天津市污染地塊土壤與地下水修復實證分析

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實證分析

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.北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院,北京 100875；2.生態環境部環境規劃院土壤保護與景觀設計中心,北京 100012；3.污染場地安全修復技術國家工程實驗室,北京 100015)

以天津為研究區域,通過分析修復特征、污染物歸趨、技術應用以及修復碳排放揭示了修復行為在區域尺度的影響.結果表明,2015～2021年7a間全市修復工業污染地塊44個,修復污染土壤878.81萬m3,修復地下水污染地塊20個,面積106.64萬m2,未來修復體量仍保持上升狀態;修復土壤類型以有機污染為主,修復6類典型污染物40270.48t;修復技術呈現異位向原位過渡趨勢,其中原位化學氧化、阻隔與抽出處理分別在土壤與地下水修復中應用頻次最高.7a間土壤修復碳排放總量與碳排放強度分別為125.39萬t和0.14t/m3,地下水也依賴于高碳排放因子修復技術,整體修復可持續度有待加強.本研究測算結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技術碳排放因子對于物質流和碳排放等結果影響較大.建議加強區域層面污染土壤與地下水綠色可持續修復評估體系研究,提升污染受體物質流動態追蹤水平與統籌管理能力,探索濱海相地質條件下可持續風險管控體系.

土壤污染；地下水污染；區域修復；資源化利用；碳排放

土壤與地下水保護是推進生態文明建設、實現美麗中國的重要內容.與英國、美國等發達國家相比,我國修復行業起步較晚,實踐經驗不足,但隨著《土壤污染防治法》《地下水管理條例》等法規頒布,我國土壤與地下水修復工作已進入快車道[1-3].

我國近10a修復污染地塊類型由多到少依次為重金屬、有機污染和復合污染,其中有機污染以苯系物類、多環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].地塊污染與修復通常呈現一定的區域特征,與上海市重金屬污染為主不同,粵港澳大灣區土壤還受到氰化物、氟化物與有機污染的影響[7-8].綠色低碳修復近年來受到行業內的重視,國內外學者已針對熱脫附、固化/穩定化技術、化學氧化/還原技術和農田鈍化等修復技術的應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、分布特征和行業來源等,修復領域碳排放局限在技術或工程層面,在區域宏觀尺度研究相對較少.

天津市作為我國主要的老工業城市,由于工業企業的外遷,遺留地塊環境風險突顯,并呈現出污染地塊多、污染體量大、污染面積廣、污染程度重的特點[15].同時天津市因粉砂層厚、地下水位淺等水文地質條件,進一步加劇了土壤污染擴散[16].然而,天津市土地再開發需求龐大,妥善處置污染地塊遺留問題已經成為制約區域可持續發展和土地資源可持續利用的突出問題[15].本研究以天津市為研究區域,探究修復行為在區域尺度的影響,揭示污染物歸趨、技術應用以及修復碳排放等規律,為天津市土壤污染防治精細化管理提供數據基礎與技術支撐.

1 數據與方法

1.1 數據來源與處理

本研究44個案例數據(圖1)主要來源于:①天津市污染地塊調查報告、風險評估報告、修復施工方案、環境監理報告、環評報告以及修復效果評估報告等;②相關修復企業提供的修復市場調研數據及項目清單;③《天津市建設用地土壤污染風險管控和修復名錄》與《天津市地下水污染場地清單》.對修復工程啟動時間、地理位置、污染類型、修復技術、污染土去向、土壤修復方量、地下水修復面積進行統計分析.采用Microsoft Excel軟件對所有數據統計分析,利用OriginPro軟件(Origin Lab Corporation, USA)和Arcscene(Esri, USA)軟件制圖.

1.2 物質流分析法

物質流分析以物質守恒為基本原理,定量評估環境系統中物質存量與流量,從而追蹤物質在該系統中的流動[17].研究通過修復技術類型、修復方量、污染物種類和最終處置方式構建物質流框架,各環節污染因子通量采用以下公式計算:

q=v··c·10-6(1)

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

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,通過活動水平與碳排放因子進行估算[18];本研究基于修復方量與碳排放因子,通過各類修復技術產生的碳排放量進行累加,初步估算得到區域修復碳排放量,計算公式:

CO2=∑XY(3)

式中:CO2為CO2排放當量, t;X為某修復技術治理的土壤方量, m3;Y為某修復技術對應的碳排放因子,t CO2/m3污染土,通過文獻調研直接獲取,或通過計算碳排放量與修復方量的比值間接獲取,各主要修復技術碳排放因子Y見表1.

表1 土壤修復技術歸一化碳排放因子

1.4 碳排放強度

為方便比較不同修復技術產生的碳排放,對碳排放強度進行定義,即修復/管控每方土所產生的碳排放量[10].

CO2=CO2/(4)

式中:CO2為碳排放強度,CO2/m3;CO2為CO2排放當量, t;為修復土壤體積, m3.

2 結果與討論

2.1 區域修復地塊特征

2015～2021年天津市修復污染土壤地塊44個,累計修復污染土壤878.81萬m3.其中河西區與河東區啟動污染土壤修復工程時間較早,數量最多,占統計總數的40.91%,北辰區開展修復工程數量較少,但體量最大,占比修復總量的33.69%.全市年均修復地塊6.3個,修復土壤125.54萬m3;自2017年起,修復地下水污染地塊20個,面積106.64萬m2(圖2).盡管地塊修復啟動時間較北京遲滯近10a,但修復體量已超越北京,年均修復方量為北京的2.46倍[24],當前仍處于污染地塊集中釋放期,在未來修復體量上仍保持上升狀態.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[25].

圖2 天津污染土壤與地下水修復體量

2.2 區域物質流特征

天津市土壤與地下水中除氨氮、氟化物、氯化物、鐵等自然作用產生的有害物質,多數由人類工業活動造成,其污染物主要包括苯系物類、氯代烴類、多環芳烴類、石油烴等[26].修復土壤以有機污染為主,占比約70.95%,復合污染和無機污染分別為21.03%和8.02%.土壤去向中,原位修復比重最大,為33.24%,經異位修復后原場回填次之,為31.78%,采用異地填埋、資源化利用和風險管控分別較低,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0.05%以及路基1.20%.與北京市修復土壤流相比,其類型占比均呈現有機污染>復合污染>無機污染,但在土壤歸趨方面天津市不外運土壤(即風險管控、原位修復和原場回填)占比70.79%,遠高于北京市的18.55%,其反映了兩地在土壤修復方面的驅動因素以及環境管理存在較為明顯的不同.修復地下水污染同樣以有機物為主,修復范圍主要為潛水層以及第II層承壓水,少數地塊修復至第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進行修復處理,33.08%的地下水直接采用的抽出處理等方式,經處理均以《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017) Ⅳ類修復標準排放至市政污水管道,其中有8.55%經原位修復技術處理后,再次進行抽出.

圖3 天津修復地塊物質流向圖

圖4 天津市2015～2021年土壤修復特征污染物質流

*各特征污染物線條粗細代表流量的相對大小,各污染因子流量相對獨立

結果顯示(圖4),7a間天津修復典型污染物共計40270.48t,其中苯系物類156.56t、氯代烴類963.36t、多環芳烴類428.82t、石油烴類29816.27t、重金屬類8801.78t、有機農藥類103.69t.

苯系物類污染物(圖4(a))主要以原位修復為主,有10.07%進入風險管控;氯代烴類污染物(圖4(b))除60.46%經原位修復,其余39.21%均送至填埋場填埋;多環芳烴類污染物(圖4(c))經原位修復46.58%和異位修復量53.30%相似,石油烴類(圖4(d))以異位修復為主,其去向原位修復(32.31%)、填埋場填埋(32.36%)和原場回填量(31.74%)相似.重金屬類(圖4(e))污染物以六價鉻為主,主要經化學氧化修復,其余重金屬類污染物大部分(17.59%)直接運往填埋場填埋.有機農藥類(圖4(f))采用原位修復方式達54.91%, 6.46%經水泥窯協同處置,其余(38.62%)經異位修復后原場回填.

2.3 修復技術應用

(a) 天津市土壤修復技術應用情況(2015～2021)

(b) 天津市地下水修復技術應用情況(2017～2021)

圖5 天津市污染地塊修復技術應用

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

修復技術應用頻次統計顯示,應用頻次最高的單項技術為原位化學氧化(18次),占比為25.35%,但整體仍以異位修復為主,占67.61%;除2021年外,原位修復技術占比呈逐年增加趨勢,依次為0%、14%、17%、33%、40%和55%,技術應用種類也在過去7a間顯著提高(圖5).地下水修復技術中,阻隔與抽出處理技術應用最為廣泛,且在近2a應用頻次明顯增多.修復初期,為緩解土地開發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方式.2016年《土壤污染防治行動計劃》頒布,文件提出“污染土壤修復工程原則上在原址進行,并采取必要措施防止挖掘、堆存等造成二次污染”,因此環境管理部門針對土壤外運采取了較為嚴格的管控措施,在一定程度上助推了污染土壤從異位修復向原位修復發展的趨勢[27-28].天津在修復技術方面呈現相似的演化規律,并在污染土不外運方面得以加強,即原位修復、異位修復回填以及風險管控體量總和占總修復的70.79%,遠高于北京的18.80%[24].但原位技術應用頻次上(32.39%),與美國(40%)、韓國(83.30%)等發達國家仍存在較大差距[29].協同處置技術在天津修復行業中扮演了重要角色,消納了近8%的污染土壤,但同時由于水泥窯、陶粒窯日均處理量有限,導致出現污染土長期占地堆存等問題,大大延長了地塊移除名錄的周期.

2.4 區域修復碳排放

2015～2021年天津市44個修復地塊約排放125.39萬t CO2,年均排放17.91萬t,碳排放強度為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%.其原因主要為修復土壤采用了碳足跡相對較高的異位修復方式,由單年的碳排放強度(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體量的增加.

天津市7a間因污染地塊修復產生的CO2超過了北京市16a累計排放且碳排放強度為北京峰值期的2倍[24].結合天津市潛在污染地塊數量以及污染土壤待修復存量較大,初步判斷天津市因修復生產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技術的綠色化,排放增速將會減小.

我國存在重土壤污染、輕地下水的問題,使得地下水修復工作進度緩慢,直到《地下水管理條例》(2021)的頒布得以好轉.盡管地下水原位修復技術具有成本低,擾動小等優勢特點[30],但我國修復技術應用方面整體仍采用抽出-處理、原位化學氧化、止水帷幕+清挖等高強度修復措施,以期實現地下水污染總量和濃度的快速削減[31-33].美國在2015～2017年110個地下水修復案例中,其中超過一半地塊采用原位修復方式,抽出處理使用比例已降至20%[34].而天津在過去5a,地下水修復技術未有新的突破,阻隔+抽出處理應用頻次合計占比68.29%,原位化學氧化頻次占比23.39%,由于抽水泵長期運行造成的能源消耗以及氧化劑生產的高碳足跡[35-36],將使得地下水修復產生較大的碳排放量,有學者曾對地下水修復碳排放進行初步估算,即修復地下水中1kg污染物可能導致多達130t CO2排放,其幾何平均值為1.3t/kg.在我國雙碳目標下,污染土壤與地下水修復,優先考慮綠色低碳修復技術勢在必行[37].

圖6 2015～2020年天津市修復活動碳排放量與強度趨勢

3 結論與建議

3.1 結論

與國內外對比分析,天津污染地塊修復可持續度有待提高;2015～2021年修復污染土壤878.81萬m3,修復地下水污染面積106.64萬m2,當前仍處于污染地塊集中釋放期,在未來修復體量上將保持上升狀態.修復污染類型主要為有機污染,與天津市化工為主的產業結構密切相關,修復6類典型污染物40270.48t;修復技術逐漸由異位向原位過渡,全市土壤和地下水修復造成碳排放相對較大.

測算在過程和結果方面存在較大不確定性,仍有優化和改進的空間.初步的參數敏感性分析表明,污染因子在土壤中的平均濃度與修復技術碳排放因子對于物質流和碳排放等結果影響較大.由于地塊資料的敏感性與獲取方式的局限性,案例工程統計存在一定的缺失,在區域碳排放核算方法等方面,可借助全生命周期評估工具繼續優化或完善.

3.2 建議

未來研究的著力點包括如下3方面.一是加強區域層面污染土壤與地下水綠色可持續修復評估體系研究,構建區域修復活動足跡方法.二是提升污染受體物質流動態追蹤水平與統籌管理能力,減小異地轉運、高能耗高碳排修復項目造成的二次環境影響,降低敏感受體集中區域的修復風險以及擾民隱患.三是探索濱海相地質條件下可持續風險管控體系,推動土壤與地下水協同、區域與污染地塊協同修復/管控新模式,實現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、北京建工環境修復股份有限公司、北京森特士興集團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,北京師范大學博士研究生,主要從事氣候變化與污染場地綠色可持續修復研究.發表論文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實證分析 [J]. 中國環境科學, 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

國家重點研發計劃項目(2020YFC1807504,2018YFC1801300);污染場地安全修復技術國家工程實驗室開放基金資助項目(NEL- SRT201708, NEL-SRT201709)

* 責任作者, 副教授, xlli@bnu.edu.cn