馮亦立 王家源

(1.深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 深圳 518049；2.武漢市生態(tài)環(huán)境局，湖北 武漢 430022)

燃煤發(fā)電是我國主要的電力來源[1]，截至2020年11月，我國燃煤發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)10.7億kW，占全國發(fā)電裝機(jī)總量的50.47%。隨著公眾環(huán)境意識(shí)的不斷增強(qiáng)，燃煤鍋爐燃燒后釋放的重金屬對大氣和土壤環(huán)境造成的危害已受到廣泛關(guān)注[2-3]。TIAN等[4]研究發(fā)現(xiàn)，我國燃煤電廠通過各種途徑排放到環(huán)境中的As、Pb、Cd、Cr和Hg分別達(dá)335.0、705.0、13.3、505.0、119.0 t。NRIAGU等[5]研究發(fā)現(xiàn)燃煤電廠排放的各種重金屬物質(zhì)約占人為排放源的2%～17%。由于燃煤電廠自身的工業(yè)特性，其污染排放呈現(xiàn)排放總量高、排放連續(xù)集中的點(diǎn)源特征，受區(qū)域大氣擴(kuò)散條件影響較大[6]。

目前，國際上針對燃煤電廠煙氣中重金屬排放均有不同程度的要求和限制，美國和歐盟分別制定了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)來限制煙氣中重金屬排放，我國現(xiàn)行的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)主要針對SO2、氮氧化物(NOx)、煙塵等排放做出了限定，重金屬上只規(guī)定了Hg的排放限值。國內(nèi)許多學(xué)者針對燃煤電廠重金屬排放問題進(jìn)行大量研究，陳姝娟等[7]、車凱等[8]、王春波等[9]研究了燃煤電廠部分重金屬元素排放特性及協(xié)同脫除工藝；劉軍等[10]通過對燃煤電廠周邊大氣重金屬污染進(jìn)行分析，研究了其分布特征及來源。然而這些研究主要針對燃煤電廠重金屬脫除工藝以及重金屬排放特征分析等方面，結(jié)合燃煤電廠煙氣中重金屬排放對周邊土壤重金屬污染的影響研究較少?；诖?，本研究以某典型燃煤電廠為研究對象，測定了燃煤電廠煙囪入口煙氣中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As含量，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，采集了燃煤電廠周邊土壤樣品，分析了土壤中重金屬含量及分布情況，并對其污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在分析燃煤電廠氣態(tài)污染物中重金屬排放對周邊土壤重金屬污染影響，為燃煤電廠周邊重金屬污染預(yù)防和治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 燃煤樣品的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of burning coal samples

表2 燃煤樣品中重金屬質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentration of heavy metals in burning coal samples mg/kg

1 樣品采集與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處太行山和燕山圍成大簸箕形地形的中部，屬于暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫12 ℃，年均風(fēng)速2.6 m/s，年均降水量550 mm。研究區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸蔽鞅憋L(fēng)(NNW)，相應(yīng)風(fēng)頻為8%，當(dāng)?shù)氐牡匦翁卣骷皻夂驐l件使燃煤電廠排放的氣態(tài)污染物易于在區(qū)域內(nèi)堆積。

1.2 燃煤電廠概況

研究的燃煤電廠建有兩臺(tái)350 MW超臨界供熱機(jī)組，煙氣凈化系統(tǒng)依次設(shè)置選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)(SCR)、靜電除塵器(ESP)、濕法脫硫系統(tǒng)(WFGD)和濕式電除塵器(WESP)等處理設(shè)施。機(jī)組使用的燃煤為內(nèi)蒙古煙煤和褐煤的混合煤，燃煤樣品的工業(yè)分析和重金屬質(zhì)量濃度分析見表1、表2。

1.3 樣品采集及采樣點(diǎn)布置

根據(jù)燃煤電廠所在地的地形特征并結(jié)合主導(dǎo)風(fēng)向，在燃煤電廠主導(dǎo)風(fēng)向的上下風(fēng)向及垂直方向的不同距離處分別設(shè)置采樣點(diǎn)，在主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向3 000、4 000 m左右增設(shè)采樣點(diǎn)，共采集19個(gè)表層土壤樣品(0～20 cm)，采樣點(diǎn)分布見圖1。土壤樣品采集嚴(yán)格執(zhí)行四分法操作過程，將土壤樣品縮分后取1 kg裝入聚乙烯袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，并做好采樣時(shí)間和全球定位系統(tǒng)(GPS)位置記錄，具體方法參考《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)。

圖1 燃煤電廠周邊土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Soil sampling sites around coal-fired power plant

在機(jī)組滿負(fù)荷工況下，使用煙氣重金屬采樣裝置在煙囪排放口斷面以連續(xù)等速采樣方式采集1.0 m3樣氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，重復(fù)采集3組樣品，并將吸收液裝入玻璃瓶中密封，濾膜裝入密封盒保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.4 樣品檢測

采用《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 15617—1996)中的方法對煙氣吸收液和濾膜進(jìn)行預(yù)處理及分析；采用iCAP TQ型電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)儀(美國Thermo Fisher)對土壤中Cd、Cr、Ni、Pb含量進(jìn)行檢測，具體操作參照《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)；采用9230型原子熒光光譜(AFS)儀對土壤中Hg、As含量進(jìn)行檢測，具體操作參照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》(HJ 680—2013)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，每組樣品通過加入替代物和內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行回收率分析，同時(shí)采用平行樣和空白樣品方法進(jìn)行質(zhì)量控制[11]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)燃煤電廠周邊土壤重金屬污染情況，單因子污染指數(shù)計(jì)算見式(1)，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算見式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為第i種重金屬的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中第i種重金屬的測定值，mg/kg；Si為第i種重金屬背景值，mg/kg，本研究中Si取值參考文獻(xiàn)[12]；PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為單因子污染指數(shù)的最大值；Piaver為單因子污染指數(shù)的平均值。

單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣中重金屬元素的排放

燃煤電廠排放的煙氣經(jīng)過脫硫、脫硝、除塵等處理設(shè)施后從煙囪排放至大氣環(huán)境。由表4可見，煙氣中重金屬質(zhì)量濃度排序?yàn)镹i>Cr>As>Hg>Pb>Cd，根據(jù)燃煤電廠煙氣排放量計(jì)算出該廠通過煙氣向大氣環(huán)境中排放的Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd分別為19.08、6.20、5.07、4.80、1.21、0.18 kg/a。國內(nèi)目前對于燃煤電廠重金屬排放要求主要執(zhí)行GB 13223—2011，該標(biāo)準(zhǔn)僅對Hg的排放進(jìn)行限定，對其他重金屬均無要求?！洞髿馕廴疚锞C合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)雖然對重金屬排放提出要求，但規(guī)定的限值較高，參考意義有限。因此，本研究參考USEPA在2011年12月頒布的火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[13]，按照燃煤電廠每年運(yùn)行5 000 h、平均負(fù)荷率為75%計(jì)算，計(jì)算單位發(fā)電量下Ni、Cr、As、Hg、Pb、Cd排放量分別為7.27、2.36、1.93、1.83、0.46、0.07 mg/(MW·h)，均滿足USEPA規(guī)定的排放限值要求，說明該燃煤電廠煙氣重金屬排放量相對較低。

2.2 燃煤電廠周邊土壤中重金屬含量特征

對燃煤電廠周邊土壤中6種重金屬質(zhì)量濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中第一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(pH>7.5)進(jìn)行對比，結(jié)果見表5。從平均值來看，燃煤電廠周邊土壤重金屬含量為Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，6種重金屬均滿足第一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值要求，表明該燃煤電廠周邊土壤的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總體較低。與寧東基地燃煤電廠周邊土壤重金屬含量[14]相比，本研究中Cr、Pb含量明顯偏高，Cd、Hg含量相對偏低；與山西某火力發(fā)電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬含量[15]相比，本研究中Cr、Ni含量明顯偏高，其他重金屬含量基本相近。可見不同燃煤電廠周邊土壤中重金屬分布規(guī)律存在一定差異，說明燃煤電廠土壤重金屬含量除受燃煤電廠煤種差異、機(jī)組負(fù)荷等影響外，同時(shí)與區(qū)域擴(kuò)散條件、周邊環(huán)境、交通情況和人為活動(dòng)也有一定的相關(guān)性。

表3 土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard for classification of heavy metal pollution in soil

表4 燃煤電廠重金屬排放量1)Table 4 Heavy metal emissions from coal-fired power plant

表5 土壤中重金屬質(zhì)量濃度的描述性統(tǒng)計(jì)Table 5 Descriptive statistics of soil heavy metals mass concentrations

將燃煤電廠周邊土壤中重金屬含量與該區(qū)域土壤背景值對比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)Cd、Cr、Hg、Ni和Pb的平均值明顯高于背景值，As的平均值低于背景值。這是因?yàn)锳s受工業(yè)污染影響較少，且可以與土壤中Fe、Al、Ca離子相結(jié)合形成難溶化合物發(fā)生共沉，或被植物吸收等方式使其在環(huán)境中的濃度逐漸降低[16]。因此，As在不同地域內(nèi)受自然環(huán)境影響較大。6種土壤重金屬濃度的變異系數(shù)為17%～100%，屬于中高度變異，尤其是Cd、Hg的變異系數(shù)分別達(dá)94%、100%，表明土壤中重金屬含量呈不均勻分布狀態(tài)，區(qū)域差異明顯。

2.3 燃煤電廠周邊土壤重金屬分布特征

對燃煤電廠周邊土壤重金屬的分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Cr、Hg均表現(xiàn)為在燃煤電廠常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向含量較高，而常年主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向含量較低。As、Ni、Pb、Cd在燃煤電廠周邊各風(fēng)向上的含量變化無明顯差異。煙氣中Hg、Cr排放濃度相對較高，且在燃煤電廠常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向含量高于其他方向，表明煙氣中Hg、Cr含量與燃煤電廠周邊土壤中的含量存在一定的正相關(guān)關(guān)系。煙氣中Ni排放濃度最高，但在燃煤電廠周邊各風(fēng)向上的含量變化無明顯差異，這可能與Ni的化學(xué)性質(zhì)和沉降特征有關(guān)；Cd、Pb在煙氣中排放濃度較低，而燃煤電廠周邊土壤中含量卻相對較高，且濃度分布與風(fēng)向條件之間無明顯規(guī)律，表明Cd、Pb除受燃煤電廠氣態(tài)污染物排放影響外，同時(shí)受其他散狀污染源影響較為明顯。這與張金良等[17]、方鳳滿等[18]所研究的規(guī)律相一致，可見Hg、Cr是燃煤電廠氣態(tài)污染排放的特征元素。

此外，隨著與燃煤電廠的距離增加，土壤樣品中的重金屬含量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，以常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向?yàn)槔寥乐兄亟饘俸吭诰嚯x燃煤電廠2 000～3 000 m時(shí)達(dá)到最高，而后逐漸降低。這是由于為了便于污染物的擴(kuò)散，燃煤電廠煙囪高度一般設(shè)置在200 m以上，而最大落地濃度與煙囪距離和高斯大氣擴(kuò)散模型相關(guān)。隨著與燃煤電廠距離繼續(xù)增大，擴(kuò)散面積也隨之增大，對氣態(tài)污染物起到一定稀釋作用，因此落到地面的濃度逐漸降低。

2.4 燃煤電廠周邊土壤重金屬污染水平分析

經(jīng)計(jì)算，燃煤電廠周邊土壤中Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As的單因子污染指數(shù)分別為2.22、1.84、2.05、2.28、1.67、2.22，6種重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.16，Cd、Hg、Ni、As處于中度污染水平，Cr、Pb處于輕微污染水平，土壤總體表現(xiàn)為重度污染水平。由前文分析可知，該燃煤電廠周邊土壤的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總體較低，但評(píng)價(jià)結(jié)果顯示重金屬污染水平較高，這可能與本研究使用的背景值為1990年測定的中國土壤元素背景值，年代較久遠(yuǎn)，故而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏高?？偠灾m然目前燃煤電廠已經(jīng)設(shè)置了SCR、ESP、WFGD、WESP等煙氣凈化設(shè)施，但仍需進(jìn)一步加強(qiáng)煙氣中重金屬的脫除技術(shù)手段以保護(hù)周邊土壤環(huán)境。

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過煙氣凈化處理系統(tǒng)后，燃煤電廠煙氣中6種重金屬元素的排放質(zhì)量濃度為0.02～2.00 μg/m3，向大氣中排放各種重金屬元素為0.18～19.08 kg/a，單位發(fā)電量的重金屬排放量滿足USEPA對火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 燃煤電廠周邊表層土壤重金屬平均值依次為Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，重金屬平均值均滿足GB 36600—2018中第一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值要求，表明該區(qū)域土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。研究區(qū)內(nèi)6種含量呈不均勻分布狀態(tài)，區(qū)域差異明顯。

(3) Cr、Hg在燃煤電廠常年主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向含量較高，而常年主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向含量較低。As、Ni、Pb、Cd在電廠周邊各風(fēng)向上的含量變化無明顯差異。煙氣中Hg、Cr含量與燃煤電廠周邊土壤中相應(yīng)元素含量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，是燃煤電廠氣態(tài)污染排放的特征元素。燃煤電廠周邊各個(gè)方向土壤中重金屬元素含量呈現(xiàn)隨煙氣排放距離增加而先增大后減小的趨勢。

(4) 燃煤電廠周邊土壤重金屬污染水平分析結(jié)果表明，Cd、Hg、Ni、As處于中度污染水平，Cr、Pb處于輕微污染水平，需進(jìn)一步加強(qiáng)煙氣中重金屬脫除的技術(shù)手段以保護(hù)周邊土壤環(huán)境。