有機物污染土壤修復技術篩選研究
——以北方某工業地塊為例

陶燕東，劉欣

（1.濰坊優特檢測服務有限公司，山東 濰坊 261101；2.山東正實環?？萍加邢薰?，山東 濰坊261101）

引言

土壤是人類賴以生存的基礎，但隨著社會的發展，工業化進程的加快，土壤污染問題日益突出[1,2]。污染土壤作為污染源具有較大的環境安全隱患，威脅著周邊居民的身體健康，對土壤資源后續的開發利用也帶來了不利的影響[3,4]。如何篩選適宜的修復技術防控污染物對生態環境和人體健康帶來的風險，從而保障土壤資源合理化利用和人民生活質量，在國內外都是一個非常重要的課題。

國內外關于有機物污染土壤修復技術的應用報道眾多[5,6]，每種修復技術都有各自的優缺點，選擇有機物污染地塊修復技術時，通常考慮的因素有修復效果、修復成本和修復時間等[7]。在有機物污染地塊修復技術篩選過程中全面衡量各種修復技術的優劣性，確定最佳的修復技術具有重要的現實意義。在篩選最佳修復技術時，需要綜合考慮污染物特征、地塊條件、技術條件、環境條件和經濟水平等多方面因素，各因素指標之間存在一定的矛盾[8]。因此，有必要建立有機物污染土壤修復技術的篩選指標體系去科學準確的篩選出最佳修復技術。

目前我國有機物污染土壤修復技術篩選多采用數值評分法，如加權加和法（SAW）和層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法）。SAW法與AHP法通過主觀賦值進行修復技術篩選，有時難以區分修復技術之間的細微差別[8]，在決策方法的推廣上受到限制。本研究利用AHP 法和逼近理想解排序法（technique for sequencing by approximate ideal solution or technique for order preference by similarity to ideal solution，簡稱TOPSIS法）相結合，對有機物污染地塊土壤修復技術進行科學評價，并結合北方某工業企業地塊土壤有機物污染案例，根據建立的有機物染污土壤修復技術篩選體系，篩選出適合該污染地塊的最佳修復技術，為后續土壤有機污染修復技術的篩選提供參考。

1 土壤修復概述

我國的土壤修復產業起步較晚，基礎相對薄弱，仍屬新興行業，目前處于技術完善及試點階段[9]。歐美發達國家目前已采用的土壤修復技術種類較多，僅美國超級基金在1468個污染地塊修復中就應用了近30 種修復技術[6]，其中固化穩定化、焚燒和土壤氣提技術在土壤修復技術中應用比較廣泛（圖1）[10]。我國參考了歐美發達國家多年來經過實際驗證案例的公開資料和國內實際工程案例經驗，編制《污染場地修復技術目錄（第一批）》詳細介紹了固化穩定化等多種土壤修復技術的適用性、原理、修復周期及成本等。

圖1 美國超級基金地塊修復技術應用情況

2 修復技術篩選

2.1 修復技術篩選流程

修復技術篩選是指根據污染物的特性、地塊水文地質、修復目標等條件，對各修復技術的優缺點進行綜合評價，篩選出最適宜的修復技術。修復技術篩選流程可分為兩個階段（如圖2 所示），第一階段為初步篩選，第二階段為詳細評價。第一階段初步篩選是指根據污染物特性、地塊條件和修復目標等確定潛在可用的修復技術；第二階段詳細評價則是根據建立的篩選指標體系進行綜合評價，包括確定各指標的權重、指標賦值評分和結果排序等，據此來篩選最佳的有機物污染土壤修復技術。

圖2 污染地塊修復技術篩選流程

2.2 修復技術初步篩選

參考國內外較成熟的土壤修復技術，篩選出目前我國較常用的有機物污染土壤修復技術八種，分別為：異位熱脫附技術、水泥窯共處置技術、原位氣相抽提技術、原位土壤淋洗技術、異位化學氧化技術、生物堆技術、焚燒技術、常溫熱解吸技術[11-15]。八種土壤有機物修復技術的簡介、技術成熟度、修復周期、成本、適用性及局限性等情況見表1。

表1 有機物污染土壤修復技術初篩表

2.3 確定修復技術篩選指標體系

污染地塊修復技術的篩選既要考慮地塊本身的條件，還要考慮修復技術自身的技術條件、經濟條件和環境條件等多個因素，每個因素又各自包含了多個指標，是一個多層次的決策分析問題，因此要構建一個多層次的修復技術篩選指標體系。本研究參考張倩等[16]研究并根據實際工作經驗建立3層有機物污染地塊修復技術指標體系，如圖3所示，第一層為目標層A，第二層為準則層B，B 層分為地塊條件（B1）、技術條件（B2）、經濟條件（B3）和環境條件（B4）4 個因素，第三層是指標層C，C 層分為16 項指標(C1～C16)。各指標通過評分法獲得各備選修復技術的評分參數(表2)。

表2 修復技術指標評價標準

圖3 污染地塊修復技術篩選指標體系

要全面、科學、準確地評價各污染地塊修復技術的基本特征和多要素之間的復雜關系，通過單一指標是難以實現的，需要使用多個相互關系、相互作用的評價指標。因此在AHP 法應用之前首先要構建修復技術篩選指標體系。本研究結合國內外修復技術篩選的成功案例[17]，從地塊條件(B1)、技術指標(B2)、經濟指標(B3)和環境指標(B4)四個方面選取了16 項指標，建立修復技術篩選的指標體系。

2.4 篩選指標權重確定方法

對于多方案的多屬性決策問題中指標權重的確定方法有多種，例如專家估測法、AHP法、二項系數法、環比評分法和成本效益分析法等[18]，其中，AHP 法是一種定性與定量相結合的決策分析方法，該方法是把復雜問題的各指標按相互間的從屬關系分解為若干個有序的遞階層次指標，在每層次各指標之間進行兩兩比較和計算，可得到不同指標的權重，對于解決多層次多目標的決策問題效果顯著，是目前應用最普遍的評價方法最為廣泛的決策分析法[19]。因此，本文采用AHP法計算各指標權重。AHP法的基本步驟[20]如下：

（1）根據以上建立的修復技術篩選指標體系，參考張倩等[16]并根據實際情況對同一層次的各指標對于上一層次某一準則的重要程度進行比較，構建出判斷矩陣，表示B層第i個指標和第j 個指標的相對重要程度，采用專家打分法確定，判斷結果以1～9 的標度進行量化，量化標度含義如表3所示。

表3 指標相對重要性量化標度

（2）首先將判斷矩陣A中的每一列進行歸一化：

（3）將歸一化處理后的矩陣再按行求和：

（4）將向量B=（B1，....，Bn）T歸一化處理，得到屬性權重向量：

（5）計算判斷矩陣最大特征值：

在計算出某一層（C層）各個指標的單排序權重后，用上一層（B 層）因素本身的權重加權綜合，即可計算出C層總排序權重。

（6）判斷矩陣的一致性檢驗：

①計算一致性指標（ConsistentIndex,簡稱CI）：

②查找相應的平均隨機一致性指標（Random Index，簡稱RI），對n=1，2…，參考Saaty[20]研究的RI值，見表4。由指標篩選體系，可知n=4，查得RI=0.90。

表4 平均隨機一致性指標對照表

③計算一致性比率（Consistence Rate，簡稱CR）：

當CR＜0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，那么判斷矩陣A的最大特征值對應的特征向量即為權向量。在多層次分層的情況下，用上一層（B層）因素本身的權重，對一致性指標CI 以及隨機一致性指標RI 進行加權求和，可得到總層次的CI值和RI值，進行總層次的一致性判斷。

2.5 修復技術評價及排序方法

為進一步篩選出最合適的土壤有機物污染修復技術，采用TOPSIS 法對污染地塊土壤修復技術進行科學評價和優劣性排序。具體步驟[21]如下。

（1）設多參數決策問題最初決策矩陣Y=｛yij｝，首先進行向量規范化處理，得到規范化決策矩陣Z=｛zij｝，公式：

（2）根據AHP 法計算得到的權重向量ω＝（ω1，ω2，...，ωn）T，構成加權規范矩陣X＝｛xij｝，公式：

（3）確定理想解xj*和負理想解xj0，I+表示效益型參數，I-表示成本型參數，公式為：

（4）計算各修復方法到理想解與負理想解的距離di*和di0：

（5）計算各修復方法的綜合評價指數Ci*：

（6）按Ci*從大到小排列各修復方法的優劣次序。Ci*值最大則對應的修復方法即為最佳修復技術。

3 案例研究

3.1 研究區基本情況介紹

選擇北方某工業地塊為研究對象，該企業主要從事堿性染料的生產，原輔料中用到氯仿作為原料，企業占地面積90 畝，地塊土壤調查期間共布設60個土壤采樣點位和15個地下水采樣點位，經監測分析得知，地塊內生產區表層和中層土壤污染物氯仿超過《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600-2018）第一類用地篩選值。污染區域面積6860m2，氯仿最大超標倍數為11.93倍，土壤污染最大深度為3.5m。該地塊未來規劃為住宅用地。

根據《建設用地土壤污染風險評估技術導則》（HJ25.3-2019）對污染地塊開展風險評估，經風評計算地塊內超標點位污染物氯仿致癌風 險 范 圍 為1.79E-06～2.40E-05，均 大 于1.00E-06，致癌風險不可接受，主要通過吸入室內空氣中來自下層土壤的氣態污染物影響人體健康。利用克里金插值法計算得到氯仿污染地塊需要修復的土壤方量約12978.99m3。

3.2 修復技術初步初篩

根據地塊基本情況和委托方對工期的要求，初步篩選重點關注異位土壤修復技術。本研究從常用的有機物污染地塊修復技術中篩選出5種：異位熱脫附技術（S1）、水泥窯共處置技術（S2）、異位化學氧化技術（S3）、焚燒技術（S4）和常溫熱解吸技術（S5）。根據已建立的篩選指標體系，對以上5種修復技術進行評分，結果見表5。

表5 初步篩選決策矩陣

按照向量規范化處理的方式對表5的初步篩選決策矩陣數據進行歸一化處理，得規范化決策矩陣，見表6。

表6 規范化決策矩陣

3.3 篩選指標權重確認

根據建立的篩選指標體系，通過資料收集[22,16]、專家打分、問卷調查等方式，對各指標的相對重要性作出判斷，結果以1～9的標度進行量化，再采用AHP 法進行計算，獲得各指標的權重（見表7）。

表7 各層指標權重計算結果

3.4 最佳修復技術確定

采用TOPSIS 法對各土壤修復技術進行評價及排序，通過表6 的規范化矩陣和表7 的總排序權重加權，根據TOPSIS 法計算得出各修復技術的最終評價及排序結果（見表8）。

表8 最終評價及排序結果

針對以上5 種有機物污染土壤修復技術，本地塊土壤修復技術優劣程度排序結果為S3＞S5＞S1＞S2＞S4，可見本地塊氯仿染污土壤最佳修復技術為S3 異位化學氧化修復技術。該污染地塊的修復單位亦采用異位化學氧化修復技術對該地塊開展土壤修復工作，與本研究篩選出的修復技術相同。本研究案例對有機物污染地塊修復技術系統、科學、準確的篩選具重要的指導意義。

4 結論

（1）本研究梳理了國內外常用的有機物污染地塊修復技術，提出了有機物污染地塊修復技術篩選的流程與方法，從地塊條件、技術條件、經濟條件和環境條件4個方面選取16項指標(C1～C16)，建立了有機物污染地塊修復技術篩選體系。

（2）利用AHP法和TOPSIS法相結合，科學準確的進行有機物污染地塊修復技術篩選和決策。

（3）依據建立的有機物污染地塊修復技術篩選流程和篩選指標體系，成功應用于北方某氯仿污染地塊修復技術的篩選，篩選出適合該地塊的土壤修復技術——異位化學氧化修復技術，為后續有機物污染土壤修復技術的篩選提供參考。