我国生活垃圾焚烧飞灰毒性行为及其资源化利用过程的风险评估

发布时间：2017-04-17 07:20

  本文关键词：我国生活垃圾焚烧飞灰毒性行为及其资源化利用过程的风险评估，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生活垃圾焚烧飞灰由于含有重金属等有毒物质被定义为危险废物,其产生量约为垃圾焚烧量的3%-5%,预计到2015年底我国生活垃圾焚烧飞灰产量将达400万t/y。日益增长的飞灰量与缺乏的飞灰处理处置设施之间的矛盾,资源化需求激增与缺乏技术标准和规范支持的矛盾逐步成为制约飞灰处理处置发展的两大问题。在资源化利用过程中,焚烧飞灰中含有的重金属、二VA英对人体健康和环境的风险评估是我国飞灰管理中亟待解决的重点和难点,但目前国内尚缺乏系统的飞灰现状评估和风险评估体系。为完善飞灰污染现状评估体系并促进风险评估方法建立,本课题采集我国多个典型城市生活垃圾焚烧飞灰,对飞灰中重金属和二VA英分布和富集特征进行评估,对原灰和水洗灰的毒性与制约毒性的因素进行研究,对原灰、水洗灰及稳定化飞灰中重金属稳定性进行探索,最后构建飞灰资源化风险评估体系,并基于前述研究结果,对评估体系中三个概念化场景进行风险评估实证,对添加飞灰的混合体系中污染物质最大允许量和飞灰允许添加量提出建议,以期为我国国家或地方制定飞灰资源化利用管理政策和标准提供数据支撑和技术支持。主要结果和结论如下:针对国内缺少对飞灰污染现状系统分析的情况,采集15家典型城市生活垃圾飞灰,对原灰及分粒径飞灰中重金属和二VA英含量进行分析。飞灰中重金属总浓度按ZnPbCuCrNiCdHg不断递减。PCDD/Fs和dl-PCB毒性当量浓度为0.034-2.5 ng-TEQ/g,其主要贡献者为1,2,3,7,8-Pe CDD和2,3,4,7,8-Pe CDF。飞灰中重金属(Zn,Pb,Cu和Cd)和二VA英均在细颗粒(≤10μm)中富集,在后期评估人体经呼吸摄入飞灰颗粒的风险中应考虑富集浓度。采用毒性溶出程序(TCLP)、生物有效性浸提(PBET)方法对飞灰毒性进行评估,并对毒性影响因子进行探究。飞灰中重金属浸出毒性与化学形态中弱酸提取态存在显著相关性,导致飞灰中总量低的Cd浸出毒性最大。与原灰相比,水洗灰中Zn与Cr浓度出现了增大的趋势,但重金属浸出毒性降低,尤其Pb浸出浓度由原灰的1.1-76.3 mg/L降低至0.8-5.12 mg/L,水洗效果突出。基于化学形态的RAC指数法表明构成飞灰高风险的元素主要为Cd和Pb,水洗后灰中高风险和极高风险样品数量显著减少。飞灰中重金属在生物体中的生物有效性非常低,远远低于重金属每日允许摄入量(TDI),有效性最大的Cu比TDI小两个数量级,在经口摄入飞灰风险评估中需选用生物有效性值进行校正。重金属的长期稳定性是飞灰资源化利用中最受关注的焦点,本文采用淋滤柱实验(CLT)、多次重复浸出实验(MEP)以及模拟酸雨和碳酸化交替实验对重金属浸出行为进行研究。在长期模拟酸雨淋滤下,只有稳定化后的水洗灰中Pb的浸出达到GB/T 14848-93的Ⅳ类水标准,其余试样均超标,Zn和Cd均达标。重金属累积浸出值按CLTTCLPMEP递增,对比发现,反应终点的p H值对浸出量的影响较大。在风险评估中,如果用MEP浸出值来估算土壤风险将会更加保守。交替实验发现水洗和稳定化均控制了Pb的浸出,但形态不是预处理后飞灰中重金属浸出毒性的决定因素。目前国内尚无针对飞灰资源化过程而制定的风险评估导则、方法等,本文以飞灰资源化主要方向为道路使用构建风险评估模型,基于上述飞灰研究结果,对飞灰自然堆存、应用于道路材料施工过程和应用于道路材料使用过程三个概念化场景进行风险实证。自然堆存状态中在操作现场和飞灰扬尘最大落地点处由呼吸摄入PM10引起的致癌风险(Risk)和非致癌风险(HQ)均超标,Risk分别为4.96E-04,9.17E-04,超过概率值1.0E-04,PM2.5的贡献率为27%,HQ分别为2.92和1.97,超过阈值1,PM2.5的贡献率为20%。PM10摄入对距离800m处居民仅致癌总风险值超标为1.23E-06,超过居民区致癌风险概率值1.0E-06。道路铺设过程操作工人摄入关注污染物质HQ达3.95,PM2.5贡献率为4%,Risk达6.57E-04,PM2.5的贡献率为5%。该场景中呼吸摄入依然为主要暴露途径,占致癌总风险的96%,占非致癌总风险的62%。在前述两个场景中,引起致癌风险的主要物质为Cr,引起非致癌风险的主要物质为Cd,其次为Pb。道路使用评估发现,添加5%或2%预处理飞灰进沥青混凝土与添加10%或20%水洗灰进水泥混凝土中,Pb、Zn和Cd中只有Zn一直满足保护土壤和地下水的标准。分析发现飞灰添加入沥青/水泥混凝土作路面材料时,如果重金属浸出能满足保护地下水安全的也能满足保障土壤的安全,因此基于保护地下水推荐沥青混凝土中Zn、Pb和Cd的最大允许量分别为216,1.16和1.13 mg/kg,水泥混凝土中Zn、Pb和Cd的最大允许量分别为158,0.85和0.82 mg/kg。飞灰作为掺合料做道路基层材料时,当原灰添加30%时,Pb在评估点浓度达到0.042 mg/L,高于饮用水标准0.01 mg/L,当水洗灰添加30%时,Pb的浓度仍然超标,但较原灰减少了0.014 mg/L。
【关键词】：生活垃圾焚烧飞灰 重金属 二VA英 毒性特征 长期稳定性 风险评估
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X799.3;X825
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-21
• 第一章 绪论21-44
• 1.1 生活垃圾焚烧飞灰资源化的紧迫性21-23
• 1.2 生活垃圾焚烧飞灰资源化利用方向23-24
• 1.3 生活垃圾焚烧飞灰资源化过程需要关注的风险问题24-30
• 1.3.1 飞灰颗粒细小容易散逸的风险24-25
• 1.3.2 飞灰中富含重金属的风险25-28
• 1.3.3 飞灰含有二VA英的风险28-30
• 1.4 生活垃圾焚烧飞灰资源化风险管理的方法学与相关领域研究进展30-40
• 1.4.1 构建飞灰资源化过程风险评估模型30-33
• 1.4.2 建立飞灰资源化过程中颗粒散逸风险评估模型33-34
• 1.4.3 建立基于飞灰浸出行为研究的环境风险评估体系34-37
• 1.4.4 评估飞灰中重金属的生物毒性37-39
• 1.4.5 生活垃圾焚烧飞灰资源化过程风险管理需要重点解决的问题39-40
• 1.5 研究目的和内容40-44
• 1.5.1 研究目的40
• 1.5.2 研究内容40-42
• 1.5.3 创新点42
• 1.5.4 研究技术路线42-44
• 第二章 实验材料、研究内容和分析方法44-56
• 2.1 实验材料44-48
• 2.1.1 样品采集与准备44-47
• 2.1.2 实验试剂47
• 2.1.3 实验仪器47-48
• 2.2 实验内容48-54
• 2.2.1 总量分析48-49
• 2.2.2 腐蚀性测试49
• 2.2.3 毒性浸出试验（TCLP）49-50
• 2.2.4 化学形态分析50-51
• 2.2.5 生物有效性浸提（PBET）51
• 2.2.6 淋滤柱试验(CLT)51-53
• 2.2.7 多次重复浸提试验（MEP）53-54
• 2.2.8 酸雨和碳酸化交替作用试验54
• 2.3 分析测试方法54-55
• 2.3.1 重金属浓度54-55
• 2.3.2 二VA英浓度55
• 2.3.3 粒径55
• 2.3.4 矿物组分55
• 2.3.5 pH55
• 2.4 数据分析55-56
• 第三章 生活垃圾焚烧飞灰污染物质的富集特征56-71
• 3.1 飞灰中重金属的富集56-58
• 3.1.1 飞灰中重金属（Hg除外）的浓度水平和分布56-57
• 3.1.2 飞灰中Hg的浓度水平和分布57-58
• 3.2 飞灰中二VA英的富集58-64
• 3.2.1 飞灰中PCDD/Fs和dl-PCBs总浓度和毒性当量58-60
• 3.2.2 飞灰中PCDDs和PCDFs同系物浓度分布60-62
• 3.2.3 飞灰中dl-PCBs各单体浓度分布62-63
• 3.2.4 飞灰二VA英中指示单体浓度与毒性当量的相关性63-64
• 3.3 不同粒径飞灰中重金属和二VA英的分布64-69
• 3.3.1 飞灰的粒径分布64-65
• 3.3.2 不同粒径飞灰的矿物组分65-66
• 3.3.3 不同粒径飞灰中重金属的浓度水平和分布66-68
• 3.3.4 不同粒径飞灰中PCDD/Fs和dl-PCBs总浓度和毒性当量68-69
• 3.4 飞灰污染特性评估主要结论69-71
• 第四章 生活垃圾焚烧飞灰毒性特征71-94
• 4.1 原灰毒性特征71-84
• 4.1.1 原灰中重金属毒性浸出浓度71-73
• 4.1.2 原灰中重金属生物有效性73-75
• 4.1.3 原灰中重金属化学形态75-80
• 4.1.4 原灰中重金属毒性浸出浓度、生物浸出量和化学形态三者关系80-84
• 4.2 水洗灰毒性及其与原灰毒性的比较84-92
• 4.2.1 水洗灰和原灰中重金属总量比较84-85
• 4.2.2 水洗灰和原灰中重金属毒性浸出浓度比较85-86
• 4.2.3 水洗灰和原灰中重金属生物有效性比较86-89
• 4.2.4 水洗灰和原灰中重金属化学形态特征比较89-91
• 4.2.5 水洗解毒预处理效果评估91-92
• 4.3 飞灰中重金属毒性评估主要结论92-94
• 第五章 不同预处理飞灰中重金属长期稳定性94-120
• 5.1 不同预处理飞灰中重金属在长期酸雨淋滤下的稳定性94-103
• 5.1.1 不同预处理飞灰淋滤前重金属总量分布94-95
• 5.1.2 不同预处理飞灰在长期酸雨淋滤中pH值的变化95-97
• 5.1.3 不同预处理飞灰中重金属在长期酸雨淋滤下的浸出浓度和变化趋势97-101
• 5.1.4 不同预处理飞灰中重金属在长期酸雨淋滤下累积量和变化趋势101-103
• 5.2 不同预处理飞灰中重金属在MEP浸提中的稳定性103-107
• 5.2.1 不同预处理飞灰MEP浸提中pH值的变化103-104
• 5.2.2 不同预处理飞灰中重金属在MEP浸提中浸出累积量和变化趋势104-107
• 5.3 不同预处理飞灰中重金属在模拟酸雨和碳酸化交替作用下的稳定性107-116
• 5.3.1 不同预处理飞灰中重金属在模拟酸雨和碳酸化交替作用下的化学形态分布107-111
• 5.3.2 不同预处理飞灰中重金属在模拟酸雨和碳酸化交替作用下的浸出毒性111-115
• 5.3.3 不同预处理飞灰中重金属化学形态与浸出毒性的联系115-116
• 5.4 重金属在不同浸出试验下的浸出总量比较116-119
• 5.5 不同预处理飞灰中重金属在不同浸出试验中长期稳定性评估主要结论119-120
• 第六章 生活垃圾焚烧飞灰资源化利用过程风险评估120-156
• 6.1 构建飞灰资源化利用风险评估方法学120-131
• 6.1.1 概念化风险评估场景120-124
• 6.1.2 危害识别124-126
• 6.1.3 毒性评估126-127
• 6.1.4 暴露评估127-130
• 6.1.5 风险表征130-131
• 6.2 评估飞灰自然堆存下扬尘散逸风险131-137
• 6.2.1 自然堆存状态飞灰颗粒物扩散浓度131-134
• 6.2.2 自然堆存状态暴露点飞灰重金属浓度134-135
• 6.2.3 自然堆存状态扬尘散逸风险评估135-136
• 6.2.4 分析不确定性136-137
• 6.3 评估飞灰应用于道路材料施工过程扬尘散逸风险137-144
• 6.3.1 道路施工中飞灰颗粒物扩散浓度138-142
• 6.3.2 道路施工中暴露点飞灰重金属浓度142-143
• 6.3.3 道路施工过程扬尘散逸风险评估143-144
• 6.3.4 分析不确定性144
• 6.4 评估飞灰应用于道路材料使用过程风险144-154
• 6.4.1 飞灰掺入沥青混凝土作路面铺设的风险145-149
• 6.4.2 飞灰掺入水泥混凝土作路面铺设的风险149-151
• 6.4.3 飞灰作为掺合料加入土层作路基的风险151-154
• 6.5 生活垃圾焚烧飞灰资源化利用过程风险评估主要结论154-156
• 第七章 结论与展望156-160
• 7.1 结论156-159
• 7.2 建议与展望159-160
• 参考文献160-174
• 致谢174-175
• 就读博士学位期间所获得成果175

  本文关键词：我国生活垃圾焚烧飞灰毒性行为及其资源化利用过程的风险评估，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：312726