垃圾焚燒二噁英非正常排放的環境影響探討
摘要:對生活垃圾焚燒項目二噁英非正常排放源強、評價思路進行了分析。用實例分析了二噁英可能存在的非正常排放情況、產生的環節、排放源強及其影響程度和范圍。提出生活垃圾焚燒應注重二噁英的非正常排放，并根據可能產生的環節、影響程度和范圍提出相應的防范措施和運行管理要求。
關鍵詞:垃圾焚燒 二噁英 非正常排放 環境影響
城市垃圾焚燒在發達國家相當普遍。隨著我國城市的發展和人民生活水平的提高，妥善處理垃圾已成為當務之急。目前，我國城市生活垃圾的處理已向資源化、無害化、減容化方向發展。現代垃圾焚燒發電廠可有效的控制二次污染，具有良好的環境、社會、經濟效益。但是，在城市生活垃圾焚燒過程中，若處理不當，極易產生劇毒物質二噁英，并隨煙氣排放到大氣環境中。二噁英類來源于一些工業過程中，譬如含氯化學品及農藥生產過程，紙漿和造紙工業的氯氣漂白過程等[1]。自1977年在荷蘭阿姆斯特丹市城市生活垃圾焚燒爐排放的飛灰和煙道氣中檢出二噁英類后，普遍認為廢物焚燒是環境二噁英類的一個主要來源[2]。
二噁英的毒性極強，是非常穩定的親油性固體化合物，難以自然降解，對人體的健康危害極大？刂评贌裏煔庵械亩䥽f英排放量已成為當務之急。國內外垃圾焚燒污染控制特別是噁英控制已有成熟的技術工藝，正常情況下，二噁英的排放可控制在0.1 ng-TEQ/m3以下，一般垃圾焚燒產生的煙氣通過高煙囪排放，不會對近地面環境產生重大影響。但對于某些非正常生產的情況，比如煙氣處理設施不正常運行、點火閉爐等情況，生產控制必然受到影響，可能導致二噁英排放速率和濃度明顯增大，從而加重了對環境的影響。
筆者通過垃圾焚燒發電廠環境評價實例分析了非正常工況可能的二噁英排放環節及對環境的影響。由此，提出生活垃圾焚燒應關注二噁英的非正常排放，并根據可能產生的環節和影響程度、范圍提出防范和規劃控制等運行和管理方面的要求。
1 實例簡介
例舉的評價實例情況如下：X垃圾焚燒廠采用機械爐排爐工藝，建設兩條生產線（單條焚燒能力300 t/d），燃燒過程采用“3T”控制法，焚燒煙氣處理采用半干式反應塔+活性炭吸附+袋式除塵器工藝，即煙氣進入煙氣凈化裝置后，利用高效霧化器將石灰粉末從塔底和塔頂噴入干吸收塔中，尾氣與噴入的粉末以同向流或逆向流方式充分接觸并產生中和反應，主要作用是脫酸中和，再通過噴入活性炭吸附二噁英類和重金屬類物質，然后進入袋式除塵器，廢氣通過濾袋時粒狀污染物附在濾層上，再以脈動沖洗方式清除，可將煙氣中細灰塵粒、中和劑及脫酸反應產物顆粒、吸附有二噁英類和重金屬的活性炭顆粒等捕捉下來，煙氣最終經高煙囪排入大氣。
2 X垃圾焚燒廠二噁英非正常排放的環境影響分析
2.1 二噁英非正常排放源強估算
分析該工程二噁英非正常排放可能發生的環節為：廢氣治理設施（活性炭噴射裝置及布袋除塵）不能正常運轉；焚燒爐啟動或停爐；其他生產控制不利，如生活垃圾熱值過低焚燒爐不能正常運行未采取有效的輔助燃燒措施。
2.1.1 廢氣治理設施故障導致二噁英非正常排放
據國外相關資料，在正常工況下（CO為50 mg/Nm3),鍋爐出口二噁英產生濃度為3 ng-TEQ/Nm3；根據對長青環保能源中山有限公司垃圾焚燒爐監測結果：布袋除塵前二噁英濃度為1.674～4.956（平均3.315） ng-TEQ/Nm3，布袋除塵后二噁英濃度為0.030～0.066（平均0.049）ng-TEQ/Nm3，可見該設施對二噁英去除效率達到98.5％以上。一般認為，生活垃圾焚燒產生二噁英類物質的濃度在2～10 ng-TEQ/Nm3。綜合考慮該工程工藝技術控制水平二噁英排放濃度可控制在0.1 ng-TEQ/Nm3，推斷二噁英產生濃度不超過6.67 ng-TEQ/Nm3，產生量約6.67×105 ng-TEQ/h。
由于多種原因，活性炭不噴或風機損壞，需更換備件或啟用備用風機，一般在30 min左右，最長不超過1 h。此種情況一年最多1～2次。正常情況下，布袋可在停爐檢修時按使用周期成批更換。運行中布袋泄漏，在線監測儀可立即發現。該工程布袋除塵器有多個獨立倉位，可逐一隔離檢查更換，對塵粒處理仍然有效，此種情況一年不超過2次。因此，在當活性炭和布袋除塵均發生故障時，對吸附在顆粒物上的二噁英處理仍有效。
根據相關文獻研究結果,在布袋除塵器內添加活性炭時，焚燒飛灰中二噁英類的總濃度從未加活性炭時的254 ng/g增加到460 ng/g[3]，這主要是由于活性炭粉末被布袋除塵器收集進入飛灰，導致焚燒飛灰中二噁英類含量增加；使用活性炭粉末時，焚燒排放尾氣中的二噁英類濃度比未加活性炭時降低54％。從上述研究結果分析，即無活性炭噴射，吸附在飛灰上的二噁英，吸附量相當于有活性炭時候的55％，由此分析二噁英處理效果可達到45％左右。
新民熱電有限公司的垃圾焚燒處理系統與筆者例舉工程相似，為半干法+活性炭噴射+布袋除塵，由中國科學院水生生物二噁英檢測室對其凈化后的尾氣進行檢測，檢測結果為：灰中二噁英為0.004 82 ng-TEQ/m3(本文煙氣量均指標準狀態值)，氣相中二噁英為0.000 23 ng-TEQ/m3[4]。按此推算，有活性炭噴射時，吸附在飛灰中的二噁英的比例為95％左右，若無活性炭噴射，二噁英部分也吸附在飛灰上，按吸附量為有活性炭時候的55％測算，則當活性炭噴射故障時，吸附在飛灰上的二噁英為總二噁英量的50％，X工程布袋除塵的除塵效率可達到99.8％以上，因此，吸附在飛灰上的二噁英基本可以全部去除。根據監測統計，如布袋除塵器發生泄漏時，煙塵的最高濃度會增加為正常情況的3倍左右，因此，此時除塵效率仍可達到99.4％，即對二噁英的處理效率仍可達到50％左右，這與上述分析結果是基本一致的。由此估算，如發生布袋除塵和活性炭噴射同時故障，預計對二噁英的處理效率可達到45％以上。
當考慮最不利情況，即煙氣凈化設施活性炭及布袋除塵同時出現故障，二噁英排放量最大，去除效率45％，即排放濃度3.67 ng-TEQ/m3，排放量為3.67×105 ng-TEQ/h。
2.1.2 焚燒爐啟動和停爐
在焚燒爐啟動(升溫)過程中，焚燒爐從冷狀態到煙氣處理系統正常運行的升溫過程耗時約2～4 h(升溫)。從理論上說，煙氣在850 ℃停留時間達到2 s的情況下，基本不會產生二噁英。而在焚燒爐啟動(升溫)、關閉(熄火)過程中，如爐溫不夠情況下會產生二噁英類物質。
在點火（閉爐），會啟動輔助燃燒系統，但若采取措施不到位，這時垃圾焚燒過程中二噁英類產生量將明顯高于正常工況。據有關資料，英國對6家公司垃圾焚燒爐啟動時非正常工況進行了測試，焚燒爐啟動時二噁英類在焚燒爐出口濃度比正常時高2～3倍。按此推算，假定X工程未采取噴油輔助燃燒措施，此時二噁英類產生濃度可能達到20 ng-TEQ/Nm3，通過煙氣處理后，大部分二噁英類可去除，排放濃度不超過1.0 ng-TEQ/Nm3。考慮極端不利情況，如果此時活性炭吸附和煙氣凈化袋式過濾裝置均不能正常投入工作，則煙囪出口二噁英最大排放濃度可達到11 ng-TEQ/Nm3。此時，廢氣量低于正常工況，二噁英的排放量為550 000 ng-TEQ/h，持續時間不超過1 h。
2.1.3 焚燒爐不能正常運行情況
由于其他生產控制不利原因導致垃圾焚燒爐不能正常運行，主要可能為垃圾熱值過低導致爐溫不能滿足要求而又未及時采取噴油輔助燃燒措施，這時垃圾焚燒過程中產生二噁英類同停爐工況相似，此時二噁英類產生濃度可能達到20 ng-TEQ/Nm3，通過煙氣處理后，大部分二噁英類可去除，排放濃度不超過1.0 ng-TEQ/Nm3，持續時間不超過1 h，排放量為100 000 ng-TEQ/h。如果活性炭噴射及布袋除塵均不能正常投入工作，二噁英類最大排放量可達到1 100 000 ng-TEQ/h。
應該特別指出的是：這類事故發生狀態是生產控制不利，爐溫過低，煙氣CO含量過高，而同時活性炭吸附和煙氣凈化袋式過濾裝置均不能正常投入工作，這種概率是很低的。
2.2 二噁英非正常排放環境影響預測結果
按照評價導則推薦的模型進行環境空氣影響預測評價，考慮非正常工況一般持續時間不長，預測僅考慮進行小時平均濃度計算。二噁英類日均濃度參照日本環境廳標準0.6 pg-TEQ/m3，小時濃度標準若按照《環境影響評價技術導則——大氣環境》一次取樣、日均1︰0.33比例換算，二噁英類小時平均濃度標準參考值取1.8 pg-TEQ/m3。
預測氣象條件選擇了平均風速、小風0.5 m/s，穩定度為A~F（C類不考慮小風）組合條件。
2.2.1 廢氣治理設施故障導致二噁英非正常排放
預測廢氣治理設施不能正常運行時二噁英非正常排放的環境影響，結果表明二噁英最大落地濃度為0.622 5 pg-TEQ/m3，低于評價參考標準限值。
2.2.2 點火（停爐）時二噁英類非正常排放影響預測
考慮點火（停爐）時二噁英類非正常排放，在廢氣處理設施可正常運行時，可明顯減少二噁英的排放，這種情況二噁英類最大落地濃度為0.284 8 pg-TEQ/m3，占評價標準限值的15.8％，未出現超標現象。
當考慮極端不利情況，點火（停爐）時，廢氣處理設施不能正常投入工作，預測結果見表1。由表1可見，在此類非正常情況下，二噁英類最大落地濃度出現超標,超標范圍在排放源下風向150 m范圍內。
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表1 不同天氣條件下二噁英小時平均最大濃度值 (pg-TEQ/m3)
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2.2.3 焚燒爐由于其他生產控制不利不能正常運行情況
本工程由于其他生產控制不利原因導致垃圾焚燒爐不能正常運行，主要可能為垃圾熱值過低導致爐溫不能滿足要求而又未及時采取噴油輔助燃燒措施，此時二噁英類產生濃度可能達到20 ng-TEQ/Nm3，通過煙氣處理后，大部分二噁英類可去除，排放濃度不超過1.0 ng-TEQ/Nm3。預測此時二噁英二噁英小時平均最大濃度為0.169 7 pg-TEQ/m3，低于評價標準限值。
當考慮極端不利情況，即此時廢氣處理設施不能正常投入工作，二噁英的排放濃度將達到11 ng-TEQ/Nm3，預測結果見表2。由表2可見，在此類非正常情況下，二噁英類最大落地濃度為1.8 666 pg-TEQ/m3，下風向預測濃度出現超標,超標范圍在排放源下風向100 m范圍內。
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表2 不同天氣條件下二噁英小時平均最大濃度值 (pg-TEQ/m3)
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可見，當點火（停爐）或其他生產控制不利情況，同時出現廢氣處理裝置不運行時，二噁英非正常排放將導致下風向污染物濃度可能出現超標，超標現象發生在出現小風條件下，最大可能超標范圍在距離煙囪150 m范圍內。
3 X垃圾焚燒廠非正常工況建議防范措施及控制要求
3.1 運營防范措施
為盡可能減輕非正常工況時可能帶來的不利影響，提出如下措施和要求：
（1）加強管理，提高工作人員技術水平，按技術規范操作；污染治理設施要定期維護、維修和保養，確保廢氣治理設施正常運轉。
（2）當點火、閉爐時，通過噴入柴油助燃等方式提高溫度，延長輔助燃燒時間。點火時應先噴油達到正常爐溫，閉爐時延長噴油時間，使爐內殘余垃圾充分燃盡再停止噴油，減少二噁英的生成。
（3）在其他生產控制不利，如垃圾熱值過低不能達到正常爐溫時，也應該立即啟動輔助燃燒設施，確保爐內達到正常溫度和燃燒時間。
3.2 管理建議要求
（1）在極端不利的非正常工況情況，二噁英可能的超標距離為工程煙囪周邊150 m范圍，建議工程煙囪周邊150 m范圍規劃控制距離，考慮這一范圍在本工程要求設定的衛生防護距離內，因此建議本工程要求設定的衛生防護距離為規劃控制距離，當地規劃管理部門應禁止在該范圍內新建民宅、學校、醫院等環境敏感目標。
（2）要求規劃控制距離內居民在該工程投運前全部拆遷。
（3）鑒于工程規劃控制距離內北側尚有居住用地，建議將這部分居住用地調整為工業或建設用地。
4 結 語
由于垃圾焚燒非正常工況可能導致二噁英排放量顯著增大，從而對局部環境產生很不利影響，因此，在對垃圾焚燒廠環境影響評價過程中應特別注重二噁英非正常排放帶來的影響，并根據項目本身特點和影響情況，提出項目運營后應采取的防范措施和環境管理要求。
參考文獻
[1] HUTZINGER O，FIEDLER H．Sources and Emissions of PCDD/PCDF[J]. Chemnsphere,1989，18(1/6)：23-32．
[2] SCHATOWITZ B．Dioxin emissions from wood combustion[J]. Chemnsphere,1994，29(11)：2005-2013．
[3] 金宜英,田洪海,聶永豐,等.3個城市生活垃圾焚燒爐飛灰中二噁英類分析[J].環境科學,2003,24(3)：21-25.
[4] 魯鋼.垃圾焚燒煙氣中二噁英零排放技術實踐[J].電力環境保護,2005, 21(3)：39-40.
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