB 18485—2014中的限值，而未添加烟气净化装置的6号和7号焚烧炉烟气二噁英毒性当量均值则分别为3.145 ng TEQ·m－3和 4.32 ng TEQ·m－3，分别是 GB 18485—2014中限值的约30倍和40倍，表明“活性炭吸附+布袋除尘”组合的烟气净化工艺对烟气中的二噁英具有较好的去除效果。

Choi等[9]调查了韩国50个处理能力在40～195 kg·h－1的小型焚烧炉，大部分焚烧炉仅使用旋风除尘器作为烟气净化系统，部分使用旋风除尘+湿法洗涤/布袋等，但均未使用活性炭喷射吸附，其中焚烧炉烟气二噁英的排放浓度高达609.27 ng TEQ·m－3，该研究的结论与本研究对于未采用活性炭喷射的焚烧炉的监测结果较一致。对于同样采用“简易焚烧”处理工艺的1号和5号焚烧炉，使用水洗作为唯一烟气净化工艺的1号焚烧炉二噁英排放浓度最高，达到24.87 ng TEQ·m-3，是5号焚烧炉的21.6倍。采用“石灰水沐”的3号焚烧炉，二噁英排放浓度也达到17.45 ng TEQ·m-3。研究结果表明，无论是水洗还是石灰水沐，仅使用湿法洗涤工艺对烟气中二噁英的去除效果并不理想。

表3 焚烧炉烟气二噁英排放浓度Table 3 The concentration of dioxin in flue gas

图1 焚烧炉烟气二噁英毒性当量排放浓度Figure 1 The toxic equivalent concentration of dioxin in flue gas

表2 烟气中污染物指标分析方法Table 2 The methods of pollutants analyzed in flue gas

2.2 不同焚烧工艺对烟气二噁英含量的影响

对于同样采用“湿法洗涤”烟气净化工艺的1、2号和3号焚烧炉，采用“简易焚烧”工艺的1号和3号焚烧炉分别较采用“热解”工艺的2号焚烧炉烟气二噁英排放浓度高410%和257%。对于未设置额外的烟气净化装置，采用“热解气化+二燃室”的6号和7号焚烧炉，烟气二噁英含量分别为3.145、4.32 ng TEQ·m-3，低于采用“简易焚烧”工艺的5号焚烧炉未净化烟气的二噁英含量（6.89 ng TEQ·Nm-3）。此外，研究发现，原始垃圾中PCDDs一般比PCDFs含量高，PCDFs主要来自于焚烧后的合成[10]。从表3可知，各监测位点烟气中PCDFs/PCDDs比值均大于1，表明烟气中的二噁英类污染物可能主要来源于垃圾焚烧和烟气降温过程中合成的PCDFs，因此，采用热解技术较一般焚烧更能有效抑制二噁英的生成。

2.3 烟气和烟气洗涤液中重金属污染情况

从图2可见，7座焚烧炉烟气中总Cr和Pb的排放浓度均低于GB 18485—2014限值（Cr+Pb≤1.0 mg·m-3），除 1 号焚烧炉 Cd 排放浓度达 0.113 mg·m-3超过GB 18485—2014排放限值外，其他焚烧炉烟气中Cd浓度均远低于排放限值。结合表4中各焚烧炉烟气洗涤液重金属含量可见，1号焚烧炉烟气洗涤液中Cd、Pb含量均远低于检测下限，排除在洗涤过程中二次污染的可能性，同时也说明简单采用水洗工艺并不能有效去除烟气中的Cd和Pb。

图2 焚烧炉烟气重金属排放浓度Figure 2 The heavy metals concentration in flue gas

表4 焚烧炉烟气洗涤液重金属含量Table 4 The heavy metals concentrations in washing wastewater

在7座焚烧炉中，1、2、6号焚烧炉的烟气Hg含量超过GB 18485—2014的限值，其他焚烧炉烟气中Hg含量均能达标排放。同样，采用“碱液洗涤”且未采用“活性炭吸附+布袋除尘”工艺的3号焚烧炉，烟气Hg含量也能达到较低的0.041 mg·m-3，说明“碱液洗涤”工艺对烟气中Hg具有较好的去除效果，其原因可能是Hg2+与碱液中的OH-发生反应：Hg2++2OH-=HgO+H2O，产生的HgO沉淀在洗涤液中被去除。

采用“活性炭吸附+布袋除尘”的4号焚烧炉烟气中各重金属含量均能控制在较低水平，且低于GB 18485—2014的限值，比同样采用“热解气化+二燃室”焚烧工艺的6号和7号焚烧炉相比，4号焚烧炉烟气中Cd和总Cr均未检出，Pb浓度也较低，提示“活性炭吸附+布袋除尘”对烟气中重金属的去除具有较好的效果。

3 结论

（1）所调查的7座焚烧炉的烟气样品中二噁英和重金属浓度存在较大差异。仅有1座焚烧炉的烟气样品中二噁英浓度明显低于其他样品，符合《生活垃圾焚烧污染物控制标准》（GB 18485—2014）中的排放标准，其余6座焚烧炉的二噁英均高于标准限值，最高超标约250倍。所调查的焚烧炉的烟气样品中重金属浓度则大部分排放达标，仅3座焚烧炉的Hg浓度和1座焚烧炉的Cd浓度排放超标。

（2）不同的焚烧和烟气处理工艺对烟气中污染物浓度也存在影响，在本研究监测的7座焚烧炉中，采用热解-焚烧工艺的焚烧炉所产生的烟气中二噁英及重金属排放浓度均低于简易焚烧工艺；“活性炭吸附+布袋除尘”对烟气二噁英及多种重金属污染物的去除有较好的效果；碱液水洗对烟气中Hg有较好的去除效果；普通水洗对二噁英及重金属污染物去除均无明显效果。

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