垃圾焚烧厂恶臭污染物分布特征及健康风险评价

李海青 刘欣艳 孙 宇 赵月龙 李剑颖

(北京市城市管理研究院，生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室，北京 100028)

生活垃圾在填埋、堆肥、焚烧过程中都会产生大量恶臭污染物。相关研究表明，生活垃圾中的恶臭污染物多达4 000种[1]，主要包括含氧化合物、含硫化合物、卤代化合物和烃类等[2-3]。这些恶臭污染物不仅会污染空气及产生二次污染物[4-5]，还可能会危害从事垃圾收集及处理的工作人员和周边居民健康[6-8]。

目前，学者们已对堆肥和填埋过程中生活垃圾产生的恶臭污染物及其健康风险开展了较多研究[9-11]。但是针对垃圾焚烧厂恶臭污染物分布特征及健康风险评价的研究还鲜见报道。然而，随着垃圾焚烧厂的不断增长，其恶臭污染问题也越来越受到公众的关注[12]。鉴于此，本研究选择了北京某典型垃圾焚烧厂，针对垃圾焚烧处理的主要工艺流程产生的恶臭污染物开展研究，对其可能的人群健康风险开展评价，以期为垃圾焚烧厂的恶臭污染控制提供基础数据和科学指导。

1 实验部分

1.1 样品采集

北京某典型垃圾焚烧厂每日可处理生活垃圾1 000 t以上，年处理生活垃圾50万t，其工艺流程如图1所示。

图1 垃圾焚烧厂的工艺流程Fig.1 Process flow of a municipal solid waste incinerator plant

分别在卸料区、垃圾料坑、炉渣堆放处、渗滤液池、烟气净化系统用有效容积为6 L的内表面经硅烷化处理的苏玛罐按照《恶臭污染环境监测技术规范》(HJ 905—2017)采集气体样品，1周内完成分析。卸料区、渗滤液池、炉渣堆放处为半封闭环境，垃圾料坑是封闭环境。采样时间为2018年8月13—15日连续3天。

1.2 恶臭污染物分析

气体样品先经过预浓缩仪(ENTECH 7200)浓缩，旋转阀温度为80 ℃，传输线温度为100 ℃，进样体积为400 mL，一级冷阱捕集阱温度-150 ℃、预热温度20 ℃、解吸温度120 ℃、烘烤温度140 ℃(5 min)；二级冷阱捕集阱温度-20 ℃、预热温度20 ℃、解吸温度180 ℃、烘烤温度190 ℃(5 min)；三级冷阱捕集阱温度-160 ℃，解吸温度150 ℃；进样时间3 min，烘烤时间2 min，等待时间32 min。

预浓缩后气体进入气相色谱—质谱联用仪(安捷伦7890A—5975C)进行分析。气相色谱条件：色谱柱为DB-5MS( 60 m × 0.32 mm × 1.0 μm)；载气为氦气(纯度99.999%以上)，载气流速为1.5 mL/min；进样方式为不分流进样，进样口温度为180 ℃；柱温箱升温程序为30 ℃(保持5 min)后以5 ℃/min升至150 ℃，再以15 ℃/min升到220 ℃(保持10 min)。质谱条件：离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，接口温度280 ℃，电离能为70 eV，全扫描模式定性，选择离子模式定量。

120种挥发性有机物标准物质和内标物均购自美国光谱特种气体公司。

2 结果分析与讨论

2.1 垃圾焚烧厂恶臭物质分布特征

该垃圾焚烧厂共检出60种恶臭污染物，包括9种芳香烃(苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、三甲苯、萘、异丙苯、对甲乙苯)、4种含硫化合物(甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、二硫化碳)、8种卤代化合物(二氯乙烯、二氯甲烷、二氯乙烷、二氟氯甲烷、二氯二氟甲烷、氯仿、二氯丙烷、二氯苯)、4种烯烃(α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯、丙烯)、17种(环)烷烃(丙烷、丁烷、异丁烷、十一烷、癸烷、戊烷、环戊烷、十二烷、甲基环己烷、2-甲基丁烷、3-甲基己烷、2,3-二甲基丁烷、庚烷、甲基环戊烷、3-甲基庚烷、2-甲基戊烷、2,3-二甲基戊烷)、18种含氧化合物(乙醇、异丙醇、丙酮、2-丁酮、甲醇、乙酸乙酯、正丙醇、正丁醇、正戊醇、乙酸甲酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙醛、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、甲基异丁酮、2-己酮、乙酸异丙酯)。

从图2来看，垃圾焚烧厂不同工艺流程产生的恶臭污染物浓度和组成都有很大差异。封闭的垃圾料坑中恶臭污染物总质量浓度最高，达到(128.20±3.63) mg/m3。渗滤液池和卸料区的恶臭污染物总质量浓度也较高，分别达到(58.50±3.45)、(45.70±1.34) mg/m3。炉渣堆放处和烟气净化系统的恶臭污染物总质量浓度相对略低，分别为(22.63±1.38)、(9.33±0.88) mg/m3。含氧化合物在不同工艺流程中的占比均为最高，卸料区、垃圾料坑、炉渣堆放处、渗滤液池和烟气净化系统中的质量浓度分别为(19.54±0.30)、(55.09±5.92)、(8.28±0.93)、(26.69±1.26)、(4.80±0.32) mg/m3。含硫化合物在不同工艺流程中的占比差异很大，垃圾料坑中其质量浓度达到(48.78±4.69) mg/m3，主要是二甲基二硫醚和二甲基三硫醚，可能来自于食物添加剂和蛋白质的降解，而其他工艺流程中含硫化合物质量浓度均小于0.20 mg/m3。(环)烷烃也是恶臭污染物的重要组成部分，卸料区、垃圾料坑、炉渣堆放处和渗滤液池中的质量浓度分别为(12.51±1.04)、(16.39±1.63)、(7.68±0.12)、(11.96±0.64) mg/m3，总体高于堆肥产生的(环)烷烃浓度[13]，但烟气净化系统中未检出(环)烷烃，说明焚烧可有效去除(环)烷烃。卸料区、垃圾料坑、炉渣堆放处、渗滤液池和烟气净化系统中的芳香烃质量浓度分别为(8.99±0.46)、(3.04±0.28)、(4.06±0.25)、(8.21±0.58)、(2.73±0.35) mg/m3，主要是苯和二甲苯，与孙中涛等[14]研究结果相似。卸料区、垃圾料坑、炉渣堆放处、渗滤液池和烟气净化系统中的卤代化合物质量浓度分别为(4.48±0.07)、(4.13±0.53)、(2.32±0.25)、(10.66±1.13)、(1.75±0.23) mg/m3，主要是二氯甲烷、二氯乙烷和二氯二氟甲烷。烯烃只在垃圾料坑、炉渣堆放处和渗滤液池有检出，并且浓度不高。

图2 垃圾焚烧厂恶臭污染物分布Fig.2 Odorous pollutants distribution in the municipal solid waste incinerator plant

2.2 关键恶臭污染物筛选

根据式(1)计算不同工艺流程中单一恶臭污染物的阈稀释倍数。

(1)

式中：Di为恶臭污染物i的阈稀释倍数；ci为恶臭污染物i的质量浓度，mg/m3；ci,T为恶臭污染物i的嗅阈值，mg/m3，其值来自于文献[15]。

根据式(2)对不同工艺流程中单一恶臭污染物的阈稀释倍数加和得到该工艺流程的理论臭气浓度(OUT)，该方法综合了总和模型法和最大值模型法[16]。

OUT=∑Di

(2)

表1列出了不同工艺流程中阈稀释倍数大于5的恶臭污染物，共有13种，其中苯乙烯、甲硫醚、二甲基二硫醚是《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)优先控制的恶臭污染物。计算这些恶臭污染物在不同工艺流程中的理论臭气浓度发现，垃圾料坑(462)>渗滤液池(184)>卸料区(104)>炉渣堆放处(31)>烟气净化系统(18)。垃圾料坑的恶臭污染物总浓度最高，其主要恶臭污染物的理论臭气浓度最大。表2列出了不同工艺流程中浓度最高的前5种恶臭污染物。比较表1和表2可以得出，理论臭气浓度不仅考虑了浓度较高的恶臭污染物对恶臭污染的贡献，还考虑了其嗅阈值，更加综合地反映了对恶臭污染的贡献程度。由此说明，嗅阈值是衡量物质致臭与否的重要因素，甲硫醚、二甲基二硫醚是垃圾焚烧厂引发恶臭污染的最主要恶臭污染物，它们的嗅阈值极低，在很低的浓度下即可散发出强烈的气味。

表1 不同工艺流程中的主要恶臭污染物

2.3 恶臭污染物的健康风险评估

根据美国环境保护署(USEPA)环境毒物中非致癌物的吸入参考剂量和致癌物的致癌斜率因子，评估恶臭污染物的非致癌风险(见式(3))和致癌风险(见式(4))。

(3)

(4)

式中：HI为非致癌风险危害指数，用来表征非致癌风险；IR为呼吸速率，m3/h，本研究取0.66 m3/h；ET为每日暴露时间，h/d，本研究取8 h/d；EF为一年持续暴露频率，d/a，本研究取250 d/a；ED为暴露持续时间，a，本研究取25 a；BW为人体质量，kg，本研究取65 kg；AT为人群平均寿命，d，本研究致癌风险评估时取25 550 d(即70 a)，非致癌风险评估时取9 125 d(即25 a)；RFC为非致癌物的吸入参考剂量，mg/(kg·d)；LCR为终生致癌风险；SF为致癌物的致癌斜率因子，kg·d/mg。本研究中的致癌物和非致癌物的RFC和SF取值(见表3)来自USEPA的Integrated Risk Information System (IRIS) (http://www.epa.gov/iris/index.html)。

表2 不同工艺流程中质量浓度最高的前5种恶臭污染物

表3 恶臭污染物的RFC和SF取值

不考虑环境毒物之间的协同和拮抗作用，混合源的健康风险为各种环境毒物的健康风险之和。根据USEPA对终生致癌风险和非致癌风险危害指数的规定，LCR<10-6表明致癌风险处于可以接受的水平，10-6≤LCR≤10-4表明存在潜在致癌风险，LCR>10-4表明有较大致癌风险；HI>1表明对人体有非致癌风险，HI≤1表明对人体没有非致癌风险。

由于垃圾料坑是封闭环境，不存在暴露风险，故不作健康风险评价。其他工艺流程中的恶臭污染物健康风险评价结果见表4。非致癌风险主要集中在卸料区和渗滤液池，总非致癌风险危害指数分别为8.08、3.60，主要非致癌风险物是苯和二甲苯。卸料区、炉渣堆放处和渗滤液池都存在较大致癌风险(LCR>10-4)，主要致癌风险物是苯和乙苯。

由此可见，垃圾焚烧厂的恶臭污染有可能影响人体健康，必须做好恶臭污染控制。(1) 垃圾车在运输垃圾过程中要做好密封，防止渗滤液滴落和恶臭污染物逸散，建议对厂区内垃圾运输车进厂道路上的垃圾渗滤液和垃圾残渣进行处理。(2)在卸料区的入口上方设置挡风帘，减少恶臭污染物外逸，可适当喷洒生物除臭药剂。(3)垃圾料坑的负压回收系统要定期核检，确保其恶臭污染物引入焚烧炉分解。(4)在焚烧车间设置风吸口，将焚烧车间内的恶臭污染物吸入焚烧炉分解。(5)炉渣堆放处上部设吸气口等，确保恶臭污染物不向外扩散。(6)渗滤液池所产生的恶臭污染物也要引入焚烧炉分解。

3 结 论

(1) 该垃圾焚烧厂共检出60种恶臭污染物，包括9种芳香烃、4种含硫化合物、8种卤代化合物、4种烯烃、17种(环)烷烃和18种含氧化合物。不同工艺流程中的恶臭污染物总质量浓度由大到小依次是垃圾料坑((128.20±3.63) mg/m3)>渗滤液池((58.50±3.45) mg/m3)>卸料区((45.70±1.34) mg/m3)>炉渣堆放处((22.63±1.38) mg/m3)>烟气净化系统((9.33±0.88) mg/m3)。含氧化合物在不同工艺流程中的占比均最高。

表4 恶臭污染物健康风险评价结果1)

(2) 有13种恶臭污染物阈稀释倍数大于5，其在不同工艺流程中的理论臭气浓度排列顺序与恶臭污染物总浓度一致，但理论臭气浓度更加综合地反映了对恶臭污染的贡献程度。

(3) 卸料区和渗滤液池的非致癌风险危害指数大于1，存在潜在的非致癌风险；卸料区、炉渣堆放处和渗滤液池的终生致癌风险大于10-4，存在较大致癌风险。