土壤中苯和硝基苯蒸氣入侵建筑物研究

楊 健，吳以中，王蔡華

（南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210009）

土壤污染具有明顯的隱蔽性、潛伏性和不可逆性等特點(diǎn)［1］，不容易被人們察覺而被忽略，隨著工業(yè)企業(yè)的搬遷、停產(chǎn)、倒閉，遺留了大量的、多種多樣的、復(fù)雜的污染場(chǎng)地，這些污染場(chǎng)地經(jīng)過換土、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、電修復(fù)和熱修復(fù)等方法［2］修復(fù)以及其后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，雖然達(dá)到了相應(yīng)的土地利用標(biāo)準(zhǔn)，但土壤中仍含有一定量的污染物。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，將修復(fù)后的污染土地再開發(fā)利用正變得越來越普遍，在此類地塊上修建的建筑物難免會(huì)受到污染物蒸氣入侵的影響，因此有必要開展土壤污染物蒸氣入侵建筑物的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和對(duì)策研究。

1 土壤污染物蒸氣入侵建筑物的途徑與危害

蒸氣入侵是一個(gè)暴露途徑——人類能在室內(nèi)接觸環(huán)境污染物的途徑［3］。蒸氣入侵是指揮發(fā)性和半揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)從地下污染土壤和地下水通過建筑物的墻體裂縫和地基缺口等進(jìn)入上覆建筑物的室內(nèi)空間。不正確的使用、存儲(chǔ)或者運(yùn)輸化學(xué)品都可能導(dǎo)致環(huán)境污染，并且產(chǎn)生潛在的蒸氣入侵問題。

1.1 污染物蒸氣入侵建筑物的途徑

含有污染物的地下水和土壤場(chǎng)地，存在污染物蒸氣從地下移動(dòng)到上覆建筑物的潛在性，因此無論是有地下室還是沒有地下室的建筑物都可能出現(xiàn)污染物蒸氣入侵問題。污染物蒸氣入侵建筑物的途徑有很多，例如地基板的縫隙、地面和墻壁的裂縫、管道和水池周圍缺口等，但不同的點(diǎn)位、污染物濃度、土壤深度、土壤的含水率等對(duì)污染物蒸氣入侵建筑物的影響程度不同。

1.2 污染物蒸氣入侵建筑物的危害

人類通過呼吸污染的空氣、飲用污染的水或者接觸污染的土壤等方式，受到污染物蒸氣入侵的危害。通常在氣味濃度可檢測(cè)發(fā)覺的室內(nèi)，也就是說污染物蒸氣入侵的濃度過高，短期的接觸可能導(dǎo)致嚴(yán)重的急性健康問題，比如頭疼、惡心、刺激眼睛和呼吸等；但是更普遍的是，居住者面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)來自于呼吸，較少的化學(xué)污染物蒸氣長(zhǎng)時(shí)間積聚在室內(nèi)，其濃度不容易被檢測(cè)發(fā)覺，若長(zhǎng)期的接觸可能增加慢性的健康問題的風(fēng)險(xiǎn)，比如癌癥和其他疾病等［3］。可見，污染物蒸氣入侵對(duì)建筑物內(nèi)的居住者或工作者的生命構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。另外，污染物蒸氣在室內(nèi)不斷地積累，也存在引起火災(zāi)或者爆炸的危險(xiǎn)，例如來自于汽油的蒸氣，這些特殊的化學(xué)蒸氣一旦達(dá)到其爆炸濃度，可能產(chǎn)生爆炸和火災(zāi)。

2 污染物蒸氣入侵建筑物的濃度預(yù)測(cè)方法

目前國內(nèi)對(duì)于污染物蒸氣入侵建筑物的濃度預(yù)測(cè)模型主要有RBCA、Csoil、Volasoil和Johnson ＆Ettinger等，其中Johnson ＆ Ettinger模型將建筑物看作一個(gè)完整的空間，并且考慮一部分在地下［4］，更加符合人們的空間思維和現(xiàn)實(shí)情況，并且其他大多數(shù)預(yù)測(cè)模型都以污染分區(qū)和地下蒸氣輸送進(jìn)入建筑物的Johnson ＆Ettinger模型分析解為基礎(chǔ)，因此本文選用Johnson ＆Ettinger模型作為污染物蒸氣入侵建筑物的濃度預(yù)測(cè)模型。

Johnson ＆Ettinger模型以有關(guān)污染的分布和發(fā)生、地下特征、蒸氣傳輸和建筑物結(jié)構(gòu)的一些簡(jiǎn)化設(shè)想作為基礎(chǔ)，可用來計(jì)算室內(nèi)空氣污染物濃度，測(cè)量或者評(píng)估土壤以及地下水中苯和硝基苯污染物的濃度［3］。所謂Johnson ＆Ettinger模型是指一個(gè)單面的分析解答傳遞性的和分散性的蒸氣輸送進(jìn)入室內(nèi)空間和提供一個(gè)有關(guān)從污染源處蒸氣濃度到室內(nèi)蒸氣濃度的估算衰減系數(shù)［5］。

建筑物或者封閉空間里的污染物蒸氣濃度預(yù)測(cè)，利用Johnson ＆Ettinger模型解答［6］，如下式：

式中：Cbuilding為建筑物或者封閉空間里的污染物蒸氣濃度（mg／m3）；α為穩(wěn)定的衰減系數(shù)；Csource為污染源處污染物的蒸氣濃度（mg／L）。

2.1 污染源處污染物的蒸氣濃度計(jì)算

Johnson ＆Ettinger模型計(jì)算三相平衡時(shí)土壤污染源處污染物的蒸氣濃度的公式為

其中：Csource為土壤污染源處污染物的蒸氣濃度（mg／m3）；H′為亨利常數(shù)（無量綱）；CR為土壤污染源處污染物的總含量（mg／kg）；ρb 為土壤容重（g／cm3）；θw為土壤含水率（無量綱）；Kws為土-水吸附系數(shù)（L／kg），Kws=Koc×Foc［其中，Koc為碳水吸附系數(shù)（L／kg）；Foc為土壤中有機(jī)碳含量（g／g）］；θa為土壤含氣率（無量綱）。

2.2 穩(wěn)定的衰減系數(shù)計(jì)算

穩(wěn)定的衰減系數(shù)計(jì)算公式為

2.2.1 土壤中污染物蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

土壤中污染物蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：Da為土壤中污染物蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（m2／d）；Dw為土壤中污染物蒸氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)（m2／d）；θ為非飽和土層土壤中總空隙體積比（無量綱），取值為0.8；θavs為非飽和土層土壤中孔隙空氣體積比（無量綱），θavs=θ-θwvs［其中，θwvs為非飽和土層土壤中孔隙水體積比（無量綱），θwvs=ρw為水的密度（g／cm3）］。

2.2.2 蒸氣通過地基和墻體裂隙的有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

蒸氣通過地基和墻體裂隙的有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：θacrack為地基和墻體裂縫中空氣體積比（無量綱），取值為0.26；θwcrack為地基和墻體裂縫中水體積比（無量綱），取值為0.12。

3 實(shí)例研究

本文選取某硝基苯生產(chǎn)企業(yè)搬遷后的場(chǎng)地作為研究對(duì)象，利用Johnson ＆Eittinger模型預(yù)測(cè)未來在該場(chǎng)地上建設(shè)的建筑物的室內(nèi)苯和硝基苯蒸氣揮發(fā)暴露濃度。

3.1 建筑物與污染物屬性參數(shù)

該污染場(chǎng)地所處土層的土質(zhì)為砂土，被污染土層的頂部距離地表分別為0.5m、2m、5m，建筑物地下埋深為0.4 m，兩者關(guān)系見圖1；土壤容重為1.50 g／cm3，土壤孔隙率為0.8，其中土壤含氣率為0.2，土壤中污染物的濃度和土壤含水率以土壤樣品分析結(jié)果為準(zhǔn)，土壤中有機(jī)碳含量為0.058g／kg。與建筑物有關(guān)的參數(shù)和重點(diǎn)污染物屬性參數(shù)見表1和表2。

圖1 建筑物地下埋深與被污染土層土壤深度的關(guān)系圖Fig.1 Relationship between the burial depth of the Bailding and the depth of the contaminated soil layers

表1 建筑物相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters related to buildings

表2 污染物屬性參數(shù)（10℃）Table 2 Parameters related to contaminant properties（10℃）

3.2 場(chǎng)地上建筑物室內(nèi)苯和硝基苯揮發(fā)暴露濃度預(yù)測(cè)與分析

本文利用Johnson ＆Ettinger數(shù)學(xué)模型，采取上述污染物蒸氣入侵建筑物的濃度預(yù)測(cè)方法計(jì)算該場(chǎng)地上的建筑物室內(nèi)苯和硝基苯的揮發(fā)暴露濃度，其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 室內(nèi)苯和硝基苯揮發(fā)暴露濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Prediction results of indoor volatile exposure concentration

參照《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 18883—2002）和衛(wèi)生部頒布的《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，給出了室內(nèi)空氣中苯和硝基苯的標(biāo)準(zhǔn)值，見表4。

表4 室內(nèi)空氣中苯和硝基苯的標(biāo)準(zhǔn)值Table 4 Standards of indoor air quality

由表3可以看出：研究場(chǎng)地部分點(diǎn)位中苯的室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度已超出《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 18883—2002）中的標(biāo)準(zhǔn)值，將會(huì)影響居住者的身體健康。苯是被專家確認(rèn)為嚴(yán)重致癌物質(zhì)［7］，苯中毒會(huì)造成嗜睡、頭痛、頭暈、惡心、胸部緊束感等，嚴(yán)重的可出現(xiàn)視線模糊、震顫、抽搐和昏迷等癥狀；而硝基苯則是肝臟及呼吸系統(tǒng)的破壞者，能夠引起中毒性肝病、肝臟脂肪變性，嚴(yán)重者可發(fā)生亞急性肝壞死等。

3.3 苯和硝基苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度的影響因素分析

模型中參數(shù)的取值都會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，其中土壤中污染物濃度、土壤含水率、污染源頂部埋深（土壤深度）等參數(shù)在不同的污染場(chǎng)地差異較大，因此本文選擇這三個(gè)參數(shù)進(jìn)一步分析其對(duì)苯和硝基苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。

3.3.1 土壤中污染物濃度的影響分析

本文選取S1-2、S2-2、S3-2點(diǎn)位進(jìn)行土壤中污染物濃度的影響分析。這些點(diǎn)位土壤含水率均為0.3，污染源頂部埋深均為2m，而土壤中污染物濃度不同。由表3可以看出：隨著土壤污染物濃度的下降，苯和硝基苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度不斷減少（見圖2和圖3），這是由于土壤污染物濃度下降，導(dǎo)致蒸氣侵入量也隨之減少。

圖2 苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度與土壤中苯濃度的關(guān)系Fig.2 Relationship between benzene concentratoin in soil and indoor volatile exposure concentration of benzene

圖3 硝基苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度與土壤中硝基苯濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between nitrobenzene concentration and in soil and indoor volatile exposure concentration of nitrobenzene

3.3.2 土壤含水率的影響分析

本文選取S11、S12點(diǎn)位進(jìn)行土壤含水率的影響分析。這些點(diǎn)位的土壤中污染物濃度保持不變，S11-1與S12-1、S11-2與S12-2、S11-3與S12-3采樣點(diǎn)土壤深度不變，而土壤含水率不同。由表3可以看出：土壤含水率越高，苯和硝基苯的室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度越低（見圖4和圖5），這是由于土壤含水率的變化會(huì)影響到污染物在土壤中的輸移能力，進(jìn)而改變污染物總通量的大小。

圖4 苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度與土壤含水率的關(guān)系Fig.4 Relationship between indoor volatile exposure concentration of benzene and water content in soil

圖5 硝基苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度與土壤含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between indoor volatile exposure concentration of nitrobenzene and water content in soil

3.3.3 土壤深度的影響分析

本文選取S3點(diǎn)位進(jìn)行污染源頂部埋深即土壤深度的影響分析。該點(diǎn)位土壤中各深度污染源污染物的濃度及土壤含水率保持不變，土壤深度不同。由表3可以看出：隨著土壤深度的增加，苯和硝基苯的室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度不斷減小（見圖6和圖7），這是由于隨著土壤深度的增加，污染物揮發(fā)的路徑相應(yīng)增長(zhǎng)，從而使其總通量減小，室內(nèi)的暴露濃度也隨之減小。該結(jié)果也表明在污染現(xiàn)場(chǎng)治理過程中，可采用覆土的方式來增加污染物運(yùn)移的路徑，從而減小污染，該措施特別適合短期內(nèi)開展大面積的污染治理工作。

圖6 苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度與土壤深度的關(guān)系Fig.6 Relationship between indoor volatile exposure concentration of benzene and the burial depth of the pollution sources

圖7 硝基苯室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度與土壤深度的關(guān)系Fig.7 Relationship between indoor volatile exposure concentration of nitrobenzene and the burial depth of the pollution sources

4 結(jié)論與建議

隨著我國城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移步伐的加快，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或快速發(fā)展地區(qū)的工業(yè)企業(yè)搬遷呈現(xiàn)出普遍的趨勢(shì)。與此同時(shí)，隨著工業(yè)企業(yè)的搬遷、停產(chǎn)或倒閉，遺留了大量多種多樣、復(fù)雜的污染場(chǎng)地，涉及土壤污染、地下水污染、墻體和設(shè)備及廢棄物污染等諸多十分突出的環(huán)境問題，成為工業(yè)變革與城市擴(kuò)張的伴隨產(chǎn)物［8-9］。同時(shí)，污染場(chǎng)地的修復(fù)和再開發(fā)利用案例越來越多，隨之帶來的污染物蒸氣入侵建筑物導(dǎo)致環(huán)境污染并危害人體健康的問題不容忽視。在污染場(chǎng)地的再開發(fā)過程中，由于保護(hù)措施準(zhǔn)備不足和安全防護(hù)不到位等原因?qū)е陆ㄔO(shè)工人暴露于有害氣體和有毒化學(xué)物質(zhì)中，對(duì)工人的健康構(gòu)成了威脅［10］，而在污染場(chǎng)地上建設(shè)的住宅里的居民長(zhǎng)期呼吸土壤污染物蒸氣有致癌的風(fēng)險(xiǎn)。采用Johnson ＆Ettinger模型計(jì)算污染物室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度，結(jié)合我國《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 18883—2002），就可以了解入侵室內(nèi)的污染物蒸氣是否對(duì)人體健康產(chǎn)生了危害，從而提早預(yù)防和避免危害的發(fā)生。從本文實(shí)例中苯和硝基苯蒸氣室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度的計(jì)算結(jié)果來看，研究場(chǎng)地部分點(diǎn)位中苯的室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度已超出我國《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 18883—2002）中的標(biāo)準(zhǔn)值，硝基苯的室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度也超出衛(wèi)生部頒布的《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)值，表明地下污染物苯和硝基苯今后將會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)其上建筑物的室內(nèi)空氣造成污染。

為了防止污染物蒸氣入侵建筑物，必須采取一些必要的防范措施，目前有兩種途徑可以有效地減輕蒸氣入侵：一是防止污染物蒸氣進(jìn)入建筑物內(nèi)；二是改變地下和建筑物里面的壓力，將污染物蒸氣保持在室外［11］。防止污染物蒸氣進(jìn)入室內(nèi)通常是通過封閉建筑物地基入口來減輕污染物蒸氣入侵，包括封閉裂縫、安裝屏障和安裝排氣系統(tǒng)等；改變地下和建筑物內(nèi)的壓力來減輕蒸氣入侵，主要通過引導(dǎo)室內(nèi)正壓或者地下土壤氣體的負(fù)壓來控制蒸氣流動(dòng)等。影響污染物蒸氣入侵建筑物的因素有很多，如污染物的濃度、污染源頂部埋深、地下水位埋深、土壤含水率、建筑施工等，因此可以考慮通過增大污染源的埋深等使得污染物室內(nèi)揮發(fā)暴露濃度減小，如覆土、增加土壤含水率、使用防滲膜隔離污染源，而通風(fēng)也是改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵。

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