随着城市化进程加快，生活垃圾产量持续攀升。传统的填埋方式不仅占用大量土地，还可能带来土壤和地下水污染等二次环境问题。在此背景下，垃圾焚烧因其减容效果显著、资源化利用程度高，逐渐成为固废处理的主流方式。目前，我国垃圾焚烧发电厂已超过700座，年处理垃圾量突破2亿吨，市场规模稳步增长，为固废减量化与资源化提供了有力支撑。从垃圾收运、焚烧发电，到烟气净化、残渣处理，垃圾焚烧已形成完整的产业链，环保管控贯穿始终。
【焚烧技术背后的“环保考验”】
垃圾焚烧技术在实现垃圾减容、减量与能源回收方面优势明显。单台焚烧炉每日可处理数百至数千吨垃圾，产生的热能还能转化为电能并入电网，真正实现资源循环利用。然而，焚烧过程并非“一烧了之”。垃圾成分复杂，燃烧过程中会产生多种污染物，包括：
l 二噁英类物质：具有强致癌性和环境持久性，是公众关注的焦点污染物；
l 重金属：如汞、镉、铅等，易通过大气沉降进入土壤和水体，危害生态系统与人体健康；
l 酸性气体：包括氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、氯化氢（HCl）等，可能引发酸雨、腐蚀设备；
l 挥发性有机污染物（VOCs）：垃圾焚烧过程中，不完全燃烧及复杂热解反应会释放出苯、甲苯、多环芳烃等VOCs。这类物质不仅本身具有毒性和刺激性，部分还是二噁英生成的重要前驱物，其排放浓度与二噁英的生成量密切相关。长期暴露于VOCs环境中，可能对人体呼吸系统、神经系统造成损害，部分物质还具有致癌风险。
更棘手的是，烟气中的污染物浓度会随垃圾成分和焚烧工况动态变化，传统监测手段难以实时捕捉。因此，开发高灵敏、快响应、适应复杂工况的在线监测技术，成为实现污染物精准管控的关键。
【传统检测方法为何“力不从心”？】
目前，工业焚烧烟气污染物检测方法主要分为离线检测与在线监测两类。
离线检测（如气相色谱-高分辨质谱 GC-HRMS）：作为二噁英检测的“金标准”，该方法精度高，但流程繁琐：采样、萃取、净化、分析，耗时数小时至数天。结果严重滞后，无法反映焚烧工况的实时变化，更无法支撑过程优化。
在线监测（如傅里叶变换红外光谱FTIR等CEMS）：CEMS虽能实现连续监测，但在垃圾焚烧烟气的高湿、高尘环境中表现不佳：
l FTIR：水汽、粉尘干扰严重，光谱易漂移，定量准确性下降；
l NDIR、UV-DOAS：易受温湿度、气压波动影响，基线漂移、组分交叉干扰，数据有效率低于90%；
l 抽取式采样：采样点位置、流量等因素易导致数据代表性不足。
离线方法“慢而不及时”，在线方法“快而不精准”，两者均难以满足当前环境监测对实时、精准监测的要求，成为工业焚烧等领域环保管控的关键技术瓶颈。
【光电离质谱：为垃圾焚烧环保升级“量身定制”】
针对上述难题，大连化物所质谱与快速检测研究中心（102组群）开发了定制化光电离飞行时间质谱仪（PI-TOFMS 5020），为工业焚烧烟气监测提供了从硬件到软件的全方位解决方案。
图1 工业焚烧烟气中污染物在线监测全方位解决方案
硬件突破：高灵敏、快响应
该仪器采用全程保温气路系统与自动校准模块，结合交替吹扫-检测-校准流程，实现了烟气中VOCs等污染物的高灵敏检测。其分辨率达5000以上，检测限低至0.1 pptv。全程避免污染物吸附损失，实现烟气的直接进样检测，并能做到秒级在线监测，实时反馈焚烧工况下的污染物排放变化。
智能预测：从“检测”到“预警”
基于自主研发的质谱技术，研究团队进一步发展了二噁英在线监测预测模型。该模型以烟气中的单环非氯代芳烃作为指示物，通过建立指示物与二噁英之间的相关性模型，实现了对烟气中二噁英排放浓度的准确预测。这一创新将传统1-2周的检测周期大幅缩短至20分钟以内，为环境监管提供了分钟级的响应能力。
图2 工业烟气中二噁英在线预测
无人值守：全自动、多维度
配套开发的无人值守在线监测预测软件，具备多项自动化功能：
l 校准与计算：自动完成校准系数计算与浓度校准；
l 多点预测：支持多点位预测，提升数据代表性；
l 智能预警：实现污染物超标即时排放预警；
l 系统联动：可将数据自动上传至单位质控系统，实现监测与管理的高效协同。
l 多组分监测：一机多用，覆盖更广
除了通过相关性模型实现二噁英的快速预测外，该仪器还可对烟气中的挥发性有机污染物（VOCs）等多组分实现全谱图直接在线监测。单点检测时间≤1分钟，检出限≤0.1 ppb，真正实现了一台设备、多污染物同步监测，大幅提升了监测效率与数据价值。
该技术的应用，不仅实现了垃圾焚烧烟气的实时、精准、综合监测，还为焚烧炉炉膛温度、进料量、助燃风等工况参数的优化提供了数据支撑，推动垃圾焚烧从“末端达标”向“过程精准管控”转变，为行业绿色合规发展筑牢环保底线。
相关研究以Real-time monitoring of monocyclic non-chlorinated aromatic compounds in incineration flue gas by photoionization time-of-flight mass spectrometer for dioxin prediction为题，于近日发表在Fuel上。该工作的第一作者是大连化物所助理研究员任美慧，通讯作者是大连化物所蒋吉春副研究员和花磊研究员。本研究得到国家自然科学基金（22306182、22127809）、中国博士后科学基金（2022M713086）、大连市科技人才创新支持计划（2023RQ016）、辽宁省自然科学基金（2024-MSBA-54）、大连市高层次人才创新支持计划（2023RY008）及中国科学院青年创新促进会（2021184）等项目资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236125019027
参考文献：
1. 中华人民共和国国家标准生活垃圾焚烧污染控制标准
2. Environ Sci Pollut Res. 2019,26,16974-16997.
3. Energy & Fuels. 2020,34(11), 13247-13267.
4. Environ. Sci. Technol. 2007, 41, 3684-368.
5. Waste Management. 2015, 46, 234-241.
6. Fuel. 2026, 404, 136177.
