大型污染场地修复过程中的问题探讨与工程实践
2024-08-05 22:28:36
孙兴凯1，黄海2，王海东2，张景鑫2，杨勇2，周广东2，初文磊2 1.北京燕枫工程项目管理有限责任公司 2.中科鼎实环境工程有限公司 摘要 近年来，随着城市化进程的加快，城市遗留的大型污染场地土壤和地下水污染问题尤为突出，开发再利用过程中的环境与人体健康风险较高。大型污染场地具有分布范围广、占地面积大、污染情况复杂等特点，开发再利用过程中面临着重修复轻调查、修复技术类型单一、二次污染防控难度大等问题，在大型场地开发再利用问题分析的基础上，提出了基于绿色可持续修复理念的相应对策。以北京焦化厂为例，介绍了该场地在修复和开发再利用过程中通过开展场地补充调查、采用多技术集成修复、加强二次污染防控和建立公众参与机制等方面，开展绿色可持续修复的实践。 关键词 大型污染场地；土壤修复；绿色可持续修复；工程实践 随着我国城市化的快速发展和“退二进三”产业结构的调整，大批高污染高能耗的工矿企业相继关闭、搬迁，在城市及周边地区产生了大量的遗留场地[1]。据不完全统计，我国面积大于1万m2的污染地块超过50万块[2]。遗留的污染场地大多存在较严重的土壤和地下水污染问题[3]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，调查的工矿业废弃场地超标点位占34.9%[4]，对环境和人体健康具有较大风险。国内的大型污染场地数量众多、占地面积大、污染情况复杂，导致该类场地在修复治理过程中难度和风险较高。欧美等发达国家在污染场地修复方面的研究起步较早，积累了丰富的修复和管理经验。因此，加强对大型污染场地修复过程中的问题梳理和经验总结，充分借鉴国外先进修复技术与理念，可推动污染场地修复产业健康发展。
1 我国大型污染场地特点 1.1 分布范围广，涉及行业多 大型污染场地地域、行业、工程规模分布特征见图1。从图1可以看出，我国大型污染场地分布范围广，在京津冀、长江经济带、珠江三角洲等经济发达地区呈集群式分布，依据调研的大型污染场地数据分析，华北和华东地区的数量占65%。大型污染场地主要涉及化工、钢铁、焦化、农药等行业，其中化工类(包括石油化工、化学溶剂和涂料等)大型污染场地数量占42%，农药类占31%，钢铁类占23%。从修复规模分析，化工和农药类场地修复土方量分别占41%和25%；尽管焦化类场地数量仅占4%，但是修复土方量占19%，单体工程规模巨大。 图1 大型污染场地地域、行业、工程规模分布特征 我国大型污染场地在华北和华东地区数量较多，一方面是由于该区域经济发达、大型企业数量多；另一方面是由于该区域是我国污染场地修复的先行区，率先暴露出污染地块。随着“退二进三”的产业结构调整和污染场地治理行业逐级向华南、中西部和东北等地区发展推进，这些地区的污染场地数量、工程规模等占比会大幅增加，成为新的热点区域。
1.2 占地面积大，环境风险高 相比于小型污染场地，大型污染场地的面积为上万至几十万m2，需修复土方量从几十万到上百万m3不等。我国典型大型污染场地部分案例如表1所示。从表1可以看出，占地面积10万～100万m2大型污染场地占55%，100万m2以上的占15%；修复土方量大于10万m3大型污染场地占81%。大型污染场地占地面积和修复工程量巨大，且一般位于市区，附近敏感点较多，因边界范围广，对场地污染物迁移扩散的防控难度较大[5]。目前大型污染场地以异位修复技术为主，因修复工程量巨大，在开挖、运输和治理等过程中易产生二次污染[6]，再开发利用的健康和环境风险较高。 表1 我国典型大型污染场地部分案例
1.3 跨介质污染普遍，污染情况复杂 大型污染场地多为老旧工业企业搬迁遗留，因历史上企业生产过程中工艺技术陈旧、管理水平较低、环保设施落后等问题，经过多年的生产活动，对场地的土壤和地下水造成不同程度的污染[11-13]。场地中的污染物由于自身性质的不同，呈现出不同的水平和垂直分布特征。迁移性较弱的污染物(如多环芳烃等)常分布在土壤表层，呈点状或块状分布；迁移性强的污染物(如苯系物、氯代烃等)跨介质污染普遍，往往在土壤和地下水中同时存在[14]。如北京焦化厂污染场地中苯并[a]芘超标点位分布在土壤深度0～9 m，9 m以下没有超标点位；而苯系物污染深度较大，地下0～15 m的范围都有分布；苯系物和苯并[a]芘呈明显的分层分布特征。
1.4 污染物种类多，污染严重 大型污染场地污染物组成复杂多样，包括重金属、农药、石油烃、多环芳烃、多氯联苯和各种有机溶剂等(表1)，且部分场地为多种污染物并存的复合型污染或存在非水相液体(NAPL)等[15]。以天津农药厂污染场地为例，检出超标污染物主要有挥发性有机物(VOCs)、溶解性挥发性有机物(SVOCs)和农药，其中VOCs有9种，主要为苯系物；SVOCs有10种，主要为多环芳烃类物质；农药有5种，分别为甲拌磷、对硫磷等。污染物最大浓度超过场地风险值近2 000倍，污染情况严重。不同行业污染场地的典型污染物各有特点，如焦化场地典型污染物有多环芳烃和苯系物；有机氯农药类场地典型污染物有氯代烃类、六六六和DDT等；钢铁行业典型污染物为多环芳烃、苯系物和重金属等。
2 大型污染场地开发再利用面临的问题 2.1 重修复，轻调查 污染场地调查是环境风险评估的前提，更是污染场地修复治理的重要基础。目前，国内外污染场地调查费用的投入相差较大。2017年欧盟委员会提交的报告显示，国外污染场地调查费用约占整个场地修复投入的20%，而我国用于污染场地调查的费用仅占1%～3%[16-17]。调查费用不足直接影响到场地调查的精度和调查范围，导致对污染场地的情况刻画不充分。此外，污染场地调查与修复实施间隔时间长的状况较为普遍，少则1年，多则3～5年，时效性较差[18]。以北京某焦化厂为例，2007年进行场地调查评估，2013年对污染场地进行修复，间隔时间过长可能会导致污染情况发生较大变化，之前确定的修复范围或污染程度不准确。污染场地调查不准确会影响修复方案的设计，可能导致过度修复或修复不足，造成修复成本增加或工期延误。
2.2 修复技术类型单一，原位修复技术应用率低 目前国内大型污染场地土壤和地下水污染防治及技术研发等方面仍处于初级阶段，修复技术仍不成熟，但因城市建设再开发土地流转周期紧，导致目前的污染场地修复“一刀切”现象严重[19]。对表1中大型污染场地的应用修复技术分析显示，能量密集型异位修复技术在大型污染场地治理过程中应用广泛，其中热脱附技术应用频率最高，占37%，热脱附和水泥窑协同处置等能量密集型修复技术占54%。目前大型污染场地仍以异位修复技术为主，占84%，原位微生物、原位热脱附和原位化学氧化/还原等集成修复技术应用频率较低(图2)。 图2 典型大型污染场地修复技术应用情况
2.3 二次污染防控难度大 搬迁遗留的大型污染场地位于市区或周边，因边界范围大，周围敏感点较多，VOCs类污染物空气扩散防控难度大。目前大型污染场地主要以异位修复技术为主，开挖、运输、暂存和预处理等过程均会导致二次污染产生，场地覆膜或膜结构车间隔离难以抑制污染物的挥发。如杭州农药厂开挖过程中虽然覆盖了2万m2的充气大棚，附近居民仍不能摆脱异味的影响。修复工程实施过程中，缺乏有效的防控技术、药剂和专业装备，是导致二次污染防控效果差的主要原因。此外，针对场地中存在的二次污染物，特别是农药类污染场地中众多异味物质的识别和评价方法较为缺乏，导致无法有效进行有针对性的防控和评价，这也是导致二次污染防控难度大的重要原因。
2.4 公众参与度低 目前国内污染场地修复过程公众参与度低，普遍对污染场地修复治理缺乏了解。在场地修复治理过程中，拥有健全的信息交流沟通渠道和机制，可避免由于公众的疑虑和恐慌，影响场地修复工程的顺利进行。在美国“超级基金”项目中，污染场地附近公众可参与到场地修复的决策中，可帮助环保局收集该场地信息，在运作过程的每个阶段，公众都有发言权[20-24]。所以借鉴国外场地修复公众参与经验，健全国内的污染场地公众参与机制，增加公众的参与度，在大型污染场地修复治理过程中十分重要。
3 主要对策 污染场地修复理念先后经历了基于标准和基于风险修复2个阶段。基于标准修复,因严格的“一刀切”带来了过度修复问题；基于风险修复,没有定量考虑修复本身所带来的二次影响，包括资源和能源的消耗、二次污染等，造成了二次污染问题，主要是空气污染。近年来，在欧美等发达国家和地区，综合考虑环境、社会、经济影响的绿色可持续修复理念逐渐兴起[23-24]。按照美国洲际技术与管理委员会(Interstate Technology and Regulatory Council, ITRC)的定义，绿色可持续修复是针对特定场地，采用产品、工艺、技术和规程来降低受体的环境风险，同时实现环境效益、社会目标和经济影响三者的平衡。与只考虑修复工程时间和经济成本的传统理念不同，绿色可持续修复考虑全生命周期修复行为对环境、社会和经济的综合影响，强调在修复的各阶段多方面融入可持续理念，可有效防止过度修复和二次污染问题[25]。特别是大型污染场地，由于修复周期长，再开发用途多样，更需要贯彻绿色可持续修复理念，采用全生命周期方法评估修复的可持续性。
3.1 精准污染场地调查 精准污染场地调查是实施绿色可持续修复的先决条件[26]，特别是大型污染场地，其污染情况复杂，调查难度高。首先，应加大场地调查的投入，对场地的污染物种类和分布范围、水文地质、地球化学等情况开展详细调查，为后续的精细化修复提供有力支撑和依据。其次，传统的采样技术和实验室分析导致大型污染场地的调查时间长、成本高、调查分辨率低，难以满足确定污染和修复范围的精度要求。对于大型污染场地，数据质量不仅仅完全等同于精度高，由于数据的实验室分析费用昂贵，因此运用大量低成本的快速检测数据有助于提高调查的分辨率。如运用Triad三元法，采用便携式X射线荧光仪(FPXRF)、光电离子传感器(PID)等快速检测设备，利用其检测成本低、时间短的特点，在现场进行大量的快速检测，使整个污染场地调查过程动态化，提高调查的分辨率和精度。基于快速检测结果，不断调整工作计划，挑选部分有代表性的样品，采用室内传统化学分析方法进行验证性分析，可大幅减少化学分析的样品量和试剂消耗量，降低分析检测过程中能源的消耗和污染物的排放，同时缩短检测时间、降低分析检测成本，以达到省时、省钱，降低调查不确定性的目的。
3.2 建立基于再开发利用需求的修复模式 参照美国可持续修复论坛(Sustainable Remediation Forum, SURF)制定的绿色可持续修复评估框架，修复技术的选择需考虑场地的未来用途，在可能及有效的情况下支持采用低能耗技术，减少温室气体排放，支持采用扰动小的原位技术等，大型污染场地的修复要综合考虑场地再开发用途和土地流转周期等要素，采取分类、分区治理模式，构建风险管控、原位/异位修复技术并重的绿色可持续修复技术体系。首先，针对大型污染场地的再开发用途较为多样的特点，可分为居住用地、商业用地、文教用地、公用设施、公园绿地等，根据再开发用途分别制定不同的修复目标，进而选用不同的修复技术。其次，针对大型污染场地的开发周期较长的特点，从几年到十几年不等，应采用不同的修复模式。对于不着急开发、风险较小的地块采用风险管控的方式治理，如东方化工厂土壤修复项目仅对重度和中度污染区域进行修复，其余土地直接绿化，以避免过度修复；对于需要修复、且修复时间较充裕的地块，可优先考虑环境影响足迹小和利用再生能源的修复技术，如首钢原址不急于开发的地块，采用原位生物修复技术，在减少场地扰动的情况下达到场地的修复效果；对于着急开发且需采用高能耗修复技术的地块，在修复过程中尽量采用节能技术，降低修复技术能耗，如对热脱附技术采用能量梯级利用和余热回用，实现能量的充分利用。
3.3 建立健全二次污染防控体系 减少二次污染是绿色可持续修复理念的一个最重要的目的。在一定情况下二次污染带来的负面效应可能远超修复本身带来的正面效应[27]。绿色可持续修复评估框架在防控二次污染方面有以下要求：减少气味、噪音和光干扰；修复工程需要评估整个修复过程对社区当前、潜在和可能的人类健康风险，包括承包商和公众，避免加重对社区环境和人体健康的影响。因此，二次污染防控应采取多种举措，解决如场地修复中最常见的异味扰民等问题。在防控技术上，建立源—途径—受体的全过程二次污染防控体系，重点开发和应用高效源清除-过程阻断削减技术、装备和药剂；在制度上，建立区域预警和场区预警两级预警及响应联动机制，根据项目所在区域的大环境空气质量，在修复过程中有针对性地采取措施，当区域环境空气质量较好时，重点关注场区周边的环境空气质量，并依此设计不同的响应等级，确定项目停工、有限施工或正常施工模式。
3.4 构建多渠道的公众参与机制 公众参与是绿色可持续修复理念的重要组成内容。绿色可持续修复评估框架中关于公众参与的相关指标为：让利益相关者参与决策过程，提高公众参与度，并让公众了解和接受修复工程长期实施过程带来的限制；保持或扩大开放空间；通过公众宣传和开放项目信息，提高项目在社区的信誉。对于大型污染场地，涉及的利益相关者众多，建立有效的信息发布渠道，在污染地块修复全过程中加强信息公开，保障公众知情权，让利益相关者参与决策过程，提高公众参与和满意度，可为实现场地修复的社会可持续性创造有利条件[28]。国外的经验表明，加强公众参与，有利于对修复过程的监管，便于监督、发现及解决问题，消除误解[29-30]。如美国在污染场地修复再开发过程中，制定以社区为基础的计划项目，吸引并鼓励公众和社区居民参与，同时公众还可行使监督权，及时发现潜在污染场地，监督污染场地的治理修复，增强污染场地及其再开发过程的安全性。因此，应建立多渠道公众参与机制，以加强公众参与，如通过调查问卷、热线电话的形式了解公众的疑虑，通过网站、场地开放日、接待室等实时公开场地治理信息，便于公众了解场地修复进程，引导公众参与污染场地修复。
4 北京焦化厂场地修复项目 北京焦化厂位于北京市东南郊，占地面积约135万m2，污染物主要为VOCs和SVOCs，污染深度达18 m，污染土壤总量约213万m3。2006年企业全面停产，2007年进行污染场地调查，2013年开始污染场地修复治理工程。该项目曾是我国最大的单体修复项目，是典型的大型污染场地。尽管我国绿色可持续修复发展较晚，目前仍处于起步阶段，但是北京焦化厂修复项目在污染场地调查、精细化修复、二次污染防控和公众参与等方面初步体现了绿色可持续修复理念，其修复治理经验为我国大型污染场地绿色可持续修复提供了可参考的样本。
4.1 进行场地补充调查，明确污染物分布特征 实施绿色可持续修复要求更精确地界定污染范围。北京焦化厂作为具有50多年工业发展史的老工业基地，场地环境及污染物状况复杂，给污染场地的调查评估带来极大困难。于2007年进行该厂污染场地调查，为准确掌握污染边界，在场地修复开始前，进行了场地补充调查：1)结合场地功能分区、先前场地调查报告及施工工序，采取分区、分层采样调查，确保最佳的采样方案和数据质量等；2)对污染边界不确定区域采用5 m×5 m采样密度，明确场地中不同污染物污染状况和分布特征，降低调查的不确定性，划分单纯VOCs、SVOCs和二者复合污染等不同的区域，以指导后续精细开挖和修复治理。
4.2 多技术集成精细化修复应用 减少能源消耗和提倡使用破坏或降解污染物的修复技术是绿色可持续修复的原则。北京焦化厂项目在修复模式上，结合后期开挖地基建设保障性住房和公租房，采用原地异位修复；在修复技术上，采用逐级热脱附集成技术(图3)。对于低浓度苯污染土壤采用常温热脱附技术；对于低浓度苯、萘复合污染土壤采用低能耗的热强化常温热脱附技术；对于中/高浓度苯、萘复合污染土壤采用中能耗的低温热脱附技术；对于多环芳烃污染土壤采用高能耗的高温热脱附技术；利用高温热脱附的余热进行热强化常温热脱附，实现余热回用，提高能源利用效率。通过采用精细化热脱附集成修复技术，大幅减少了高温热脱附技术处理的土方量，降低了能耗和环境足迹，提高了能源利用效率。 图3 能量密度逐级热脱附技术流程
4.3 加强二次污染防治管控 二次污染防控是绿色可持续修复中环境和经济可持续性的重要体现。北京焦化厂项目从技术和制度两方面对二次污染进行有效防控：1)技术和工程措施方面，采用喷施泡沫抑制剂的方式控制开挖过程中VOCs的挥发；减少开挖作业面，并对开挖形成的基坑底部或侧壁及时采用高密度聚乙烯(HDPE)膜覆盖；采用密闭车辆运输污染土壤；污染土壤的暂存和预处理均在配备尾气处理系统的膜结构车间中进行；最终形成一套针对开挖、运输、暂存和预处理等二次污染重点防控环节的控制技术体系，减少和避免产生二次污染。2)制度方面，建立了基于PID和周边环境敏感点日常监测相结合的二次污染三级预警响应机制(表2)，缩短响应时间和检测成本。 表2 场区边界PID监测(举例) 注：A代表现场照常施工;B代表减少开挖作业面，加强环保措施；C代表停止施工并查找污染源，直至消除风险。
4.4 建立公众参与机制 公众满意度是评价社会可持续性的重要指标，加强公众参与，保障知情权是提高公众满意度的前提。在场地修复治理过程中，建立了线上和线下的公众的参与方式。线上方面，建立北京焦化厂污染场地修复项目专项网站，公布项目基本情况以及各种监测、检测数据，做到信息公开透明，便于政府相关部门和公众及时了解项目的实施情况，充分保障公众知情权。线下方面，项目部建立民众接待互动机制，组织公众代表进入现场参观，并针对现场施工过程、处理设施与设备的运行管理等环节进行讲解，打消公众的疑虑；对公众进行问卷调查和定期回访，做好沟通与解释等工作，并做好回访记录，提高公众参与度和满意度；加强与各高校、科研院所及同行单位交流，吸取外部先进的经验，完善项目管理，为实现场地修复的社会可持续性创造条件。
5 展望 目前，我国大型污染场地土壤和地下水的绿色可持续修复模式仍处于起步阶段，绿色可持续修复理念在场地调查、风险评估及修复技术的研究和应用等环节仍存在较大的提升空间。随着科学技术的发展和场地调查、风险评估方法的完善，针对污染复杂的大型污染场地环境状况高精度、全覆盖的快速诊断能力将会不断提高，综合考虑土壤、地下水潜在受体污染和社会、经济及环境效应的影响，以达到净效益最大化的绿色可持续修复模式，将是未来大型污染场地开发再利用的发展方向。
