利用三相平衡模型的污染場地異位修復VOCs無組織排放源強分析

毛華云

(北京市環境影響評價評估中心，北京 100161)

利用三相平衡模型的污染場地異位修復VOCs無組織排放源強分析

毛華云

(北京市環境影響評價評估中心，北京 100161)

為評估污染場地異位修復開挖施工過程中VOCs無組織排放對周圍環境的影響，對施工開挖過程VOCs無組織排放進行了分析，并利用三相平衡模型計算土壤氣濃度，建立模型估算土壤異位修復開挖施工過程中無組織的面源有機污染物排放強度，以此模擬估算施工過程中有機污染物對場地周邊環境的影響。得出的結論包括：可以通過三相平衡模型計算土壤氣濃度，來估算土壤修復開挖施工過程中無組織的面源有機污染物排放強度；可以根據污染場地周邊敏感點分布情況，通過模擬，加強控制措施，合理安排施工強度，將施工過程中有機揮發氣體污染的影響降低在可控范圍內。

有機污染氣體；異位修復；無組織排放；三相平衡模型；環境影響評價

近年來，隨著社會經濟的高速發展和人類活動的不斷增強，我國土壤環境形勢日趨嚴峻[1]。城市化建設進度不斷加快，場地性質的變更也越來越頻繁。原有工業用地被逐步開發為居住用地或公建用地，用地性質發生改變。許多城市在搬遷或退役工業場地再開發利用過程中面臨已污染土壤的修復治理問題[2]。

在污染場地的修復及再次開發過程中，由于對土壤污染的危害性認識不夠，建設方對施工人員的保護措施和安全防護往往準備不足，從而對施工人員以及周邊敏感人群的健康構成了巨大威脅。特別是針對VOCs類污染場地的異位修復，施工過程中可能產生的VOCs氣體，會對施工人員及周圍環境產生影響。鑒于此，本文從環境影響評價的角度，利用三相平衡模型對有機污染場地修復治理施工過程中，VOCs無組織排放源強進行了分析討論，并以某焦化廠土壤異位修復為案例，探討了施工過程中VOCs無組織排放對環境的影響，以期為VOCs污染場地的異位修復過程中的環境保護和人群健康防護提供參考。

1 VOCs無組織排放分析

1.1VOCs排放環節及來源分析

異位土壤修復技術是指將受污染的土壤從場地發生污染的原來位置挖掘或抽提出來，搬運或轉移到其他場所或位置進行治理修復的土壤修復技術[3]。異位土壤修復技術主要包括異位填埋、異位固化、異位化學淋洗、異位化學固化/穩定化、異位熱處理和一系列的異位生物修復等。

有機污染場地在土壤異位修復過程中的主要污染環節為：(1)施工挖土過程會產生有機污染物的揮發，因收集處理難度大，易造成周圍環境影響；(2)污染土壤運輸過程因有機物揮發或土壤遺撒等原因，造成環境污染；(3)污染土壤集中修復過程產生的污染。

施工過程中無組織排放的有機物主要來自于兩方面：一是在施工挖掘過程中土壤受到擾動，土壤孔隙結構包含的土壤氣中的有機污染物會部分排放到周圍環境中；二是土壤中所含有機物質揮發進入大氣環境，造成污染。

因污染場地施工前，VOCs在土壤中的氣、固、液相中處于平衡狀態，土壤挖掘施工過程中，土壤氣中的VOCs更容易揮發進入環境中，并且污染土壤一般是挖掘后直接裝入封閉運輸車輛，所以挖掘施工過程產生的VOCs無組織源強只考慮由土壤氣揮發產生的污染。由污染土壤中所含有機物揮發產生的污染，本文暫不予以討論。本文主要討論挖土施工過程中，無組織排放的VOCs可能產生的污染影響。

1.2VOCs無組織排放源強分析

本文假設被擾動土壤中所有污染物均排入環境中，則只需要衡量擾動過程中土壤氣的量及土壤氣中有機污染物的濃度，即：

(1)

式中，Psg為VOCs無組織排放源強，mg/(s·m2)；Vs為施工土方量，m3；θ為被擾動土壤孔隙度，無量綱；Csg為土壤氣VOCs濃度，mg/m3；S為施工作業面積，m2；T為施工作業時間，s。

美國測試與材料協會(ASTM)的三相平衡模型自20世紀90年代以來，一直用于計算揮發性氣體在包氣帶土壤氣-固、氣-液以及固-液三相中的分配，定量獲取自然平衡條件下土壤孔隙氣相中VOCs的濃度，為評估VOCs呼吸暴露的健康風險提供依據[4]。我國部分省市及環保部發布的風險評估技術導則中，也同樣引用了ASTM的三相平衡模型以描述VOCs在包氣帶土壤中的分配特征[5-7]，并用于計算呼吸暴露途徑的健康風險。

據相關研究，利用ASTM三相平衡模型計算的土壤氣污染濃度比實際情況高一個數量級左右[8]，在最不利保守原則情況下，土壤氣VOCs濃度Csg可以由ASTM發布的三相平衡模型計算獲得[9]。

三相平衡模型可以表示如下：

水相-氣相：Csg=H×Cw

(2)

水相-固相：Cp=Kd×Cw

(3)

氣相-固相：Cp=Kp×Csg

(4)

式中，Cw為土壤水膜中的VOCs濃度，mg/L；Cp為土壤固相顆粒中的VOCs濃度，mg/kg；Kd為VOCs土壤-水分配系數，無量綱；Kp為土壤-氣分配系數，無量綱。

根據質量平衡，土壤中固相、水相及氣相中VOCs的總質量應滿足公式(5)[10]：

Cs×ρ=Cw×θw+Csg×θa+Cp×ρ

(5)

聯立公式(2)至公式(5)可求出Csg，如下所示：

(6)

其中，Kd=Koc×foc

式中，Csg為土壤氣VOCs濃度，mg/m3；Cs為土壤中VOCs總濃度，即實驗室分析所獲得的濃度，mg/kg；ρ為土壤干容重，kg/m3；H為亨利常數，無量綱；θw為污染土壤的水分含量，無量綱；θa為污染土壤的空氣含量，無量綱；Kd為VOCs土壤-水分配系數，m3/kg；Cw為土壤水膜中的VOCs濃度，mg/L；Cp為土壤固相顆粒中的VOCs濃度，mg/kg；Kp為土壤-氣分配系數；Koc為有機化合物在有機碳和水之間的分配系數，m3/kg；foc為土壤或含水層介質中有機碳的百分含量，無量綱。

2 VOCs無組織排放案例

2.1場地概況

以某關停焦化廠修復項目場地為案例。該廠主要以煤作為原料，生產焦炭和煤氣。該廠生產過程中，煤氣凈化環節涉及煤焦油等化工產品的提煉與回收。因在生產時環保意識比較薄弱，對車間周邊土壤和地下水造成了污染。其中，苯系物是土壤中典型的污染物之一，主要集中在場地1.5～18 m的包氣帶土層內，污染土壤以粉土、粉砂和粉黏土為主，土壤含水率約10%～15%，有機質含量約1%～3%。

經過多輪場地調查，最終確定場地內需要進行修復的苯系物污染土壤約65萬m3，結合未來修復區域建筑的地下空間開發規劃，以及開發進度對時間的要求，最終確定對于苯系物污染土壤采用“清挖+異位常溫熱解析”的工藝。主要工藝流程如圖1所示。

圖1 污染土壤“清挖+異位常溫熱解析”工藝流程Fig.1 The excavation and ex-situ ordinary temperature thermal desorption for contaminated soil

整個修復過程中，清挖工序在敞開的環境中進行，因此對于苯系物這類易揮發的有機物，容易出現無組織逃逸，對周邊空氣造成二次污染。鑒于此，本文將對此過程污染物的排放特征及其影響進行定量分析評估，以期為此類項目的二次污染防治措施的制定提供參考。該場地土壤的主要污染物檢出結果如表1所示。

表1 土壤中污染物檢出結果統計

2.2源強確定

因該場地調查數據中未對土壤氣濃度進行檢測，因此采取三相平衡模型對土壤氣濃度進行計算，其相關參數取值為：土壤容重(ρ)為1500 kg/m3，總孔隙度(θ)為0.46，體積含水量(θw)為0.3，體積含空氣量(θa)為0.16，有機碳含量(foc)為0.003。

利用三相平衡模型可得土壤氣中各污染物的濃度，如表2所示。假設施工組織方式中，施工強度土方量為100 m3/h，施工機械每次開挖深度約為1 m，施工面積約為100 m2，即可得到無組織面源的排放強度Psg。經計算，苯、甲苯、二甲苯的土壤氣濃度依次為675.3 mg/m3、762.7 mg/m3、344.7 mg/m3，無組織排放源強依次為0.0863 mg/(s·m2)、0.0975 mg/(s·m2)、0.0440 mg/(s·m2)。

2.3環境影響分析

根據假設施工情景，施工過程中，苯、甲苯、二甲苯排放量分別為31.07 g/h、35.10 g/h、15.84 g/h。為評價施工過程中有機氣態污染物揮發對不同距離位置的影響，評價標準執行北京市地方標準《大氣污染物綜合排放標準》(DB11/ 501—2007)中無組織排放監控點濃度限值：苯為0.1 mg/m3，甲苯0.6 mg/m3，二甲苯0.2 mg/m3。

依據《環境影響評價技術導則 大氣環境》(HJ 2.2—2008)有關規定，采用估算模式Screen3 System計算各污染物落地濃度，分析其影響范圍，計算參數及計算結果分別如表2和表3所示。

表2 土壤開挖無組織排放面源參數

表3 估算模式計算結果

從計算結果可以看出，當施工面積為100 m2、施工強度為100 m3/h時，施工場地周邊50 m范圍內，無組織監控點苯的濃度不符合要求。假設施工場地離廠界距離為20 m，為了使苯的影響范圍控制在廠界范圍內，在沒有其他控制措施的條件下，通過降低施工強度，即控制施工面積可以達到要求。經預測，當控制面積為4 m×4 m時，20 m處落地濃度為0.113 mg/m3、22 m處落地濃度為0.090 mg/m3。

3 結論與展望

本文研究結果顯示：可以通過三相平衡模型計算土壤氣濃度，來估算土壤修復開挖施工過程中無組織的面源有機污染物排放強度；可以根據場地周邊敏感點分布情況，通過模擬，加強控制措施，合理安排施工強度，將施工過程中有機揮發氣體污染的影響降低在可控范圍內。

實際情況中，整個VOCs污染場地在不同位置的污染程度不同，可以通過三相平衡模型估算整個場地施工的源強分布情況，并以此優化安排工作計劃，可有效降低施工過程對周圍環境的影響。同時，溫度、濕度、風速、污染場地地質情況、污染物分布情況等，都對開挖過程無組織排放源強有影響，本文僅對開挖過程中土壤氣逸散排放進行計算，沒有考慮土壤吸附有機物的自然揮發排放，有一定局限性。可以通過進一步分析溫度、濕度、風速等因素對施工過程土壤中VOCs揮發速度的影響，對施工過程無組織排放源強計算模型進行完善。

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IntensityAnalysisofFugitiveEmissionsofVOCsforEx-situRemediationofContaminatedSitesbyASTMThree-phaseEquilibriumModel

MAO Hua-yun

(Beijing Municipal Appraisal Center for Environmental Impact Assessment, Beijing 100161, China)

In order to estimate the environmental impact of fugitive emissions of VOCs during the excavation of ex-situ remediation of organic contaminated sites, the fugitive emissions of VOCs during the excavation were analyzed in this paper. It calculated the concentration of VOCs in soil gas by ASTM three-phase equilibrium model, and estimated the environmental impact of the organic pollutants during the excavating process. It was concluded that the soil gas concentration can be calculated by the three-phase equilibrium model to estimate the intensity of fugitive emissions of VOCs during the excavation process. According to the distribution of sensitive spots around the contaminated sites, the control measures should be strengthened, and the excavation can be reasonably arranged by simulations. The impact of fugitive VOCs during the excavation process will be reduced within the controllable range.

VOCs; ex-situ remediation; fugitive emission; ASTM three-phase equilibrium model; environmental impact assessment

2017-04-01

毛華云(1984—)，男，四川人，助理研究員，碩士，主要研究方向為環境影響評價，E-mail：mhybluesky@163.com

10.14068/j.ceia.2017.06.013

X502

A

2095-6444(2017)06-0052-04