截止2013年底，我国共有殡仪馆1784个，火化机5743台，火化遗体468.9万具，火化率48.2％. 随着老年人口不断增加以及火化的推广和普及，民政部预计到2020年，全国火化遗体数量将达一千万具. 在遗体火化过程中会产生大量伴有NO_x、 CO、 SO₂、 颗粒物和重金属等污染物的烟气； 而人体、 棺木木头和随葬品(如衣物、 油膜纸、 纸钱、 假花等)中含有氯元素，在燃烧过程中也会产生二 英(PCDD/Fs)^{[1, 2]}. PCDD/Fs具有高毒性、 持久性、 高亲脂性和生物累积性等特性^[3]，被列为《关于持久性有机污染物(POPs)的斯德哥尔摩公约》(公约)中首批控制对象，已受到国际社会的极大关注^{[4, 5]}，遗体火化为主要的PCDD/Fs排放源之一^{[6, 7]}. 2010年，我国将殡葬行业列为PCDD/Fs优先减排的六大重点行业之一. 但由于污染源相对分散、 并受行业特殊性和各地风俗所限，目前国内外对殡葬行业PCDD/Fs排放研究相对较少，主要停留在排放水平调查^{[8, 9, 10, 11, 12]}及烟气处理设施的影响^{[13, 14]}.

日本学者^{[15, 16, 17]}在2000年前后的近十年内通过调查共三十几家火化机烟气中PCDD/Fs排放情况，以此评估日本发布火化机PCDD/Fs排放指南后的实施效果. 结果发现，该指南的实施非常有利于降低PCDD/Fs排放. 2006年于粤^[18]调查了沈阳市9家火化场11台火化机的运行状况，发现火化设备中70%以上排放大气常规污染物超标，50%排气筒高度低于15 m，属于低空排放，对周边大气环境造成较重影响. 中国台湾学者^[19]认为火化烟气排放的PCDD/Fs对周围环境具有显著影响.

火化机一般分为平板炉和捡灰炉两种，平板炉指火化时燃烧坑面固定的炉型，其蓄热性能好，使用寿命长，但可能造成前后炉混灰； 捡灰炉指燃烧坑面可移动的炉型，火化前后可移出坑面，便于保证整具骨灰的完整性，不会混灰，但热量损耗大，每具火化时需要重新加热升温，火化时间长，燃料耗量大. 本研究选择我国华南地区13台火化机为研究对象，分析、 归纳火化烟气中PCDD/Fs排放特征，并通过与文献资料对比，探讨不同因素对PCDD/Fs污染水平的影响，提出火化机污染物排放监管建议.

本研究采集13台火化机共16个烟气样品，助燃剂均为0号轻质柴油，所用的均为成人遗体.

样品采集过程从遗体或棺木进入燃烧室火化开始，到主燃室火化完毕结束. 火化时间约30~60 min. 考虑到方法检出限等因素，并为保证足够量的采样体积，每个样品采集3具遗体连续火化过程. 采样时，记录死者年龄、 性别、 随葬品、 烟气处理设施和有无棺木等基本信息.

样品采集方法依据《环境空气和废气二 英类的测定 同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》(HJ 77.2-2008) 进行，采用等速采样模式. 采样前在吸附树脂中添加采样内标，采样点处于烟囱中部.

滤筒和吸附树脂用300 mL甲苯索氏抽提24 h后浓缩至2 mL，冷凝水用其体积20%的二氯甲烷液液萃取3次，浓缩后与甲苯抽提液合并，用正己烷替换溶剂并浓缩至1 mL； 加入¹³ C标记的净化内标，过多段硅胶净化柱(从上到下： 无水Na₂SO₄、 40 g 40%酸性硅胶、 3 g中性硅胶、 4 g 33%碱性硅胶、 3 g中性硅胶、 3 g中性氧化铝、 1 g弗洛里硅藻土、 无水Na₂SO₄)，过柱前用80 mL正己烷预淋洗，上样后依次用120 mL正己烷、 30 mL正己烷 ∶二氯甲烷混合液(95 ∶5，体积比)淋洗去除干扰物，用100 mL二氯甲烷洗脱PCDD/Fs，浓缩至50 μL后加入¹³ C标记的进样内标，待仪器分析.

采用HRGC/HRMS(Agilent 6890N、 Waters AutoSpec Premier)联用分析仪分析，分析方法和条件如文献^{[20, 21, 22]}所述.

采用¹³ C同位素内标稀释定量法对样品进行定量，样品采样内标回收率为70%~110%，净化内标回收率为55%~111%. 运输空白和操作空白回收率分别介于67.0%~106.7%和66.1%~108.6%.

火化机烟气PCDD/Fs分析结果见表 1. 从中可见，PCDD/Fs排放浓度范围为0.65~415.2 ng ·m^-3，平均值为48.7 ng ·m^-3[273.15 K,101.325 kPa,φ(O₂)为11%下的折算值，下文同]，毒性当量浓度范围为0.027~15.8 ng ·m^-3，平均值为3.2 ng ·m^-3. 与国内和2001年日本调查结果接近，而低于英国的污染水平，见表 2. 值得注意的是，由于火化烟气与大量炉门空气混合排放，导致本次监测的部分企业废气中的氧含量较高，甚至高于20%，浓度稀释效应明显，但能代表国内相当一部分老旧火化机的现状.

根据国家标准《燃油式火化机大气污染物排放限值》(GB 13801-2009)，本研究中43.8%的样品达到一级标准(0.5ng ·m^-3)，62.5%达到二级标准(1.0ng ·m^-3)，25.0%超过三级标准(2.0ng ·m^-3)的3倍以上，其中平板炉的达标率明显高于捡灰炉.

表 1(Table 1)

表 1 火化烟气中PCDD/Fs浓度及毒性当量浓度 Table 1 Total concentrations and TEQ concentration of PCDDs/Fs from crematories 炉型 项目 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 折算浓度/ng ·m-3 9.0 1.3 6.01 165.2 91.1 415.2 2.4 4.6 捡灰炉 I-TEQ/ng ·m-3 1.2 0.027 0.92 10.4 7.5 15.8 0.41 0.69 含氧量/% 17.7 16.8 16.1 20.3 20.5 19.2 18.4 18.3 炉型 项目 序号 9 10 11 12 13 14 15 16 折算浓度/ng ·m-3 8.2 3.3 1.4 5.8 50.2 2.6 0.65 12.3 平板炉 I-TEQ/ng ·m-3 0.81 0.27 0.24 0.48 10.4 0.19 0.11 1.3 含氧量/% 15.5 18.5 11.5 17.0 19.3 20.7 19.2 15.3

表 1 火化烟气中PCDD/Fs浓度及毒性当量浓度 Table 1 Total concentrations and TEQ concentration of PCDDs/Fs from crematories

表 2(Table 2)

表 2 各国家/地区火化机烟气中PCDD/Fs排放数据汇总 Table 2 Summary of data concerning flue gas emissions of PCDD/Fs from crematories in different countries and regions 国家/地区 年份 排放浓度/ng ·m-3 毒性当量浓度/ng ·m-3 样品数量/个 备注 文献 范围 均值 范围 均值 2006 89~350 236 1.5~5.4 3.5 3 [13] 2009 9.2~120 33.9 1.0~8.1 4.1 6 [14] 中国大陆 2012 9.86~428.6 / 0.16~6.03 / 11 φ(O2) 11% [23] 2013 52.0~333.0 112.5 0.28~5.14 2.4 10 [12] 2012~2014 0.65~415.2 48.7 0.027~15.8 3.2 16 本研究 2003 3.93~5.78 4.85 0.322~2.36 1.3 2 [19] 中国台湾 2006 / / / 3.00 3 φ(O2)11% [24] 2011 / / / 0.139 1 [25] 2000 2.2~290 47.7 0.0099~6.5 0.9 10 φ(O2) 12% [15] 日本 2001 4.9~1200 120 0.064~24 2.4 17 二 英和二 英类多氯联苯，φ(O2) [16] 2014 4.2~540 46.0 0.000053~11 0.8 14 12% [17] 英国 1996 / / 46 / / φ(O2) 11% [8] 德国 1993 / / 8 / / / [10] 2002 / / 0.24,3.71 1.98 2 / [11]

表 2 各国家/地区火化机烟气中PCDD/Fs排放数据汇总 Table 2 Summary of data concerning flue gas emissions of PCDD/Fs from crematories in different countries and regions

本研究采用主成分分析(PCA)对所有样品中PCDD/Fs的异构体分布进行分析. 不同样品中的PCDD/Fs可以用成分1(80.5%)和成分2(12.7%)来解释93.2%的变量信息. 集合1变量反映了7、 9、 14和15号样品，其PCDD/Fs分布特征为2,3,7,8-TCDD占比达到30.0%以上，高于单体2,3,4,7,8-PeCDF的占比，其中7、 14和15号为无随葬品火化的烟气样品. 集合2变量特征为2,3,4,7,8-PeCDF对总毒性当量浓度的贡献具有绝对优势，约为27.9%~47.9%，符合废物焚烧的排放特征^{[26, 27, 28]}，与国内学者研究结果^{[13, 14, 23]}相似，而日本^[15]和中国台湾^[19]以2,3,7,8-TCDF单体贡献最大. 集合3变量反映了2和6号样品，其特征为2,3,4,6,7,8-HxCDF占比超过17%，PCDFs/PCDDs比值为5.7和13.3，其他所有样品的比值约为1.5~3.1. 16个烟气样品中PCDD/Fs的分布特征存在差别，其原因有待进一步分析，但总体而言，PCDD/Fs的生成以Denovo从头合成反应为主^{[12, 14, 15, 19, 29, 30, 31]}. 图 1显示了2个主成分因子的得分.

图 1

Fig. 1

图 1 火化烟气PCDD/Fs的主成分因子(PC1和PC2)分析载荷Fig. 1 Principal components (PC1 and PC2) analysis loading plot for PCDD/Fs from crematories

捡灰炉PCDD/Fs毒性当量浓度范围为0.027~15.8ng ·m^-3，平均值为4.6 ng ·m^-3，其中2号浓度最低0.027 ng ·m^-3，其他均大于0.4 ng ·m^-3； 平板炉PCDD/Fs毒性当量浓度范围为0.11~10.4ng ·m^-3，平均值为1.7 ng ·m^-3. 王玮等^[32]调查结果显示，平板炉和台车炉(捡灰炉)烟气PCDD/Fs毒性当量浓度为0.3~6.4 ng ·m^-3和1.0~8.1 ng ·m^-3，均值分别为3.0ng ·m^-3和4.0 ng ·m^-3，将此结果和本研究成果按炉型进行对比分析，见图 2.

总体而言，平板炉PCDD/Fs排放情况比捡灰炉要好，这可能跟炉膛结构和火化方式有关. 平板炉在每具火化完后无需降温取灰，炉内温度变化不大； 而捡灰炉在每具火化完毕后熄火降温，取灰，然后点火升温火化下一具，这种启炉和熄炉阶段，炉膛燃烧温度介于200~400℃之间，烟气PCDD/Fs容易在此过程中重新生成^{[33, 34]}. 有研究表明^[16]，主炉炉膛温度越高，PCDD/Fs排放浓度越低； 当炉膛温度高于800℃时，其浓度明显降低. 因此火化过程也遵循3T原则，即炉内保持较高温度，使燃烧气体的停留时间大于2 s，并形成湍流气氛，可以实现完全燃烧，最终达到在源头上减少PCDD/Fs生成的目的.

图 2

Fig. 2

图 2 两种火化炉型排放烟气PCDD/Fs毒性当量浓度范围 Fig. 2 Toxic equivalent concentration of PCDD/Fs in flue gas from two kinds of incinerator

通过调查本研究和已有研究中火化设备，发现国内较少火化机装设或未运行二燃室^[14]，而日本则普遍设有二燃室以提高焚烧效率^[17]. 本研究中，2和1号为同一台炉的烟气样品，2号在采集时比1号多增设并运行了二燃室(见表 3)，2号PCDD/Fs毒性当量浓度是1号的2.3%，为唯一低于0.1 ng ·m^-3的样品. 由此可见，在火化设备中增设二燃室并使之有效运行能有效降低PCDD/Fs排放浓度，符合前人的研究结论^{[15, 16]}.

表 3(Table 3)

表 3 火化机工况参数 Table 3 Operational parameters of crematories 炉型 序号 主炉温度/℃ 烟囱高度/m 烟气温度/℃ 烟气处理设施 随葬品 1 750 5.5 102 水幕除尘(a)1) 衣物 2 750/二燃室温度850 5.5 61.5 无 3 850 12 130 急冷+旋风除尘+布袋除尘(d) 衣物 捡灰炉 4 750~800 12 96.8 水幕除尘(a) 5 400~500 10 120 水幕除尘+脱硫塔(b) 6 600 3 78 两道水幕除尘处理(b) 衣物 7 750 3 80 水幕除尘+布袋除尘+活性炭(c) 无 8 780 5 120 急冷+水幕除尘+旋风除尘(d) 少量衣物 9 985 5 137 水幕除尘+旋风除尘(b) 10 850 5.5 113 水幕除尘(a) 衣物 11 850 7 42 脱硫塔+布袋除尘+活性炭(c) 平板炉 12 800~850 10 80 13 700~800 15 72 水幕除尘+布袋除尘(b) 油纸、衣物 14 15 70 无 15 15 66 水幕除尘+布袋除尘+活性炭(c) 无 16 850~1000 11 45 水幕除尘+旋风除尘+布袋除尘(b) 纸钱 1)按烟气处理设施类型分类

表 3 火化机工况参数 Table 3 Operational parameters of crematories

高温燃烧过程PCDD/Fs的控制主要通过减少源头污染和提高烟气处理设施的去除效率来实现. 陈彤等^[35]发现在水幕除尘的基础上加以改进而成的湿法除尘器对烟气PCDD/Fs的去除效率能达到85%以上. 国内研究表明，布袋除尘器加活性炭组合能较好地去除火化烟气中PCDD/Fs^{[12, 13]}. 布袋除尘器对日本火化机烟气中PCDD/Fs去除效率为58%~70%^[17].

13台火化机所配备的烟气处理设施按表 3所示分类，即水幕除尘(a)、 水幕除尘为主 (b)、 布袋除尘和活性炭为主(c)、 含有烟气急冷设施(d)，PCDD/Fs毒性当量浓度从高到低排序依次为a>b>d>c，如图 3. 结果表明，布袋除尘器和活性炭能有效去除火化烟气中PCDD/Fs，与国内研究结果相似^[10].

图 3

Fig. 3

图 3 烟气处理设施类型与PCDD/Fs毒性当量浓度关系 Fig. 3 Relationship of air pollution control device and the toxic equivalent concentration of PCDD/Fs in flue gas

在遗体火化过程中大量随葬品的引入不利于主炉保持平稳的燃烧工况. 日本典型火化流程中燃烧的主体是火化棺木和遗体，而不包括上述随葬品^[15]. 考虑到环境污染，国内少量管理先进的殡仪馆开始倾向于将遗体和随葬品分开火化，有研究者也建议将随葬品另炉处理^[14].

由于各地习俗所限，并考虑家属意愿，仅采集到一组有、 无随葬品且其他条件不变时同一台平板炉烟气样品，即13和14号，结果发现后者PCDD/Fs毒性当量浓度是前者的1.8%.

1号和2号，6号和7号，13号和15号，均同属于一台炉的不同烟气样品，但工况各有区别. 7和15号均未将随葬品与遗体一同火化，且采集样品时分别比6和13号增加部分烟气处理设施(见表 3)； 相对于1号而言，2号增设二燃室且无随葬品一同火化. 结果显示，2号、 7号、 15号的PCDD/Fs毒性当量浓度分别为1号、 6号、 13号的2.3%、 2.6%和1.1%，如图 4所示. 因此，实施以下措施或多措施组合，如增设二燃室、 布袋除尘器+活性炭吸附组合处理设施、 将随葬品另炉火化等，均可在一定程度上去除火化烟气中PCDD/Fs.

图 4

Fig. 4

图 4 部分样品的PCDD/Fs毒性当量浓度对比 Fig. 4 Contrast the toxic equivalent concentration of PCDD/Fs in six samples

全国火化机数量较多，分布广阔，且受各地风俗限制，难以全面调查所有火化机烟气中二 英的排放状况. 在此情况下，本研究引入排放因子，以估算全国火化机烟气中PCDD/Fs的排放总量.

排放因子(μg ·具^-1)=PCDD/Fs毒性当量浓度(ng ·m^-3)×标干烟气量(m³ ·h^-1)×火化时间(h)/火化总具数(具)

因此本研究确定捡灰炉、 平板炉烟气PCDD/Fs排放因子分别为45.9~22236 ng ·具^-1和184~17087 ng ·具^-1，平均值分别为6635 ng ·具^-1和2841 ng ·具^-1.

估算2013年全国捡灰炉和平板炉年排放总量分别为0.22~104.3 g ·a^-1和0.86~80.1 g ·a^-1，平均值分别为31.1 g ·a^-1和13.3 g ·a^-1，火化机年排放总量平均值为22.2g ·a^-1. 王玮等^[13]于2004年和2007年估算得全国火化遗体产生PCDD/Fs毒性当量总量分别为11.2~46.9 g ·a^-1和16.5~59.4 g ·a^-1[36]. 尽管2009年出台了国家行业标准，但全国火化机PCDD/Fs排放总量没有呈现明显降低的趋势. 原因可能有，遗体火化率和火化数量不断增加； 国内火化技术发展不均衡； 烟气处理设施覆盖面小或者技术上不足以达到有效的去除效率； 监管不到位等.

日本在2000年开始实施《大气污染防治法(The Air Pollution Control Act)》和《废物处置和公众清洁法(The Wastes Disposal and Public Cleansing Act)》，自此污染企业做出改进，如控制良好的完全燃烧状态和安装先进的烟气污染控制设备，火化PCDD/Fs排放因子是10年前的1/3~1/20，其平均值为1400 ng ·具^-1[17]. 说明政府加强监管和企业增加可行的烟气污染控制设备对降低火化机PCDD/Fs的排放非常有必要.

近些年根据国家民政部门的工作部署，各地殡仪馆逐渐开展了等级认定工作，其中火化烟气污染物是否达标排放是等级认定的主要内容之一. 因此根据本研究的实际案例和实验结果，提出以下运行及管理建议，为我国制定火化行业最佳可行性技术规范提供技术支撑.

(1)新馆建设时，应安装先进的火化机和智能控制系统； 增设二燃室，安装以活性炭喷射和布袋除尘为主的烟气处理设施； 在烟道上开设内径8mm的采样孔和规范的采样平台.

(2)旧馆改造时，提高火化温度； 在空间允许的情况下，烟气处理增设活性炭喷射+布袋除尘组合； 空间不允许的情况下，将2~3条炉的尾气集中到一套烟气处理设施中处理，但须保证单炉运行时的气密性.

(3)加强烟气处理设施和管道维护，保证其气密性； 有条件时，尽量将所有随葬品进行另炉火化； 前一具火化完成并取出骨灰时，把炉膛进风口密封，保留其余热，后送入另一遗体进行火化； 加强落实标准GB 13801-2009； 相关部门应将殡仪馆PCDD/Fs排放纳入监管范围； PCDD/Fs监测要求可参照我国生活垃圾焚烧污染控制标准.

(1)16个样品中有43.8%达到国家排放限制中的一级标准，25.0%超过三级标准的3倍以上. 其中捡灰炉和平板炉达到一级标准的样品率分别为25.0%和62.5%. 这可能跟炉膛结构和火化方式有关.

(2)样品中PCDD/Fs异构体分布特征存在差异，以2,3,7,8-TCDD,2,3,4,7,8-PeCDF和2,3,4,6,7,8-HxCDF单体毒性当量浓度占比最高. PCDFs/PCDDs比值均大于1，但变化范围较大(1.5~13.3)，其原因有待进一步分析.

(3)通过对比分析发现，将随葬品另炉火化、 增设二燃室、 配备布袋除尘器和活性炭处理设施，能有效去除火化烟气中PCDD/Fs.

(4)捡灰炉PCDD/Fs排放因子为平板炉的2.3倍. 估算2013年全国火化遗体所产生的PCDD/Fs总量为0.22~104.3 g ·a^-1，范围跨度较大，将开展更多调查研究以掌握更详细的排放现状.