基于SiteWiseTM 工具的污染場地修復(fù)環(huán)境足跡分析

肖 萌,劉瑞平,李香蘭*,張紅振,徐鐵兵,佟雪嬌,賈御夫(.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 00875；.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 000；.河北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,河北 石家莊 05007；.煜環(huán)環(huán)境科技有限公司,河北 石家莊 050000)

修復(fù)活動本身必然會帶來一定的二次環(huán)境影響以及資源和能源消耗[1].為減少污染場地修復(fù)活動對環(huán)境、經(jīng)濟和社會的負面影響,實現(xiàn)凈環(huán)境效益和資源的有效利用,綠色修復(fù)、可持續(xù)修復(fù)、綠色可持續(xù)修復(fù)等概念逐漸提出,綠色可持續(xù)發(fā)展成為世界范圍內(nèi)新的修復(fù)趨勢[2].美國可持續(xù)修復(fù)論壇(SURF)將評估方法分為定性、半定量和定量三個層次[3],然而定性和半定量評估過程中具有較強的主觀性,對于較為復(fù)雜的修復(fù)活動,生命周期評估(LCA)等定量評估方法具有更高的科學(xué)性和準確性,為修復(fù)決策提供科學(xué)參考[4].目前LCA 方法在國內(nèi)外污染場地修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5-8],但該方法具有數(shù)據(jù)量和專業(yè)性方面的復(fù)雜性,為使得評估過程更容易被接受和適用,更加簡明的環(huán)境足跡評估工具逐漸被開發(fā)[9].如SiteWiseTM工具、 SEFA 工具和SRT 工具等,這些工具更加易于操作,兼具了用戶友好性和專業(yè)性,是更加簡明的污染場地修復(fù)環(huán)境足跡定量評估工具.其中,SiteWiseTM工具將每個修復(fù)方案分解為模塊,廣泛應(yīng)用于修復(fù)的不同階段,是國際上應(yīng)用最為普遍的修復(fù)活動評估工具之一.

SiteWiseTM工具廣泛應(yīng)用于國外修復(fù)工程的環(huán)境足跡量化與分析,并為場地修復(fù)低碳減排提供數(shù)據(jù)參考.已有研究使用SiteWiseTM工具對鉛污染場地[10]、石油污染場地[11]、污染沉積物管理[12]的修復(fù)活動進行環(huán)境足跡量化及各修復(fù)階段的貢獻度分析.同時,有相關(guān)研究考慮將生物柴油和太陽能的使用納入修復(fù)系統(tǒng),進一步探究修復(fù)活動減排路徑[11].世界各地都有在修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計中使用可再生能源的案例[11,13-14],將可再生能源納入修復(fù)活動,可以提高修復(fù)的可持續(xù)性[13].SiteWiseTM工具能夠通過選擇可再生能源的使用(太陽能和風(fēng)能)、減排技術(shù)的使用、水資源的循環(huán)利用等方式為修復(fù)方案定量評估環(huán)境足跡的減少情況.在我國,劉文曉等[15]應(yīng)用該工具對有機污染場地原位熱脫附和阻隔通風(fēng)技術(shù)進行環(huán)境足跡評估和足跡強度對比,但對于進一步的減排探索未有涉及.目前我國對于SiteWiseTM工具的應(yīng)用研究還較為有限.同時,用于環(huán)境影響評估的輸入數(shù)據(jù)存在顯著的不確定性,從而對評估結(jié)果乃至修復(fù)決策產(chǎn)生影響[16],考慮輸入數(shù)據(jù)可變性的概率分析具有重要意義.在生命周期評估的相關(guān)研究中,普遍采用蒙特卡洛模擬探究參數(shù)的統(tǒng)計變化對評估結(jié)果的影響[17-18].然而在簡化的環(huán)境足跡定量分析工具中,不確定性分析常被忽略.需要進一步完善環(huán)境足跡分析體系,提供更具科學(xué)性的結(jié)果.

以河北省某化肥廠實際修復(fù)項目為例,本文采用SiteWiseTM工具進行環(huán)境足跡定量分析、貢獻度分析與減排路徑探索,并對環(huán)境足跡結(jié)果進行蒙特卡洛模擬以分析數(shù)據(jù)的不確定性,為污染場地修復(fù)工程的綠色、低碳發(fā)展提供改進和優(yōu)化建議.

1 材料與方法

1.1 修復(fù)案例

河北省某化肥廠總占地面積約140000m2,歷史經(jīng)歷過鐵黃、鐵紅染色劑生產(chǎn)、農(nóng)用品銷售、面粉生產(chǎn)等活動.根據(jù)區(qū)域用地規(guī)劃,未來將作為居住用地和公園綠化用地.調(diào)查和風(fēng)險評估結(jié)果顯示,土壤受到VOCs 的污染,超標污染物為1,2,3-三氯丙烷、1,2-二氯乙烷和氯仿,且存在健康風(fēng)險,需要進行修復(fù).修復(fù)范圍位于原化肥廠地塊內(nèi),修復(fù)深度為0～6m,修復(fù)土方量約21797.66m3.除此之外,還存在VOCs(對甲酚(4-甲基苯酚))、SVOCs(甲基正丁基甲酮(2-己酮)、正丙基苯、正丁基苯、異丙苯)等物質(zhì),導(dǎo)致臭味存在,需要對臭味土壤進行修復(fù),修復(fù)深度0～3m.因此,整個修復(fù)工程分為特征污染物修復(fù)階段和臭味物質(zhì)土壤修復(fù)階段,各階段特征污染物濃度及修復(fù)目標值如表1所示.采用常溫解析修復(fù)技術(shù)輔以化學(xué)氧化處理技術(shù)進行修復(fù),具體為:單一氯仿污染土壤采用常溫解析修復(fù)技術(shù);單一1,2-二氯乙烷采用常溫解析修復(fù)技術(shù),常溫解析未達標土壤輔以二次氧化;單一1,2,3-三氯丙烷污染土壤和氯仿、1,2-二氯乙烷、1,2,3-三氯丙烷三類污染物中不少于2 類污染物復(fù)合有機物污染土壤首先采用常溫解析技術(shù)去除部分污染物后,再采用氧化技術(shù)進行處理.污染范圍內(nèi)土壤分層、分污染類型清挖后全部運輸至修復(fù)車間進行異位處置,根據(jù)土壤污染類型采用對應(yīng)工藝進行修復(fù).場地內(nèi)異位常溫解析總計修復(fù)方量為8106m3,異位常溫解析結(jié)合氧化技術(shù)總計修復(fù)方量為13690m3.在臭味土壤修復(fù)階段,0～3m 臭味土壤采用原位化學(xué)氧化技術(shù)進行修復(fù),根據(jù)已有工程確定的擴散半徑進行布孔建井,在需要進行修復(fù)的區(qū)域地面鉆孔,然后用注藥泵加壓,把配置好的試劑高壓注入污染地塊地面以下進行修復(fù),保證每個孔分別進行一次注漿.3m 以下臭味土壤利用現(xiàn)有地下復(fù)合土工膜進行原位阻隔.

表1 案例化肥廠污染場地特征污染物及修復(fù)目標值Table 1 The characteristic pollutants and remediation target values of the polluted site of the fertilizer factory in the case

1.2 評估目標與邊界

評估目標是對案例化肥廠整個修復(fù)工程進行系統(tǒng)的環(huán)境足跡定量評估,輸入數(shù)據(jù)包括材料和藥劑的使用、相關(guān)的運輸過程、能源和自然資源的消耗情況,輸出數(shù)據(jù)為溫室氣體排放量、能源消耗量、其他空氣污染物排放量等.功能單元為修復(fù)21797.66m3污染土壤,通過修復(fù)活動使得所有土壤中的污染物質(zhì)全部達到修復(fù)目標值,基準流為21797.66m3完成修復(fù)的土壤.建立環(huán)境影響評估邊界(圖1).進一步將P1 特征污染物修復(fù)階段細化為三個子過程:P1.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及施工準備,P1.2 常溫解吸+氧化處理,P1.3 驗收回填;P2 臭味土壤修復(fù)階段細化為P2.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及施工準備,P2.2 原位化學(xué)氧化處理,P2.3 驗收回填.根據(jù)所設(shè)定的評估邊界和整個修復(fù)工程的階段劃分,對每一個修復(fù)階段的環(huán)境足跡進行了詳細的評估.

圖1 案例環(huán)境影響定量評估邊界Fig.1 Boundary of quantitative assessment of environmental impact of the case

1.3 評估工具與數(shù)據(jù)清單

采用當前最新版本SiteWiseTMv.3.2 根據(jù)所劃定的評估邊界對案例修復(fù)工程進行環(huán)境足跡核算.輸入部分將修復(fù)活動劃分為四個模板,每個模塊的輸入分為(1)基準信息(Baseline information),修復(fù)工程的時間、階段等基本信息;(2)材料生產(chǎn)(Material production),用于計算修復(fù)現(xiàn)各階段的材料用量;(3)運輸(Transportation),用于計算運輸活動使用的燃油量,該工具要求用戶輸入有關(guān)燃油類型、運輸方式、行駛距離和人員數(shù)量的信息;(4)設(shè)備使用(Equipment use),用于計算運行設(shè)備所用的燃料量或電量;(5)殘余物處理(Residual handling)和(6)資源消耗(Resource consumption)6 個部分.案例修復(fù)工程分兩階段(P1 和P2)進行數(shù)據(jù)輸入,相關(guān)數(shù)據(jù)來源于土壤修復(fù)工程施工方案、工程監(jiān)理報告、環(huán)境監(jiān)理報告、工程竣工報告、修復(fù)效果評估報告等相關(guān)資料的整理和分析(表2),其他數(shù)據(jù)使用工具內(nèi)置默認數(shù)據(jù).輸出數(shù)據(jù)包括溫室氣體排放量、能源消耗量、水資源消耗量、電力資源消耗量、NOx、SOx和PM10等空氣污染物排放量等多類型的環(huán)境足跡.溫室氣體的排放量以噸二氧化碳當量(t CO2-eq)為單位;能源消耗量以百萬公制英熱單位(MMBTU)為單位,1MMBTU 約為12.15×108MJ;水資源消耗量以gallons 為單位,1gallons(美制)約為3.79L;耗電量以kW?h 為單位;空氣污染物排放量單位調(diào)整為kg.為保證工具核算結(jié)果的準確性和可比性,能源消耗量和水資源消耗量的計算結(jié)果進行了國際通用單位的轉(zhuǎn)化.

表2 案例化肥廠修復(fù)工程數(shù)據(jù)清單Table 2 Data list of the case fertilizer plant remediation project

采用 SiteWiseTM工具進行減排情景模擬,將可再生能源納入修復(fù)系統(tǒng),探究該修復(fù)工程使用可再生能源進行減排的可行性.選擇太陽能作為可再生能源納入修復(fù)活動,假設(shè)光伏系統(tǒng)所需要供應(yīng)的電量百分比為100%,光伏系統(tǒng)持續(xù)運行的時間根據(jù)工期進行確定.對于兩個重要用電環(huán)節(jié)P1.2 異位常溫解吸+氧化處理階段和P2.2 原位化學(xué)氧化階段使用太陽能發(fā)電,并定量評估其環(huán)境足跡降低情況和成本增加情況,探究整個修復(fù)工程納入可再生能源進行減排的環(huán)境效益和經(jīng)濟成本.

1.4 不確定性分析

蒙特卡洛模擬是一種概率建模技術(shù),屬于統(tǒng)計方法,廣泛應(yīng)用于評估輸入?yún)?shù)變化所帶來的不確定性[19].本文采用Oracle Crystal Ball 11.1.4100.0 軟件對SiteWiseTM工具所輸出的溫室氣體排放量和能源消耗量進行蒙特卡洛模擬.其他環(huán)境足跡(水資源消耗量、電力資源消耗量、NOx、SOx和PM10等空氣污染物排放量)由于不涉及相關(guān)系數(shù)、占比較小缺少代表性等原因未進行蒙特卡洛模擬.

根據(jù)核算結(jié)果,追蹤修復(fù)工程中使用的各類材料、藥劑、能源和運輸過程的溫室氣體排放因子和能耗系數(shù),建立消耗量與溫室氣體排放量、能源消耗量的關(guān)系.根據(jù)所建立的數(shù)據(jù)清單,共追蹤排放因子和能耗系數(shù)4 類,共13 種.材料類別中包括鋼、PVC、混凝土、水泥、HDPE 和灌注孔填料;藥劑類別中包括氧化鈣、過硫酸鈉、雙氧水和硫酸亞鐵;能源類別中包括電力和柴油;運輸類別則對人員運輸、設(shè)備運輸?shù)鹊呐欧胚M行匯總和計算,得到運輸單位距離的排放因子和能耗系數(shù).假設(shè)各排放因子和能耗系數(shù)的概率分布為正態(tài)分布,進行10000 次獨立重復(fù)模擬,探究溫室氣體排放量和能源消耗量的不確定性.本文對13 種排放因子和能耗系數(shù)進行敏感性分析,以確定對于結(jié)果不確定性影響最大的輸入?yún)?shù),可以為結(jié)果的調(diào)整和優(yōu)化提供參考.

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境足跡定量評估結(jié)果

修復(fù)活動從施工準備、修復(fù)實施到效果評估和驗收都會由于材料、能源的消耗產(chǎn)生大量的溫室氣體,包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O).核算結(jié)果表明,修復(fù)工程共排放溫室氣體2616t CO2-eq(圖2a).特征污染物修復(fù)階段(P1)是整個修復(fù)過程的主要部分,溫室氣體排放總量為2459.38t CO2-eq,占比94%.臭味土壤修復(fù)階段(P2)是作為整體修復(fù)工程的補充階段,在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和施工準備階段更為簡單,修復(fù)土方量更低且采用原位修復(fù)方式,其溫室氣體排放總量為 156.62t CO2-eq,占比約6%.在兩個修復(fù)階段,修復(fù)實施過程都是主要的溫室氣體排放階段.

圖2 案例修復(fù)工程環(huán)境足跡定量評估結(jié)果Fig.2 Quantitative assessment results of environmental footprint for the remediation project

在能源消耗部分,整個修復(fù)工程共消耗能源2.11×1014MJ,其中特征污染物修復(fù)階段(P1)的能源消耗量為3.56×1013MJ,臭味土壤修復(fù)階段(P2)的能源消耗量為1.75×1014MJ,分別占總能源消耗的17%和 83%(圖2b).P1 階段的能源消耗主要來源于材料生產(chǎn)、運輸和設(shè)備使用;P2 階段的修復(fù)體量較小,且修復(fù)技術(shù)為原位化學(xué)氧化,能源消耗基本全部來源于材料生產(chǎn)部分.可見,材料生產(chǎn)部分對能源消耗量具有較大影響,在綠色持續(xù)修復(fù)背景下,需要進一步重視減少材料使用,鼓勵回收和循環(huán)利用材料[11].

修復(fù)工程的水資源消耗量為1.1×105L(圖2c),主要消耗階段為 P1 階段(1.08×105L),主要使用環(huán)節(jié)為藥劑投入環(huán)節(jié).消耗量與工作效率相關(guān)[11],大量水資源的消耗會帶來一定程度上的浪費,通過對消耗量的核算,進一步強調(diào)修復(fù)工程加強水資源的循環(huán)利用的重要性.整個修復(fù)工程的耗電量為 5.66×104kW?h,主要來源于設(shè)備運行部分,本文所核算案例的設(shè)備運行主要使用柴油,僅有少部分泵機耗電.對于我國的修復(fù)工程,SiteWiseTM工具所核算出來的耗電量準確程度較低,該工具在設(shè)定電力排放因子時,根據(jù)不同的地區(qū)進行了區(qū)分,實際情況與我國有所差異.因此,對于用電占據(jù)主導(dǎo)的修復(fù)工程,應(yīng)當注意使用該工具進行環(huán)境足跡核算的結(jié)果.

NOx、SOx和PM10等空氣污染物的排放也是較為重要的環(huán)境足跡,對于空氣質(zhì)量和人類健康都具有一定影響.空氣污染物排放主要是由修復(fù)活動中場內(nèi)和場外不同類型的燃料燃燒所引起的,在修復(fù)活動中需要控制消耗大量燃料的重型機械的使用.NOx和SOx的排放主要關(guān)聯(lián)能源使用,而PM10的排放主要關(guān)聯(lián)重型機械設(shè)備.整個修復(fù)工程共排放空氣污染物1.58×104kg,其中SOx的排放量最高,為8.64×103kg(圖2d).在兩個修復(fù)階段中,幾乎沒有重型機械設(shè)備的使用,都以NOx和 SOx的排放為主導(dǎo),PM10的排放較少.P1 階段的空氣污染物排放量遠高于P2 階段,主要是因為P1 階段在土壤挖掘、篩分、藥劑混合過程中有更多的消耗柴油的機械使用,而P2 階段采取了原地修復(fù)技術(shù),減少了此類機械的使用,在空氣污染物排放方面更具有環(huán)境效益.

2.2 環(huán)境足跡特征對比分析

對整個修復(fù)工程不同階段各類環(huán)境足跡和消耗量進行對比,P1 階段修復(fù)方量大(21797.66m3),溫室氣體排放量高(2459.38t CO2-eq),能源消耗量低(3.56×1013MJ);而P2 階段修復(fù)方量小(7019.34m3),溫室氣體排放量低(156.62t CO2-eq),能源消耗量高(1.75×1014MJ).值得關(guān)注的是,P2 階段的修復(fù)體量較小,相較于P1 階段的溫室氣體排放很低,但是卻有很高的能源消耗量.通過回溯各階段修復(fù)子過程的溫室氣體排放量和能源消耗量發(fā)現(xiàn),P2 階段所消耗的化學(xué)品較少,而化學(xué)品使用所導(dǎo)致的溫室氣體排放量顯著高于其他材料使用和能源消耗所導(dǎo)致的溫室氣體排放量,使得P2 階段的溫室氣體排放量很低[20];但是P2 階段使用了原位化學(xué)氧化技術(shù),其建井所使用的膨潤土、礫石等材料生產(chǎn)的能源消耗量較大(1.7×1014MJ),是該階段最為主要的能源消耗來源,且對能源消耗量的影響比溫室氣體排放量的影響更加敏感,從而導(dǎo)致P2 階段雖然溫室氣體排放量較低,但能源消耗卻高于P1 階段.在一定范圍內(nèi),修復(fù)的體量以及修復(fù)行為的復(fù)雜程度與能源消耗量之間并沒有絕對的關(guān)聯(lián),需要對修復(fù)方案的核心過程進行分析.能源消耗量和溫室氣體排放量之間也沒有絕對的關(guān)聯(lián),能源消耗量低的修復(fù)工程,并不代表溫室氣體排放量低.

案例修復(fù)工程修復(fù)單方污染土的溫室氣體排放量為0.12t CO2-eq,能源消耗量為9.67×109MJ,空氣污染物排放量為0.73kg(表3).對比國外使用同一工具的其他相關(guān)研究,如Kim 等[10]對鉛污染靶場土壤淋洗工程進行核算的結(jié)果為單方土溫室氣體排放量為0.117t CO2-eq,能源消耗量為2.04×109MJ,空氣污染物排放量為0.081kg;Lim 等[11]對石油污染場地土地耕作修復(fù)工程進行核算的結(jié)果為單方土溫室氣體排放量為 0.009t CO2-eq,能源消耗量為4.98×107MJ,空氣污染物排放量為0.116kg,本案例修復(fù)工程單方污染土溫室氣體排放量與其他工程差距不大,但具有一定高能耗、高空氣污染物排放的特點.雖然不同案例的背景情況有所差別,但都使用了SiteWiseTM工具進行計算,內(nèi)置參數(shù)一致,對比具有一定參考性.

表3 案例修復(fù)工程與修復(fù)單方污染土的環(huán)境足跡Table 3 Environmental footprints of the remediation project and the remediated contaminated soil per unit area

修復(fù)工程兩個階段分別采取了異位和原位修復(fù)處理方式.P1 的修復(fù)實施階段主要采用了異位修復(fù)的處理方式,污染土壤挖掘、轉(zhuǎn)運、破碎篩分后進行了常溫解吸和氧化處理;P2 的修復(fù)實施階段則是直接進行原位處理,通過鉆井、注射藥劑進行氧化處理.異位修復(fù)和原位修復(fù)具有各自的優(yōu)劣,異位修復(fù)對于污染物的處理更加直觀和可控,但挖掘、運輸?shù)冗^程會產(chǎn)生更多的環(huán)境足跡并存在污染物擴散的風(fēng)險;原位修復(fù)則能夠?qū)ι顚哟瓮寥牢廴具M行修復(fù),擴散風(fēng)險低,但同時需要考慮到建井和藥劑注入所產(chǎn)生的環(huán)境足跡和成本.對兩個階段不同的修復(fù)實施過程進行單獨環(huán)境足跡核算得到,異位常溫解吸+氧化的處理所產(chǎn)生溫室氣體排放量為 1619.53t CO2-eq,能源消耗量為2.19×1013MJ;原位化學(xué)氧化的處理所產(chǎn)生的溫室氣體排放量為144.70t CO2-eq,能源消耗量為1.75×1014MJ.考慮到兩個修復(fù)處理工程所處理的土方量具有一定的差距,對處理單位方量污染土的環(huán)境足跡情況進行計算,可以作為綠色可持續(xù)背景下修復(fù)技術(shù)篩選的重要參考.異位常溫解吸+氧化處理單位方量污染土的溫室氣體排放量約為112kg CO2-eq,能源消耗量為1.64×109MJ;原位化學(xué)氧化處理單位方量污染土的溫室氣體排放量為22.31kg CO2-eq,能源消耗量為2.50×1010MJ.異位常溫解吸+氧化的單方溫室氣體排放量為原位化學(xué)氧化的單方溫室氣體排放量的5 倍;但在能源消耗方面,原位化學(xué)氧化處理單位方量污染土的能源消耗量遠高于異位常溫解吸+氧化處理,約為15 倍.顯然在碳減排方面,原位修復(fù)技術(shù)具有更大的優(yōu)勢,這一觀點在其他研究中也有所印證[22].但從全生命周期視角來看,原位化學(xué)氧化過程中的建井材料和藥劑等的生產(chǎn)會帶來很高的能源消耗.

2.3 環(huán)境足跡貢獻度分析

對兩個修復(fù)階段P1 和P2 及各個階段中材料消耗、設(shè)備使用和運輸三個主要環(huán)節(jié)的貢獻度進行了分析(圖3).在整個修復(fù)工程中,修復(fù)階段P1 在溫室氣體排放量中的貢獻度為94%,是主要的溫室氣體排放過程;在P1 階段中,P1.2 異位常溫解吸+氧化處理階段的溫室氣體排放貢獻度最高,其次是P1.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和準備階段.修復(fù)階段P2 對于溫室氣體排放的貢獻度很低,僅占比6%;在P2 階段中,P2.2 原位化學(xué)氧化處理階段的溫室氣體排放貢獻度最高.在能源消耗的貢獻度中,P1 階段僅占比17%,而P2階段占比83%,與溫室氣體排放的貢獻度情況相反,這是因為P2 階段使用了大量的材料,材料生產(chǎn)導(dǎo)致了很高的能源消耗.空氣污染物排放的貢獻同樣主要來源于P1 階段,占比92%.溫室氣體排放、能源消耗和空氣污染物排放核心貢獻的子過程都集中于兩個階段的修復(fù)實施過程.

圖3 不同修復(fù)階段環(huán)境足跡貢獻Fig.3 Environmental footprint contributions during different remediation stages

在溫室氣體排放類別中,材料消耗相比其他環(huán)節(jié)(設(shè)備使用和運輸)在不同的修復(fù)階段中的貢獻度都是最高,且其在P2 階段中溫室氣體貢獻度相比P1 階段更高,可見P2 階段的材料消耗對于溫室氣體排放的影響最大,是減碳著力的重要階段.其次對溫室氣體排放貢獻度較高的環(huán)節(jié)是運輸,但在P2階段中運輸?shù)呢暙I度有所降低,這是因為P2 階段主要采取原位修復(fù),運輸所產(chǎn)生的環(huán)節(jié)足跡顯著降低.設(shè)備使用是三個環(huán)節(jié)中對溫室氣體排放貢獻度最低的.

在能源消耗類別中,材料消耗同樣具有最高的貢獻度,尤其是在P2 階段,貢獻度達到99%,充分說明了材料生產(chǎn)過程對于能源消耗的重要影響.在P1階段,由于采取異位修復(fù)的方式,運輸過程(占比18%)相比設(shè)備使用(占比5%)對能源消耗的影響更大,而在P2階段兩者的貢獻程度都比較低.P1階段相比P2階段,運輸過程還需要進一步優(yōu)化以降低修復(fù)工程能耗.

在空氣污染物排放類別中,材料消耗在整個修復(fù)工程中貢獻占比達到93%,遠高于其他環(huán)節(jié).在不同階段,設(shè)備使用和運輸兩個環(huán)節(jié)對空氣污染物排放的貢獻有所差別.在P1 階段,材料消耗的貢獻占比94%,而設(shè)備使用(5%)和運輸(1%)兩者的貢獻程度都非常低,兩者之間差距不大;而在P2 階段,材料消耗貢獻占比86%之外,設(shè)備使用對空氣污染物的貢獻占比相比P1 階段有顯著增加,達到13%.P2 階段相比P1 階段,設(shè)備使用環(huán)節(jié)需要進一步優(yōu)化以減少空氣污染物排放.

綜合不同環(huán)境足跡情況,材料消耗對于各類環(huán)境足跡的貢獻度都遠高于設(shè)備使用和運輸,對于環(huán)境足跡的影響程度最大.結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究,在不同修復(fù)工程中也普遍認為消耗性化學(xué)品和材料的使用是影響環(huán)境足跡的最主要因素[10,15,22-23].在綠色可持續(xù)修復(fù)背景下,修復(fù)工程應(yīng)當在全過程強調(diào)使用更加綠色低碳的修復(fù)材料、盡量減少材料的使用并提倡循環(huán)利用材料.運輸也會對環(huán)境足跡產(chǎn)生影響,縮短運輸距離是簡單易行的減少環(huán)境足跡的途徑.結(jié)合貢獻度結(jié)果,在階段減排重點中,P1階段的運輸過程更加需要優(yōu)化,P2 階段的設(shè)備使用過程更加需要優(yōu)化.

2.4 可再生能源情景模擬

P1 階段消耗電能為56040kW?h,P2 階段消耗的電能為 530kW?h,本文假設(shè)太陽能所替代的總耗電量為56570kW?h,但實際上,目前我國的電力組成已有一定比例是可再生能源,可再生能源情景模擬的減排量和成本將會略高.經(jīng)過SiteWiseTM工具的計算,整個修復(fù)工程納入可再生能源后(太陽能),共減少溫室氣體排放量34.97t,僅為不使用可再生能源情景下總碳排放量的1.34%;空氣污染物排放量 162.83kg,為不使用可再生能源情景下總空氣污染物排放量的1.02%.而在成本方面,使用太陽能將造成成本上升348952 美元,以修復(fù)工程實施當年2020年年度平均匯率作為參考,即1 美元≈6.90 元人民幣,折合人民幣2407768.8 元,為不使用可再生能源情景總成本的7.58%.因此,在我國目前的技術(shù)經(jīng)濟模式下,減少環(huán)境足跡1%,會使得成本增加7.58%.

根據(jù)對整個修復(fù)工程的分析,可再生能源在該修復(fù)工程中不是最優(yōu)減排路徑的原因如下:(1)該修復(fù)工程中對電力資源的使用較少,使用太陽能發(fā)電的方式對環(huán)境足跡的影響有限;(2)該修復(fù)工程的修復(fù)方量較少,修復(fù)時間較短,而建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟成本較高,長期運行才能更加具有經(jīng)濟效益.對于可再生資源,前期的投入較高,后期的利益顯著且具有環(huán)境效益,因此使用時間越長,成本越低,適用于大型的時間較長的修復(fù)工程.

2.5 環(huán)境足跡不確定性分析

蒙特卡洛模擬結(jié)果顯示(圖4),溫室氣體排放量在 95%置信區(qū)間內(nèi)的變化范圍為 2194～3086t CO2-eq,變異系數(shù)為4.58%;能源消耗量在95%置信區(qū)間內(nèi)的變化范圍為1.45×1014～2.46×1014MJ,變異系數(shù)為8.37%.溫室氣體排放量和能源消耗量的變異系數(shù)均小于10%,可以認為兩者的不確定性都在可接受的范圍內(nèi).但相比溫室氣體排放量,能源消耗量具有更大的波動.

圖4 蒙特卡洛模擬結(jié)果(95%置信區(qū)間)Fig.4 Monte Carlo simulation results(95% confidence intervals)

敏感度分析結(jié)果顯示,灌注孔填料的能耗系數(shù)對于結(jié)果的影響最大,貢獻度達到99%.對溫室氣體排放量影響最大的參數(shù)是柴油的排放因子(貢獻度為27.7%),其次是化學(xué)藥劑雙氧水的排放因子(貢獻度為19.2%)和電力的排放因子(貢獻度為13.5%).對于以上參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化,將顯著提高結(jié)果的準確性和可靠性.

SiteWiseTM工具由于其簡潔和專業(yè)兼具的優(yōu)勢,在國外修復(fù)工程環(huán)境影響評估中已經(jīng)多有應(yīng)用,但在我國的應(yīng)用有限.該工具內(nèi)置的能耗因子、排放因子和其他默認數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源與我國本土數(shù)據(jù)有所差異,并存在單位轉(zhuǎn)換、指標設(shè)定上的差異,這也會增加結(jié)果的不確定性.研發(fā)更加符合我國污染場地修復(fù)特點的環(huán)境足跡評估工具,并將蒙特卡洛模擬等統(tǒng)計學(xué)方法納入評估過程,將進一步推動我國綠色可持續(xù)修復(fù)實踐.

3 結(jié)論

3.1 整個修復(fù)工程共排放溫室氣體2616t CO2-eq,消耗能源2.11×1014MJ,水資源1.1×105L,排放空氣污染物(NOx、SOx和PM10)1.58×104kg.對比修復(fù)工程中使用的異位修復(fù)和原位修復(fù)單方污染土溫室氣體排放量和能源消耗量顯示,原位修復(fù)具有更低的碳排放量,但其具有很高的能耗,為異位修復(fù)的15 倍.

3.2 貢獻度分析結(jié)果表明,材料消耗對于各類環(huán)境足跡的貢獻度遠高于設(shè)備使用和運輸,對于環(huán)境足跡的影響程度最大.需要進一步加強綠色低碳材料的使用和材料的循環(huán)利用.不同修復(fù)階段的減排重點也不同,P1 階段的運輸過程和P2 階段的設(shè)備使用過程是各階段的優(yōu)化重點.

3.3 不確定性分析結(jié)果表明,溫室氣體排放量和能源消耗量的變異系數(shù)分別為4.58%和8.37%,不確定性程度較低.敏感性分析識別的關(guān)鍵輸入因子為灌注孔填料的能耗系數(shù)和柴油的排放因子.