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基于同步辐射技术研究城市生活垃圾焚烧中元素的迁移转化及其对环境的影响

曹玲玲  
【摘要】:城市的快速发展导致生活垃圾的产生越来越多,垃圾焚烧因其减容量大、资源回收效率高等优点,已成为生活垃圾处理的一种发展趋势。目前我国正在大力推广垃圾焚烧,然而垃圾焚烧带来的二次污染,如重金属元素、酸性气体的排放污染等不容忽视。同步辐射技术因其具有低的检出限、高精度、原位无损等优点,而成为分析复杂环境样品的有效手段。本论文工作利用同步辐射X射线荧光分析(Synchrotron radiation X-ray fluorescence,SRXRF)和同步辐射X近边结构(X-ray absorption near-edge Structure,XANES)等技术研究了生活垃圾焚烧排放物中元素的含量及迁移特性,对垃圾焚烧厂周边大气颗粒物的污染特征、来源和细胞毒理特性进行了分析,并评估了焚烧排放颗粒物对周边大气环境的影响。S和Cl在生活垃圾焚烧过程及无害化处理焚烧产物中对重金属的迁移有重要影响。本文利用XANES技术分析了原生垃圾(厨余)、焚烧产物飞灰和炉渣、焚烧厂烟气排放沉降点的大气颗粒物中的S、Cl等的化学形态,利用SRXRF和ICP-MS等技术分析元素的浓度。结果显示,S在原生垃圾、飞灰和炉渣中主要以稳定的硫酸盐(这些占硫总量的相对含量分别为49%、72%、96%)形式存在,在原生垃圾中还有一定量的有机硫,飞灰中约有26%的S以亚硫酸盐形式存在。飞灰中的亚硫酸盐,主要是由除尘所用的石灰浆吸附垃圾焚烧中生成的SO2而形成。Cl的XANES谱显示,Cl在焚烧产物中主要以-1价无机氯形式存在。S在垃圾焚烧厂排放的颗粒物沉降点采集的分粒径大气颗粒物中主要以硫酸盐形式存在,粗颗粒中除了硫酸盐外,还有部分低价态有机硫存在。这种分布特征可能与S的污染来源和颗粒物的形成相关。Pb的XANES谱显示灰渣中Pb的主要成分是PbCl2、Pb3O4、PbS和PbO。Cl在飞灰中含量远高于其在炉渣中,S的分布无明显差异,这是因为金属氯化物的挥发性通常高于其氧化物、硫化物等。飞灰中多数金属元素浓度高于炉渣中,Pb、Cd明显富集于飞灰中,元素的富集因子显示Pb、Cd、Cu、Zn等呈极度污染状态;飞灰和炉渣的micro-SRXRF微区元素分布图显示Pb、Zn、Cu、Cr、Fe、Mn等元素在灰渣颗粒中的分布不均匀,局部明显富集。生活垃圾焚烧过程中元素的迁移分布与元素本身的特性、焚烧条件相关。采用13级低压冲击式采样器采集了生活垃圾焚烧厂沉降点分粒径大气颗粒物,得到了其质量浓度粒径分布,结果显示,细颗粒是其主要成分,约占总质量的72.9%。地壳元素主要富集在粗颗粒,人为污染元素主要富集在细颗粒,Pb、Zn、Cd等元素与焚烧厂排放密切相关。焚烧厂沉降点大气颗粒物的细胞生物实验结果显示,粗、细、超细颗粒物均能降低细胞活力,且细颗粒和超细颗粒的生物毒性大于粗颗粒。颗粒物的细胞毒性与其化学组分和粒径尺寸相关,特别是有毒金属含量越高,粒径越小,颗粒物的毒性越大。本论文研究结果可为评估城市生活垃圾焚烧排放对大气环境的影响提供科学和实验依据。


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