一种生活垃圾焚烧厂烟气中铅的环境污染评估方法与流程

本发明属于环境保护领域，具体地涉及一种生活垃圾焚烧厂烟气中铅的环境污染评估方法。

背景技术：

生活垃圾焚烧厂排放烟气中含有铅等污染物，经过大气扩散后通过沉降作用在土壤累积。

随着我国工业化与城市化的快速推进，城市生活垃圾产量与日俱增，垃圾焚烧技术成为解决“垃圾围城”问题的重要手段。然而，生活垃圾焚烧场在焚烧厨余垃圾、pvc塑料、橡胶等物质时可产生一定量的铅及其化合物，且焚烧源排放的铅形态复杂，包括pbo、pbso4、pbcl2等。

铅是一种难降解的有毒重金属，一旦排入环境，数年内将难以被去除；铅及其化合物对人体也有较大毒性，能够在人体内累积，造成胃疼、头痛等疾病，严重时可导致死亡。有研究报道，城市垃圾焚烧电厂产生烟气中铅的含量位列所有重金属的第一。生活垃圾焚烧铅排放对周边环境的影响是一个值得关注的问题，土壤中铅达到一定浓度时，可能对周边环境带来污染风险。

重金属铅环境污染评估，对于铅污染的前端模拟、过程控制、末端治理工作均具有重要指导意义。传统的大气中重金属环境污染评估方法，往往计算过程复杂，多数未能统筹考虑“气、水、土、社会”四介质地球物理化学人文交互作用，往往多从人体健康风险出发，采用固定的背景值，忽略了铅在大气及土壤中的实时变化赋存规律。现有的铅在大气和土壤中的赋存规律模型(如aermod、土壤沉积模型)，仅能对铅在空气与土壤中的含量进行科学预测。构建一个涵盖多因素、多介质的多指标综合决策模型，不仅可进行多层指标间的重要性评价，将主客因素有机结合后计算得出权重，并以上述大气和土壤模型输出的关键性数据为基础，从而对铅环境污染评估进行科学综合评价。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种生活垃圾焚烧厂烟气中铅的环境污染评估方法。

为实现上述目的，本发明提供的生活垃圾焚烧厂烟气中铅的环境污染评估方法，是根据铅在排放烟气中的扩散分布特征和在土壤中的沉积规律，构建多指标综合决策模型，对生活垃圾焚烧厂周边环境铅的污染程度进行评估。

所述的评估方法，其中，多指标综合决策模型综合评估土壤、地下水、大气环境和社会环境四项因素。

所述的评估方法，其中，多指标综合决策模型中。大气环境、土壤环境、地下水环境、社会环境在铅污染程度评估中所占的相对比值依重要性排序为：大气环境>社会环境>土壤环境>地下水环境。

所述的评估方法，其中，大气环境包括：室外空气总铅浓度、排气筒高度、烟气出口速度、排气筒内径和年排放小时数；

土壤环境包括：烟气对周边土壤铅浓度的总贡献度、铅的最大年平均干沉降通量和植物对铅吸收率；

地下水环境包括：水流速率、纵向弥散系数、污染源浓度和深层地下水含水层与浅层含水层关联；

社会环境包括：300m内敏感点保护目标、距城镇居民区距离、距学校距离和距单位距离。

所述的评估方法，其中，铅在排放烟气中的扩散分布特征是采用aermod模型进行模拟；铅在土壤中的沉积规律是采用土壤污染累积模型进行模拟。

本发明提供的评估方法可以为生活垃圾焚烧厂的运行管理、以及污染防控对策的制定提供科学依据。

附图说明

图1是一个实施例中生活垃圾焚烧厂周边大气中铅的扩散分布示意图，其中(a)表示小时平均浓度分布图，(b)表示年平均浓度分布图。

图2是一个实施例中生活垃圾焚烧厂周边的风频与风级玫瑰图，其中(a)表示风频玫瑰图，(b)表示风级玫瑰图。

图3是一个实施例中生活垃圾焚烧厂周边地形和高程示意图。

图4是一个实施例中生活垃圾焚烧厂运行年份增加时周边土壤中铅的累积量的变化示意图。

具体实施方式

本发明以南京某垃圾焚烧厂为例，该焚烧厂生活垃圾处理能力达500t/d，烟囱高度为80m，出口内径为2.2m，污染源排放模式设为连续点源，烟气排气量为9m/s，平均烟气温度为418k，污染物排放速率为0.01028g/s。

1、aermod模型

本发明采取aermod模拟生活垃圾焚烧厂排放烟气中铅的扩散分布特征，所有参数均根据《环境影响评价技术导则大气环境(hj/2.2-2018)》中对二级评价项目的要求进行设定。根据布点原则，选择排放烟囱作为坐标原点、网格点间距设定为100m，采用5km×5km均匀直角坐标网格。模拟过程中使用的地面气象数据为南京某地面气象观测站对2013年地面气象观测得到的实测资料；预测使用的高空气象数据为南京某高空气象观测站对2013年高空气象观测得到的数据，该站点距离预测点范围在50米内，符合模型及标准要求；使用地形数据采用国际科学数据服务平台网站提供的全球地形数据dem文件(经纬度坐标形式)；由于研究区域三面环山，周围海拔较高，与拥有密集建筑群且房屋较高的城市市区地形相近，对于此类地形特点，有报道(陈华,张光怡,来贺菲,刘峰,翟丽,等.大气环境影响评价aermod模型参数优化研究[j].中国环保产业,2018(08):43-47.)对原有aermod提供的地表参数值进行了优化，本发明将优化后的值作为地表参数设定，具体数值见表1。同时，aermod还被用于模拟铅的年平均干沉降通量，有研究发现(欧阳晓光,郭芬.城市垃圾焚烧烟气中重金属的源项解析和干沉降影响研究[j].环境科学与管理,2012,37(12):64-67.)，通常在焚烧厂排放烟气中，2.5μm以下粒径的铅颗粒占75％，铅颗粒的平均粒径为0.5μm，本发明将此值作为铅的粒径输入模型。

2、土壤污染累积模型

1)模型介绍

本发明选用的土壤污染累积模型被用于预测污染物进入土壤后经一定年份的土壤累积量，模型具体公式如下：

w＝k(b+r)(1)

n年后，污染物在土壤中的累积量为：

wn＝bkⁿ+rk×(1-kⁿ)/(1-k)(2)

式中，w为污染物在土壤中的年累积量，mg/kg；b为区域土壤背景值，mg/kg，本发明研究对象为焚烧厂导致土壤铅累积量，因此设置b＝0；k为污染物的土壤残留率，％；r为污染物的年输入量，mg/kg。其中，r包含自然界污染物输入量与生活垃圾焚烧排放污染物输入量两部分^[11]。假定r只考虑本生活垃圾焚烧厂排放引起的沉降输入量，公式(2)可简化为：

wn＝r’k×(1-kⁿ)/(1-k)(3)

式中，r’为本生活垃圾焚烧厂排放铅的年输入量，mg/kg。

2)参数设置

2-1)污染物的土壤残留率k

本发明评价区域内的土壤残留率值受土壤环境特性及环境特征的影响变化较大，无法获得精确值。根据研究表明，重金属在土壤内一般不易受自然淋溶影响发生迁移，残留率一般约为90％。因此，本发明设定k＝0.9。

2-2)铅的年土壤输入量r’

生活垃圾焚烧排放的铅主要通过颗粒沉降的形式输入土壤，因本发明研究场景下湿沉降计算所需具体气象参数不易获得，且有报道表明(郑雄伟,王俊锋,魏凌霄,等.洪湖市某地区大气干湿沉降重金属及ph值[j].城市环境与城市生态,2016(1):18-20.)，铅在大气中的年平均干沉降通量为其湿沉降通量的400倍以上，铅的湿沉降通量几乎可忽略不计，因此，本发明设定铅的干沉降累积量即为总沉降累积量，则r’＝q。其中，q可以通过下式计算得出：

q＝fd/m(4)

式中，q表示单位质量土壤中铅的干沉降累积量，mg/kg；fd表示铅的干沉降通量，mg/m²；m表示单位面积的土壤质量，kg/m²。土壤因对各类污染物具有固定作用，故而在土壤中不易迁移，常存留于土壤表层。本发明设定污染物平均存留于厚0.1m的土壤，则单位面积土壤质量取113kg/m²。

3、多指标综合决策模型

通过建立多指标综合决策模型，对焚烧厂周边环境铅的污染程度(目标层)进行评估，由于该焚烧厂产生的废水经厂内污水处理站深度处理，达到回用水质相关标准后回用，并不外排，因而对地表水环境影响较小，故本发明构建的多指标综合决策模型仅综合考虑土壤、地下水、大气环境和社会环境等四项因素(中间层)，四项因素的指标层选择如表2所示。

选定指标层后，利用评分的方法比较每个指标之间的相对重要性，两两指标比较后可得判断矩阵，具体的相对重要性分级方式如表3所示。

大气环境、土壤环境、地下水环境、社会环境在铅污染程度评估中所占的相对比值，依重要性排序为：大气环境>社会环境>土壤环境>地下水环境，根据排序，构造了目标层a与中间层b之间的a-b判断矩阵，如表4所示。

相对权重的计算实质是计算上述判断矩阵的特定向量，该向量中的各元素代表该层各个影响因素对上层相关准则的权重值，经归一化处理得各元素之间的相对权重。通过相对重要性计算，求得大气环境、土壤环境、社会环境条件、地下水环境条件，对于焚烧厂周边环境铅污染程度的权重分别为0.5579、0.1219、0.2633、0.0569。

用同样的算法计算的指标层对中间层之间的相对权重，得出最终指标层对目标层的权重分别为：大气环境的子制约因素c11、c12、c13、c14、c15为0.0357，0.0190，0.0700，0.1317、0.3014；土壤环境的子制约因素c21、c22、c23为0.0088，0.0276，0.0855；社会环境的子制约因素c31、c32、c33、c34为0.1452，0.0717，0.0289，0.0175；地下水环境的子制约因素c41、c42、c43、c44为0.0067，0.0145，0.0328，0.0029。

得到各指标权重后，利用多指标决策的线性加权方法，建立一个广义的目标函数，得到层次分析综合评价数学模型为：

式中：z表示焚烧厂周边环境铅污染程度评估总分；zi表示中间层第i因素之总分；ki表示中间层第i元素的权重；kij表示指标层j因素的权重；kijs表示指标层j因素的权值。

各指标的权值具体选择如表5所示。

根据具体指标得分，带入上述公式进行计算，得出最终评分，其评分等级标准共分为4级，具体评分方式如表6所示。

本发明利用aermod模拟生活垃圾焚烧厂周边大气中铅的小时平均质量浓度分布与年平均质量浓度分布，结果分别如图1的(a)和(b)所示。结果表明，铅的小时质量浓度极值出现在(300，-900，139.7)处，为0.33μg/m3，低于环境空气质量标准中的规定限值0.5μg/m³。焚烧厂排放至周边空气中铅的年平均质量浓度仅为0.41ng/m³，根据实际监测发现，该焚烧厂周边地区空气中铅的浓度为0.015～0.052μg/m³，将两者进行对比可知，焚烧厂对周边空气中铅的贡献度仅占约1％，表明生活垃圾焚烧厂烟气排放对周边大气造成铅污染较低。

该生活垃圾焚烧厂排放铅在周边大气的分布规律显示，铅的小时浓度分布图与年均浓度分布图中均为部分区域铅浓度较高，其他区域铅浓度极低。将结果图首先与南京地区风频和风级玫瑰图进行对照，发现铅的扩散规律与风频和风级玫瑰图中所表现的规律并不一致，如图2的(a)和(b)所示。因此进一步分析区域地形特征的影响，通过对焚烧厂周边地形特征(如图3所示)分析后发现，焚烧厂三面环山，且周围区域海拔高度差异较大，该地形直接影响了局部地区的风力条件，同时也影响了铅的扩散，为造成扩散结果的主要原因。

本发明利用aermod的干沉降通量计算模式对焚烧厂排放铅的最大干沉降通量进行模拟，得到铅的最大年平均干沉降通量为0.07mg/m²。由于本发明所涉及的生活垃圾焚烧厂的最大使用寿命为30年，基于此结果，利用土壤污染累积模型对焚烧厂运行1年、5年、10年、30年后对土壤产生的铅累积量进行计算，结果如图4所示。可以发现，伴随焚烧厂运行年份的增加，周边区域土壤中铅的累积量不断上升。同时，发现当焚烧厂运行30年时，其铅排放对周围土壤的最大铅累积量仅为5.3μg/kg。根据实际监测得到周边地区土壤中铅的浓度约为40.4mg/kg，发现焚烧厂排放对周围土壤铅的累积量相较周边地区土壤铅的总量值几乎可忽略不计，且周边地区土壤中铅含量低于《土壤环境质量—建设用地土壤污染风险管控标准(试行)(gb36600-2018)》中规定的第二类用地的筛选值标准800mg/kg。为验证运算结果的正确性，将此结果与其他学者过往研究结果进行对比，发现徐玮等(徐玮,李燕,李敏.生活垃圾焚烧发电厂烟尘中重金属沉降对土壤环境影响评价方法探讨[j].环保科技,2013,19(2):1-3.)利用aermod、土壤累积模型，结合干沉降计算模型研究了焚烧厂运行5年、10年、30年时对周边土壤的铅累积，其结果与本发明结果相差不大。欧阳晓光等(欧阳晓光,郭芬.城市垃圾焚烧烟气中重金属的源项解析和干沉降影响研究[j].环境科学与管理,2012,37(12):64-67.)以北京某生活垃圾处理中心为例，结合aermod和颗粒物沉降模型进行模拟计算，发现焚烧厂运行以来烟气对周边土壤铅浓度的总贡献值为2.3μg/kg，考虑排放量及参数不同，本发明获得的模拟值与其相比属于正常变化范围，表明本发明的模拟结果具有一定的可靠性。此外，由图4还可得知，焚烧厂引起周边土壤的铅累积量与焚烧厂运行时间不成正比，随焚烧厂运行年份的增加，周边地区土壤铅累积量的增长速度逐渐减缓。

利用多指标综合决策模型，基于本发明所涉及场地相关指标的实际数值，对垃圾焚烧厂周围环境铅的污染程度评估。该模型中铅的最大年平均干沉降通量采用aermod计算结果，烟气对周边土壤铅浓度的总贡献度为基于土壤累积模型计算得到焚烧厂运行至今的累积浓度总量；植物对铅吸收率采用该地区普遍种植的油菜对铅的吸收率；地下水实际流速和弥散系数的确定按下列方法取得：

u＝k×i/n(6)

dl＝al×u^m(7)

dt＝at×u^m(8)

其中：u表示地下水实际流速，m/d；k表示渗透系数，m/d；i表示水力坡度；n表示孔隙度；m表示指数；dl表示纵向弥散系数，m²/d；dt表示横向弥散系数，m²/d；al表示纵向弥散度；at表示横向弥散度。

根据该厂水文地质条件，取k＝0.13、i＝5、dl＝20、dt＝2、m＝1.07；其他数据均采用该厂实际数据。焚烧厂周边环境铅污染程度的计算结果如表7所示。

通过计算得出该焚烧场周边环境铅污染程度总得分为87.02，属于75～90区间，结果显示铅污染程度较低。由此可知，该厂焚烧垃圾排放的铅对大气、土壤、地下水及社会环境的污染程度均较小。从指标层权重值大小可看出，所有指标中年排放小时数c15的权重值最大，数值为0.3014，而本发明中年排放小时数c15的真实值为8000h，计算后仅这一项的得分就占总分的27.70％，这说明在垃圾焚烧厂运行过程中，年排放小时数这一参数强烈影响铅污染程度。

根据本发明aermod模拟结果表明，铅的质量浓度极值出现在(300，-900，139.7)处，为0.33μg/m³，低于环境空气质量标准中的规定限值0.5μg/m³。焚烧厂对周边空气中铅的贡献度仅占约1％，生活垃圾焚烧厂烟气排放对周边大气造成铅污染较低。局部地形特征为焚烧厂排放铅在周边大气扩散的主要影响因素。

根据焚烧厂运行1年、5年、10年、30年后对土壤产生的铅累积量的计算结果表明，伴随焚烧厂运行年份的增加，周边区域土壤中铅的累积量不断上升。当焚烧厂运行30年时，其铅排放对周围土壤的最大可能铅累积量仅为5.3μg/kg，该值相较周边地区土壤铅的总量值几乎可忽略不计。周边土壤铅总量低于标准中的筛选值800mg/kg。

表1地表参数选择

表2焚烧厂周边环境铅污染程度评估指标体系

表3相对重要性分级

表4判断矩阵

表5焚烧厂周边环境铅污染程度评估模型各指标的权值

表6焚烧厂周边环境铅污染程度评估等级标准

表7南京市某垃圾焚烧场周边环境铅污染程度计算表