城市生活垃圾焚烧厂二恶英排放的环境影响研究

摘要

近年来，垃圾焚烧技术凭借高温无害化，减容和减重的优点，在我国大陆经济发达地区得到了迅速的推广和应用。然而，城市生活垃圾焚烧厂兴建和长期运行可能带来的二次污染问题，尤其是二恶英排放的环境毒性及其健康危害已引起了社会的广泛关注。为了建立有效的措施控制二恶英的排放，亟需了解我国大陆城市生活垃圾焚烧厂周边二恶英的污染状况。本文以杭州某城市生活垃圾焚烧厂为研究对象，通过模拟计算(复杂工业源扩散模型和混合库模型)、环境监测和统计分析(因子分析和化学质量平衡分析)相结合的方法，对焚烧厂周边土壤、大气和潜在污染源二恶英污染水平和指纹特征、大气二恶英气固相分配规律、环境二恶英发生源解析以及焚烧厂周边居民二恶英环境暴露风险等进行了系统的研究，得到了如下主要结论：
　　 ⑴2006和2007年土壤二恶英总浓度(毒性当量)分别为54.1-285 ng kg-1(0.39-5.04ng I-TEQ kg-1)和73.6-377 ng kg-1(0.60-6.38 ng I-TEQ kg-1)；2006-2007年土壤总浓度和毒性当量分别增加了30％和31％(中位值)，其中有3个采样点的增幅超过1 ngI-TEQ kg-1.土壤同系物、有毒异构体浓度和毒性当量指纹特征较为相似，OCDD是最主要的同系物，且呋喃浓度随氯代数的增加而减少；除OCDD外，浓度贡献较大的有毒异构体包括1，2，3，4，6，7，8-HpCDD、1，2，3，4，6，7，8-HpCDF和OCDF；2，3，4，7，8-PeCDF是毒性当量的最大贡献者(2006和2007年平均分别为31％和30％)。
　　 ⑵大气二恶英总浓度(毒性当量)变化范围为3.96-164 pg m-(0.059-3.03 pg I-TEQm-3)，其浓度的空间分布与土壤动态变化趋势相一致；几乎所有大气样品呈现出TCDF占主导地位(20-41％)的同系物指纹特征，其特点是同系物浓度随氯代数的增加而减少(除了OCDD)；和土壤相似，2，3，4，7，8-PeCDF是毒性当量贡献最大的有毒异构体(30-53％)；相反，大气有毒异构体浓度指纹特征不尽相同，主要贡献者为OCDD、OCDF和1，2，3，4，6，7，8-HpCDF中的一个，并随时间和空间而异。
　　 ⑶2007年生活垃圾焚烧厂烟气二恶英排放浓度相对较低(0.083-0.795 ng I-TEQNm-3)，而离散的排放源浓度较高，如以木材为燃料的开水锅炉烟气(HWB-w)和露天布料焚烧(OB-C)下风向空气二恶英浓度分别为1.95 ng I-TEQ Nm-3和6.14 pgI-TEQ m-3；排放源同系物指纹特征较为相似，即二恶英和呋喃浓度比小于1；相反，排放源有毒异构体浓度指纹特征各异，如HWB-W以2，3，4，7，8-PeCDF为主，而OB-C则以OCDD、1，2，3，4，6，7，8-HpCDF和OCDF为主；尽管如此，2，3，4，7，8-PeCDF是大部分排放源毒性当量的主要贡献者(49-75％)。
　　 ⑷大气二恶英固相百分比(φ)随氯代数目增加和环境温度降低而增加，全年平均变化范围为：Cl4DD/Fs(37-56％)，Cl5-6DD/Fs(58-86％)和Cl7-8DD/Fs(86-98％)；总体上Junge-Pankow(PoL)吸附模型和Harner-Bidleman(Koa)吸收模型预测值和观测的φ(除了冬季)匹配度较好，对于PoL模型，采用气相色谱保留指数(GC-RIs)方法得到的匹配度要优于熵值法，而基于GC-RIs方法的Koa模型的匹配度要优于对应的PoL模型；冬季高总悬浮颗粒物浓度下φ的低匹配度很大程度上归结于低温下化合物气固相交换过程延缓引起的非平衡状态，而非滤膜表面的气相吸附误差。
　　 ⑸因子分析表明露天垃圾焚烧、开水锅炉烟气和机动车尾气是引起土壤二恶英动态变化和大气二恶英污染的主要来源，相反，生活垃圾焚烧厂烟气排放对周边环境的影响较小，四者对大气二恶英毒性当量的平均贡献率(基于化学质量平衡模型)分别为63％、18％、12％和7％；复杂工业源扩散模型和混合库模型的模拟结果表明生活垃圾焚烧厂烟气排放对大气二恶英毒性当量的平均贡献率为2％，对周边0-250、500-750和1500-3000 m范围内土壤二恶英毒性当量增量的平均贡献率分别为64％、8.5％和1.1％；对于二恶英排放达到国家标准(1 ng I-TEQ Nm-3)的现代化生活垃圾焚烧厂，其长期运行对周边土壤，特别是远离焚烧厂区域(d>1 km)的影响是有限的。
　　 ⑹生活垃圾焚烧厂周边儿童和成人的环境暴露量范围为3.45×10-5到1.77×10-4 ngI-TEQ kg-1day-1和2.61×10-3到1.35×10-2 ng I-TEQ kg-1 day-1；呼吸是环境暴露的主要途径，分别占儿童和成人暴露量的87-99％和88-99％；儿童和成人的环境暴露非致癌风险指数范围分别是8.63-44.3×10-3和6.53-33.8×10-3，致癌风险指数范围分别是5.17×10-6到2.65×10-5和3.91×10-6到2.02×10-5，其中来自生活垃圾焚烧厂烟气排放的贡献率仅为7％。

目录

文摘

英文文摘

致谢

术语符号对照表

1 绪论

1.1 二恶英与城市生活垃圾焚烧

1.1.1 二恶英的理化特性与生理毒性

1.1.2 环境中二恶英的主要来源

1.1.3 生活垃圾焚烧炉二恶英的排放

1.2 国内外生活垃圾焚烧厂二恶英排放的环境影响研究

1.2.1 周边环境二恶英污染水平的调查

1.2.2 周边大气二恶英气固相分配的研究

1.2.3 周边环境二恶英污染源的解析

1.2.4 二恶英排放健康风险的评价

1.3 课题背景及意义

1.4 技术路线和研究内容

2 环境样品的采集和制备

2.1 研究区域背景

2.2 土壤样品的采集和制备

2.2.1 采样点确定

2.2.2 采集方法

2.2.3 样品制备

2.3 大气样品的采集

2.3.1 采样点确定

2.3.2 采集方法

2.4 污染源样品的采集和制备

2.4.1 生活垃圾焚烧炉烟气和底渣

2.4.2 开水锅炉烟气和底渣

2.4.3 机动车尾气

2.4.4 露天垃圾焚烧废气和底渣

3 环境样品二恶英的分析

3.1 二恶英分析方法概述

3.2 试剂和标准

3.2.1 二恶英标样

3.2.2 有机溶剂

3.2.3 无机试剂

3.2.4 填料

3.2.5 器皿净化

3.3 预处理流程

3.4 二恶英的检测分析

3.4.1 HRGC/HRMS运行参数

3.4.2 二恶英的定性和定量分析

3.5 质量保证和质量控制

3.5.1 相对响应因子

3.5.2 仪器检测限

3.5.3 标样回收率

3.5.4 空白和平行样测定

3.5.5 PUF穿透性试验

4 生活垃圾焚烧厂周边土壤二恶英的研究

4.1 土壤的理化特性

4.2 二恶英的浓度水平

4.2.1 污染水平

4.2.2 空间分布

4.2.3 动态变化

4.3 二恶英的指纹特征

4.3.110种同系物

4.3.217种有毒异构体

4.4 本章小结

5 生活垃圾焚烧厂周边大气二恶英的研究

5.1 现场的气象条件

5.2 二恶英的浓度水平

5.2.1 污染水平

5.2.2 空间分布

5.2.3 季节变化

5.3 二恶英的指纹特征

5.3.110种同系物

5.3.217种有毒异构体

5.4 二恶英的气固相分配规律

5.4.1 分配特性

5.4.2 模拟预测

5.4.3 冬季匹配度差的原因

5.5 本章小结

6 研究区域潜在二恶英污染源的研究

6.1 二恶英的浓度水平

6.1.1 垃圾焚烧炉及开水锅炉烟气

6.1.2 机动车尾气及露天垃圾焚烧废气

6.1.3 垃圾焚烧炉、开水锅炉及露天垃圾焚烧底渣

6.2 二恶英的指纹特征

6.2.110种同系物

6.2.217种有毒异构体

6.3 本章小结

7 生活垃圾焚烧厂周边环境二恶英污染源的解析

7.1 二恶英污染源的定性分析

7.1.1 土壤

7.1.2 大气

7.2 大气二恶英污染源的定量分析

7.2.1 CMB模型简介

7.2.2 CMB模型应用

7.3 生活垃圾焚烧厂二恶英排放的环境影响模拟

7.3.1 ISCST3模型简介

7.3.2 周边大气浓度的模拟

7.3.3 周边土壤浓度的模拟

7.4 本章小结

8 生活垃圾焚烧厂周边居民二恶英环境暴露风险的评估

8.1 环境暴露量的评估

8.1.1 不同途径暴露量计算

8.1.2 不同途径暴露量比较

8.1.3 生活垃圾焚烧厂烟气排放贡献率

8.2 环境暴露风险的评估

8.3 本章小结

9 全文总结与展望

9.1 全文总结

9.2 主要创新点

9.3 不足之处与研究展望

参考文献

附录

附录1：补充图片

附录2：补充表格

作者简历及攻读博士期间科研成果