2019, Vol. 39
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2. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048;
3. 北京市环境保护科学研究院, 国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037;
4. 北京市固体废物和化学品管理中心, 北京 100089;
5. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036
2. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048;
3. National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037;
4. Beijing Municipal Solid Waste and Chemical Management Center, Beijing 100089;
5. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036
火葬场遗体火化和遗物祭品焚烧过程中会产生有害大气污染物(HAPs), 包括烟尘、SO2、NOx、CO、HCl、HF、NH3、VOCs、重金属和二英类物质(PCDD/Fs)等(Takeda et al., 2014; Li et al., 2015; Xue et al., 2016; Kato et al., 2017), 一部分废气经管道、排气筒有组织排入大气, 另一部分由遗物祭品散烧或污染物泄漏造成的废气无组织排放, 使得火葬场场所(包括火化车间和厂界)内大气污染物浓度较高, 进而影响了周边大气环境质量和人体健康.
遗体火化被列为优先开展二英减排的六大重点行业之一(尹文华等, 2015), 国内外此前主要关注于遗体火化的二英排放问题.民政部一零一研究所对火葬场污染排放进行过大量研究, 例如, 王玮等(2011)对比了火化机在不同厚度布袋除尘器下的二英排放水平, 并提出了相关减排技术；熊程程(2014)针对火化过程中产生的氨气和硫化氢两种恶臭气体进行了测试, 同时调查了火葬场周边土壤中二英污染水平(熊程程等, 2013).此后, 研究人员也开始关注火葬场除二英等特征污染物以外的其他大气污染物排放及对环境影响, 例如, 薛亦峰等(2015)核算了2012年北京市火葬场的主要大气污染物排放量, 利用大气扩散模型评估了火葬场大气污染对周边环境的影响；此后, 还对北京市火化机PM2.5和VOCs等大气污染物排放进行了实际监测, 获得了其污染排放水平和特征(Xue et al., 2018), 但未开展场所内PM2.5和VOCs浓度及特征的监测和分析.Khezri等(2015)在传统鬼节期间开展了环境空气PM2.5及组分的监测, 分析和探讨了祭品焚烧对大气环境质量的影响.火葬场污染排放问题逐步引起关注, 但此前的研究多集中在遗体火化和祭品焚烧有组织污染排放上, 对于场所的无组织排放浓度研究较少, 缺乏对火葬场场所PM2.5和VOCs的研究.
为探究火葬场场所PM2.5和VOCs浓度水平及其化学组分特征, 本研究对国内11家火葬场火化车间和厂界PM2.5进行样品采集和监测, 分析PM2.5浓度水平及其水溶性离子、碳成分及无机元素含量水平, 并对火化车间VOCs成分进行采样和分析, 以掌握火葬场场所PM2.5和VOCs浓度水平和组分特征, 在此基础上提出相应的控制对策, 以期为殡葬行业的环境管理提供参考和支撑.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究对象本研究综合考虑火化量、烟气净化系统安装情况、遗物祭品焚烧情况及地域、经济发展水平等因素, 选取了国内11家典型的、具有代表性的火葬场作为研究对象, 于2018年7—11月期间对其进行火化车间和厂界PM2.5和VOCs排放水平实际监测, 其中有5家火葬场的火化机安装了烟气净化系统, 主要由急冷(风冷或水冷)、脱酸装置、除尘装置等部分组成.多数火葬场存在遗物祭品无组织焚烧, 各火葬场的具体信息如表 1所示, 空间分布如图 1所示.
| 表 1 各火葬场基本情况 Table 1 Basic situation of each crematorium |
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| 图 1 采样地点分布示意图 Fig. 1 Map of sampling sites |
PM2.5采集使用环境空气颗粒物采样器(青岛恒远), 采样点位于火化车间和火葬场厂界, 厂界采样点设置在离火化车间300 m处, 并确认周边无其他明显污染排放源及障碍物, 能够客观反映火葬场厂界PM2.5的污染状况.采样器流量为100 L·min-1, 在火化车间和厂界同时采样, 单次采样时间为90 min.所有样品均采用石英纤维滤膜采集, 采样前将其放入马弗炉中, 600 ℃下灼烧4 h, 以去除碳质污染物质, 然后放入恒温恒湿箱中平衡24 h, 用万分之一天平称重并用膜盒装好保存待用, 采样后滤膜冷藏于-4 ℃冰箱中待分析.在火化车间采用气袋法对VOCs进行样品采集, 采样前使用氮气对气袋清洗2~3次, 防止气袋内空气影响样品分析.
2.3 PM2.5和VOCs组分分析方法PM2.5分析主要包括水溶性离子分析、碳成分分析和无机元素分析.水溶性离子分析主要使用DIONEX的IC(DX-600)离子色谱仪, 分析项目包括8种水溶性离子组分(NH4+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3-和SO42-)；碳成分分析使用Model 2015多波段有机碳/元素碳分析仪(DRI, 美国沙漠所), 使用仪器自带的取样器截取部分石英膜, 利用IMPROVE (Interagency Monitoring of Protected Visual Environment)热光反射法对OC和EC在不同温度和环境下进行氧化分析；使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)对PM2.5样品中的无机元素进行测量, 主要包括Al、As、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Na、Ni、Pb、S、Sb、Se、V和Zn 18种元素.气袋法采集的VOCs样品避光运送到实验室, 采用气相色谱法对其化学组分进行分析, 通过三级冷肼(Entech7100A)预浓缩, 除掉大部分水、二氧化碳, 然后转移至气相色谱-质谱联用仪(Agilent 7890A-5975C, 美国安捷伦公司)进行化学组分分析.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 火葬场场所PM2.5浓度水平根据国内11家火葬场的采样分析, 得到了火化车间和厂界的PM2.5浓度范围, 考虑到采样当天PM2.5背景值对采样结果的影响, 对扣除背景值后的PM2.5浓度进行了分析.如图 2所示, 由于火化车间PM2.5浓度水平受火化车间的布局、通风情况、火化机操作方式、火化机密闭性及作业的火化机数量等因素的影响, 使得其PM2.5浓度波动较大, 浓度范围为190~2770 μg·m-3, 平均浓度为670 μg·m-3, 超过国家环境空气质量二级标准(GB 3095—2012, 75 μg·m-3)将近8倍, 会严重危害人体健康.受扩散影响, 厂界PM2.5浓度水平下降了54.5%, 浓度范围为65~490 μg·m-3, 平均浓度为305 μg·m-3, 超国家环境空气质量二级标准3倍, 达到严重污染水平.扣除背景值后, 火化车间PM2.5的平均排放浓度为600 μg·m-3, 下降约10.4%, 厂界PM2.5的平均排放浓度为239 μg·m-3, 下降约21.6%.可以看出, 扣除背景值后二者PM2.5浓度下降幅度很小, 且浓度仍然高于环境空气质量标准, 表明火葬场PM2.5主要来自于火葬场的遗体火化和无组织遗物祭品焚烧.
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| 图 2 火葬场场所PM2.5排放浓度 Fig. 2 PM2.5 emission concentration in crematorium |
此外, 对比分析了火化机有无安装烟气净化系统对场所污染物排放浓度的影响, 可以看出, 由于场所内污染浓度水平受火化烟气有组织排放、无组织排放和祭品焚烧有组织排放和无组织排放的综合影响, 单一火化机有无烟气净化系统对厂界PM2.5浓度影响较大, 安装烟气净化系统的厂界PM2.5平均浓度相对未安装的下降了34.4%, 但对于车间内PM2.5浓度影响不显著.
3.2 火葬场场所PM2.5成分分析 3.2.1 碳成分分析含碳气溶胶是PM2.5的重要组成成分, 包括有机碳(OC)和元素碳(EC), 其中, OC由多种有机化合物构成, 既可来自化石燃料(如煤、石油等)燃烧直接排放的一次有机碳, 又可来自挥发性有机物经大气反应生成的二次有机碳(袁畅等, 2018).OC、EC通过吸收和散射作用影响大气的光学性质, 另外, OC包含多种致癌物质, 会对人体健康造成极大危害(Pachauri et al., 2013).
如图 3所示, 火化车间PM2.5中OC浓度变化范围是22~158 μg·m-3, EC浓度变化范围是1~188 μg·m-3, 厂界PM2.5中OC浓度变化范围是15~50 μg·m-3, EC浓度变化范围是1~55 μg·m-3.整体来看, OC浓度高于EC, 且OC浓度变化幅度明显大于EC.与火化车间相比, 厂界PM2.5中的平均OC、EC排放浓度分别下降了58.9%和55.3%, 表明碳成分浓度的增高是火化车间PM2.5浓度高的重要原因.
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| 图 3 火葬场场所OC、EC排放浓度 Fig. 3 OC, EC emission concentration in crematorium |
对火葬场场所PM2.5中水溶性离子进行分析, 结果如图 4所示.火化车间PM2.5中8种离子平均浓度之和为12.93 μg·m-3, 在PM2.5中占比为1.93%, 其中, Ca2+、NH4+、K+和Na+是火化车间PM2.5的主要离子成分, 平均质量浓度分别为4.98、2.62、1.80、1.74 μg·m-3, 分别占离子总浓度的39%、20%、14%和13%, 其次为NO3-、SO42-和Cl-, Mg2+浓度相对较低；与火化车间相比, 厂界PM2.5中8种离子的浓度水平均有不同程度的下降, Ca2+和NH4+是其主要离子成分, 其平均质量浓度分别为2.94和2.49 μg·m-3, 分别占总离子质量的36%和31%, 其次为Na+、K+和NO3-, SO42-、Mg2+和Cl-浓度相对较低, 8种离子平均浓度之和下降为8.12 μg·m-3, 在厂界PM2.5中的占比略微上升为2.92%, 可以看出水溶性离子对火葬场PM2.5的贡献较小.从各离子的占比情况来看, 厂界中Ca2+、K+和Na+所占比例与火化车间相比均有不同程度的下降, NH4+则有大幅度的升高, 表明环境空气背景中的NH4+浓度较高.
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| 图 4 火葬场场所PM2.5中水溶性离子质量浓度及占比情况 Fig. 4 Mass concentration and proportion of water-soluble ion in crematorium |
针对PM2.5中23种无机元素的分析显示, 火化车间无机元素平均质量浓度为146.27 μg·m-3, 占火化车间PM2.5浓度的21.8%, 其中, Ca和Al是主要的无机元素, 平均质量浓度分别为54.6和28.3 μg·m-3, 分别占无机元素总浓度的37%和19%, 这一结果与钙是人体骨骼的主要成分一致(宋云京等, 2002).厂界无机元素平均质量浓度下降为57.17 μg·m-3, 占厂界PM2.5浓度的18.74%, Al和Ca仍为主要的无机元素, 平均质量浓度分别为15.4和12.0 μg·m-3, 分别占无机元素总浓度的27%和21%.
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| 图 5 火葬场场所无机元素质量浓度及占比情况 Fig. 5 Mass concentration and proportion of inorganic elements in crematorium |
PM2.5是含有不同成分的混合物, 包含的主要成分有水溶性无机盐离子、元素碳和有机碳(EC、OC)、地壳物质、微量元素(Na、K、Ca、V、Ni、Cu等痕量金属元素之和)及水等(He et al., 2001；刘保献等, 2015), 其中, 地壳物质为地壳元素的氧化物之和, 一般选择地壳物质= 2.20Al+1.63Ca+2.42Fe+2.49Si+1.93Mg(杨复沫等, 2004), 微量元素为其他无机金属元素之和；对于大气颗粒物中的有机物(OM), 化学结构比较复杂, 重构时一般以一定的系数乘以OC的测定值来表述, 本研究中取1.6(Xing et al., 2013)；其他为未确定成分及误差.如图 6所示, 火化车间和厂界的有机物百分含量分别为17%和15%, 二者EC质量分数则比较接近, OM/EC的质量分数分别为22%和20%, 比城市生活垃圾露天焚烧的OC/EC低(王艳等, 2018)；水溶性离子含量分别为2%和3%, 这一结果同样远低于城市生活垃圾露天焚烧, 也低于秸秆焚烧(王艳等, 2018；洪蕾, 2015)；两者微量元素的含量均超过6%, 虽然这些元素的相对含量较小, 但其中包含着许多对人体健康危害很大的重金属元素和其它有毒、有害元素, 需引起关注(杨复沫等, 2003).
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| 图 6 火葬场场所PM2.5化学组分构成 Fig. 6 PM2.5 chemical composition in crematorium |
值得注意的是, 火化车间和厂界的PM2.5中均有超过40%的未知组分, Gu等(2011)、Canepari等(2013)研究发现, 化学质量重构结果中未知组分可能是由于PM2.5质量称重误差、各种化学成分的测量误差、颗粒物水分、有机物折算系数的偏差, 以及其它未能测量的成分等造成.
3.3 火化车间VOCs排放特征遗体在火化过程中会产生VOCs, VOCs是形成二次有机物和臭氧的关键前体物(刘丹等, 2016), 对导致霾和光化学烟雾污染有重要影响(Gee et al., 1998).根据国内11家火葬场火化车间VOCs的采样分析, 得到火化车间VOCs的浓度范围为240~1860 μg·m-3(图 7), 平均排放浓度为1050 μg·m-3, 超过《室内空气质量标准》(GB18883—2002, 600 μg·m-3)约1倍.
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| 图 7 火化车间VOCs浓度分布 Fig. 7 VOCs concentration distribution in cremation workshop |
通过对对火化车间VOCs成分分析, 共检测到83种VOCs组分.如图 8所示, 烯烃、烷烃、苯及苯系物是对火化车间VOCs排放总量贡献最大的三大物种, 三者的平均排放浓度分别为315.70、248.36、247.34 μg·m-3, 对VOCs排放总量贡献率分别为30%、23%、23%, 其次是卤代碳氢化合物和炔烃, 酯类、酮类、醚类、醇类及其他VOCs排放浓度较低.浓度较高的VOCs化合物包括苯、丙烯、甲苯、异丁烷、十二烷、乙烷、正丁烯等.其中, 苯、丙烯、甲苯的平均质量浓度最高, 分别为130.68、85.14、50.26 μg·m-3.根据刘亚男等(2019)监测得出的民用煤燃烧VOCs组分排放特征, 烷烃、烯烃、卤代烃是其VOCs排放贡献最大的三大物种；周燕芳等(2019)得到了彩钢行业VOCs组分特征, 发现醇类和脂类是最主要的VOCs物种.相对于其他行业, 火葬场场所VOCs化学组分中苯及苯系物比例较高, 对人体影响更大, 需要引起足够的关注.
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| 图 8 火化车间VOCs各物种排放浓度及贡献 Fig. 8 Emission concentrations and contributions of VOCs in cremation workshop |
降低火葬场场所的污染浓度, 应加强焚烧设备的运行和维护, 减少无组织排放；遗体火化机和祭品焚烧应安装高效的烟气净化装置, 提升污染物的去除效率, 保护周边环境和人体健康.
① 火化车间PM2.5浓度较高, 建议加强火化过程控制技术, 使可燃物充分燃烧, 减少污染物无组织排放, 加强对火化工作人员的技能培训, 规范操作流程, 保证火化机的密闭性, 及时对老旧火化机进行升级改造, 加强运行维护和地面清洁及火化车间的通风工作.
② 遗体火化和祭品焚烧的有组织排放水平直接影响火葬场厂界污染浓度, 建议严格执行已有排放标准中的相关要求, 并安装烟气净化系统, 加强对火化机和遗物祭品焚烧炉的大气污染控制, 从根本上降低火葬场场所的大气污染物浓度水平.
③ 建议尽快组织对火葬场场所排放标准的评估工作, 分析火化机和遗物祭品焚烧颗粒物排放浓度限值设定, 提高对烟气除尘的要求, 增加场所和车间内颗粒物浓度排放要求, 以期减少污染物的排放.
4 结论(Conclusions)1) 受火葬场遗体火化和祭品焚烧污染排放的影响, 场所内污染物浓度较高, 火化车间PM2.5的平均排放浓度为670 μg·m-3, 厂界PM2.5的平均排放浓度为305 μg·m-3.
2) PM2.5的组分分析显示, 火化车间和厂界OM/EC分别占各自PM2.5的22%和20%, 是影响PM2.5的重要来源；二者水溶性离子分别占各自PM2.5的2%和3%, 对火葬场场所PM2.5的贡献较小；Ca元素和Al元素是二者PM2.5中的主要无机元素, 无机元素总量分别占各自PM2.5的21.8%和18.7%.值得注意的是, 火化车间和厂界PM2.5质量重构的结果显示未知组分占比超40%, 可能是由于测量误差、颗粒物水分、有机物等折算系数的偏差, 以及其它未能测量的成分等造成.
3) 火化车间VOCs的平均排放浓度为1.05 mg·m-3, 烯烃、烷烃、苯及苯系物是对火化车间VOCs排放总量贡献最大的三大物种, 对VOCs排放总量的贡献率分别为30%、23%、23%.
4) 控制对策方面, 建议各火葬场应严格执行已有排放标准, 优化火化过程控制技术, 尽快完善烟气后处理系统, 并加强对火化工作人员的培训, 规范操作流程, 降低火葬场场所的大气污染物浓度水平.
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