垃圾焚烧二噁英非正常排放的环境影响探讨
摘要:对生活垃圾焚烧项目二噁英非正常排放源强、评价思路进行了分析。用实例分析了二噁英可能存在的非正常排放情况、产生的环节、排放源强及其影响程度和范围。提出生活垃圾焚烧应注重二噁英的非正常排放，并根据可能产生的环节、影响程度和范围提出相应的防范措施和运行管理要求。
关键词:垃圾焚烧 二噁英 非正常排放 环境影响
城市垃圾焚烧在发达国家相当普遍。随着我国城市的发展和人民生活水平的提高，妥善处理垃圾已成为当务之急。目前，我国城市生活垃圾的处理已向资源化、无害化、减容化方向发展。现代垃圾焚烧发电厂可有效的控制二次污染，具有良好的环境、社会、经济效益。但是，在城市生活垃圾焚烧过程中，若处理不当，极易产生剧毒物质二噁英，并随烟气排放到大气环境中。二噁英类来源于一些工业过程中，譬如含氯化学品及农药生产过程，纸浆和造纸工业的氯气漂白过程等[1]。自1977年在荷兰阿姆斯特丹市城市生活垃圾焚烧炉排放的飞灰和烟道气中检出二噁英类后，普遍认为废物焚烧是环境二噁英类的一个主要来源[2]。
二噁英的毒性极强，是非常稳定的亲油性固体化合物，难以自然降解，对人体的健康危害极大。控制垃圾焚烧烟气中的二噁英排放量已成为当务之急。国内外垃圾焚烧污染控制特别是噁英控制已有成熟的技术工艺，正常情况下，二噁英的排放可控制在0.1 ng-TEQ/m3以下，一般垃圾焚烧产生的烟气通过高烟囱排放，不会对近地面环境产生重大影响。但对于某些非正常生产的情况，比如烟气处理设施不正常运行、点火闭炉等情况，生产控制必然受到影响，可能导致二噁英排放速率和浓度明显增大，从而加重了对环境的影响。
笔者通过垃圾焚烧发电厂环境评价实例分析了非正常工况可能的二噁英排放环节及对环境的影响。由此，提出生活垃圾焚烧应关注二噁英的非正常排放，并根据可能产生的环节和影响程度、范围提出防范和规划控制等运行和管理方面的要求。
1 实例简介
例举的评价实例情况如下：X垃圾焚烧厂采用机械炉排炉工艺，建设两条生产线（单条焚烧能力300 t/d），燃烧过程采用“3T”控制法，焚烧烟气处理采用半干式反应塔+活性炭吸附+袋式除尘器工艺，即烟气进入烟气净化装置后，利用高效雾化器将石灰粉末从塔底和塔顶喷入干吸收塔中，尾气与喷入的粉末以同向流或逆向流方式充分接触并产生中和反应，主要作用是脱酸中和，再通过喷入活性炭吸附二噁英类和重金属类物质，然后进入袋式除尘器，废气通过滤袋时粒状污染物附在滤层上，再以脉动冲洗方式清除，可将烟气中细灰尘粒、中和剂及脱酸反应产物颗粒、吸附有二噁英类和重金属的活性炭颗粒等捕捉下来，烟气最终经高烟囱排入大气。
2 X垃圾焚烧厂二噁英非正常排放的环境影响分析
2.1 二噁英非正常排放源强估算
分析该工程二噁英非正常排放可能发生的环节为：废气治理设施（活性炭喷射装置及布袋除尘）不能正常运转；焚烧炉启动或停炉；其他生产控制不利，如生活垃圾热值过低焚烧炉不能正常运行未采取有效的辅助燃烧措施。
2.1.1 废气治理设施故障导致二噁英非正常排放
据国外相关资料，在正常工况下（CO为50 mg/Nm3),锅炉出口二噁英产生浓度为3 ng-TEQ/Nm3；根据对长青环保能源中山有限公司垃圾焚烧炉监测结果：布袋除尘前二噁英浓度为1.674～4.956（平均3.315） ng-TEQ/Nm3，布袋除尘后二噁英浓度为0.030～0.066（平均0.049）ng-TEQ/Nm3，可见该设施对二噁英去除效率达到98.5％以上。一般认为，生活垃圾焚烧产生二噁英类物质的浓度在2～10 ng-TEQ/Nm3。综合考虑该工程工艺技术控制水平二噁英排放浓度可控制在0.1 ng-TEQ/Nm3，推断二噁英产生浓度不超过6.67 ng-TEQ/Nm3，产生量约6.67×105 ng-TEQ/h。
由于多种原因，活性炭不喷或风机损坏，需更换备件或启用备用风机，一般在30 min左右，最长不超过1 h。此种情况一年最多1～2次。正常情况下，布袋可在停炉检修时按使用周期成批更换。运行中布袋泄漏，在线监测仪可立即发现。该工程布袋除尘器有多个独立仓位，可逐一隔离检查更换，对尘粒处理仍然有效，此种情况一年不超过2次。因此，在当活性炭和布袋除尘均发生故障时，对吸附在颗粒物上的二噁英处理仍有效。
根据相关文献研究结果,在布袋除尘器内添加活性炭时，焚烧飞灰中二噁英类的总浓度从未加活性炭时的254 ng/g增加到460 ng/g[3]，这主要是由于活性炭粉末被布袋除尘器收集进入飞灰，导致焚烧飞灰中二噁英类含量增加；使用活性炭粉末时，焚烧排放尾气中的二噁英类浓度比未加活性炭时降低54％。从上述研究结果分析，即无活性炭喷射，吸附在飞灰上的二噁英，吸附量相当于有活性炭时候的55％，由此分析二噁英处理效果可达到45％左右。
新民热电有限公司的垃圾焚烧处理系统与笔者例举工程相似，为半干法+活性炭喷射+布袋除尘，由中国科学院水生生物二噁英检测室对其净化后的尾气进行检测，检测结果为：灰中二噁英为0.004 82 ng-TEQ/m3(本文烟气量均指标准状态值)，气相中二噁英为0.000 23 ng-TEQ/m3[4]。按此推算，有活性炭喷射时，吸附在飞灰中的二噁英的比例为95％左右，若无活性炭喷射，二噁英部分也吸附在飞灰上，按吸附量为有活性炭时候的55％测算，则当活性炭喷射故障时，吸附在飞灰上的二噁英为总二噁英量的50％，X工程布袋除尘的除尘效率可达到99.8％以上，因此，吸附在飞灰上的二噁英基本可以全部去除。根据监测统计，如布袋除尘器发生泄漏时，烟尘的最高浓度会增加为正常情况的3倍左右，因此，此时除尘效率仍可达到99.4％，即对二噁英的处理效率仍可达到50％左右，这与上述分析结果是基本一致的。由此估算，如发生布袋除尘和活性炭喷射同时故障，预计对二噁英的处理效率可达到45％以上。
当考虑最不利情况，即烟气净化设施活性炭及布袋除尘同时出现故障，二噁英排放量最大，去除效率45％，即排放浓度3.67 ng-TEQ/m3，排放量为3.67×105 ng-TEQ/h。
2.1.2 焚烧炉启动和停炉
在焚烧炉启动(升温)过程中，焚烧炉从冷状态到烟气处理系统正常运行的升温过程耗时约2～4 h(升温)。从理论上说，烟气在850 ℃停留时间达到2 s的情况下，基本不会产生二噁英。而在焚烧炉启动(升温)、关闭(熄火)过程中，如炉温不够情况下会产生二噁英类物质。
在点火（闭炉），会启动辅助燃烧系统，但若采取措施不到位，这时垃圾焚烧过程中二噁英类产生量将明显高于正常工况。据有关资料，英国对6家公司垃圾焚烧炉启动时非正常工况进行了测试，焚烧炉启动时二噁英类在焚烧炉出口浓度比正常时高2～3倍。按此推算，假定X工程未采取喷油辅助燃烧措施，此时二噁英类产生浓度可能达到20 ng-TEQ/Nm3，通过烟气处理后，大部分二噁英类可去除，排放浓度不超过1.0 ng-TEQ/Nm3。考虑极端不利情况，如果此时活性炭吸附和烟气净化袋式过滤装置均不能正常投入工作，则烟囱出口二噁英最大排放浓度可达到11 ng-TEQ/Nm3。此时，废气量低于正常工况，二噁英的排放量为550 000 ng-TEQ/h，持续时间不超过1 h。
2.1.3 焚烧炉不能正常运行情况
由于其他生产控制不利原因导致垃圾焚烧炉不能正常运行，主要可能为垃圾热值过低导致炉温不能满足要求而又未及时采取喷油辅助燃烧措施，这时垃圾焚烧过程中产生二噁英类同停炉工况相似，此时二噁英类产生浓度可能达到20 ng-TEQ/Nm3，通过烟气处理后，大部分二噁英类可去除，排放浓度不超过1.0 ng-TEQ/Nm3，持续时间不超过1 h，排放量为100 000 ng-TEQ/h。如果活性炭喷射及布袋除尘均不能正常投入工作，二噁英类最大排放量可达到1 100 000 ng-TEQ/h。
应该特别指出的是：这类事故发生状态是生产控制不利，炉温过低，烟气CO含量过高，而同时活性炭吸附和烟气净化袋式过滤装置均不能正常投入工作，这种概率是很低的。
2.2 二噁英非正常排放环境影响预测结果
按照评价导则推荐的模型进行环境空气影响预测评价，考虑非正常工况一般持续时间不长，预测仅考虑进行小时平均浓度计算。二噁英类日均浓度参照日本环境厅标准0.6 pg-TEQ/m3，小时浓度标准若按照《环境影响评价技术导则——大气环境》一次取样、日均1︰0.33比例换算，二噁英类小时平均浓度标准参考值取1.8 pg-TEQ/m3。
预测气象条件选择了平均风速、小风0.5 m/s，稳定度为A~F（C类不考虑小风）组合条件。
2.2.1 废气治理设施故障导致二噁英非正常排放
预测废气治理设施不能正常运行时二噁英非正常排放的环境影响，结果表明二噁英最大落地浓度为0.622 5 pg-TEQ/m3，低于评价参考标准限值。
2.2.2 点火（停炉）时二噁英类非正常排放影响预测
考虑点火（停炉）时二噁英类非正常排放，在废气处理设施可正常运行时，可明显减少二噁英的排放，这种情况二噁英类最大落地浓度为0.284 8 pg-TEQ/m3，占评价标准限值的15.8％，未出现超标现象。
当考虑极端不利情况，点火（停炉）时，废气处理设施不能正常投入工作，预测结果见表1。由表1可见，在此类非正常情况下，二噁英类最大落地浓度出现超标,超标范围在排放源下风向150 m范围内。
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表1 不同天气条件下二噁英小时平均最大浓度值 (pg-TEQ/m3)
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2.2.3 焚烧炉由于其他生产控制不利不能正常运行情况
本工程由于其他生产控制不利原因导致垃圾焚烧炉不能正常运行，主要可能为垃圾热值过低导致炉温不能满足要求而又未及时采取喷油辅助燃烧措施，此时二噁英类产生浓度可能达到20 ng-TEQ/Nm3，通过烟气处理后，大部分二噁英类可去除，排放浓度不超过1.0 ng-TEQ/Nm3。预测此时二噁英二噁英小时平均最大浓度为0.169 7 pg-TEQ/m3，低于评价标准限值。
当考虑极端不利情况，即此时废气处理设施不能正常投入工作，二噁英的排放浓度将达到11 ng-TEQ/Nm3，预测结果见表2。由表2可见，在此类非正常情况下，二噁英类最大落地浓度为1.8 666 pg-TEQ/m3，下风向预测浓度出现超标,超标范围在排放源下风向100 m范围内。
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表2 不同天气条件下二噁英小时平均最大浓度值 (pg-TEQ/m3)
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可见，当点火（停炉）或其他生产控制不利情况，同时出现废气处理装置不运行时，二噁英非正常排放将导致下风向污染物浓度可能出现超标，超标现象发生在出现小风条件下，最大可能超标范围在距离烟囱150 m范围内。
3 X垃圾焚烧厂非正常工况建议防范措施及控制要求
3.1 运营防范措施
为尽可能减轻非正常工况时可能带来的不利影响，提出如下措施和要求：
（1）加强管理，提高工作人员技术水平，按技术规范操作；污染治理设施要定期维护、维修和保养，确保废气治理设施正常运转。
（2）当点火、闭炉时，通过喷入柴油助燃等方式提高温度，延长辅助燃烧时间。点火时应先喷油达到正常炉温，闭炉时延长喷油时间，使炉内残余垃圾充分燃尽再停止喷油，减少二噁英的生成。
（3）在其他生产控制不利，如垃圾热值过低不能达到正常炉温时，也应该立即启动辅助燃烧设施，确保炉内达到正常温度和燃烧时间。
3.2 管理建议要求
（1）在极端不利的非正常工况情况，二噁英可能的超标距离为工程烟囱周边150 m范围，建议工程烟囱周边150 m范围规划控制距离，考虑这一范围在本工程要求设定的卫生防护距离内，因此建议本工程要求设定的卫生防护距离为规划控制距离，当地规划管理部门应禁止在该范围内新建民宅、学校、医院等环境敏感目标。
（2）要求规划控制距离内居民在该工程投运前全部拆迁。
（3）鉴于工程规划控制距离内北侧尚有居住用地，建议将这部分居住用地调整为工业或建设用地。
4 结 语
由于垃圾焚烧非正常工况可能导致二噁英排放量显著增大，从而对局部环境产生很不利影响，因此，在对垃圾焚烧厂环境影响评价过程中应特别注重二噁英非正常排放带来的影响，并根据项目本身特点和影响情况，提出项目运营后应采取的防范措施和环境管理要求。
参考文献
[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,聂永丰,等.3个城市生活垃圾焚烧炉飞灰中二噁英类分析[J].环境科学,2003,24(3)：21-25.
[4] 鲁钢.垃圾焚烧烟气中二噁英零排放技术实践[J].电力环境保护,2005, 21(3)：39-40.
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