生活垃圾焚烧烟气中重金属排放浓度影响因素研究

罗克菊，金 超，刘美玲

(重庆市北碚区生态环境监测站，重庆 400700)

1 引言

随着我国社会经济的高速发展，地方区域城镇化的快速推进以及居民人口数量的不断增长，城市生活垃圾呈逐年上升趋势[1，2]。根据《中国统计年鉴》可知，全国2015年生活垃圾清运量19141.9万t，2020年生活垃圾清运量23511.7万t， 相比增加了22.8%。重庆市2015年生活垃圾清运量440万t，2020年生活垃圾清运量628.5万t，相比增加了42.8%。因此，随着城市生活垃圾产生量的不断上升，其对环境带来的影响也越来越突出。

目前，国内外垃圾处理方法有：卫生填埋、堆肥、焚烧等[3]。根据中国统计年鉴可知全国2015年生活垃圾无害化处理量18013万t，其中采取焚烧处理6175.5万t，占比34.3%，焚烧处理厂220家，处理能力219080 t/d。2020年生活垃圾无害化处理量高达23452.3万t，与2015年相比增加了30.2%，其中采用焚烧处理方式14607.6万t，与2015年相比增加了137%，占比提升至62.3%，升高了28%；焚烧处理厂463家，处理能力567804 t/d，与2015年相比分别增加了110%和159%。重庆市2015年生活垃圾无害化处理量433.9万t，其中采取焚烧处理148.3万t，占比34.2%，焚烧处理厂2家，处理能力3600 t/d。2020年生活垃圾无害化处理量高达589.7万t，与2015年相比增加了35.9%，其中采用焚烧处理方式386.2万t，与2015年相比增加了160%，占比提升至65.5%，升高了31.3%；焚烧处理厂7家，处理能力11100 t/d，与2015年相比分别增加了250%和208%。因此，焚烧以其显著的无害化、资源化和减量化效果，成为目前处理城市生活垃圾最主要的方式之一[4～8]。但是生活垃圾在焚烧处理过程中会产生大量的大气污染物，不可避免地会对周边环境造成二次污染，特别是垃圾焚烧带来的重金属污染愈发受到重视，也成为目前环保领域的研究热点[9,10]。

重金属污染物在焚烧过程中其物质不会被生成或破坏，只发生迁移和转化，最终排入外环境中并可在环境中长时间停留，不被环境中的微生物所降解，是焚烧烟气中毒害性相对较大的一类污染物[11～14]。镍、铜、锰及其化合物等重金属作为焚烧烟气中最常见的有害物质，对环境构成极大的潜在威胁，具有生物学作用，可对人的皮肤、粘膜和呼吸道有刺激作用，可引起皮炎和气管炎，甚至发生肺炎等严重疾病，具有致癌性，因此探讨其他排放因子对其影响具有重要意义[15]。本文通过统计分析生活垃圾焚烧炉排放口烟气中污染因子的长期监测数据，建立重金属排放浓度与多项气体参数的影响因素模型，为减少生活垃圾焚烧烟气中重金属的排放浓度提供参考依据。

2 数据来源

将重庆市某地生活垃圾焚烧企业作为研究对象，以2019～2022年该企业焚烧炉出口烟气长期监测结果为依据，结果数据检出情况，确定重点研究镍、铜、锰及其化合物的排放浓度与氧含量、烟尘排放浓度、二氧化硫排放浓度、氮氧化物排放浓度和一氧化碳排放浓度等5个影响因素的相关性。

3 分析方法及仪器

镍、铜、锰及其化合物采样方法、前处理方法和分析方法参照《空气和废气 颗粒物中金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 777-2015)。烟尘采样和分析方法参照《固定污染源废气 低浓度颗粒物测定 重量法》(HJ836-2017)。二氧化硫采样分析方法参照《固定污染源排气 二氧化硫的测定 定电位电解法》(HJT 57-2017)，氮氧化物采样分析方法参照《固定污染源废气 氮氧化物的测定 定电位电解法》(HJ 693-2014)，一氧化碳的采样分析方法参照《固定污染源废气 一氧化碳的测定 定电位电解法》(HJ973-2018)，氧含量采样分析方法按照《固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)。采样仪器使用众瑞、崂应和天虹出厂的低浓度颗粒物采样仪和烟尘烟气采样仪，重金属分析仪使用thermofisher和PerkinElmer的等离子发射发射光谱仪，上述仪器均进行了计量检定。

4 结果与讨论

运用自然对数法对焚烧炉烟气的监测结果进行标准化处理，为确保获得正值数据，则选用ln(x+1)进行处理。Y1、Y2、Y3分别代表生活垃圾焚烧烟气中标准化后的镍、铜、锰排放浓度，X1、X2、X3、X4、X5分别代表标准化后的氧含量、烟尘排放浓度、二氧化硫排放浓度、氮氧化物排放浓度、一氧化碳排放浓度，然后运用SPSS软件中的逐步回归法对数据进行统计分析处理[16]。

4.1 镍排放浓度

由表1、表2和表3可知，镍排放浓度通过SPSS软件一共筛选出2个模型，其中拟合优度分别为9.1%和14.8%，F统计量对应的P值均为0，为差异极显著。对2个模型进行t检验，得出的P值均小于0.05，差异显著，具有统计学意义。因模型2包含的影响因素较多，且拟合优度较模型1好，故综合评估，模型2优于模型1。

表2 模型摘要(Anovac)

生活垃圾焚烧烟气中镍排放浓度的影响因素模型为：

Y1=0.514-0.216X1+0.016X5

(1)

从式(1)可知，焚烧烟气中镍排放浓度受氧含量和一氧化碳排放浓度的显著影响，且与氧含量成反比，与一氧化碳排放浓度成正比。从系数来看，氧含量对镍排放浓度的影响大于一氧化碳排放浓度。

表3 模型摘要(系数a)

4.2 铜排放浓度

由表4～6可知，铜排放浓度通过SPSS软件只筛选出1个模型，拟合优度为53.6%，F统计量对应的P值为0，为差异极显著。对该模型进行t检验，得出的P值均为0，差异显著，具有统计学意义。

表4 模型汇总

表5 模型摘要(Anovac)

生活垃圾焚烧烟气中铜排放浓度的影响因素模型为：

Y2=0.019-0.004X4

(2)

从式(2)可知，焚烧烟气中铜的排放浓度受氮氧化物排放浓度显著影响，且与氮氧化物排放浓度成反比。

表6 模型摘要(系数a)

4.3 锰排放浓度

由表7～9可知，锰排放浓度通过SPSS软件只筛选出1个模型，拟合优度为11.1%，F统计量对应的P值为0.010，小于0.05，为差异极显著。对该模型进行t检验，得出的P值均小于0.05，差异显著，具有统计学意义。

表7 模型汇总

表8 模型摘要(Anovac)

生活垃圾焚烧烟气中锰排放浓度的影响因素模型为：

Y3=0.265-0.109X1

(3)

从式(3)可知，焚烧烟气中锰排放浓度与氧含量有较大的关系，且与氧含量成反比。

表9 模型摘要(系数a)

5 结论

通过SPSS软件对重庆市某地生活垃圾焚烧企业焚烧炉出口烟气监测数据进行统计分析，采用逐步回归法对镍、铜、锰排放浓度影响因素进行回归分析，得出镍排放浓度的影响因素模型为：

Y1=0.514-0.216X1+0.016X5

(4)

式(4)中，Y1、X1、X5分别为镍排放浓度、氧含量和一氧化碳排放浓度标准化数据。

铜排放浓度的影响因素模型为：

Y2=0.019-0.004X4

(5)

式(5)中，Y2、X4分别为铜排放浓度和氮氧化物排放浓度标准化数据。

锰排放浓度的影响因素模型为：

Y3=0.265-0.109X1

(6)

式(6)中，Y3为锰排放浓度标准化数据。

由上述模型可知，生活垃圾焚烧烟气中镍排放浓度受氧含量和一氧化碳排放浓度的显著影响，且氧含量与镍排放浓度成反比，一氧化碳排放浓度与镍排放浓度成正比。烟气中铜排放浓度与氮氧化物排放浓度具有显著相关性，与其成反比。烟气中锰排放浓度与氧含量有显著相关性，与其成反比。因此，为了减少生活垃圾焚烧烟气中镍的排放浓度，可以采取能够控制氧含量和一氧化碳排放浓度的措施。为了减少烟气中铜的排放浓度，可以通过有效控制氮氧化物排放来达到减排目的。为了减少烟气中铜的排放浓度，可以采取措施有效管控氧含量的水平，从而降低生活垃圾焚烧企业对周边环境的影响。