基于土壤氣的場地VOCs污染刻畫及風險評估

郝辰宇,鐘茂生,姜 林,李吉鴻,馬 琳,汪 洋

基于土壤氣的場地VOCs污染刻畫及風險評估

郝辰宇,鐘茂生,姜 林*,李吉鴻,馬 琳,汪 洋

(北京市生態環境保護科學研究院,國家城市環境污染控制工程技術研究中心,污染場地風險模擬與修復北京市重點實驗室,北京 100037)

在某場地苯重點污染區布置10個鉆孔,按規范采集檢測了63對土壤-土壤氣樣品,基于土壤和土壤氣VOCs濃度分別刻畫了場地污染并評估了風險.結果顯示,土壤采樣和土壤氣采樣兩種方法揭露的污染垂向分布特征基本一致,10個鉆孔中采集的土壤氣樣品均存在一定程度超標,超過土壤氣篩選值1.242mg/m3的樣品比例為35%,最大超標1000倍,但僅3個鉆孔中采集的土壤樣品存在超標,超過土壤篩選值1mg/kg的樣品比例為5%,最大超標30倍.可見,僅檢測土壤樣品可能低估場地中VOCs的污染范圍和程度,在以砂土為主的場地尤為明顯.采用線性分配模型基于土壤中苯檢出濃度預測的健康風險較基于實測土壤氣中苯濃度預測的風險總體高約1個數量級,因為“老化”、“鎖定”等環境行為導致實際污染場地中VOCs在土壤固-液-氣間的分配并不完全遵循瞬間平衡分配原理,線性平衡分配模型預測的土壤氣濃度顯著高于實測值.此外,不考慮苯系物這類易生物降解的VOCs在傳輸過程中的生物降解過程可導致場地實際健康風險被高估至少2個數量級,評估結論會發生本質的變化.因此,我國應盡快啟動基于土壤氣的VOCs場地調查與風險評估技術方法的系統研究及相關標準規范的制定,為場地環境管理提供科學支撐.

土壤氣；揮發性有機物；污染刻畫；蒸氣入侵風險

據估計中國污染場地數量可能超過100萬塊[1],其中揮發性有機物(VOCs)在污染場地中普遍存在,檢出率超過50%[2-3].相比重金屬和半揮發性有機物(SVOCs),VOCs具有更強的揮發性及遷移性,可通過擴散或對流經建筑物地板裂隙等通道進入室內對人體健康造成危害,即蒸氣入侵[4-7].因VOCs易揮發及場地非均質性等特征,場地中VOCs污染刻畫和風險評估存在較大不確定性.如常州常隆化工廠場地對其周邊常州外國語學校學生健康的影響,西南某化工場地修復后開發的新建住宅室內空氣質量超標等事件,均可能與場地中VOCs污染調查和風險評估方法不當有關.因此,如何開展場地VOCs污染調查及精準預測場地再開發利用后的健康風險是我國目前面臨的重大挑戰[4].

美國環保署(US EPA)1989年首次發布的場地風險評估技術導則,推薦了基于土壤VOCs濃度的Hwang and Falco模型評估蒸氣入侵風險[8-9].1996年USEPA[10]采用了簡化的Jury模型替代了Hwang and Falco[11],但這些模型并未考慮VOCs侵入建筑物的過程.1991年Johnson-Ettinger提出了基于土壤氣VOCs濃度并考慮VOCs在包氣帶擴散遷移和經由建筑物裂縫的擴散與對流侵入室內的蒸氣入侵評估模型[12],但該模型并不適用于當時基于土壤VOCs含量的場地污染調查技術體系.1999年Park提出了土壤VOCs線性三相分配模型[13],并嵌入Johnson-Ettinger模型,實現了通過線性分配模型將土壤VOCs含量轉換成土壤氣VOCs濃度,然后應用Johnson-Ettinger模型計算蒸氣入侵風險的評價方法.該方法隨后被各國廣泛應用[7,14-16].我國發布的場地調查與評估導則[15]主要也采用了該方法.但研究表明,基于土壤VOCs含量的場地污染刻畫和風險評估方法存在較大的不確定性[4,14-20].2000年后, US EPA開始推薦基于土壤氣的場地VOCs污染刻畫,逐步建立了以土壤氣及人居暴露環境監測為核心的多證據調查與風險評估方法體系[15-22],但相關技術導則直到2015年才正式發布[5-6].美國蒸氣入侵主要調查評估場地土壤或地下水中VOCs對污染區及周邊已建成建筑中活動人群的健康危害.然而,與歐美國家不同,中國大量污染場地僅完成了用地功能置換,處于待開發狀態,難以建立基于建筑物底板下實測土壤氣及人居環境空氣的多證據調查評估技術體系.因此,模型預測是中國VOCs場地風險評估的重要工具[4].針對我國導則推薦方法存在的問題,本文對比了基于土壤和土壤氣中VOCs檢測結果刻畫的場地污染狀況的差異,分析了基于土壤和土壤氣中苯檢測結果計算場地風險對評估結果的影響,討論了中國VOCs污染場地調查與風險評估存在的主要問題,提出了下一步的研究建議,以期為我國場地調查評估技術規范的修訂提供支撐.

1 方法與材料

1.1 樣品采集與檢測

圖1 采樣點分布及典型的水文地質剖面

案例場地占地約0.09km2,1979～2014年主要生產各種型號瀝青混合料,原輔材料包括瀝青、重油、柴油、導熱油、砂石料、礦粉、改性劑和乳化劑等.在重點污染設施儲罐區布設了10個鉆孔(圖1(a)),結合地層結構及現場便攜式光離子檢測器(PID)的測試結果,通過重力沖擊鉆在每個鉆孔不同深度采集5～7個土壤樣品(圖1(b)),同時在各土壤采樣位置布設土壤氣采樣探頭采集對應位置的土壤氣樣品,共采集63對土壤和土壤氣成對樣品.其中,土壤樣品按《建設用地土壤污染狀況調查與風險評估技術導則》(DB11/T 656-2019)[23]中的要求采集,苯含量采用US EPA 8260C進行測定.土壤氣按《污染場地揮發性有機物調查與風險評估技術導則》(DB1278- 2015)[24]中的要求采集,采樣體積約1L,苯濃度采用HJ644-2013[25]進行測定.

案例場地地下水埋深約24m,包氣帶土壤以中粗砂夾卵石為主,但在12～16m范圍內分布有一層粉土和細砂層(圖1(b)).

1.2 基于土壤濃度的風險評估

《建設用地土壤污染風險評估技術導則》(HJ25.3-2019)[15]基于土壤中VOCs含量預測建筑物室內呼吸暴露風險的模型,假設污染區土壤固相、液相及氣相中VOCs相間分配處于線性平衡,從而推導對應土壤采樣點周邊土壤氣中VOCs濃度[15].吸入室內空氣來自下層土壤中氣態污染物的致癌風險RIsub-s采用HJ25.3-2019的模型計算,如式(1)所示[15]:

式中:揮發因子VFsub-soil及暴露因子ExpF分別采用式(2)和式(3)計算[15]:

(2)

1.3 基于土壤氣濃度的風險評估

采用Johnson等在1991年提出以實測土壤氣濃度預測VOCs侵入建筑物室內造成的健康風險的評估模型[12].揮發因子VFsub-sg可用式(8)計算[12]:

因此,基于實測土壤氣濃度的致癌風險RIsub-sg可用式(9)計算:

以上模型中參數的定義及取值見表1.

表1 參數定義及取值

2 結果與討論

2.1 場地污染刻畫

2.1.1 VOCs濃度及空間分布 檢測結果統計顯示(表2),研究區土樣中苯檢出率17.2%,但僅4.7%的樣品苯含量超過了《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600-2018)[26]中居住用地篩選值1mg/kg.土壤氣樣品中苯檢出率54.7%,遠高于土壤中苯檢出率,且34.4%的樣品中苯濃度超過了《污染場地揮發性有機物調查與風險評估技術導則》(DB11/T 1278-2015)[24]中居住用地情景下土壤氣中苯篩選值1.242mg/m3.

表2 樣品苯檢測結果統計

濃度垂向分布特征顯示(圖2(a)),研究區淺層土壤受污染較輕,0～12m深度內采集的30個土樣中苯含量均低于檢出限0.05mg/kg.深度12m以下土壤中苯檢出率33.3%,最大值30.70mg/kg,平均值3.67mg/kg,主要集中在12～16m的粉土層, 16m以下土樣中苯基本未檢出.此深度范圍內3個土樣中苯含量超過篩選值,涉及S8～S10號鉆孔.含量最高的樣品出現在S10,超標29.7倍,該點臨近場地歷史生產過程中重油儲罐區域中心位置,樣品深度12.5m,S8位于場地儲罐區域的西北側,超標樣品深度15.4m.因此,這兩個點位超標可能是由于儲罐或這一區域的地下連接管線泄漏所致.S9位于儲罐區域北側邊界處,超標樣品深度13.5m,推測其超標原因可能是場地12～16m深度范圍的粉土層在場地內不連續,歷史上場地所在區域地下水水位高過12～16m位置的粉土層,儲罐區污染物滲漏進入地下水后隨地下水遷移至S9所在區域,導致地下水水位下降后污染物依然被粉土層吸附而出現超標.

土壤氣中苯濃度垂向分布特征和土壤基本一致(圖2(b)),0～9m土壤氣中苯基本未檢出,9～16m土壤氣中苯濃度0.14～794.94mg/m3,平均濃度 112.2mg/m3,呈隨深度增加濃度總體升高的趨勢,檢出濃度較高的土壤氣樣品主要集中在16m附近的粉土層.與土壤樣品檢測結果相比,9～12m土壤氣樣品苯檢出率較高,可能是12m之下土壤氣中苯垂直向上遷移所致.16m以下土壤氣中苯濃度0.09～ 1179.37mg/m3, 平均濃度 93.8mg/m3,總體隨深度增加濃度呈降低趨勢,但這一深度范圍內土壤苯基本未檢出,可能是滲漏初期污染主要集中在12～16m粉土層,土壤氣中苯在濃度梯度驅動下向下傳輸導致污染物在16m以下的砂土層中逐步富集.滲漏污染切斷后,賦存在粉土層中的苯逐步被生物降解而濃度降低,但16m以下的砂土層因微生物活性較低,污染物一直維持在較高濃度.

對比顯示,研究區域34.4%的土壤氣樣品中苯濃度超過了居住用地篩選值,最大超標約948.6倍,顯著高于土壤樣品的最大超標倍數.此外,10個鉆孔在16m附近均存在超標的土壤氣樣品,揭露的污染范圍明顯大于利用土壤超標點刻畫的污染范圍.因此, 相比于目前國內推薦的基于土壤含量調查的方法,基于場地土壤氣濃度的調查方法可更加靈敏的反應場地污染狀況,這一結論和Zhang等[27-28]的研究類似.

2.1.2 土壤VOCs采樣檢測的不確定性 成對土壤-土壤氣樣品中苯檢測結果分析顯示(圖3),土壤中苯檢出且含量超過篩選值的樣品主要為粉土,但不同土質周圍的土壤氣樣品中均檢出苯.其中,粗砂層土壤氣平均濃度3.7mg/m3,最高51.9mg/m3.細砂層土壤氣平均濃度86.3mg/m3,最高1179.4mg/m3.粉土土壤氣平均濃度83.0mg/m3,最高794.9mg/m3.可見,土壤氣中苯雖然主要賦存在細砂和粉土層,但部分粗砂層土壤氣中苯也有檢出.以S2和S4號鉆孔為例,由圖2可知,這兩個鉆孔主要污染深度12～20m范圍內土壤中苯含量均低于檢出限0.05mg/kg,但同一采樣位置土壤氣中苯濃度為1.36～27.23mg/m3,高于檢出限27～544倍.此外,S10號鉆孔在18.5m處的土壤中苯未檢出,但對應位置土壤氣中苯濃度高達1179.4mg/m3,兩者揭露的污染水平差異顯著.結合土壤質地分析發現,土壤中苯未檢出但土壤氣中苯檢出的樣品均為細砂或粗砂,因此進一步對所有土壤和土壤氣成對樣品檢測結果進行分析顯示,土壤和土壤氣中苯均有檢出的樣品主要為粉土,而土壤氣中苯有檢出但土壤中苯未檢出的樣品主要為細砂和粗砂.造成上述現象的原因主要包括:(1)細砂和粗砂孔隙度相對較大,有機質含量低,土壤氣相中污染含量相對較高,即便按規范采用了低擾動鉆探采樣技術,但在實際采樣過程中土壤孔隙氣體中的污染物更容易逃逸[27-30]; (2)土壤樣品檢測結果一般只代表采樣點的濃度,但研究發現,場地土壤的異質性導致污染物濃度往往在dm級范圍內可相差數個數量級,非連續的土壤采樣可能會錯過高值點[29],土壤氣樣品檢測結果代表的是采樣點一定范圍內土壤氣中污染物的平均濃度,因此,受異質性影響相對較小;(3)分配模型計算顯示,當土壤中苯含量達到檢出限0.05mg/kg時對應土壤氣中苯濃度可達10mg/m3,高于土壤氣檢出限0.05mg/m3的200倍.綜上,由于土壤采樣過程中的逃逸、土壤污染分布異質性以及檢出限的靈敏性,無論水平分布還是垂向分布,基于土壤氣苯濃度刻畫的檢出范圍、超標程度和超標范圍都大于基于土壤苯含量刻畫的結果.因此,目前國內基于土壤中VOCs濃度的場地調查技術可能會低估場地VOCs的污染水平,特別是以砂土為主的污染場地,僅采集分析土壤樣品中的VOCs含量存在不能客觀的反應場地VOCs實際污染狀況的風險.

圖3 不同土質土壤和土壤氣中苯濃度

2.2 健康風險評估

2.2.1 基于土壤和土壤氣VOCs的風險比較 案例場地未來將作為居住用地開發.因土壤和土壤氣中苯主要在地面以下12～20m中的土層中檢出,因此選定距地表12～20m的污染土層作為蒸氣入侵的污染源,其頂部埋深設置為12m.考慮到未來建筑地下室層高2.2m,建筑物底板厚度0.35m,則污染源頂部距未來建筑底板的距離為9.35m.污染源強度采用各鉆孔12～20m深度范圍內樣品的最高濃度.除鉆孔S2和S4因土壤中苯均未檢出未計算健康風險外,對其余8個鉆孔分別基于土壤和土壤氣中苯檢測結果計算風險并進行比較.

結果顯示,按照導則HJ25.3-2019中基于土壤苯含量計算的致癌風險為2.6×10?7～4.7×10?5,平均風險8.0×10-6,除S1號鉆孔外,其余7個鉆孔的風險均超過了可接受水平10-6.基于實測土壤氣中苯濃度計算的健康風險為1.8×10?8～9.4×10?6,平均風險2.1×10-6,僅S6,S8,S9和S10這4個鉆孔的風險值超過了可接受水平10-6.對比顯示(圖4),同一點位基于土壤苯含量預測的健康風險基本高于基于實測土壤氣中苯濃度的預測結果,其差別總體在1個數量級以內,但最高可達64.7倍.

圖4 基于土壤和土壤氣濃度的風險比較

如圖4所示,盡管土壤鉆探采樣過程存在的污染物逃逸可能導致場地污染水平被低估,但采用導則基于土壤中苯含量的預測模型進行健康風險評估依然可能高估風險.對比各鉆孔土壤苯含量最高的樣品對應位置實測土壤氣中苯濃度與采用導則模型基于土壤中苯含量預測的土壤氣苯濃度的結果顯示(圖5),基于土壤中苯含量預測的對應位置土壤氣中苯濃度是實測值的0.9～64.7倍,平均12倍.原因是導則中的風險評估方法假設VOCs在土壤固-液-氣三相間始終保持線性平衡分配狀態,因此推薦采用線性分配模型基于土壤VOCs含量預測對應采樣位置土壤氣中VOCs濃度.但研究表明VOCs在土壤中的相間分配屬于非線性平衡[31-34],部分VOCs會被老化鎖定在土壤有機質中,解吸速率降低,甚至難以解吸,因此導則中推薦的線性瞬間平衡分配模型的計算結果通常高于實測結果[35-36],最終造成基于土壤中VOCs含量預測的蒸氣入侵風險通常過于保守,進一步增加了僅采集檢測土壤中VOCs含量的場地調查與風險評估方法的不確定性.針對目前采用線性平衡分配模型基于土壤中VOCs含量評估健康風險存在的問題,Zhang等[27,37]開發了耦合非線性和氣-固界面吸附過程的相間分配模型,Man等[38]開發了融合更多土壤理化參數的機器學習算法,均可在一定程度上提高土壤氣中VOCs濃度的預測精度,但與實測土壤氣濃度仍存在一定差異.

圖5 模型預測與實測土壤氣苯濃度對比

2.2.2 土壤氣傳輸過程生物降解對風險的影響 好氧環境下苯系物易被微生物降解[39],但現有國家導則推薦的基于土壤VOCs含量的風險預測方法未考慮VOCs在土層傳輸過程中的生物降解.研究區土壤氣中苯濃度垂向分布特征顯示(圖2(b)),土壤氣中苯自16m遷移至12m的過程中濃度顯著下降,存在生物降解的可能.采用Pasteris等[40]的方法對各鉆孔土壤氣中苯濃度分布擬合求取苯垂向遷移過程中的表觀一級生物降解系數,結果顯示(圖6),其幾何均值為0.0013h-1(0.0001～0.029h-1),低于DeVaull等[41]報道的0.79h-1(0.06～11h-1)約2個數量級,可能是因為研究區以砂質粉土為主,微生物數量較低.

進一步采用Yao等[42]開發的耦合生物降解過程的PVI-2D模型計算每個鉆孔考慮苯垂向遷移時微生物等降解過程的蒸氣入侵風險,結果顯示(圖7)考慮生物降解后苯的健康風險進一步降低至5.5×10-32～5.6×10-9(平均值6.2×10-10),均遠低于可接受致癌風險水平1×10-6,也低于未考慮生物降解時的健康風險2～26個數量級.因此,如考慮生物降解,案例場地無需采取相應的風險管控或治理修復,與不考慮生物降解情形下的評估結論有本質區別.可見,目前我國關于蒸氣入侵風險預測模型中針對苯系物等易生物降解的VOCs不考慮其微生物降解將嚴重高估場地的實際風險,造成管理決策保守.

圖6 生物降解系數擬合

圖7 生物降解對風險計算結果的影響

3 結論

3.1 僅采集檢測土壤不能精準刻畫場地中VOCs污染程度及空間分布,可能低估風險,以砂土為主的場地這一問題尤為突出,監測土壤氣能很好的解決這一問題.

3.2 采用線性平衡分配模型基于土壤VOCs含量預測土壤氣VOCs濃度的風險評估方法可能高估室內蒸氣入侵風險,基于實測土壤氣中VOCs濃度的風險評估方法能很好的解決這一問題.

3.3 對于苯系物等易生物降解的VOCs,不考慮生物降解將顯著高估實際風險.

4 建議

我國應盡快啟動基于土壤氣的場地VOCs污染調查與風險評估技術方法的系統研究及標準制定,以科學支撐場地環境管理, 包括但不限于:1)適用于不同水文地質條件的土壤氣調查技術方法及配套的設備材料,如適用于低滲透高含水率地層的定量被動土壤氣監測方法;2)耦合實際場地中VOCs多相多界面分配與傳輸降解反應過程的精準風險評估模型.

[1] Hou D, Al-Tabbaa A, O’Connor D, et al. Sustainable remediation and redevelopment of brownfield sites [J]. Nat Rev Earth Environ, 2023, 4:271–286.

[2] 葛 鋒,張轉霞,扶 恒,等.我國有機污染場地現狀分析及展望 [J]. 土壤, 2021,53(6):1132-1141. Ge F, Zhang Z X, Fu H, et al. Distribution of organic contaminated sites in China: Statu Quo and prospect [J]. Soils, 2021,53(6):1132- 1141.

[3] 張文毓,姜 林,鐘茂生,等.揮發性有機物污染場地修復與風險管控 [J]. 環境保護, 2021,49(20):27-33. Zhang W Y, Jiang L, Zhong M S, et al. Remediation and risk control technologies for VOCs contaminated sites [J]. Environmental Protection, 2021,49(20):27-33.

[4] Ma J, Mchugh T, Beckley L, et al. Vapor intrusion investigations and decision-making: A critical review [J]. Environmental Science & Technology, 2020,54(12):7050-7069.

[5] US Environmental Protection Agency. Technical guide for addressing petroleum vapor intrusion at leaking underground storage tank sites [R]. Washington DC: Office of Underground Storage Tanks, 2015.

[6] US Environmental Protection Agency. Technical guide for assessing and mitigating the vapor intrusion pathway from subsurface vapor sources to indoor air [R]. Washington DC: Office of Solid Waste and Emergency Response, 2015.

[7] 姜 林,鐘茂生,夏天翔,等.基于土壤氣中實測苯濃度的健康風險評價[J]. 環境科學研究, 2012,25(6):717-723. Jiang L, Zhong M S, Xia T X, et al. Health risk assessment based on benzene concentration detected in soil gas [J]. Research of Environmental Sciences, 2012,25(6):717-723.

[8] US Environmental Protection Agency. Risk assessment guidance for superfund Volume I- Human health evaluation manual (Part A) [R]. Washington DC: Office of Solid Waste and Emergency Response, 1989.

[9] Hwang S T, Falco J W. Estimation of multimedia exposure related to hazardous waste facilities [M]//Cohen, Y. (eds) Pollutants in a Multimedia Environment. Springer, Boston, MA., 1986.

[10] US Environmental Protection Agency. Soil screening guidance: User’s guide [R]. Washington DC: Office of Solid Waste and Emergency Response, 1989.

[11] Jury W A , Farmer W J , Spencer W F . Behavior assessment model for trace organics in soil: II. Chemical classification and parameter sensitivity [J]. Journal of Environmental Quality, 1984,13(4):567-572.

[12] Johnson P C, Ettinger R A. Heuristic model for predicting the intrusion rate of contaminant vapors into buildings [J]. Environmental Science & Technology, 1991,25(8):1445-1452.

[13] Park HS. A method for assessing soil vapor intrusion from petroleum release sites: multi-phase/multi-fraction partitioning [J]. Global Nest Journal, 1999,1:(3):195-204.

[14] 張文毓,鐘茂生,姜 林,等.污染場地中VOCs的環境行為與調查評估技術 [J]. 中國環境科學, 2023,43(6):2814-2822. Zhang W Y, Zhong M S, Jiang L, et al. Environmental behavior, investigation and risk assessment technologies of VOCs in contaminated sites [J]. China Environmental Science, 2023,43(6): 2814-2822.

[15] HJ 25.3-2019 建設用地土壤污染風險評估技術導則[S]. HJ 25.3-2019 Technical guidelines for risk assessment of soil contamination of land for construction [S].

[16] Yao Y, Shen R, Pennell K G, et al. A review of vapor intrusion models [J]. Environmental Science & Technology, 2013,47(6):2457-2470.

[17] US Environmental Protection Agency. Final project report for the development of an active soil gas sampling method [R]. Washington DC: Office of Solid Waste and Emergency Response, 2012.

[18] US Environmental Protection Agency. Draft guidance for evaluating the vapor intrusion to indoor air pathway from groundwater and soils [R]. Washington DC: Office of Solid Waste and Emergency Response, 2002.

[19] Interstate Technology & Regulatory Council. Petroleum vapor intrusion: Fundamentals of screening, investigation, and management [R]. Washington, DC: Interstate Technology & Regulatory Council, 2014.

[20] Canadian Council of Ministers of the Environment. Guidance manual for environmental site characterization in support of environmental and human health risk assessment, CCME PN 1557 [R]. Winnipeg: Canadian Council of Ministers of the Environment, 2016.

[21] Contaminated Sites Division, Health Canada. Federal contaminated site risk assessment in Canada, Part Ⅶ: Guidance for soil vapor intrusion assessment at contaminated sites, H128-1/11-635E [R]. Ottawa: Contaminated Sites Division, Health Canada, 2010.

[22] Davis G B, Wright J P. Field assessment of vapors [R]. Salisbury South: CRC for Contamination Assessment, 2009.

[23] DB11/T 656-2019 建設用地土壤污染狀況調查與風險評估技術導則[S]. DB11/T 656-2019 Site investigation and risk assessment guideline of development land [S].

[24] DB11/T 1278-2015 污染場地揮發性有機物調查與風險評估技術導則[S]. DB11/T 1278-2015 Technical guidline for investigation and risk assessment of volatile organic compounds in contaminated sites [S].

[25] HJ 644-2013 環境空氣揮發性有機物的測定吸附管采樣-熱脫附/氣相色譜-質譜法[S].HJ 644-2013 Ambient air-Determination of volatile organic compounds-Sorbent adsorption and thermal desorption/gas chromatography mass spectrometry method [S].

[26] GB 36600-2018 土壤環境質量-建設用地土壤污染風險管控標準[S]. GB 36600-2018 Soil environmental quality Risk control standard for soil contamination of development land [S].

[27] Zhang R, Jiang L, Zhong M, et al. Applicability of soil concentration for VOC contaminated site assessments explored using field data from the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration [J]. Environmental Science & Technology, 2019,53(2):789-797.

[28] Technical division environmental measurement technologies. Measurement of organic soil pollutants - Planning of measurements for the determination of volatile organic compounds in soil gas, VDI 3865Blatt 1:2005-06 [R]. Düsseldorf: VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft, 2005.

[29] ISO 18400-204:2017 Soil quality Sampling-Part 204: Guidance on sampling of soil gas [S].

[30] 姜 林,鐘茂生,姚玨君,等.揮發性有機物污染土壤樣品采樣方法比較[J]. 中國環境監測, 2013,30(1):109-114. Jiang L, Zhong M S, Yao J J, et al. Comparison of different sampling methods for soil contaminated by VOCs [J]. Environmental Monitoring in China, 2013,30(1):109-114.

[31] Kan A T, Fu G, Hunter M A, et al. Irreversible adsorption of naphthalene and tetrachlorobiphenyl to Lula and surrogate sediments [J]. Environmental Science & Technology, 1997,31(8):2176-2185.

[32] Steinberg S M, Kreamer D K. Evaluation of the sorption of volatile organic compounds by unsaturated calcareous soil from southern nevada using inverse gas chromatography [J]. Environmental Science & Technology, 1993,27(5):883-888.

[33] Yardon B, Sutherland P, Galin T, et al. Soil pollution by petroleum products, II: Adsorption-desorption of kerosene vapors on soils [J]. The Journal of Contaminant Hydrology, 1989,4:347-358.

[34] Ruiz J, Bilbao R, Murillo M B. Adsorption of different VOC onto soil minerals from gas phase: Influence of mineral, type of VOC, and air humidity [J]. Environmental Science & Technology, 1998,32(8):1079- 1084.

[35] Pleasant J M, Diblev V. Case study comparisons of vapor inhalation risk estimates: ASTM RBCA model prediction vs specific soil vapor data [R]. Washington DC: Lawrence Livermore National Laboratory, 1997.

[36] Smith J A, Chiou C T, Kammer J A, et al. Effect of soil moisture on the sorption of trichloroethene vapor to vadose-zone soil at Picatinny arsenal [J]. Environmental Science and Technology, 1990,24(5): 676-683.

[37] Zhang R H, Zhong M S, Jiang L, et al. Effect of vapour-solid interfacial adsorption on benzene multiphase partition and its implication to vapour exposure assessment of contaminated soil in arid area [J]. Journal of Environmental Management, 2022,315:115182.

[38] Man J, Zhong M S, Zhou Q, et al. Exploring the nonlinear partitioning mechanism of volatile organic contaminants between soil and soil vapor using machine learning [J]. Chemosphere, 2023,315:137689.

[39] Abreu L D V, Ettinger R, Mcalary T. Simulated soil vapor ontrusion attenuation factors including biodegradation for petroleum hydrocarbons [J]. Groundwater monitoring and remediation, 2009, 29(1):105-117.

[40] Pasteris G, Werner D, Kaufmann K, et al. Vapor phase transport and biodegradation of volatile fuel compounds in the unsaturated zone: A large scale lysimeter experiment [J]. Environmental Science & Technology, 2002,36(1):30-39.

[41] DeVaull G E. Indoor vapor intrusion with oxygen-limited biodegradation for a subsurface gasoline source [J]. Environmental Science and Technology, 2007,41(9):3241-3248.

[42] Yao Y, Verginelli I, Suuberg E M. A two dimensional analytical model of petroleum vapor intrusion [J], Water Resources Research, 2016, 52(2):1528–1539.

Characterization and vapor intrusion risk assessment of VOCs in contaminated sites based on soil gas.

HAO Chen-yu, ZHONG Mao-sheng, JIANG Lin*, LI Ji-hong, MA Lin, WANG Yang

(Beijing Key Laboratory for Risk Modeling and Remediation of Contaminated Sites, National Engineering Research Centre of Urban Environmental Pollution Control, Beijing Municipal Research Institute of Eco-Environmental Protection, Beijing 100037, China)., 2023,43(11)：5700～5708

Contamination characterization and vapor intrusion risk evaluation based on volatile organic compounds (VOCs) in bulk soil were recommended in the technical guidelines of China. However, these guidelines are found to be full of uncertainties in practical use. To evaluate its effectiveness, ten boreholes were drilled within an area contaminated by benzene in a decommissioned site, and 63 paired soil and soil gas samples were collected and analyzed following the technical guidelines. The results revealed that benzene profiles in the soil were similar, as revealed by both the soil and soil gas analyses. The benzene content in 35% of soil gas samples was above the screening level of 1.242mg/m3, and it was distributed in all the ten boreholes. The maximum concentration was nearly 1000 times the screening value. However, in only 5% of soil samples, benzene content was above the soil screening value of 1mg/kg, and the maximum concentration was about 30 times the screening value. Therefore, it can be concluded that analyzing the bulk soil may underestimate the VOC contamination in sites, especially for sites composed of sandy formations. The risk quantified based on soil contents using the linear partition equation was about one order of magnitude higher than that estimated based on measured soil gas concentration. The reason is that the partition of VOCs among soil solid, water, and vapor phases does not follow the linear equilibrium partition exactly due to the aging and sequestration of contaminants by organic matter in the soil. The vapor concentration is highly overestimated using the linear equilibrium equation. Additionally, risk can be overestimated by over two orders of magnitude without considering biodegradation throughout the intrusion process for VOCs (e.g., BTEX) that can be degraded. The results may be entirely different. Therefore, systematic research on VOC contamination and risk characterization, as well as relevant technical guidelines based on soil gas, is suggested to be initiated.

soil gas；volatile organic compounds (VOCs)；contamination characterization；vapor intrusion risk

X511

A

1000-6923(2023)11-5700-09

郝辰宇(1996-),女,陜西榆林人,研究實習員,碩士,主要從事場地污染物歸趨模擬與風險評估研究.發表論文2篇.haochenyu@cee.cn.

郝辰宇,鐘茂生,姜 林,等.基于土壤氣的場地VOCs污染刻畫及風險評估 [J]. 2023,43(11):5700-5708.

Hao C Y, Zhong M S, Jiang L, et al. Characterization and vapor intrusion risk assessment of VOCs in contaminated sites based on soil gas [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5700-5708.

2023-03-16

國家自然科學基金資助項目(42177404)

* 責任作者, 研究員, jianglin@cee.cn