北京市污染場地土壤修復工程實證分析

孟 豪,梅丹兵,鄧璟菲,劉 鵬,董璟琦,,張紅振,,李香蘭*

北京市污染場地土壤修復工程實證分析

孟 豪1,梅丹兵2,鄧璟菲2,劉 鵬3,董璟琦2,3,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(tǒng)科學研究院,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)

為探究區(qū)域尺度污染土壤修復特征,以北京市2006～2021年51個污染場地修復工程為基礎,對修復技術與方量進行統(tǒng)計,利用物質流方法探究污染土壤與污染物通量及歸趨,并以因子法估算修復行為產(chǎn)生的碳排放.結果表明:北京市2006～2021年修復污染土壤819.18萬m3,其中有機、復合、無機污染土壤分別占88.13%、10.23%和1.64%;修復技術以異位為主,方量占82.92%;修復后土壤去向主要為異地填埋(46.02%)和資源化利用(35.18%),而原位修復(15.25%)、風險管控(1.83%)以及原場回填(1.72%)占比較小;修復6類特征污染物共計9943.70t,其中苯系物239.89t、氯代烴1502.12t、多環(huán)芳烴510.36t、石油烴4908.52t、重金屬2768.33t、農藥類14.48t;修復行為排放CO258.34萬t,排放強度逐步下降.建議1)保障修復效果前提下,優(yōu)先低碳修復技術及資源化利用模式;2)減少區(qū)域土壤修復特征污染物的擾動和輸送通量,降低能源、材料等投入消耗;3)精細構建區(qū)域場地修復可持續(xù)度評估方法,構建土壤資源永續(xù)利用的強可持續(xù)修復管理模式.

土壤污染；通量分析；特征污染物；區(qū)域修復；資源化利用

隨著土壤污染以及氣候變化等問題的加劇,越來越多的研究開始在可持續(xù)發(fā)展框架下尋找解決路徑[1].污染場地修復可以降低土壤污染風險,使廢棄場地得以重新開發(fā),是保障土壤環(huán)境可持續(xù)管理的重要組成部分[2].近年來,相關研究發(fā)現(xiàn)污染場地修復的生態(tài)環(huán)境效應并不總是正面的,修復產(chǎn)生的社會綜合效益有時會被過程中的二次污染影響所抵消.因此對區(qū)域尺度的修復行為進行回顧性分析和評價顯得極為重要[3-5].

國外針對區(qū)域污染土壤修復已發(fā)展出較為成熟的評估理論和技術方法,瑞士與芬蘭先后采用土壤流與污染物流的分析手段對區(qū)域修復的可持續(xù)度進行初步分析,其中瑞士異位處置的70800t污染土中有49%被外運填埋,近38%進行資源再利用;芬蘭污染土仍以異位填埋為主,異位處置不僅造成土壤資源的損失,同時在運輸過程中帶來更多的二次環(huán)境影響[4,6].美國對區(qū)域尺度的修復碳排放進行了初步測算,其中舊金山因場地修復造成了354萬t CO2的排放,新澤西州某修復場地如采用清挖異位處置,預計產(chǎn)生270萬t CO2,將占到該州全年CO2排放總量的2%[7-9].喬斐等[10]對全國2018～2021年496個污染地塊進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)復合污染場地占比最大,VOCs、SVOCs、重金屬以及多環(huán)芳烴,在不同深度、不同巖性的地層中具有較為明顯的差異,并結合行業(yè)特征建議化工類地塊關注鹵代烴和苯系物而塑料制品業(yè)則需關注多環(huán)芳烴的修復.馬妍等[11]對北京市2015年之前開展修復的26個污染場地進行了分析,主要針對不同修復技術處置方量以及修復資金來源進行統(tǒng)計分析,結果表明常溫解析與熱脫附修復技術在北京應用較廣;于靖靖等[12]針對全國2011～2021年期間573個污染場地進行研究,不僅揭示污染場地修復進程存在較大的區(qū)域差異,而且提出苯系物、多環(huán)芳烴類和總石油烴等典型污染較為普遍.

當前,我國修復場地常作為獨立地塊進行管理,多數(shù)研究聚焦在修復場地,而區(qū)域尺度的研究也限于修復技術與修復污染物類型,針對修復環(huán)境影響的關注與系統(tǒng)性分析相對較少.開展區(qū)域場地修復特征、污染土歸趨、修復技術演變以及碳排放變化研究,對加強我國土壤修復綜合管理、推動區(qū)域修復綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

北京具有開展修復時間早、修復工程數(shù)量多等特點,是我國修復特征較為典型的城市之一[11-17].以北京市2006～2021年開展修復的51個場地為研究對象,分析污染介質與6類特征污染因子(苯系物類、多環(huán)芳烴類、氯代烴類、有機農藥類、石油烴類、重金屬類)的流動特征以及通量,探討北京區(qū)域修復場地特征、修復技術以及二氧化碳排放變化趨勢,以期為區(qū)域層面的污染場地管理提供數(shù)據(jù)支撐.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集整理了北京市2006～2021年完成的51個污染場地修復資料信息(圖1),案例數(shù)據(jù)主要來源于①污染場地調查報告、風險評估報告、修復施工方案、環(huán)境監(jiān)理報告以及修復效果評估報告等,②相關修復企業(yè)提供的修復市場調研數(shù)據(jù)及項目清單,③各招標網(wǎng)站發(fā)布的修復項目中標公告(http://www.qianlima.com,https://www.bidnews.cn).

圖1 北京市51個污染場地分布(2006～2021年)

1.2 物質流分析法

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圖,各環(huán)節(jié)污染因子通量采用以下公式計算[6]:

q=v··c/1000000 (1)

式中:q為單一污染場地修復過程到的特征污染因子通量,t;v是修復過程到污染土壤的方量, m3;是土壤容重,取值1.8t/m3;是相應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為所有修復場地中該因子通量q的總和,其中代表第個修復場地,計算公式如下:

F,j=Sq,j,k(2)

1.3 碳排放因子法

二氧化碳排放量采用以修復技術為基礎的估算方法,通過各類修復技術產(chǎn)生的碳排放量累加,初步估算得到區(qū)域修復碳排放量,計算公式:

CO2=SXY(3)

式中:CO2為二氧化碳排放當量,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,其主要與修復技術的全生命周期碳排放總量以及該技術修復的方量有關,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 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,利用OriginPro 8.5軟件(Origin Lab Corporation, USA)和e!Sankey pro V5.1(ifu Hamburg GmbH, Germany)對污染土與特征污染物進行流動分析,并繪制桑基圖.

2 結果與討論

2.1 區(qū)域污染場地特征

統(tǒng)計結果表明,北京市污染場地修復工程分布主要集中在石景山區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū),占統(tǒng)計總數(shù)的70%,其余工程零星分布在北京各區(qū),而密云區(qū)等遠郊區(qū)未有修復工程記錄,這與北京市歷史產(chǎn)業(yè)結構的分布和發(fā)展密切相關,如北京化工廠、焦化廠與首都鋼鐵廠等支柱企業(yè)的停產(chǎn)搬遷[18].

2006～2021年北京市修復污染土壤共計819.18萬m3,相較于上海、江蘇、湖北、重慶等地,修復體量位居第一[16].逐年修復量隨時間變化呈倒U形(圖2),其中峰值處于2011～2013年,占修復總量的65.80%.年均啟動場地修復3.19個,處理污染土壤51.20萬m3.

圖2 北京2006～2021年污染土壤修復量及變化趨勢

2.2 物質流特征

在土壤污染類型方面(圖3),呈有機污染為主、復合污染為輔的特征,兩類污染土壤約占修復總量的98.36%,而無機污染修復量僅占1.64%.最終土壤去向統(tǒng)計結果表明,修復后的土壤仍以異位消納為主,其中異地填埋量占比近一半(46.02%),其次為資源化利用(35.18%).15.25%的污染土進行原位修復,1.83%的污染土采用風險管控方式,1.72%的污染土經(jīng)異位修復達標后原場回填.資源化利用主要涵蓋水泥生產(chǎn)、路基墊土以及建筑材料等,分別占修復總量的10.55%、23.90%和0.73%.而異地填埋中,有9.77%的污染土采用外省填埋方式.

圖3 北京2006～2021年污染土壤物質流

統(tǒng)計結果顯示(圖4), 2006～2021年北京修復污染物共計9943.70t,其中苯系物類239.89t、氯代烴類1502.12t、多環(huán)芳烴類510.36t、石油烴類4908.52t、重金屬類2768.33t、有機農藥類14.48t.

約有56.32%的苯系物采取風險管控措施(圖4(a)),12.81%進行原位修復,30.87%進行異位修復,其中除3.88%經(jīng)修復回填外其余26.99%送往水泥窯或經(jīng)異位修復后鋪路墊土.氯代烴類(圖4(b))主要流向為填埋場,占比約為77.58%,僅22.16%實現(xiàn)資源化利用.多環(huán)芳烴類(圖4(c))填埋場處置量(45.35%)與資源化利用量(46.80%)占比相近,而原位修復或異位修復后原場回填占比較小.石油烴類(圖4(d))以原位修復為主,約占84.37%,填埋與資源化利用量均相對較小,僅占4.14%和11.49%;重金屬類(圖4(e))污染物78.77%未經(jīng)處置直接運往填埋場進行填埋,18.01%送至水泥窯進行資源化利用;有機農藥類(圖4(f))通過水泥窯處置進行資源化利用率高達83.67%,其余送至填埋場.

總體而言,過去16年來,納入統(tǒng)計的北京市51個污染場地中,石油烴與苯系物類污染物主要采用原位修復或風險管控方式處置,氯代烴與重金屬類多數(shù)經(jīng)異位修復后運至填埋場填埋,而有機農藥類和多環(huán)芳烴類主要采取資源化利用方式.

圖4 北京市2006～2021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

2.3 修復技術應用

針對北京市污染場地修復技術應用情況統(tǒng)計結果顯示,2006～2021年全市51個場地共修復819.18萬m3受污染土壤,其中異位修復技術應用較廣,修復方量占比高達82.92%,而原位修復量僅為15.25%,風險管控土壤方量占1.83%.北京市污染場地修復大致經(jīng)歷三個階段(圖5):修復初期(2006～2009年)、修復中期(2010～2017年)與修復后期(2018～2021年).修復初期受限于修復技術與場地自身使用功能需求,為達到短期內清除場地本身污染的目的,全部采用異位修復方式,僅水泥窯協(xié)同處置技術應用占比高達80%以上.在修復中期,針對有機污染物的原位化學氧化技術開始應用,但總體項目數(shù)量較少,整體仍以異位修復為主,治理后大部分進行資源化消納.修復后期,隨著修復技術裝備的不斷發(fā)展,原位技術應用占比明顯提升,且技術種類更為多元,同時風險管控技術開始應用,土壤除原場回填外,幾乎全部實現(xiàn)資源化利用.北京市污染場地修復技術應用從異位到原位再到風險管控技術的發(fā)展,與歐美等發(fā)達國家修復技術應用演變規(guī)律呈現(xiàn)出高度一致性[39],并帶動了我國整體修復技術發(fā)展.

圖5 北京市不同時期污染場地修復技術應用演變情況

異位填埋為北京市污染土壤最主要的修復技術,與瑞士、芬蘭等歐洲國家早期處置土壤方式類似,其原因主要基于早期修復技術的缺乏,以及異位填埋修復周期短、成本效益高等優(yōu)勢[4,6].有學者認為該技術只是將污染土進行了異地轉移,在污染物永久消除和土壤資源可利用性方面未體現(xiàn)出凈效益[18],同時產(chǎn)生較高的環(huán)境足跡[31];在北京市土壤修復后期,受污染土壤修復后的異地填埋量有了明顯下降.水泥窯協(xié)同處置技術在北京三個修復時期均有廣泛使用,該技術不僅具有修復徹底、周期短等特點,而且滿足污染土的無害化與資源化,一直是北京市污染場地修復的主要技術之一[40].根據(jù)特征污染物流分析結果,過去16年中北京近20 %的重金屬通過水泥窯協(xié)同技術進行處置,而一些學者對該項技術處理重金屬的長期有效性存懷疑態(tài)度,認為此項技術容易造成污染物的轉移和擴散[41].

2.4 修復碳足跡

修復行為通常會產(chǎn)生一定的二次環(huán)境影響,造成資源消耗以及污染排放,排放影響的范圍通常超出城市尺度[42].經(jīng)測算, 51個修復場地約排放58.34萬t CO2,修復中期達到修復活動碳排放峰值,后整體呈現(xiàn)下降趨勢.其中修復初期處置污染土壤方量較小但采用的異位修復技術,如清挖填埋、水泥窯協(xié)同處置,均具有較大的碳足跡[4,31],致使期間碳排放強度最大;修復中期進入了北京市場地修復的主體時期,約78%的污染土在此期間完成修復,同時也造成了約82%的二氧化碳排放,由于原位修復技術的應用,修復產(chǎn)生的碳足跡有了一定減小,使得此期間年均碳排放強度下降.修復后期隨著北京市污染土壤存量的減小以及原位修復技術的普及化和多元化,使得碳排放強度進一步下降.隨著風險管控技術的推廣以及原修復技術和設備的低碳優(yōu)化,后期北京市碳排放強度仍有下降空間.

圖6 北京市不同時期修復活動碳排放總量與強度趨勢

2.5 不確定性分析

研究數(shù)據(jù)從有資料年份起至2021年,共計16年,統(tǒng)計了51個場地修復相關信息.從樣本量方面,由于污染場地修復資料較為敏感,且獲取來源有限,造成場地統(tǒng)計疏漏使樣本數(shù)量以及修復方量存在不確定性.評估時間方面,由于修復工程可能跨年度實施,為避免重復統(tǒng)計,限定以修復啟動年份作案例統(tǒng)計,這與真實案例跨年度修復的情況存在不一致,同時導致碳排放值在時間序列上被就近分配.在歸一化碳排放因子比選方面,由于缺乏相應的研究數(shù)據(jù),通過文獻調研,選擇了國內外較為相似的修復案例排放強度因子作為經(jīng)驗計算值.但由于不同案例核算邊界、核算方法以及工程實際情況不同,同一修復技術碳排放因子實際變化范圍較大,致使計算結果存在一定偏差,其中異位氣相抽提碳排放因子過大,因此對該技術碳排放因子采用了專家賦值.

3 結論

3.1 北京市逐年修復方量隨時間變化呈倒U形,峰值處于2011～2013年,共計修復污染土819.18萬m3,其中有機污染土、復合污染土和無機污染土分別為721.94萬m3、83.80萬m3和13.44萬m3.修復六類特征污染物約9943.70t.

3.2 北京市污染土去向統(tǒng)計中表明,異位填埋占比46.02%,資源化利用占比35.18%,原位修復、風險管控以及回填量合計約18.80%.資源化利用主要涵蓋水泥生產(chǎn)、路基墊土以及建筑材料等,分別占修復總量的10.55%、23.90和0.73%.石油烴與苯系物類污染物主要采用原位修復或風險管控方式處置,氯代烴與重金屬類多數(shù)經(jīng)異位修復后運至填埋場填埋,有機農藥類和多環(huán)芳烴類主要采取資源化利用方式.

3.3 北京市修復技術應用主要以異位技術為主,異位修復方量占比達82.92%,而原位修復量與風險管控量僅占15.25%和1.83%.時間特征上,修復初期完全采用異位處置,中期呈現(xiàn)異位為主、原位為輔特征,修復后期原位修復技術占比明顯上升且種類多元,風險管控技術得以應用.

3.4 初步測算過去16年北京市因場地修復共計排放CO258.34萬t,并于修復中期進入修復領域碳排放峰值,后整體呈現(xiàn)下降趨勢.修復單位方量污染土壤的碳排放強度在三個階段持續(xù)下降,分別為0.08、0.07和0.05t/m3.

4 對后修復時期區(qū)域管理的啟示

當前,北京市已處于區(qū)域修復強度總體較弱的后修復時代,如何落實統(tǒng)籌調控、實現(xiàn)精準管理是這一時期區(qū)域場地管理面臨的重要需求之一.

4.1 在保障修復效果的同時,優(yōu)先選擇碳排放因子較低的技術方法,進一步提升原位修復技術與風險管控技術占比;在污染土去向上,縮減異位填埋比例,推行相關政策鼓勵修復后土壤進行資源化利用或回填,從而最大化土壤再利用價值.

4.2 北京市高強度土壤修復活動主要集中在2010～2018年之間,全市土壤修復行業(yè)碳排放在達峰后已進入了類似發(fā)達國家的后修復時代.在后續(xù)少量的土壤修復工程實施過程中,應進一步落實減污降碳的總要求,減少區(qū)域土壤修復特征污染物的擾動和輸送通量,降低能源、材料等投入消耗.

4.3 北京市已經(jīng)完成的修復工程主要集中在城六區(qū),預計在城郊大興、通州、昌平等社會經(jīng)濟高速發(fā)展和土地供應需求迫切的區(qū)域仍會有土壤修復活動發(fā)生.建議在本研究的基礎上,進一步納入修復活動對區(qū)域環(huán)境、社會和經(jīng)濟影響指標,精細構建區(qū)域場地修復可持續(xù)度評估方法,修復后土壤盡可能在本地區(qū)或原場地進行資源化利用和消納處置,避免長距離運輸導致的二次污染風險、降低碳足跡.探索構建一套基于土壤資源永續(xù)利用的強可持續(xù)修復管理模式.

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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 on soil remediation constructions of contaminated sites in Beijing.

MENG Hao1, MEI Dan-bing2, DENG Jing-fei2, LIU Peng3, DONG Jing-qi2,3, 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 10012, China；3.National Engineering Laboratory for Site Remediation Technologies, Beijing 100015)., 2023,43(2)：764～771

In order to identify the remediation characteristics of contaminated soil at regional scales, the remediation technologies and volumes based on 51remediation sites in Beijing from 2006 to 2021 were statistically analyzed. The material flow method was used to explore the flux and trend of contaminated soil and contaminants, and the factor method was used to estimate the carbon emissions generated by remediation behaviours. The results showed that the remediation volume of contaminated soil in Beijing during the past 16years was 8.1918 million m3, of which 88.13%, 10.23% and 1.64% were organic, organic-inorganic composite and inorganic contaminated soil, respectively. The remediation technologies used were mainly ex-situ, accounting for 82.92% of the total remediated soil volume. The main destinations of remediated soil were landfill (46.02%) and resource utilization (35.18%), while in-situ remediation (15.25%), risk control (1.83%) and backfilling (1.72%) were relatively minor. A total of 9943.70t of 6types of characteristic contaminants were treated, including 239.89t of benzene series, 1502.12t of chlorinated hydrocarbons, 510.36t of polycyclic aromatic hydrocarbons, 4908.52t of petroleum hydrocarbons, 2768.33t of heavy metals and 14.48t of pesticides. The total amount of CO2emitted by the remediation was 583400 tons, and the emission intensity gradually decreased. It is suggested that, firstly, give priority to low-carbon remediation technologies and resource utilization models; secondly, reduce the disturbance and transportation flux of characteristic contaminants remediated in regional scales, and reduce the input consumption of energy and materials; thirdly, elaborate the sustainable degree assessment method of regional contaminated sites remediation, and build a strong management model for sustainable use of soil resources.

soil pollution；flux analysis；characteristic contaminants；regional remediation；resource utilization

X53

A

1000-6923(2023)02-0764-08

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(xù)修復研究.

2022-07-04

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

* 責任作者, 副教授, xlli@bnu.edu.cn