孟 豪,梅丹兵,邓璟菲,刘 鹏,董璟琦,,肖 萌,张红振,,李香兰*

天津市污染地块土壤与地下水修复实证分析

孟 豪1,梅丹兵2,邓璟菲2,刘 鹏3,董璟琦2,3,肖 萌1,张红振2,3,李香兰1*

(1.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院,北京 100875；2.生态环境部环境规划院土壤保护与景观设计中心,北京 100012；3.污染场地安全修复技术国家工程实验室,北京 100015)

以天津为研究区域,通过分析修复特征、污染物归趋、技术应用以及修复碳排放揭示了修复行为在区域尺度的影响.结果表明,2015～2021年7a间全市修复工业污染地块44个,修复污染土壤878.81万m3,修复地下水污染地块20个,面积106.64万m2,未来修复体量仍保持上升状态;修复土壤类型以有机污染为主,修复6类典型污染物40270.48t;修复技术呈现异位向原位过渡趋势,其中原位化学氧化、阻隔与抽出处理分别在土壤与地下水修复中应用频次最高.7a间土壤修复碳排放总量与碳排放强度分别为125.39万t和0.14t/m3,地下水也依赖于高碳排放因子修复技术,整体修复可持续度有待加强.本研究测算结果具有一定不确定性,其中土壤中的污染因子平均浓度与修复技术碳排放因子对于物质流和碳排放等结果影响较大.建议加强区域层面污染土壤与地下水绿色可持续修复评估体系研究,提升污染受体物质流动态追踪水平与统筹管理能力,探索滨海相地质条件下可持续风险管控体系.

土壤污染；地下水污染；区域修复；资源化利用；碳排放

土壤与地下水保护是推进生态文明建设、实现美丽中国的重要内容.与英国、美国等发达国家相比,我国修复行业起步较晚,实践经验不足,但随着《土壤污染防治法》《地下水管理条例》等法规颁布,我国土壤与地下水修复工作已进入快车道[1-3].

我国近10a修复污染地块类型由多到少依次为重金属、有机污染和复合污染,其中有机污染以苯系物类、多环芳烃类和总石油烃为主,不同类型污染物在不同深度、不同岩性的地层中存在明显差异[4-6].地块污染与修复通常呈现一定的区域特征,与上海市重金属污染为主不同,粤港澳大湾区土壤还受到氰化物、氟化物与有机污染的影响[7-8].绿色低碳修复近年来受到行业内的重视,国内外学者已针对热脱附、固化/稳定化技术、化学氧化/还原技术和农田钝化等修复技术的应用程度与碳排放开展探究[10-14].但上述研究主要围绕污染土壤类型、分布特征和行业来源等,修复领域碳排放局限在技术或工程层面,在区域宏观尺度研究相对较少.

天津市作为我国主要的老工业城市,由于工业企业的外迁,遗留地块环境风险突显,并呈现出污染地块多、污染体量大、污染面积广、污染程度重的特点[15].同时天津市因粉砂层厚、地下水位浅等水文地质条件,进一步加剧了土壤污染扩散[16].然而,天津市土地再开发需求庞大,妥善处置污染地块遗留问题已经成为制约区域可持续发展和土地资源可持续利用的突出问题[15].本研究以天津市为研究区域,探究修复行为在区域尺度的影响,揭示污染物归趋、技术应用以及修复碳排放等规律,为天津市土壤污染防治精细化管理提供数据基础与技术支撑.

1 数据与方法

1.1 数据来源与处理

本研究44个案例数据(图1)主要来源于:①天津市污染地块调查报告、风险评估报告、修复施工方案、环境监理报告、环评报告以及修复效果评估报告等;②相关修复企业提供的修复市场调研数据及项目清单;③《天津市建设用地土壤污染风险管控和修复名录》与《天津市地下水污染场地清单》.对修复工程启动时间、地理位置、污染类型、修复技术、污染土去向、土壤修复方量、地下水修复面积进行统计分析.采用Microsoft Excel软件对所有数据统计分析,利用OriginPro软件(Origin Lab Corporation, USA)和Arcscene(Esri, USA)软件制图.

1.2 物质流分析法

物质流分析以物质守恒为基本原理,定量评估环境系统中物质存量与流量,从而追踪物质在该系统中的流动[17].研究通过修复技术类型、修复方量、污染物种类和最终处置方式构建物质流框架,各环节污染因子通量采用以下公式计算:

q=v··c·10-6(1)

式中:q为单一污染地块修复过程～的特征污染因子通量,t;v是修复过程～污染土壤的方量, m3;是土壤容重,取值1.8t/m3;c是相应污染因子在土壤中的平均浓度, g/t.该区域的每种特征污染因子总通量F为所有修复地块中该因子通量q的总和,其中代表第个修复地块,计算公式如下:

F=∑q(2)

1.3 碳排放因子法

碳排放因子法借鉴IPCC排放因子法,通过活动水平与碳排放因子进行估算[18];本研究基于修复方量与碳排放因子,通过各类修复技术产生的碳排放量进行累加,初步估算得到区域修复碳排放量,计算公式:

CO2=∑XY(3)

式中:CO2为CO2排放当量, t;X为某修复技术治理的土壤方量, m3;Y为某修复技术对应的碳排放因子,t CO2/m3污染土,通过文献调研直接获取,或通过计算碳排放量与修复方量的比值间接获取,各主要修复技术碳排放因子Y见表1.

表1 土壤修复技术归一化碳排放因子

1.4 碳排放强度

为方便比较不同修复技术产生的碳排放,对碳排放强度进行定义,即修复/管控每方土所产生的碳排放量[10].

CO2=CO2/(4)

式中:CO2为碳排放强度,CO2/m3;CO2为CO2排放当量, t;为修复土壤体积, m3.

2 结果与讨论

2.1 区域修复地块特征

2015～2021年天津市修复污染土壤地块44个,累计修复污染土壤878.81万m3.其中河西区与河东区启动污染土壤修复工程时间较早,数量最多,占统计总数的40.91%,北辰区开展修复工程数量较少,但体量最大,占比修复总量的33.69%.全市年均修复地块6.3个,修复土壤125.54万m3;自2017年起,修复地下水污染地块20个,面积106.64万m2(图2).尽管地块修复启动时间较北京迟滞近10a,但修复体量已超越北京,年均修复方量为北京的2.46倍[24],当前仍处于污染地块集中释放期,在未来修复体量上仍保持上升状态.其污染类型与空间分布与污染土壤保持高度相似性并集中在天津中心城区[25].

图2 天津污染土壤与地下水修复体量

2.2 区域物质流特征

天津市土壤与地下水中除氨氮、氟化物、氯化物、铁等自然作用产生的有害物质,多数由人类工业活动造成,其污染物主要包括苯系物类、氯代烃类、多环芳烃类、石油烃等[26].修复土壤以有机污染为主,占比约70.95%,复合污染和无机污染分别为21.03%和8.02%.土壤去向中,原位修复比重最大,为33.24%,经异位修复后原场回填次之,为31.78%,采用异地填埋、资源化利用和风险管控分别较低,占比20.07%、9.14%和5.78%(图3).其中,资源化利用涉及水泥占比为7.89%、陶粒生产0.05%以及路基1.20%.与北京市修复土壤流相比,其类型占比均呈现有机污染>复合污染>无机污染,但在土壤归趋方面天津市不外运土壤(即风险管控、原位修复和原场回填)占比70.79%,远高于北京市的18.55%,其反映了两地在土壤修复方面的驱动因素以及环境管理存在较为明显的不同.修复地下水污染同样以有机物为主,修复范围主要为潜水层以及第II层承压水,少数地块修复至第III层承压水,有68.27%的地下水采用曝气、氧化还原以及阻隔等技术进行修复处理,33.08%的地下水直接采用的抽出处理等方式,经处理均以《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017) Ⅳ类修复标准排放至市政污水管道,其中有8.55%经原位修复技术处理后,再次进行抽出.

图3 天津修复地块物质流向图

图4 天津市2015～2021年土壤修复特征污染物质流

*各特征污染物线条粗细代表流量的相对大小,各污染因子流量相对独立

结果显示(图4),7a间天津修复典型污染物共计40270.48t,其中苯系物类156.56t、氯代烃类963.36t、多环芳烃类428.82t、石油烃类29816.27t、重金属类8801.78t、有机农药类103.69t.

苯系物类污染物(图4(a))主要以原位修复为主,有10.07%进入风险管控;氯代烃类污染物(图4(b))除60.46%经原位修复,其余39.21%均送至填埋场填埋;多环芳烃类污染物(图4(c))经原位修复46.58%和异位修复量53.30%相似,石油烃类(图4(d))以异位修复为主,其去向原位修复(32.31%)、填埋场填埋(32.36%)和原场回填量(31.74%)相似.重金属类(图4(e))污染物以六价铬为主,主要经化学氧化修复,其余重金属类污染物大部分(17.59%)直接运往填埋场填埋.有机农药类(图4(f))采用原位修复方式达54.91%, 6.46%经水泥窑协同处置,其余(38.62%)经异位修复后原场回填.

2.3 修复技术应用

(a) 天津市土壤修复技术应用情况(2015～2021)

(b) 天津市地下水修复技术应用情况(2017～2021)

图5 天津市污染地块修复技术应用

Fig.5 Application of remediation technology of contaminated sites in Tianjin

修复技术应用频次统计显示,应用频次最高的单项技术为原位化学氧化(18次),占比为25.35%,但整体仍以异位修复为主,占67.61%;除2021年外,原位修复技术占比呈逐年增加趋势,依次为0%、14%、17%、33%、40%和55%,技术应用种类也在过去7a间显著提高(图5).地下水修复技术中,阻隔与抽出处理技术应用最为广泛,且在近2a应用频次明显增多.修复初期,为缓解土地开发的紧迫性以及快速消除公共安全影响,主要采用直接填埋以及异位修复方式.2016年《土壤污染防治行动计划》颁布,文件提出“污染土壤修复工程原则上在原址进行,并采取必要措施防止挖掘、堆存等造成二次污染”,因此环境管理部门针对土壤外运采取了较为严格的管控措施,在一定程度上助推了污染土壤从异位修复向原位修复发展的趋势[27-28].天津在修复技术方面呈现相似的演化规律,并在污染土不外运方面得以加强,即原位修复、异位修复回填以及风险管控体量总和占总修复的70.79%,远高于北京的18.80%[24].但原位技术应用频次上(32.39%),与美国(40%)、韩国(83.30%)等发达国家仍存在较大差距[29].协同处置技术在天津修复行业中扮演了重要角色,消纳了近8%的污染土壤,但同时由于水泥窑、陶粒窑日均处理量有限,导致出现污染土长期占地堆存等问题,大大延长了地块移除名录的周期.

2.4 区域修复碳排放

2015～2021年天津市44个修复地块约排放125.39万t CO2,年均排放17.91万t,碳排放强度为0.14t/m3.排放总量呈“W”型,其中2015、2019和2021年排放量较大,占总排放量的81.30%.其原因主要为修复土壤采用了碳足迹相对较高的异位修复方式,由单年的碳排放强度(0.13t/m3)小于2015(0.18t/m3)与2021年(0.19t/m3)可知,2019年碳排放量高主要由于修复体量的增加.

天津市7a间因污染地块修复产生的CO2超过了北京市16a累计排放且碳排放强度为北京峰值期的2倍[24].结合天津市潜在污染地块数量以及污染土壤待修复存量较大,初步判断天津市因修复生产的碳排放仍处于上升阶段.但随着污染土壤存量的减少和治理修复技术的绿色化,排放增速将会减小.

我国存在重土壤污染、轻地下水的问题,使得地下水修复工作进度缓慢,直到《地下水管理条例》(2021)的颁布得以好转.尽管地下水原位修复技术具有成本低,扰动小等优势特点[30],但我国修复技术应用方面整体仍采用抽出-处理、原位化学氧化、止水帷幕+清挖等高强度修复措施,以期实现地下水污染总量和浓度的快速削减[31-33].美国在2015～2017年110个地下水修复案例中,其中超过一半地块采用原位修复方式,抽出处理使用比例已降至20%[34].而天津在过去5a,地下水修复技术未有新的突破,阻隔+抽出处理应用频次合计占比68.29%,原位化学氧化频次占比23.39%,由于抽水泵长期运行造成的能源消耗以及氧化剂生产的高碳足迹[35-36],将使得地下水修复产生较大的碳排放量,有学者曾对地下水修复碳排放进行初步估算,即修复地下水中1kg污染物可能导致多达130t CO2排放,其几何平均值为1.3t/kg.在我国双碳目标下,污染土壤与地下水修复,优先考虑绿色低碳修复技术势在必行[37].

图6 2015～2020年天津市修复活动碳排放量与强度趋势

3 结论与建议

3.1 结论

与国内外对比分析,天津污染地块修复可持续度有待提高;2015～2021年修复污染土壤878.81万m3,修复地下水污染面积106.64万m2,当前仍处于污染地块集中释放期,在未来修复体量上将保持上升状态.修复污染类型主要为有机污染,与天津市化工为主的产业结构密切相关,修复6类典型污染物40270.48t;修复技术逐渐由异位向原位过渡,全市土壤和地下水修复造成碳排放相对较大.

测算在过程和结果方面存在较大不确定性,仍有优化和改进的空间.初步的参数敏感性分析表明,污染因子在土壤中的平均浓度与修复技术碳排放因子对于物质流和碳排放等结果影响较大.由于地块资料的敏感性与获取方式的局限性,案例工程统计存在一定的缺失,在区域碳排放核算方法等方面,可借助全生命周期评估工具继续优化或完善.

3.2 建议

未来研究的着力点包括如下3方面.一是加强区域层面污染土壤与地下水绿色可持续修复评估体系研究,构建区域修复活动足迹方法.二是提升污染受体物质流动态追踪水平与统筹管理能力,减小异地转运、高能耗高碳排修复项目造成的二次环境影响,降低敏感受体集中区域的修复风险以及扰民隐患.三是探索滨海相地质条件下可持续风险管控体系,推动土壤与地下水协同、区域与污染地块协同修复/管控新模式,实现污染土壤和地下水消纳与资源化能力的双向提升.

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致谢：感谢北京市固体废物管理中心、北京建工环境修复股份有限公司、北京森特士兴集团股份有限公司为本研究提供的案例信息.

Empirical analysis of soil and groundwater remediation in contaminated sites in Tianjin.

MENG Hao1, MEI Dan-bing2, DENG Jing-fei2, LIU Peng3, DONG Jing-qi2,3, XIAO Meng1, 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 100012, China；3.National Engineering Laboratory for Site Remediation Technologies, Beijing 100015)., 2023,43(9)：4760～4767

This study selected Tianjin as the research area and revealed the impact of remediation behavior at the regional scale by analyzing remediation characteristics, pollutant fate, technology application, and remediation carbon emissions. During the 7 years from 2015 to 2021, 44 industrial contaminated sites, 8788100m3of contaminated soil and 20 groundwater contaminated sites, covering an area of 1066400m2, were remediated. In the future, the volume of remediation would keep rising. Organic pollution was the main type of soil remediation, and 40270.48t of 6types of characteristic contaminants were remediated. The remediation technology showed a trend of off-situ transition to in situ, in which in situ chemical oxidation, barriers and pump and treat were the most frequently applied in soil and groundwater remediation, respectively. The total carbon emission and carbon emission intensity in the past 7 years were 1253900t and 0.14t/m3, respectively, and groundwater remediation also depended on high carbon emission remediation technology, and the overall sustainability of remediation need to be strengthened. The calculated results of this study had certain uncertainties, among which the average concentration of pollution factors in soil and carbon emission factors of remediation technology had a great impact on the material flow and carbon emission results. It is suggested to strengthen the assessment system of green sustainable remediation of contaminated soil and groundwater at the regional level, improve the dynamic tracking level of contaminated material flow and management ability, and explore the sustainable risk management system under coastal facies geological conditions.

soil pollution；groundwater pollution；regional remediation；resource utilization；carbon emission

X53

A

1000-6923(2023)09-4760-08

孟 豪(1991-),男,新疆阜康人,北京师范大学博士研究生,主要从事气候变化与污染场地绿色可持续修复研究.发表论文3篇.mungo.h.meng@foxmail.com.

孟 豪,梅丹兵,邓璟菲,等.天津市污染地块土壤与地下水修复实证分析 [J]. 中国环境科学, 2023,43(9):4760-4767.

Meng H, Mei D B, Deng J F, et al. Empirical analysis of soil and groundwater remediation in contaminated sites in Tianjin [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):4760-4767.

2023-02-14

国家重点研发计划项目(2020YFC1807504,2018YFC1801300);污染场地安全修复技术国家工程实验室开放基金资助项目(NEL- SRT201708, NEL-SRT201709)

* 责任作者, 副教授, xlli@bnu.edu.cn