姚 琳，焦 荔，廖欣峰，朱英俊，張麗娜

杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江杭州 310007

汞、砷、鉛、鎘、鉻、鎳等重金屬(類金屬)毒性持久、不可降解、生物富集，其中砷、鉻、鎳、鉛和鎘具有一定的致癌能力，砷和鎘對人體有潛在致畸作用，鉛和汞對胎兒有毒性作用［1-3］。近年來，大氣重金屬污染(尤其是血鉛事件)頻發(fā)，嚴重危害人體健康，引起國家高度重視［4-5］。同時，大氣干、濕沉降是生態(tài)系統(tǒng)中重金屬的主要來源［6-8］，并具有遠距離輸送的特點［9-10］。中國大氣重金屬污染的研究起步較晚，主要集中在污染現(xiàn)狀與特征研究方面［11-17］，大氣中重金屬污染物的來源研究較少。2007年中國開展第一次污染源普查，僅對水中部分重金屬(汞、砷、鉛、鎘、鉻等)進行了調查統(tǒng)計，未將大氣重金屬納入。建立排放清單是污染來源解析技術之一，是污染防治的基礎，能為環(huán)境決策提供依據(jù)，是進行環(huán)境影響評價的有效工具［18］。美國環(huán)保署及英國、法國和德國等都建立了國家大氣污染物排放清單數(shù)據(jù)庫，其中包括大氣中重金屬的排放清單［19-21］。在中國，有研究者建立了2005年燃煤廢氣中汞、砷、硒、銻的排放清單［22-25］，城市尺度的大氣重金屬排放清單未見報道。

通過對杭州市涉及重金屬的大氣工業(yè)污染源調查和識別，發(fā)現(xiàn)工業(yè)源以燃煤源為主。為此，依據(jù)2010年污染源普查動態(tài)更新數(shù)據(jù)，以工業(yè)點源作為輸入，采用基于燃料消耗的排放因子法，建立了2010年杭州市燃煤廢氣中重金屬(汞、砷、鉛、鎘、總鉻、鎳、銻等7種)的排放清單。

1 研究方法

1.1 計算方法

燃煤廢氣中排放的重金屬計算公式為式中:Q為重金屬年排放量，t;C為燃煤中平均重金屬含量，%;M為燃煤年消耗量，t;PPM為除塵類大氣污染控制設施對各重金屬的去除效率，%;PFGD為煙氣脫硫類大氣污染控制設施對各重金屬的去除效率，%;T為杭州市區(qū);i為各燃煤工業(yè)源。

1.2 燃煤消耗與重金屬含量

2010年污染源普查動態(tài)更新顯示，杭州市區(qū)生活源燃料為天然氣和液化石油氣，無煤炭消耗。故僅考慮杭州市區(qū)工業(yè)源，燃煤消耗量以2010年污染源普查動態(tài)更新數(shù)據(jù)為基準(圖1)。

圖1 2010年杭州市區(qū)工業(yè)燃煤消耗量(萬噸/年)

杭州市不產煤炭，即無生產原煤，僅考慮消費原煤的重金屬平均含量，采用文獻中浙江省的統(tǒng)計值［25-28］，見表 1。

表1 杭州市燃煤中重金屬平均含量 μg/g

1.3 排放因子

1.3.1 不同煤燃燒方式的重金屬釋放率

煤燃燒時，隨著爐溫升高，煤種的痕量重金屬將變成煙氣的一部分，并和周圍的煙氣發(fā)生反應。重金屬的釋放率取決于煤燃燒技術和運行條件，將煤燃燒裝置分為4種:煤粉爐、層燃爐、流化床和煉焦爐，其重金屬釋放率見表2［25-28］。

表2 不同煤燃燒方式的重金屬釋放率 %

1.3.2 除塵和脫硫設施的重金屬脫除率

煤中的重金屬在燃燒裝置中被釋放出來以后，煙氣和飛灰中的重金屬及其化合物能被除塵和脫硫設施去除一部分，剩下的煙氣將經煙囪排放。表3列舉了幾種主要的除塵和脫硫方式對重金屬的脫除率［25-28］。

表3 除塵和脫硫設施的重金屬脫除率 %

2 結果與討論

2.1 排放量

依據(jù)杭州市2010年污染源普查動態(tài)更新的工業(yè)污染源信息(煤種、燃煤消耗、燃燒方式以及除塵脫硫設施等)，結合排放因子，計算得到杭州市區(qū)燃煤廢氣中重金屬的排放清單(表4)。2010年杭州市工業(yè)源燃煤廢氣中汞、砷、鉛、鎘、總鉻、鎳、銻的年排放量分別為 194.2、252.9、1 915.7、53.9、3 390.4、1 465.4、101.0 kg。

近年來，市區(qū)工業(yè)源基本都安裝了除塵設施，且以重金屬脫除率較高的電除塵、濕法除塵和布袋除塵為主，燃煤產生的重金屬得到了極大的削減。

表4 2010年杭州市工業(yè)源燃煤廢氣中重金屬的排放量kg/a

2.2 部門分布特征

按經濟部門將燃煤源分為電力(含供熱)、工業(yè)2類，將計算得到的排放清單分類如圖2所示。

圖2 燃煤廢氣中重金屬排放部門分布

由圖2可見，各重金屬排放量工業(yè)和電力部門分布不盡相同，與燃煤消耗比也略有差異。其中，汞、鎳的部門排放比例(工業(yè)∶電力)接近燃煤消耗比(6∶4);砷、鉛、鎘、銻的電力和工業(yè)部門排放分別占 68%和 32%、53%和 47%、43%和57%、57%和43%;總鉻的工業(yè)部門排放明顯高于電力部門，分別為80%和20%。

這種差異源于不同的鍋爐燃燒方式對各重金屬的釋放率不同、不同的除塵脫硫方式對各重金屬的去除效率也不同。以半山電廠為例，鍋爐為室燃，除塵脫硫方式為靜電除塵+濕法脫硫(目前中國火電機組最常見的模式)。在工業(yè)部門，鍋爐以層燃為主，除塵以濕式除塵和布袋除塵居多。

2.3 地區(qū)分布特征

由杭州市各行政區(qū)燃煤消耗及重金屬排放比例(圖3)可見，除鉛以外，汞、砷、鎘、總鉻、鎳、銻等6種重金屬的排放量區(qū)域分布規(guī)律基本與燃煤消耗量接近。拱墅區(qū)燃煤消耗占全市約80%，汞排放占全市約75%，總鉻、鎳、銻約占60%，砷約占55%，鎘約占45%。江干區(qū)燃煤消耗約占全市16%，鉛排放量(約50%)大于拱墅區(qū)(約30%)，與這2個區(qū)域中企業(yè)采用的除塵設施對鉛的脫除率不同有關;鎘排放量與拱墅區(qū)相當，其余幾種重金屬排放量占全市20%～40%。上城區(qū)鉛、鎘、總鉻排放量占全市10% ～15%，汞排放量約占全市6%，其余金屬排放量占全市不足5%。濱江區(qū)重金屬排放量占全市1% ～5%，西湖區(qū)和下城區(qū)均在1%以下。

總體說來，拱墅區(qū)、江干區(qū)、上城區(qū)重金屬的排放量之和超過全市的95%，各區(qū)域排放量與燃煤量密切相關，但鍋爐燃燒方式、除塵脫硫設施對重金屬排放也起到了決定性作用。

圖3 2010年杭州市燃煤廢氣中重金屬排放的區(qū)域分布

將各行政區(qū)燃煤廢氣中重金屬排放量除以行政區(qū)土地面積，得到各區(qū)重金屬的排放密度(圖4)。

圖4 燃煤廢氣中重金屬的區(qū)域排放密度

由圖4可知，下城區(qū)和西湖區(qū)單位面積燃煤廢氣中排放的重金屬量較小，濱江區(qū)居中，拱墅區(qū)、上城區(qū)和江干區(qū)單位面積排放量相對較大。拱墅區(qū)汞、砷、鉛、鎘、總鉻、鎳、銻的單位面積排放量分別為 1.65、1.60、6.73、0.27、23.8、11.0、0.70 kg/km2。江干區(qū)重金屬排放絕對量僅次于拱墅區(qū)，但由于土地面積較大，單位面積排放量低于上城區(qū)。燃煤廢氣中汞、砷、鉛、鎘、總鉻、鎳、銻的單位面積排放量分別為 0.16、0.45、4.48、0.10、3.55、2.02、0.17 kg/km2。上城區(qū)需引起關注，雖其總體排放量不高，但城區(qū)面積較小，單位面積排放量不容忽視，其中鉛、鎘單位面積排放量(分別為15.2、0.32 kg/km2)超過拱墅區(qū)，位居首位，其余重金屬(汞、砷、總鉻、鎳、銻)單位面積排放量分別為 0.66、0.55、22.4、2.73、0.12 kg/km2。

2.4 同類研究結果比較

目前報道的燃煤廢氣中重金屬的排放清單，基本以省為單位，根據(jù)統(tǒng)計資料中各省區(qū)能源分配比例情況，通過排放因子估算排放量，暫無城市尺度的排放清單建立。

研究依據(jù)污染源普查動態(tài)更新數(shù)據(jù)，以單個工業(yè)點源的詳細參數(shù)(如燃煤種類及數(shù)量、煤燃燒方式、除塵脫硫設施等)作為輸入，更為精準地、“由下至上”地建立了杭州市區(qū)工業(yè)燃煤廢氣中重金屬的排放清單。

2.5 燃煤廢氣中排放的重金屬控制措施建議

杭州市區(qū)燃煤結構不合理，以原煤為主，燃煤工業(yè)消耗高于電力生產消耗。控制燃煤廢氣中重金屬的排放應首先確保除塵脫硫設施達標運行;再逐步改善以煤為主(特別是工業(yè)部門燃煤)的能源結構;采取提高原煤入洗率、采用高效的煤炭洗選技術、添加燃煤固化吸附劑、積極開發(fā)聯(lián)合污染物脫除技術以及動力配煤技術等。

3 結論

1)采用基于燃料消耗的排放因子法，依據(jù)污染源普查動態(tài)更新數(shù)據(jù)，估算2010年杭州市燃煤廢氣中汞、砷、鉛、鎘、總鉻、鎳、銻的年排放量分別為 194.2、252.9、1 915.7、53.9、3 390.4、1 465.4、101.0 kg。

2)燃煤廢氣中重金屬的排放量與燃煤量密切相關，但鍋爐燃燒方式、除塵脫硫設施對重金屬排放也起到了決定性作用。燃煤廢氣中重金屬的排放主要集中在燃煤消耗較高的拱墅區(qū)和江干區(qū)，其次是上城區(qū)，這3個區(qū)燃煤廢氣中排放的重金屬排放量之和超過全市的95%。

3)清單的建立填補了杭州市大氣重金屬源排放清單的空白，同時提供了一種基于污染源調查的估算方法。清單的建立，為今后杭州市的大氣重金屬污染防治指明了重點防治區(qū)域和重點防治對象，為環(huán)境管理和決策提供了有力的技術支撐。

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