孟 豪,梅丹兵,鄧璟菲,劉 鵬,董璟琦,,肖 萌,張紅振,,李香蘭*

天津市污染地塊土壤與地下水修復(fù)實(shí)證分析

孟 豪1,梅丹兵2,鄧璟菲2,劉 鵬3,董璟琦2,3,肖 萌1,張紅振2,3,李香蘭1*

(1.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100875；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院土壤保護(hù)與景觀設(shè)計(jì)中心,北京 100012；3.污染場(chǎng)地安全修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

以天津?yàn)檠芯繀^(qū)域,通過分析修復(fù)特征、污染物歸趨、技術(shù)應(yīng)用以及修復(fù)碳排放揭示了修復(fù)行為在區(qū)域尺度的影響.結(jié)果表明,2015～2021年7a間全市修復(fù)工業(yè)污染地塊44個(gè),修復(fù)污染土壤878.81萬m3,修復(fù)地下水污染地塊20個(gè),面積106.64萬m2,未來修復(fù)體量仍保持上升狀態(tài);修復(fù)土壤類型以有機(jī)污染為主,修復(fù)6類典型污染物40270.48t;修復(fù)技術(shù)呈現(xiàn)異位向原位過渡趨勢(shì),其中原位化學(xué)氧化、阻隔與抽出處理分別在土壤與地下水修復(fù)中應(yīng)用頻次最高.7a間土壤修復(fù)碳排放總量與碳排放強(qiáng)度分別為125.39萬t和0.14t/m3,地下水也依賴于高碳排放因子修復(fù)技術(shù),整體修復(fù)可持續(xù)度有待加強(qiáng).本研究測(cè)算結(jié)果具有一定不確定性,其中土壤中的污染因子平均濃度與修復(fù)技術(shù)碳排放因子對(duì)于物質(zhì)流和碳排放等結(jié)果影響較大.建議加強(qiáng)區(qū)域?qū)用嫖廴就寥琅c地下水綠色可持續(xù)修復(fù)評(píng)估體系研究,提升污染受體物質(zhì)流動(dòng)態(tài)追蹤水平與統(tǒng)籌管理能力,探索濱海相地質(zhì)條件下可持續(xù)風(fēng)險(xiǎn)管控體系.

土壤污染；地下水污染；區(qū)域修復(fù)；資源化利用；碳排放

土壤與地下水保護(hù)是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、實(shí)現(xiàn)美麗中國(guó)的重要內(nèi)容.與英國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)修復(fù)行業(yè)起步較晚,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足,但隨著《土壤污染防治法》《地下水管理?xiàng)l例》等法規(guī)頒布,我國(guó)土壤與地下水修復(fù)工作已進(jìn)入快車道[1-3].

我國(guó)近10a修復(fù)污染地塊類型由多到少依次為重金屬、有機(jī)污染和復(fù)合污染,其中有機(jī)污染以苯系物類、多環(huán)芳烴類和總石油烴為主,不同類型污染物在不同深度、不同巖性的地層中存在明顯差異[4-6].地塊污染與修復(fù)通常呈現(xiàn)一定的區(qū)域特征,與上海市重金屬污染為主不同,粵港澳大灣區(qū)土壤還受到氰化物、氟化物與有機(jī)污染的影響[7-8].綠色低碳修復(fù)近年來受到行業(yè)內(nèi)的重視,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)熱脫附、固化/穩(wěn)定化技術(shù)、化學(xué)氧化/還原技術(shù)和農(nóng)田鈍化等修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用程度與碳排放開展探究[10-14].但上述研究主要圍繞污染土壤類型、分布特征和行業(yè)來源等,修復(fù)領(lǐng)域碳排放局限在技術(shù)或工程層面,在區(qū)域宏觀尺度研究相對(duì)較少.

天津市作為我國(guó)主要的老工業(yè)城市,由于工業(yè)企業(yè)的外遷,遺留地塊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)突顯,并呈現(xiàn)出污染地塊多、污染體量大、污染面積廣、污染程度重的特點(diǎn)[15].同時(shí)天津市因粉砂層厚、地下水位淺等水文地質(zhì)條件,進(jìn)一步加劇了土壤污染擴(kuò)散[16].然而,天津市土地再開發(fā)需求龐大,妥善處置污染地塊遺留問題已經(jīng)成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和土地資源可持續(xù)利用的突出問題[15].本研究以天津市為研究區(qū)域,探究修復(fù)行為在區(qū)域尺度的影響,揭示污染物歸趨、技術(shù)應(yīng)用以及修復(fù)碳排放等規(guī)律,為天津市土壤污染防治精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與技術(shù)支撐.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究44個(gè)案例數(shù)據(jù)(圖1)主要來源于:①天津市污染地塊調(diào)查報(bào)告、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、修復(fù)施工方案、環(huán)境監(jiān)理報(bào)告、環(huán)評(píng)報(bào)告以及修復(fù)效果評(píng)估報(bào)告等;②相關(guān)修復(fù)企業(yè)提供的修復(fù)市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)及項(xiàng)目清單;③《天津市建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)名錄》與《天津市地下水污染場(chǎng)地清單》.對(duì)修復(fù)工程啟動(dòng)時(shí)間、地理位置、污染類型、修復(fù)技術(shù)、污染土去向、土壤修復(fù)方量、地下水修復(fù)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.采用Microsoft Excel軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,利用OriginPro軟件(Origin Lab Corporation, USA)和Arcscene(Esri, USA)軟件制圖.

1.2 物質(zhì)流分析法

物質(zhì)流分析以物質(zhì)守恒為基本原理,定量評(píng)估環(huán)境系統(tǒng)中物質(zhì)存量與流量,從而追蹤物質(zhì)在該系統(tǒng)中的流動(dòng)[17].研究通過修復(fù)技術(shù)類型、修復(fù)方量、污染物種類和最終處置方式構(gòu)建物質(zhì)流框架,各環(huán)節(jié)污染因子通量采用以下公式計(jì)算:

q=v··c·10-6(1)

式中:q為單一污染地塊修復(fù)過程～的特征污染因子通量,t;v是修復(fù)過程～污染土壤的方量, m3;是土壤容重,取值1.8t/m3;c是相應(yīng)污染因子在土壤中的平均濃度, g/t.該區(qū)域的每種特征污染因子總通量F為所有修復(fù)地塊中該因子通量q的總和,其中代表第個(gè)修復(fù)地塊,計(jì)算公式如下:

F=∑q(2)

1.3 碳排放因子法

碳排放因子法借鑒IPCC排放因子法,通過活動(dòng)水平與碳排放因子進(jìn)行估算[18];本研究基于修復(fù)方量與碳排放因子,通過各類修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行累加,初步估算得到區(qū)域修復(fù)碳排放量,計(jì)算公式:

CO2=∑XY(3)

式中:CO2為CO2排放當(dāng)量, t;X為某修復(fù)技術(shù)治理的土壤方量, m3;Y為某修復(fù)技術(shù)對(duì)應(yīng)的碳排放因子,t CO2/m3污染土,通過文獻(xiàn)調(diào)研直接獲取,或通過計(jì)算碳排放量與修復(fù)方量的比值間接獲取,各主要修復(fù)技術(shù)碳排放因子Y見表1.

表1 土壤修復(fù)技術(shù)歸一化碳排放因子

1.4 碳排放強(qiáng)度

為方便比較不同修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生的碳排放,對(duì)碳排放強(qiáng)度進(jìn)行定義,即修復(fù)/管控每方土所產(chǎn)生的碳排放量[10].

CO2=CO2/(4)

式中:CO2為碳排放強(qiáng)度,CO2/m3;CO2為CO2排放當(dāng)量, t;為修復(fù)土壤體積, m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 區(qū)域修復(fù)地塊特征

2015～2021年天津市修復(fù)污染土壤地塊44個(gè),累計(jì)修復(fù)污染土壤878.81萬m3.其中河西區(qū)與河?xùn)|區(qū)啟動(dòng)污染土壤修復(fù)工程時(shí)間較早,數(shù)量最多,占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的40.91%,北辰區(qū)開展修復(fù)工程數(shù)量較少,但體量最大,占比修復(fù)總量的33.69%.全市年均修復(fù)地塊6.3個(gè),修復(fù)土壤125.54萬m3;自2017年起,修復(fù)地下水污染地塊20個(gè),面積106.64萬m2(圖2).盡管地塊修復(fù)啟動(dòng)時(shí)間較北京遲滯近10a,但修復(fù)體量已超越北京,年均修復(fù)方量為北京的2.46倍[24],當(dāng)前仍處于污染地塊集中釋放期,在未來修復(fù)體量上仍保持上升狀態(tài).其污染類型與空間分布與污染土壤保持高度相似性并集中在天津中心城區(qū)[25].

圖2 天津污染土壤與地下水修復(fù)體量

2.2 區(qū)域物質(zhì)流特征

天津市土壤與地下水中除氨氮、氟化物、氯化物、鐵等自然作用產(chǎn)生的有害物質(zhì),多數(shù)由人類工業(yè)活動(dòng)造成,其污染物主要包括苯系物類、氯代烴類、多環(huán)芳烴類、石油烴等[26].修復(fù)土壤以有機(jī)污染為主,占比約70.95%,復(fù)合污染和無機(jī)污染分別為21.03%和8.02%.土壤去向中,原位修復(fù)比重最大,為33.24%,經(jīng)異位修復(fù)后原場(chǎng)回填次之,為31.78%,采用異地填埋、資源化利用和風(fēng)險(xiǎn)管控分別較低,占比20.07%、9.14%和5.78%(圖3).其中,資源化利用涉及水泥占比為7.89%、陶粒生產(chǎn)0.05%以及路基1.20%.與北京市修復(fù)土壤流相比,其類型占比均呈現(xiàn)有機(jī)污染>復(fù)合污染>無機(jī)污染,但在土壤歸趨方面天津市不外運(yùn)土壤(即風(fēng)險(xiǎn)管控、原位修復(fù)和原場(chǎng)回填)占比70.79%,遠(yuǎn)高于北京市的18.55%,其反映了兩地在土壤修復(fù)方面的驅(qū)動(dòng)因素以及環(huán)境管理存在較為明顯的不同.修復(fù)地下水污染同樣以有機(jī)物為主,修復(fù)范圍主要為潛水層以及第II層承壓水,少數(shù)地塊修復(fù)至第III層承壓水,有68.27%的地下水采用曝氣、氧化還原以及阻隔等技術(shù)進(jìn)行修復(fù)處理,33.08%的地下水直接采用的抽出處理等方式,經(jīng)處理均以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017) Ⅳ類修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)排放至市政污水管道,其中有8.55%經(jīng)原位修復(fù)技術(shù)處理后,再次進(jìn)行抽出.

圖3 天津修復(fù)地塊物質(zhì)流向圖

圖4 天津市2015～2021年土壤修復(fù)特征污染物質(zhì)流

*各特征污染物線條粗細(xì)代表流量的相對(duì)大小,各污染因子流量相對(duì)獨(dú)立

結(jié)果顯示(圖4),7a間天津修復(fù)典型污染物共計(jì)40270.48t,其中苯系物類156.56t、氯代烴類963.36t、多環(huán)芳烴類428.82t、石油烴類29816.27t、重金屬類8801.78t、有機(jī)農(nóng)藥類103.69t.

苯系物類污染物(圖4(a))主要以原位修復(fù)為主,有10.07%進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)管控;氯代烴類污染物(圖4(b))除60.46%經(jīng)原位修復(fù),其余39.21%均送至填埋場(chǎng)填埋;多環(huán)芳烴類污染物(圖4(c))經(jīng)原位修復(fù)46.58%和異位修復(fù)量53.30%相似,石油烴類(圖4(d))以異位修復(fù)為主,其去向原位修復(fù)(32.31%)、填埋場(chǎng)填埋(32.36%)和原場(chǎng)回填量(31.74%)相似.重金屬類(圖4(e))污染物以六價(jià)鉻為主,主要經(jīng)化學(xué)氧化修復(fù),其余重金屬類污染物大部分(17.59%)直接運(yùn)往填埋場(chǎng)填埋.有機(jī)農(nóng)藥類(圖4(f))采用原位修復(fù)方式達(dá)54.91%, 6.46%經(jīng)水泥窯協(xié)同處置,其余(38.62%)經(jīng)異位修復(fù)后原場(chǎng)回填.

2.3 修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

(a) 天津市土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用情況(2015～2021)

(b) 天津市地下水修復(fù)技術(shù)應(yīng)用情況(2017～2021)

圖5 天津市污染地塊修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

Fig.5 Application of remediation technology of contaminated sites in Tianjin

修復(fù)技術(shù)應(yīng)用頻次統(tǒng)計(jì)顯示,應(yīng)用頻次最高的單項(xiàng)技術(shù)為原位化學(xué)氧化(18次),占比為25.35%,但整體仍以異位修復(fù)為主,占67.61%;除2021年外,原位修復(fù)技術(shù)占比呈逐年增加趨勢(shì),依次為0%、14%、17%、33%、40%和55%,技術(shù)應(yīng)用種類也在過去7a間顯著提高(圖5).地下水修復(fù)技術(shù)中,阻隔與抽出處理技術(shù)應(yīng)用最為廣泛,且在近2a應(yīng)用頻次明顯增多.修復(fù)初期,為緩解土地開發(fā)的緊迫性以及快速消除公共安全影響,主要采用直接填埋以及異位修復(fù)方式.2016年《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》頒布,文件提出“污染土壤修復(fù)工程原則上在原址進(jìn)行,并采取必要措施防止挖掘、堆存等造成二次污染”,因此環(huán)境管理部門針對(duì)土壤外運(yùn)采取了較為嚴(yán)格的管控措施,在一定程度上助推了污染土壤從異位修復(fù)向原位修復(fù)發(fā)展的趨勢(shì)[27-28].天津在修復(fù)技術(shù)方面呈現(xiàn)相似的演化規(guī)律,并在污染土不外運(yùn)方面得以加強(qiáng),即原位修復(fù)、異位修復(fù)回填以及風(fēng)險(xiǎn)管控體量總和占總修復(fù)的70.79%,遠(yuǎn)高于北京的18.80%[24].但原位技術(shù)應(yīng)用頻次上(32.39%),與美國(guó)(40%)、韓國(guó)(83.30%)等發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差距[29].協(xié)同處置技術(shù)在天津修復(fù)行業(yè)中扮演了重要角色,消納了近8%的污染土壤,但同時(shí)由于水泥窯、陶粒窯日均處理量有限,導(dǎo)致出現(xiàn)污染土長(zhǎng)期占地堆存等問題,大大延長(zhǎng)了地塊移除名錄的周期.

2.4 區(qū)域修復(fù)碳排放

2015～2021年天津市44個(gè)修復(fù)地塊約排放125.39萬t CO2,年均排放17.91萬t,碳排放強(qiáng)度為0.14t/m3.排放總量呈“W”型,其中2015、2019和2021年排放量較大,占總排放量的81.30%.其原因主要為修復(fù)土壤采用了碳足跡相對(duì)較高的異位修復(fù)方式,由單年的碳排放強(qiáng)度(0.13t/m3)小于2015(0.18t/m3)與2021年(0.19t/m3)可知,2019年碳排放量高主要由于修復(fù)體量的增加.

天津市7a間因污染地塊修復(fù)產(chǎn)生的CO2超過了北京市16a累計(jì)排放且碳排放強(qiáng)度為北京峰值期的2倍[24].結(jié)合天津市潛在污染地塊數(shù)量以及污染土壤待修復(fù)存量較大,初步判斷天津市因修復(fù)生產(chǎn)的碳排放仍處于上升階段.但隨著污染土壤存量的減少和治理修復(fù)技術(shù)的綠色化,排放增速將會(huì)減小.

我國(guó)存在重土壤污染、輕地下水的問題,使得地下水修復(fù)工作進(jìn)度緩慢,直到《地下水管理?xiàng)l例》(2021)的頒布得以好轉(zhuǎn).盡管地下水原位修復(fù)技術(shù)具有成本低,擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)[30],但我國(guó)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用方面整體仍采用抽出-處理、原位化學(xué)氧化、止水帷幕+清挖等高強(qiáng)度修復(fù)措施,以期實(shí)現(xiàn)地下水污染總量和濃度的快速削減[31-33].美國(guó)在2015～2017年110個(gè)地下水修復(fù)案例中,其中超過一半地塊采用原位修復(fù)方式,抽出處理使用比例已降至20%[34].而天津在過去5a,地下水修復(fù)技術(shù)未有新的突破,阻隔+抽出處理應(yīng)用頻次合計(jì)占比68.29%,原位化學(xué)氧化頻次占比23.39%,由于抽水泵長(zhǎng)期運(yùn)行造成的能源消耗以及氧化劑生產(chǎn)的高碳足跡[35-36],將使得地下水修復(fù)產(chǎn)生較大的碳排放量,有學(xué)者曾對(duì)地下水修復(fù)碳排放進(jìn)行初步估算,即修復(fù)地下水中1kg污染物可能導(dǎo)致多達(dá)130t CO2排放,其幾何平均值為1.3t/kg.在我國(guó)雙碳目標(biāo)下,污染土壤與地下水修復(fù),優(yōu)先考慮綠色低碳修復(fù)技術(shù)勢(shì)在必行[37].

圖6 2015～2020年天津市修復(fù)活動(dòng)碳排放量與強(qiáng)度趨勢(shì)

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

與國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析,天津污染地塊修復(fù)可持續(xù)度有待提高;2015～2021年修復(fù)污染土壤878.81萬m3,修復(fù)地下水污染面積106.64萬m2,當(dāng)前仍處于污染地塊集中釋放期,在未來修復(fù)體量上將保持上升狀態(tài).修復(fù)污染類型主要為有機(jī)污染,與天津市化工為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān),修復(fù)6類典型污染物40270.48t;修復(fù)技術(shù)逐漸由異位向原位過渡,全市土壤和地下水修復(fù)造成碳排放相對(duì)較大.

測(cè)算在過程和結(jié)果方面存在較大不確定性,仍有優(yōu)化和改進(jìn)的空間.初步的參數(shù)敏感性分析表明,污染因子在土壤中的平均濃度與修復(fù)技術(shù)碳排放因子對(duì)于物質(zhì)流和碳排放等結(jié)果影響較大.由于地塊資料的敏感性與獲取方式的局限性,案例工程統(tǒng)計(jì)存在一定的缺失,在區(qū)域碳排放核算方法等方面,可借助全生命周期評(píng)估工具繼續(xù)優(yōu)化或完善.

3.2 建議

未來研究的著力點(diǎn)包括如下3方面.一是加強(qiáng)區(qū)域?qū)用嫖廴就寥琅c地下水綠色可持續(xù)修復(fù)評(píng)估體系研究,構(gòu)建區(qū)域修復(fù)活動(dòng)足跡方法.二是提升污染受體物質(zhì)流動(dòng)態(tài)追蹤水平與統(tǒng)籌管理能力,減小異地轉(zhuǎn)運(yùn)、高能耗高碳排修復(fù)項(xiàng)目造成的二次環(huán)境影響,降低敏感受體集中區(qū)域的修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)以及擾民隱患.三是探索濱海相地質(zhì)條件下可持續(xù)風(fēng)險(xiǎn)管控體系,推動(dòng)土壤與地下水協(xié)同、區(qū)域與污染地塊協(xié)同修復(fù)/管控新模式,實(shí)現(xiàn)污染土壤和地下水消納與資源化能力的雙向提升.

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致謝：感謝北京市固體廢物管理中心、北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司、北京森特士興集團(tuán)股份有限公司為本研究提供的案例信息.

Empirical analysis of soil and groundwater remediation in contaminated sites in Tianjin.

MENG Hao1, MEI Dan-bing2, DENG Jing-fei2, LIU Peng3, DONG Jing-qi2,3, XIAO Meng1, ZHANG Hong-zhen2,3, LI Xiang-lan1*

(1.College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；2.Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China；3.National Engineering Laboratory for Site Remediation Technologies, Beijing 100015)., 2023,43(9)：4760～4767

This study selected Tianjin as the research area and revealed the impact of remediation behavior at the regional scale by analyzing remediation characteristics, pollutant fate, technology application, and remediation carbon emissions. During the 7 years from 2015 to 2021, 44 industrial contaminated sites, 8788100m3of contaminated soil and 20 groundwater contaminated sites, covering an area of 1066400m2, were remediated. In the future, the volume of remediation would keep rising. Organic pollution was the main type of soil remediation, and 40270.48t of 6types of characteristic contaminants were remediated. The remediation technology showed a trend of off-situ transition to in situ, in which in situ chemical oxidation, barriers and pump and treat were the most frequently applied in soil and groundwater remediation, respectively. The total carbon emission and carbon emission intensity in the past 7 years were 1253900t and 0.14t/m3, respectively, and groundwater remediation also depended on high carbon emission remediation technology, and the overall sustainability of remediation need to be strengthened. The calculated results of this study had certain uncertainties, among which the average concentration of pollution factors in soil and carbon emission factors of remediation technology had a great impact on the material flow and carbon emission results. It is suggested to strengthen the assessment system of green sustainable remediation of contaminated soil and groundwater at the regional level, improve the dynamic tracking level of contaminated material flow and management ability, and explore the sustainable risk management system under coastal facies geological conditions.

soil pollution；groundwater pollution；regional remediation；resource utilization；carbon emission

X53

A

1000-6923(2023)09-4760-08

孟 豪(1991-),男,新疆阜康人,北京師范大學(xué)博士研究生,主要從事氣候變化與污染場(chǎng)地綠色可持續(xù)修復(fù)研究.發(fā)表論文3篇.mungo.h.meng@foxmail.com.

孟 豪,梅丹兵,鄧璟菲,等.天津市污染地塊土壤與地下水修復(fù)實(shí)證分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(9):4760-4767.

Meng H, Mei D B, Deng J F, et al. Empirical analysis of soil and groundwater remediation in contaminated sites in Tianjin [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):4760-4767.

2023-02-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFC1807504,2018YFC1801300);污染場(chǎng)地安全修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(NEL- SRT201708, NEL-SRT201709)

* 責(zé)任作者, 副教授, xlli@bnu.edu.cn