污染场地环境风险的工程控制技术及其应用

谢云峰，曹云者，张大定，柳晓娟，李发生*

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012

2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083

近年来，国内开展了多种类型污染场地的修复技术设备研发与示范项目。但实际上，成熟且经济实用的修复技术还很少。国内目前应用较成熟的修复技术以挖掘后异位处理处置为主，包括填埋和水泥窑共处置技术等［1］。修复技术虽然能清除污染物，但由于污染场地条件和污染物环境行为的复杂性，导致某些场地条件下实施污染物清除的成本很高，且清除效果不理想。从发达国家的污染场地管理经验来看，污染场地风险控制技术除修复技术外，还有工程控制技术、自然衰减技术、制度控制措施等。工程控制技术主要是利用工程措施将污染物封存在原地，限制污染物迁移，切断暴露途径，降低污染物的暴露风险，保护受体安全。工程控制技术的施工技术成熟，成本相对较低，工程建设周期短，对不同类型的污染都具有较好的风险控制效果。因此，工程控制技术近年来在污染场地风险控制中的应用越来越广泛［2-3］。我国的污染场地管理工作刚刚起步，已开展修复的污染场地并不多，污染场地风险管理经验较少，污染场地修复技术体系还有待完善［1］。因此，有必要充分借鉴国外先进的风险控制理念，开发和应用更多的经济适用的风险控制技术手段，迅速提升我国污染场地风险管理的技术水平。

1 工程控制技术概念及其应用趋势

1.1 工程控制技术的定义

工程控制(engineering controls)的定义有多种。美国加利福尼亚州环境保护局(California EPA)给出的定义:用于控制危险物质迁移，预防、最小化或减轻危险物质释放可能导致的危害的措施，包括覆盖、密封、堤坝、壕沟，渗滤液收集和处理系统、地下水封存阻隔系统等［4］。美国俄亥俄州环境保护局(Ohio EPA)给出的定义:工程控制包括围栏、覆盖系统、景观美化等。工程控制必须满足以下标准:有效消除或减轻所有受体的暴露风险;满足风险控制目标和相关应用标准;适应场地的气候条件，不影响场地现有活动;在合理的时间内工程措施必须能达到一定的标准;能够被监测，并按照计划运行和维护［5］。佛罗里达污染土壤论坛工程控制讨论组(Florida Contaminated Soils Forum Engineering Controls Focus Group)给出的定义:工程控制为人为建设的封存阻隔墙和系统用于控制污染物向下迁移，表层渗滤和降雨入渗作用下的污染物迁移以及污染物在地下的自然渗滤和迁移［4］。综合上述定义，将工程控制措施概括为:通过各种工程技术措施，限制污染物的迁移(表层迁移和地下迁移)，切断污染源与受体之间的暴露途径，以达到降低污染风险和保护受体安全的污染物阻隔系统。场地污染物迁移扩散的途径主要有地表迁移和地下迁移。地表迁移包括污染物挥发、尘土和植物富集等。污染物地下迁移主要是伴随着地下水流动而发生的。因此，与污染物迁移途径对应的工程阻隔措施有水平阻隔、垂直阻隔和底层阻隔等。

1.2 工程控制技术与修复技术的区别

工程控制技术与修复技术是完全不同的场地污染风险控制策略(表1)。工程控制技术通过限制污染物迁移，降低污染物暴露，达到风险控制的目的。而修复技术主要是通过降低污染物浓度来降低风险。工程控制技术对污染物具有很强的适应性，而修复技术大都只是针对某种或特定类别的污染物，当多种污染并存时，修复难度较大，修复成本很高。工程控制技术比较成熟，对场地的适应性很强，对不同水文地质条件的场地都能较好地发挥风险控制的作用，而且工程技术施工效率高，在较短的时间内就能将污染物阻隔。修复技术受场地条件的影响很大，当场地条件较复杂时，修复效果和修复时间都很难保证。工程控制措施另一个显著优点是成本较低。工程控制技术的不足主要是对场地后续开发活动有较大的限制。工程控制只是将污染物封存在原地，污染物并没有消除。因此，场地后续开发不能扰动土壤和破坏现有工程控制措施。

表1 工程控制技术与修复技术比较Table 1 Comparison of engineering control and remediation technology

污染场地风险控制选择工程控制技术还是修复技术需要综合考虑修复目标、修复成本、修复时间、未来土地利用以及技术可行性等。总的来看，工程控制技术适用以下类别的污染场地:1)污染物容易迁移，风险高，未来土地利用不紧迫的场地;2)污染情况很复杂，应用修复技术成本太高，或缺乏适宜的污染修复技术的场地;3)污染区范围过大，进行污染源处理的修复周期很长、经济成本很高，工程控制技术可以在场地的部分区域(容易扩散的区域)作为主要的风险控制措施;4)工程控制技术可以作为实施主动修复前的辅助风险控制策略。

1.3 工程控制技术应用趋势

美国污染场地修复历史最久，污染场地修复技术信息比较完善，笔者主要根据美国超级基金场地的数据分析工程控制技术的应用情况。1982—2008年记录的美国超级基金场地共3456个。其中32.72%的场地(1131个)对污染源和地下水同时实施了修复，33.84%的场地(1169个)只对污染源(土壤、沉积物、污泥等)实施了修复，18.80%的场地(650个)只对地下水实施了修复，其他14.64%的场地(506个)没有实施修复［2-3］。污染场地风险控制和风险管理技术主要包括修复技术、工程控制技术(封存与阻隔)、监测自然衰减等。工程控制技术主要应用于场地污染源控制，实施污染源修复的场地中，约65%的场地应用了工程控制技术，而用于地下水污染控制的比例(小于3%)较低［2］。通常情况下，场地污染源控制同时采用多种措施，工程控制技术只是其中之一。

从美国超级基金场地的应用经验来看(图1)，在超级基金计划早期，工程控制技术(封存与阻隔等)的应用比例较高，从20世纪90年代初期开始，修复技术应用比例逐渐提高，到90年代后期，工程控制技术应用比例逐渐提高［2-3］。表明美国选择修复技术的思路是在不断调整和完善，修复技术筛选策略逐渐由污染源消除过渡到以控制风险为目的。特别是在90年代后期，考虑到污染源去除的成本太高，而工程控制技术能以较低的成本达到污染场地风险控制的目的，因此，工程控制技术的应用频率越来越高。总的来看，工程控制技术主要应用于污染源控制，污染源的污染程度重，利用修复技术的成本会非常高，而且修复时间会比较长。而工程控制技术由于施工技术成熟，在较短的时间内就可以对污染源实施阻隔，限制污染物迁移，降低污染场地风险。对复杂的污染场地，特别是多种污染物复合污染的场地，利用修复技术很难彻底的去除污染，工程技术对污染物具有很强的适应性，能同时对不同类型的污染物实施阻隔。对未来土地利用不紧迫的场地，工程控制技术可以作为场地污染风险控制策略。对需要修复的场地，工程控制技术可以作为风险控制策略的一部分，控制污染物迁移扩散，避免污染风险扩大。因此，工程控制技术在美国污染场地修复中占有重要的地位。

图1 1982—2008年美国超级基金场地修复措施应用统计Fig.1 Remedies selected in RODs of USA Superfund sites 1982-2008

2 工程控制技术类型及应用情况

2.1 工程控制技术主要类型

2.1.1 水平覆盖系统(caps/capping)

水平覆盖系统或水平覆盖层也称为表层阻隔。其主要功能或目的是将污染物与人、动物和植物隔开;抬高地面以提供适当的坡度，促进地表水径流，减少地表水渗透到地下，造成污染物的迁移;控制污染物质排放的气体。典型的覆盖系统通常由六个基本层组成，自上到下分别为表层、保护层、排水层、阻隔层、气体收集层和基础层［6］。覆盖系统的层数是与场地特征有关的，并不是任何场地所有层都必须具备。如在干旱场地就不需要排水层，但所有覆盖系统都必须有表层。影响覆盖系统效果的主要因素包括污染物的稳定性和下层污染物的沉降性，覆盖系统表面坡度的稳定性，覆盖系统排水性能和渗漏控制能力，覆盖系统对污染物产生气体的管理能力［7-8］。

图2 垂直阻隔墙建设示意图Fig.2 Schematic diagram of vertical barrier

2.1.2 垂直阻隔(vertical barrier)

垂直阻隔墙技术在水利工程的防渗中应用很广泛。用于污染场地风险控制时，主要是利用地下阻隔墙体封存污染物或改变地下水流向以达到控制污染的目的［7］。根据场地水文地质条件和污染物的分布特征，垂直阻隔墙需建设成不同的形状(图2)。阻隔墙的垂直形状可以延伸到地表或嵌入到低渗透性岩层。当污染物主要随地下水流迁移时，适宜采用悬挂型阻隔墙〔图2(c)〕。悬挂型阻隔墙可以延伸到地下水位以下将污染物环绕起来，必要时在内部抽取地下水以降低水力梯度。垂直阻隔墙的水平形状可以是环绕型、上坡型或下坡型。当地下水的流动情况不清楚或地下水在各方向都有流动时使用环绕型〔图2(b)〕。上坡型指阻隔墙建在污染区上游，阻止地下水流过污染物而导致扩散;下坡型指阻隔墙建在污染区下游，用于让地下水流过污染区域冲刷污染物，通常需要与地下水抽提相结合〔图2(d)〕。

根据垂直阻隔墙的建筑材料和施工方式，垂直阻隔措施可分为泥浆墙(slurry walls)、灌浆墙(grouting walls)、板桩墙(sheet pile walls)、土壤深层搅拌(deep soil mixing)、土工膜(geomembranes)、衬层技术(liners)等［9］。为了达到阻止地下水迁移的目的，要求垂直阻隔墙有非常低的渗透性，实际应用中通常要求低于 10-7cm/s［10］，同时，阻隔墙需要足够的强度和持久性。在污染场地具体应用时，需要基于风险控制目标，综合考虑根据场地条件、污染物性质、风险特征和阻隔技术自身的特点(表2)等多种因素，筛选出场地条件下最适宜的工程控制技术。

表2 典型地下阻隔墙技术特点Table 2 Technical feature of the selected subsurface vertical barriers

2.1.2.1 泥浆墙(slurry walls)

泥浆墙是最常见的地下阻隔技术之一［11］。自1970年以来，泥浆墙就被用于污染控制，并被公认为是隔离污染物和阻止污染物迁移的重要手段［12］，只要设计合理、建设得当，泥浆墙就能够成功地将污染物控制在污染场地［13］。泥浆墙的建设方法为首先进行土壤开挖形成深沟，然后利用低渗透性材料进行回填，通过夯实，形成低渗透性的连续墙体。

泥浆墙的建筑材料有黏土、膨润土、水泥、混凝土、粉煤灰等。实际应用中通常是多种材料的组合，如土壤-膨润土，水泥-膨润土，塑料-混凝土等。泥浆墙材料类型的选择与场地土壤、污染物的性质相关，因为污染物和地下材料可能会腐蚀墙体［14］。同时，不同材料类型和材料配比会影响墙体的强度和渗透性［15］，如在材料中加入水泥可以提高墙体的强度。不同材料组合对污染物阻隔的效果也存在差异，在具体应用时必须对材料的封存阻隔效果进行评估［15-16］。

2.1.2.2 灌浆墙(grouting walls)

灌浆是将适当的物质灌入砂土、岩石和人造建筑物，从而降低被灌物的渗透性并提高强度［17］。灌浆墙与泥浆墙类似，只是施工方式不同。根据泥浆喷灌的方式，灌浆墙可以分为压力灌浆、振动梁灌浆和喷射灌浆等［18］。压力灌浆是通过一定的压力将可固定化的灌浆材料注入到土壤或岩石的空隙中。振动梁灌浆是用打桩机将工字桩打入地下，通过工字桩低端的喷嘴向土壤中注入浆液。喷射灌浆是基于水切割技术，在非常高的压力条件下，高速度喷射泥浆混合物进入土壤或岩石中的空隙。喷灌的泥浆经切割、替换，将土壤与凝胶材料混合在一起，形成土壤柱。灌注的泥浆通常为水泥膨润土泥浆或普通水泥泥浆。理论上，喷灌技术可应用于任何类型的土壤(砾石到黏土)。但土壤类型会改变泥浆柱的半径，影响施工效率。在黏土中灌浆喷射的效率比沙土要低。

2.1.2.3 板桩墙(sheet pile walls)

板桩防渗墙是将钢板、预制混凝土、铝或木材用打桩机垂直打入地基以形成地下阻隔墙。连续的墙需要将板连接起来。板桩墙的缺点是板桩之间的连接比较脆弱，容易渗漏。目前，已有一些较好的专利技术用于封口。除了不同的连接封口，还发展出一些密封技术，包括灌浆、粉煤灰、水泥等都用于密封接头。

2.1.2.4 土壤原位搅拌(in situ soil mixing)

土壤原位搅拌是使用一组深层搅拌机将污染场地的土壤和固化剂(通常是膨润土或水泥浆)强制搅拌，利用固化剂和土壤发生一系列物理、化学反应，凝结成具有整体性、水稳性好、强度较高的连续墙体。与其他外部方法相比(如泥浆墙)，这种方法开挖的废弃土量较少。在场地污染控制中，常采用土壤深层搅拌(deep soil mixing，DSM)。可用的泥浆材料包括膨润土、水泥、石灰和添加剂(如粉煤灰、矿渣等可以改变材料的组成和耐性)。

2.1.2.5 土工膜技术(geomembranes)

土工膜是利用低渗透材料来阻隔污染物的迁移。土工膜的低渗透性是泥浆墙或其他垂直阻隔墙难以达到的。而且，土工膜能够保持连接的完整性。土工膜应用于污染控制已有30多年的历史。土工膜作为垂直阻隔墙常用的材料是高密度聚乙烯(HDPE)。由于土工膜片的长度有限，为了保持连续性，需要将膜板相互连接起来。理论上土工膜墙的深度是没有限制的，设计深度与建造安装的方法有关。可用的安装方法有很多。最常见的安装方式为:表层覆盖的土工膜通过水平延展或垂直下伸与垂直墙的土工膜形成垂直密封，土工膜的下端嵌入弱透水层。

土工膜可以单独使用，更多情况下是与其他措施配套使用。土工膜与土壤-膨润土、土壤-水泥、水泥-膨润土等回填形成组合障碍。土工膜与地工网格组合，层间用土壤-膨润土、土壤-水泥、水泥-膨润土等回填，形成C型衬垫系统(RCRA)［6］作为阻隔墙。

2.2 工程控制技术在美国超级基金污染场地的应用情况

为了评估工程控制技术的应用效果，美国国家环境保护局(US EPA)对130多个场地进行了详细调查，并对其中场地工程技术设计、建设、运行维护和效果等监测信息比较完整的36个场地进行了评价［10］。

从场地类型来看，36个场地包括化工厂、金属加工厂、木材加工厂、采矿、废弃物填埋、垃圾焚烧等多种类型。大部分场地为有机物、金属及砷等多种污染物的复合污染。场地土壤和地下水都存在不同程度的污染。36个场地工程控制的主要目标是将污染物封存在原址，限制污染物的迁移，特别是污染物随着地下水迁移，消除下游受体的环境风险。对存在挥发性污染物的场地，为了限制挥发迁移，通常在控制地下水迁移的同时，利用覆盖层系统阻止污染物挥发。

污染场地应用中通常的工程策略为表层覆盖和垂直阻隔相结合，36个污染场地中26个场地同时采用了表层覆盖系统和地下垂直阻隔相结合，其余10个场地中8个场地只采用了垂直阻隔措施，2个场地只采用了覆盖层进行表层阻隔。这是因为大部分污染场地为复合污染，在控制污染物随地下水迁移的同时要阻止挥发性有机物在场地表层的扩散。垂直阻隔墙技术中〔图3(a)〕，83.33%的场地(30个)采用了泥浆墙技术，应用板桩墙和振动梁技术均只占5.56%(2个)。泥浆墙建筑材料以土壤-膨润土为主，应用比例高达86.67%。其他几种材料类型如水泥-膨润土、黏土、混凝土等应用都很少〔图3(c)〕。土壤-膨润土泥浆墙渗透性可达到10-7cm/s以下，现场施工技术非常成熟，建设深度可达70 m，安装速度快，同时可与其他技术(表层覆盖)配套使用，能达到场地风险控制的要求［19］。且土壤和膨润土材料比较容易获取，成本较低，在保证污染场地风险阻隔效果的前提下，降低了垂直阻隔墙的总费用。表层覆盖系统中〔图3(b)〕，RCRA覆盖层应用最广，约占64.29%。黏土覆盖系统与土壤覆盖系统应用比例相对较少，均只占14.29%。只有2个场地采用沥青覆盖层，比例最少仅为7.14%。RCRA覆盖层是指按照 RCRA/CERCLA(资源保护和恢复法案/环境应对、赔偿和责任综合法案)覆盖层设计规范设计的覆盖系统［6］。为了达到控制表层降水对污染物迁移的迁移，RCRA/CERCLA规范对覆盖层的组成、材料，施工工艺、质量控制方法等都做了详细的规定。严格按照该规定建设的覆盖系统，通常均能达到美国国家环境保护局对覆盖层风险控制效果的要求。

图3 工程控制技术在36个污染场地应用情况统计Fig.3 The application of engineering controls in 36 contaminated sites

3 工程控制技术应用效果及关键技术环节

工程控制只是将污染物封存在原地，污染物并没有消除。因此，工程控制技术应用效果的评价标准为风险水平是否降低到预期的要求。根据工程控制的应用效果，分为优于预期目标、达到预期目标、未达到预期目标、无法确定等4个级别。无法确定是指场地现有数据无法评价工程控制效果。36个工程控制措施的效果评价结果表明(表3)，大部分工程控制措施达到了预期的风险控制目标。36个场地中，25个场地污染控制效果已达到预期的修复目标，只有4个污染场地的工程阻隔墙没有达到污染物阻隔目的，另外，7个场地因为监测数据不足，不能确定风险控制的效果。总的来看，如果设计科学、建设得当，工程阻隔措施的短期和中长期风险阻隔效果比较好。由于缺乏长期监测数据，长期的风险控制效果无法评价。但是从现有数据来看，风险控制效果不存在随着时间推移下降的趋势。4个风险控制失败的场地主要表现为污染物泄漏，特别是在泥浆墙嵌入不透水层的位置。主要原因为泥浆墙的施工缺陷，如泥浆回填前清理不充分，设计的嵌入深度不够。弱透水层存在缺陷也可能导致泥浆墙工程措施的失效。

表3 36个污染场地工程控制应用各环节效果评价Table 3 Performance evaluation of engineering controls applied in 36 contaminated sites

为了分析工程控制实施过程中工程设计、施工、工程监测等环节对工程控制效果的影响，根据各环节的合理性和科学性，分为好于可接受水平、可接受水平、不可接受，无法确定等4个级别。无法确定主要是现有数据不足，无法进行分级。从各环节的效果分级结果来看，从设计、施工质量控制和质量保证(CAQ＆CAC)到监测的合格率逐渐降低。设计环节的合格率最高为94%，质量控制和质量保证环节的合格率为86%。监测环节是工程控制最容易忽视的环节，合格率最低，仅为75%。监测环节的主要问题是监测系统缺乏一致性，对监测范围，监测系统设计和监测实施都没有规范化的程序。导致在评价工程效果时缺乏可靠的数据。而监测对评估工程阻隔的控制效果，特别是当阻隔措施作为长期措施时非常重要，因此有必要规范监测系统设计和运行。

为了提高工程控制措施的实际效果，工程控制实施过程中的质量控制和质量保证是非常关键的。设计环节，应开展详细的场地调查，分析污染种类和污染程度，识别污染物迁移暴露的主要风险，开展水文地质调查和模拟，分析污染物迁移途径，开展污染物与阻隔材料兼容性测试，为工程措施提供重要的设计参数。建设环节，在保证施工质量的同时，应对地下环境进行跟踪监测，评估实际的环境条件与设计的条件是否吻合，如果发现设计不能满足需求时应及时修正。工程控制措施后期监测是很重要的环节，但从国外的经验来看，也是最容易忽视的环节。后期的跟踪监测是评估工程措施风险控制效果的重要手段。而且，当场地的环境条件发生较大改变时，还应该开展应急监测，评估工程控制技术的效果。

4 国外的污染场地工程控制措施应用对我国的启示

工程控制技术并不是新兴的技术，在我国的水利工程、地质工程和土木工程等方面已有很长的应用历史和大量成功的工程案例。在污染控制方面，工程控制技术主要应用垃圾填埋场防渗，垂直阻隔技术用于防止渗滤液污染地下水，表层阻隔用于防止降水进入填埋区，减少和防止渗滤液的产生［20］。工程控制技术在垃圾填埋场的应用中取得了较好的防渗效果。垂直防渗墙施工技术以帷幕灌浆技术为主，表层防渗通常采用复合防渗措施，利用土工膜、黏土等建立复合防渗层，强化防渗效果［21］。

从国外的应用经验来看，工程控制是一类很有应用前景的污染场地风险控制技术。鉴于我国污染场地修复工作刚开始起步，由于经济能力和技术条件的限制，不可能对所有场地都实施污染物清除修复，对部分场地采用工程控制措施是较适宜的选择。现阶段，工程控制技术应用较少，主要有以下方面的原因:1)场地风险管理理念不完善，强调修复技术，而对工程控制技术关注较少;2)现阶段实施修复的场地，未来土地利用大都为居住用地，场地地下施工扰动较大，不适宜采用工程控制技术;3)国内对工程控制技术的研究较少，缺乏成熟的施工技术和案例经验。

为了推动工程控制技术在我国污染场地的应用，需要从以下几个方面开展工作:开展工程控制技术研究，包括防渗材料和施工工艺。在防渗材料方面，开发黏土、膨润土、粉煤灰等廉价复合防渗材料，使防渗墙不但具有较低的渗透性，而且对污染物具有较强的吸附阻滞作用。研究不同压差，不同渗透系数和不同介质等环境条件下防渗材料对污染物阻滞机理，研究适宜我国污染场地的防渗材料。在施工工艺方面，在借鉴水利工程、垃圾填埋场的经验基础上，研究适宜污染场地应用的施工工艺，特别是对场地扰动较小的原位施工技术，如帷幕灌浆等。开展污染场地工程控制技术应用示范研究。建立相关的工程控制技术应用指南，完善我国污染场地风险控制技术体系。

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