上海市多个生活垃圾焚烧厂土壤特征污染物分布及相关性研究

姚泽生，陈 奕，严立宇，诸 毅

(上海环境绿色生态修复科技有限公司，上海 200232)

0 引 言

近年来，焚烧在中国城市生活垃圾的处置中所占比重越来越高，随之而来的，如何评估及控制生活垃圾焚烧厂的污染情况，特别的，监管其对土壤环境的影响也越来越重要。生活垃圾焚烧厂中涉及渗滤液、烟气、飞灰等多种污染源，可能对土壤环境和人体健康造成影响。生活垃圾焚烧厂在达到垃圾减量化、无害化的同时，却也会带来对厂区内部及周边土壤及地下水污染的隐患[1]。因此，国内外越来越多的研究倾向于生活垃圾焚烧厂的实例分析及其周边土壤的特征污染物评价，尤其是重金属和二噁英[2]。

为了解生活垃圾焚烧厂内土壤特征污染物的分布及相关性，本研究针对上海市多个不同运营时间的在产生活垃圾焚烧厂，根据其近年来土壤及地下水自行监测工作数据，选取了Pb、Cd、Cu、Ni、Be、Co、As、Mn、Mo、Hg和C10-40等11种焚烧厂特征污染物。分析其土壤特征污染物含量的变异程度、分布规律及相互关联，研究其生产运营过程中土壤污染防控情况与生产年代是否有关，在过去研究中常见的针对单一实例的不同污染指标间相互比较分析的基础上，将不同运营状况的厂区的污染情况进行横向比较，为我国在产生活垃圾焚烧厂的土壤污染风险管控工作提供依据。

1 材料和方法

1.1 生活垃圾焚烧厂概况

本次研究区域的四个研究对象均为上海市在产生活垃圾焚烧厂，分别为D焚烧厂、C焚烧厂、F焚烧厂、J焚烧厂。研究对象均采用倾斜往复式顺推双列炉排工艺，烟气通过喷雾反应器和袋式过滤器处理后由烟囱排入大气，垃圾渗沥液经污水处理系统处理后纳管排放，飞灰、炉渣采用填埋处理。焚烧厂处理单元包括：垃圾贮存单元、垃圾搅拌单元、垃圾焚烧单元、余热回收单元、烟气净化单元、渗滤液处理单元、灰渣处理单元等。同时，研究对象的区域构成也呈现一致性，均包含主厂区、污水处理区、危废仓库、油库、污泥干化区等。研究对象的历史用途、运营年份、处理能力、占地面积、烟囱高度、烟气净化工艺、是否处于工业区等基本信息见表1。

表1 研究对象差异对比

1.2 点位布设与测试指标

在研究对象的主厂区、污水处理区、危废仓库、油库和污泥干化区等五个区域布设了10个土壤采样点(每个区域2个采样点)。由于污染物在土壤的迁移途径大多为垂向，因此本研究选取了表层土壤样品(0～50 cm)。根据上海市生活垃圾的组分、焚烧过程中可能产生的污染物、以及自行监测相关技术规范，确定了11项测试指标，分别为：Pb、Cd、Cu、Ni、Be、Co、As、Mn、Mo、Hg和C10-40。

2 结果与讨论

2.1 土壤特征污染物含量的描述性统计分析

对研究区域四个研究对象总计四十个样本进行汇总后，得到表2，可以看出，研究区域11个指标均未超出标准限值。

变异系数能够反映不同采样点之间的平均变异程度，同时也能够反映该元素受人为因素的影响程度[1]。变异系数越小，表明该特征污染物以该地区背景含量为主；变异系数越大，则表明其分布受人为影响因素较大。[3]由表2可知，镍和钴的变异系数分别为11.15%和10.59%，属于低度变异(变异系数<15%)；铍、砷和锰的变异系数分别为23.22%、27.09%和29.87%，属于中度变异(15%<变异系数<36%)；铅、镉、铜、钼、汞和总石油烃的变异系数分别为53.85%、136.68%、165.81%、97.88%、86.58%和147.04%，属于高度变异(变异系数>36%)。由此可见，本研究区域内的土壤特征污染物的变异系数大多属于高度变异，表明其分布受人为因素影响程度较大[3]。

表2 研究区域土壤特征污染物描述性统计结果

2.2 相关性分析

进一步对40个样本点的11个指标进行Pearson相关性研究，可得表3，可以看出Cd-Pb，Ni-Pb，Cu-Pb，Hg-Pb，Co-Pb，C10-40-Pb，Hg-Cd，Cu-Ni，Be-Ni，Be-Hg，Co-Hg，C10-40-Hg，Co-Be，C10-40-Co，C10-40-Be、As-Mo、Be-Mo、Co-Mo、Mn-Co的相关性通过了显著性检验。其中，铅与除砷、硒、钼外的其余特征污染物均有显著的正相关关系，可以作为生活垃圾焚烧厂的污染监测指示污染物，通过铅的检测，可以有效验证该区域是否存在污染迁移等相关情况[4-6]。

由表3还可以看出，Cd-Pb，Hg-Pb，Mo-As三组特征污染物间有显著性超过99.99%(P<0.0001)的正相关性，其中Cd-Pb的相关系数甚至高达0.86，接近线性关系。结合表1，Pb、Cd、Hg三种特征污染物的变异系数均属于高度变异，说明受人为影响较大，表明这些污染物间可能具有同源性，具体同源关系还需进一步资料收集与分析。

表3 研究区域土壤特征污染物相关性分析

2.3 分布图

为了验证相关性分析中揭示的研究区域Cd-Pb可能存在的同源性，用每个研究对象内10个采样点的镉、铅含量通过Surfer11中克里金插值法进行插值，得到研究区域内镉、铅的空间分布，并进一步绘制出四个焚烧厂中镉、铅的分布图，如图1所示。

通过比对可以看出，本研究区域内镉、铅的空间分布显示出较高的一致性，富集区域有明显的重叠，分别集中于D焚烧厂的油库区域及污水处理区域、C焚烧厂的危废仓库区域、F焚烧厂的污水处理区域、J焚烧厂的污水处理区域。这进一步验证了上节中，镉和铅两种特征污染物的同源性。值得注意的是，C焚烧厂的镉、铅富集区域位于研究对象的危废仓库区域，该区域主要用于稳定化飞灰、袋式除尘废弃滤料的暂存，飞灰中富集了较高浸出浓度的铅、镉等特征污染物，从而导致危废仓库区域附近镉、铅的富集，也从一定程度上印证了Cd-Pb的同源性。

2.4 聚类分析

由于研究对象的年份跨度相对较大(2003-2016)，不同研究对象的运营情况及土壤污染防控情况可能不同，为了解生产年代与土壤污染情况的关系，借助聚类分析对研究对象污染情况进行分类。

选取11个特征污染物浓度平均值(将10个采样点进行平均)作为一个研究对象的特征指标，由于四个研究对象的采样点基于相同选取标准(主厂区、污水处理区、危废仓库、油库、污泥干化区)，具有一一对应关系，因此该指标具有可比性。用得到的特征指标，基于马氏距离和最短距离法[7]，对四个研究对象进行聚类分析，得到谱系图如图2所示。

由图2，年份最早的D焚烧厂与其他3厂马氏距离最远，说明其污染情况最为特殊，这可能与早期生活垃圾焚烧厂土壤污染风险管控意识、生产运营过程中管理水平有关，例如：地下排污管线、地面防渗设施等。

年份接近(2013-2016)的J焚烧厂、C焚烧厂、F焚烧厂则可视为一类，由于2013年以来，上海市加强了土壤污染管控，2013年以后生活垃圾焚烧厂的土壤污染情况与运营时间无明显关联。

3 结束语

(1)研究区域内铅、镉、铜、钼、汞和总石油烃的变异系数分别为53.85%、136.68%、165.81%、97.88%、86.58%和147.04%，属于高度变异，本研究区域内的土壤特征污染物分布受人为因素影响程度较大。

(2)研究区域内的40个样本中，铅与除砷、硒、钼外的其余特征污染物均有显著的正相关关系，可以作为生活垃圾焚烧厂的污染监测指示污染物，通过铅的检测，可以有效验证该区域是否存在污染迁移等相关情况。

(3)研究区域内镉、铅的空间分布明显重叠，存在同源性可能性极大，可能与飞灰暂存管理情况有关。同时，污水处理区域存在较高富集，在以后的研究中需重视该区域的污染情况。

(4)聚类分析结果表明年份最早的D焚烧厂污染情况最为特殊，这可能与早期生活垃圾焚烧厂土壤污染风险管控意识、生产运营过程中管理水平有关。