垃圾焚燒廠惡臭污染物分布特征及健康風(fēng)險評價

李海青 劉欣艷 孫 宇 趙月龍 李劍穎

(北京市城市管理研究院，生活垃圾檢測分析與評價北京市重點實驗室，北京 100028)

生活垃圾在填埋、堆肥、焚燒過程中都會產(chǎn)生大量惡臭污染物。相關(guān)研究表明，生活垃圾中的惡臭污染物多達4 000種[1]，主要包括含氧化合物、含硫化合物、鹵代化合物和烴類等[2-3]。這些惡臭污染物不僅會污染空氣及產(chǎn)生二次污染物[4-5]，還可能會危害從事垃圾收集及處理的工作人員和周邊居民健康[6-8]。

目前，學(xué)者們已對堆肥和填埋過程中生活垃圾產(chǎn)生的惡臭污染物及其健康風(fēng)險開展了較多研究[9-11]。但是針對垃圾焚燒廠惡臭污染物分布特征及健康風(fēng)險評價的研究還鮮見報道。然而，隨著垃圾焚燒廠的不斷增長，其惡臭污染問題也越來越受到公眾的關(guān)注[12]。鑒于此，本研究選擇了北京某典型垃圾焚燒廠，針對垃圾焚燒處理的主要工藝流程產(chǎn)生的惡臭污染物開展研究，對其可能的人群健康風(fēng)險開展評價，以期為垃圾焚燒廠的惡臭污染控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

北京某典型垃圾焚燒廠每日可處理生活垃圾1 000 t以上，年處理生活垃圾50萬t，其工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒廠的工藝流程Fig.1 Process flow of a municipal solid waste incinerator plant

分別在卸料區(qū)、垃圾料坑、爐渣堆放處、滲濾液池、煙氣凈化系統(tǒng)用有效容積為6 L的內(nèi)表面經(jīng)硅烷化處理的蘇瑪罐按照《惡臭污染環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 905—2017)采集氣體樣品，1周內(nèi)完成分析。卸料區(qū)、滲濾液池、爐渣堆放處為半封閉環(huán)境，垃圾料坑是封閉環(huán)境。采樣時間為2018年8月13—15日連續(xù)3天。

1.2 惡臭污染物分析

氣體樣品先經(jīng)過預(yù)濃縮儀(ENTECH 7200)濃縮，旋轉(zhuǎn)閥溫度為80 ℃，傳輸線溫度為100 ℃，進樣體積為400 mL，一級冷阱捕集阱溫度-150 ℃、預(yù)熱溫度20 ℃、解吸溫度120 ℃、烘烤溫度140 ℃(5 min)；二級冷阱捕集阱溫度-20 ℃、預(yù)熱溫度20 ℃、解吸溫度180 ℃、烘烤溫度190 ℃(5 min)；三級冷阱捕集阱溫度-160 ℃，解吸溫度150 ℃；進樣時間3 min，烘烤時間2 min，等待時間32 min。

預(yù)濃縮后氣體進入氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(安捷倫7890A—5975C)進行分析。氣相色譜條件：色譜柱為DB-5MS( 60 m × 0.32 mm × 1.0 μm)；載氣為氦氣(純度99.999%以上)，載氣流速為1.5 mL/min；進樣方式為不分流進樣，進樣口溫度為180 ℃；柱溫箱升溫程序為30 ℃(保持5 min)后以5 ℃/min升至150 ℃，再以15 ℃/min升到220 ℃(保持10 min)。質(zhì)譜條件：離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，接口溫度280 ℃，電離能為70 eV，全掃描模式定性，選擇離子模式定量。

120種揮發(fā)性有機物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和內(nèi)標(biāo)物均購自美國光譜特種氣體公司。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 垃圾焚燒廠惡臭物質(zhì)分布特征

該垃圾焚燒廠共檢出60種惡臭污染物，包括9種芳香烴(苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、三甲苯、萘、異丙苯、對甲乙苯)、4種含硫化合物(甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、二硫化碳)、8種鹵代化合物(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種烯烴(α-蒎烯、β-蒎烯、檸檬烯、丙烯)、17種(環(huán))烷烴(丙烷、丁烷、異丁烷、十一烷、癸烷、戊烷、環(huán)戊烷、十二烷、甲基環(huán)己烷、2-甲基丁烷、3-甲基己烷、2,3-二甲基丁烷、庚烷、甲基環(huán)戊烷、3-甲基庚烷、2-甲基戊烷、2,3-二甲基戊烷)、18種含氧化合物(乙醇、異丙醇、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、甲基異丁酮、2-己酮、乙酸異丙酯)。

從圖2來看，垃圾焚燒廠不同工藝流程產(chǎn)生的惡臭污染物濃度和組成都有很大差異。封閉的垃圾料坑中惡臭污染物總質(zhì)量濃度最高，達到(128.20±3.63) mg/m3。滲濾液池和卸料區(qū)的惡臭污染物總質(zhì)量濃度也較高，分別達到(58.50±3.45)、(45.70±1.34) mg/m3。爐渣堆放處和煙氣凈化系統(tǒng)的惡臭污染物總質(zhì)量濃度相對略低，分別為(22.63±1.38)、(9.33±0.88) mg/m3。含氧化合物在不同工藝流程中的占比均為最高，卸料區(qū)、垃圾料坑、爐渣堆放處、滲濾液池和煙氣凈化系統(tǒng)中的質(zhì)量濃度分別為(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藝流程中的占比差異很大，垃圾料坑中其質(zhì)量濃度達到(48.78±4.69) mg/m3，主要是二甲基二硫醚和二甲基三硫醚，可能來自于食物添加劑和蛋白質(zhì)的降解，而其他工藝流程中含硫化合物質(zhì)量濃度均小于0.20 mg/m3。(環(huán))烷烴也是惡臭污染物的重要組成部分，卸料區(qū)、垃圾料坑、爐渣堆放處和滲濾液池中的質(zhì)量濃度分別為(12.51±1.04)、(16.39±1.63)、(7.68±0.12)、(11.96±0.64) mg/m3，總體高于堆肥產(chǎn)生的(環(huán))烷烴濃度[13]，但煙氣凈化系統(tǒng)中未檢出(環(huán))烷烴，說明焚燒可有效去除(環(huán))烷烴。卸料區(qū)、垃圾料坑、爐渣堆放處、滲濾液池和煙氣凈化系統(tǒng)中的芳香烴質(zhì)量濃度分別為(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，與孫中濤等[14]研究結(jié)果相似。卸料區(qū)、垃圾料坑、爐渣堆放處、滲濾液池和煙氣凈化系統(tǒng)中的鹵代化合物質(zhì)量濃度分別為(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。烯烴只在垃圾料坑、爐渣堆放處和滲濾液池有檢出，并且濃度不高。

圖2 垃圾焚燒廠惡臭污染物分布Fig.2 Odorous pollutants distribution in the municipal solid waste incinerator plant

2.2 關(guān)鍵惡臭污染物篩選

根據(jù)式(1)計算不同工藝流程中單一惡臭污染物的閾稀釋倍數(shù)。

(1)

式中：Di為惡臭污染物i的閾稀釋倍數(shù)；ci為惡臭污染物i的質(zhì)量濃度，mg/m3；ci,T為惡臭污染物i的嗅閾值，mg/m3，其值來自于文獻[15]。

根據(jù)式(2)對不同工藝流程中單一惡臭污染物的閾稀釋倍數(shù)加和得到該工藝流程的理論臭氣濃度(OUT)，該方法綜合了總和模型法和最大值模型法[16]。

OUT=∑Di

(2)

表1列出了不同工藝流程中閾稀釋倍數(shù)大于5的惡臭污染物，共有13種，其中苯乙烯、甲硫醚、二甲基二硫醚是《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)優(yōu)先控制的惡臭污染物。計算這些惡臭污染物在不同工藝流程中的理論臭氣濃度發(fā)現(xiàn)，垃圾料坑(462)>滲濾液池(184)>卸料區(qū)(104)>爐渣堆放處(31)>煙氣凈化系統(tǒng)(18)。垃圾料坑的惡臭污染物總濃度最高，其主要惡臭污染物的理論臭氣濃度最大。表2列出了不同工藝流程中濃度最高的前5種惡臭污染物。比較表1和表2可以得出，理論臭氣濃度不僅考慮了濃度較高的惡臭污染物對惡臭污染的貢獻，還考慮了其嗅閾值，更加綜合地反映了對惡臭污染的貢獻程度。由此說明，嗅閾值是衡量物質(zhì)致臭與否的重要因素，甲硫醚、二甲基二硫醚是垃圾焚燒廠引發(fā)惡臭污染的最主要惡臭污染物，它們的嗅閾值極低，在很低的濃度下即可散發(fā)出強烈的氣味。

表1 不同工藝流程中的主要惡臭污染物

2.3 惡臭污染物的健康風(fēng)險評估

根據(jù)美國環(huán)境保護署(USEPA)環(huán)境毒物中非致癌物的吸入?yún)⒖紕┝亢椭掳┪锏闹掳┬甭室蜃?，評估惡臭污染物的非致癌風(fēng)險(見式(3))和致癌風(fēng)險(見式(4))。

(3)

(4)

式中：HI為非致癌風(fēng)險危害指數(shù)，用來表征非致癌風(fēng)險；IR為呼吸速率，m3/h，本研究取0.66 m3/h；ET為每日暴露時間，h/d，本研究取8 h/d；EF為一年持續(xù)暴露頻率，d/a，本研究取250 d/a；ED為暴露持續(xù)時間，a，本研究取25 a；BW為人體質(zhì)量，kg，本研究取65 kg；AT為人群平均壽命，d，本研究致癌風(fēng)險評估時取25 550 d(即70 a)，非致癌風(fēng)險評估時取9 125 d(即25 a)；RFC為非致癌物的吸入?yún)⒖紕┝浚琺g/(kg·d)；LCR為終生致癌風(fēng)險；SF為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(見表3)來自USEPA的Integrated Risk Information System (IRIS) (http://www.epa.gov/iris/index.html)。

表2 不同工藝流程中質(zhì)量濃度最高的前5種惡臭污染物

表3 惡臭污染物的RFC和SF取值

不考慮環(huán)境毒物之間的協(xié)同和拮抗作用，混合源的健康風(fēng)險為各種環(huán)境毒物的健康風(fēng)險之和。根據(jù)USEPA對終生致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險危害指數(shù)的規(guī)定，LCR<10-6表明致癌風(fēng)險處于可以接受的水平，10-6≤LCR≤10-4表明存在潛在致癌風(fēng)險，LCR>10-4表明有較大致癌風(fēng)險；HI>1表明對人體有非致癌風(fēng)險，HI≤1表明對人體沒有非致癌風(fēng)險。

由于垃圾料坑是封閉環(huán)境，不存在暴露風(fēng)險，故不作健康風(fēng)險評價。其他工藝流程中的惡臭污染物健康風(fēng)險評價結(jié)果見表4。非致癌風(fēng)險主要集中在卸料區(qū)和滲濾液池，總非致癌風(fēng)險危害指數(shù)分別為8.08、3.60，主要非致癌風(fēng)險物是苯和二甲苯。卸料區(qū)、爐渣堆放處和滲濾液池都存在較大致癌風(fēng)險(LCR>10-4)，主要致癌風(fēng)險物是苯和乙苯。

由此可見，垃圾焚燒廠的惡臭污染有可能影響人體健康，必須做好惡臭污染控制。(1) 垃圾車在運輸垃圾過程中要做好密封，防止?jié)B濾液滴落和惡臭污染物逸散，建議對廠區(qū)內(nèi)垃圾運輸車進廠道路上的垃圾滲濾液和垃圾殘渣進行處理。(2)在卸料區(qū)的入口上方設(shè)置擋風(fēng)簾，減少惡臭污染物外逸，可適當(dāng)噴灑生物除臭藥劑。(3)垃圾料坑的負(fù)壓回收系統(tǒng)要定期核檢，確保其惡臭污染物引入焚燒爐分解。(4)在焚燒車間設(shè)置風(fēng)吸口，將焚燒車間內(nèi)的惡臭污染物吸入焚燒爐分解。(5)爐渣堆放處上部設(shè)吸氣口等，確保惡臭污染物不向外擴散。(6)滲濾液池所產(chǎn)生的惡臭污染物也要引入焚燒爐分解。

3 結(jié) 論

(1) 該垃圾焚燒廠共檢出60種惡臭污染物，包括9種芳香烴、4種含硫化合物、8種鹵代化合物、4種烯烴、17種(環(huán))烷烴和18種含氧化合物。不同工藝流程中的惡臭污染物總質(zhì)量濃度由大到小依次是垃圾料坑((128.20±3.63) mg/m3)>滲濾液池((58.50±3.45) mg/m3)>卸料區(qū)((45.70±1.34) mg/m3)>爐渣堆放處((22.63±1.38) mg/m3)>煙氣凈化系統(tǒng)((9.33±0.88) mg/m3)。含氧化合物在不同工藝流程中的占比均最高。

表4 惡臭污染物健康風(fēng)險評價結(jié)果1)

(2) 有13種惡臭污染物閾稀釋倍數(shù)大于5，其在不同工藝流程中的理論臭氣濃度排列順序與惡臭污染物總濃度一致，但理論臭氣濃度更加綜合地反映了對惡臭污染的貢獻程度。

(3) 卸料區(qū)和滲濾液池的非致癌風(fēng)險危害指數(shù)大于1，存在潛在的非致癌風(fēng)險；卸料區(qū)、爐渣堆放處和滲濾液池的終生致癌風(fēng)險大于10-4，存在較大致癌風(fēng)險。