建设场地重金属污染土壤修复技术的筛选

朱晓星 王仕彬

(福建省闽东南地质大队，泉州，362021)

一般来讲，重金属是指密度大于4.0 g/cm3的约60种元素或密度大于5.0 g/cm3的约45种元素[1]，但从环境污染方面讲，重金属主要是指具有毒性的Pb、Hg、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、Sb、Be、Tl等元素，以及具有毒性且某些性质与重金属相似的类金属As等污染物[2]。金属制品业、有色金属冶炼和加工业、皮革及其制品业、化学原料和化学制造业的工业场地产生的大量废弃污染物，通过大气沉降、地表径流和地下水淋滤等转移转化作用，使得过量的重金属元素进入土壤[3]，超过土壤的自净能力，致使土壤中重金属含量明显高于原生背景值，造成土壤质量恶化，并且严重威胁着人体健康，全国城市工业企业搬迁而遗留的污染场地超过50万个，其中重金属污染场地占了相当大的比例[4]，迫切需要采取措施对重金属污染场地进行土壤修复。

目前，国际上对于重金属污染场地的土壤修复技术很多，美国超级基金在对污染场地选择修复技术时，重点考虑的因素包括修复效果、修复成本和修复时间等[5]。在污染场地修复技术筛选过程中往往需要借助不同的决策方法，如何高效地治理污染场地，选择适合的修复技术具有重要的现实意义。有研究曾指出需将科学与经验相结合来进行修复技术的选择，根据以往的经验，往往采用表面上花费较低的修复技术，最终导致修复效果不理想，造成更大的经济损失[6]。对于污染场地，修复技术的适用性是影响修复效果的关键因素。美国超级基金对重金属污染场地修复技术的筛选规定了基本程序，确定了9个筛选原则以确定最终的修复技术。李安婕等[7]运用多属性决策分析方法对修复技术进行偏好排序以筛选出适宜的修复技术。该次研究拟建立适合重金属污染场地的修复技术筛选指标体系，利用层次分析法(Analytical Hierarchy Process，简称AHP法)和逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，简称TOPSIS法)对污染场地土壤修复技术进行科学评价，以期为国内重金属污染场地选择合适的修复技术提供参考。

1 国内重金属污染场地土壤修复技术概述

相比于欧美国家40多年的发展，我国污染场地土壤修复产业仍属新兴行业，起步较晚，基础薄弱，仍处在技术完善及试点阶段，尚缺乏成熟的技术、设备及工程应用[8，9]。

在国内，受城市土地经济价值的影响，污染场地修复的最终目的多是用于商业开发再利用，选择的场地修复技术应具有二次污染风险小、修复周期短、稳定性高等特点。近几年国内也开展了一些关于重金属污染场地治理的试点与示范工程(表1)。当前国内重金属污染场地土壤修复工程较多采用的修复技术包括阻隔填埋、固化/稳定化、化学淋洗、土壤洗脱、化学氧化/还原、植物修复等技术，各修复技术的适用条件、技术成熟度、修复周期、污染物去除率、成本等情况汇总(表2)。

表1 国内部分已开展的污染场地修复工程实例

表2 重金属污染场地土壤修复技术汇总

注：①土壤类型：1—细黏土；2—中粒黏土；3-淤质黏土；4—黏质壤土；5—淤质壤土；6—淤泥；7—砂质黏土；8—砂质壤土；9—砂土。②污染物类型：a—挥发性；b—半挥发性；c—重碳水化合物；d—杀虫剂；e—无机物；f—重金属。③技术成熟度：M—广泛应用，技术成熟；S—规模应用，技术仍需改进；P—中试阶段，技术尚未规模应用。

2 污染场地土壤修复技术筛选方法

2.1 修复技术筛选流程

修复技术筛选就是对各修复技术的优缺点进行综合评价，结合具体污染场地的场地条件、修复目标以及修复要求等选出适宜的修复技术，基本流程如(图1)所示。

图1 污染场地修复技术筛选流程Fig.1 Flowchart for selection of contaminated site remediation technologies

2.2 建立修复技术筛选指标体系

污染场地修复技术的筛选要考虑修复技术的经济性、环境友好性和技术适用性等多个因素，每个因素又各自包含了多个指标， 是一个多层次的决策分析问题，因此要构建一个多层次的修复技术筛选指标体系(图2)。 该次研究参考张倩等[10]并根据实际情况建立的修复技术筛选指标体系分为场地条件(B1)、技术条件(B2)、经济条件(B3)和环境条件(B4)4个因素，并从4个因素中选取了16项指标(C1～ C16)。各指标可通过评分法获得各备选修复技术的评分参数(表3)。

图2 污染场地修复技术筛选指标体系Fig.2 Index system of selection of contaminated site remediation technologies

表3 修复技术指标评价标准

2.3 筛选指标权重确定方法

对于多参数决策问题中指标权重的确定有很多方法，包括AHP法、专家评价法、调查统计法、成本效益分析法等。其中，AHP法是一种定性和定量分析相结合的决策方法，通过将与决策有关的因素分解成目标、因素和指标等层次，在各指标之间进行两两比较，定量计算得到各指标的权重。此次采用AHP法计算各指标的权重。计算步骤如下[11]。

(1)对同一层次的各指标对于上一层次因素的重要程度进行判断，构建出评价指标的判断矩阵， 表示B层第i个指标与第j个指标的相对重要程度，以标度进行量化，量化标度值(表4)，此量化标度值可采用专家打分法确定。

表4 指标相对重要性量化

注：两相邻等级之间的中间值为8，6，4，2，1/2，1/4，1/6，1/8。

(2)首先将判断矩阵A中的每一列进行归一化：

(3)将归一化处理后的矩阵再按行求和：

(4)将向量B=(B1，…，Bn)T归一化处理，得到属性权重向量：

(5)计算判断矩阵最大特征值：

在计算出某一层(C层)各个指标的单排序权重后，用上一层(B层)因素本身的权重加权综合，即可计算出C层总排序权重。

(6)判断矩阵的一致性检验：

①计算一致性指标(Consistent Index，简称CI)：

②确定随机一致性指标(Random Index，简称RI)，Saaty给出了RI值，由指标筛选体系，可知道n=4，查得RI=0.90。

③计算一致性比率(Consistence Rate，简称CR)：

当CR<0.1，则认为该判断矩阵通过一致性检验，那么判断矩阵A的最大特征值对应的特征向量即为权向量。在多层次分层的情况下，用上一层(B层)因素本身的权重，对一致性指标CI以及随机一致性指标RI进行加权求和，可得到总层次的CI值和RI值，进行总层次的一致性判断。

2.4 最适宜修复技术排序方法

笔者采用TOPSIS法进一步筛选出最适合污染场地的土壤修复技术。采用TOPSIS法的目的是在备选的修复技术中找到一个最理想的修复技术[12]从而解决决策问题。具体步骤如下[13]如下。

(1)假设多参数决策问题由最初的决策矩阵Y={yij}，首先进行归一化处理，得到规范化的决策矩阵Z={zij}，公式：

(2)根据AHP法确定的指标权重向量ω=(ω1，ω2…ωn)T将规范化决策矩阵加权规范，得到加权规范矩阵X={xij}，公式如下：

xij=ωi·ziji=1,…m；j=1,…n

3 实例研究

3.1 重金属污染场地背景

某电镀集控区占地面积7.33 hm2，位于中国东南沿海泉州市，所属37家电镀企业于2008年8月全面关停，进行了整体搬迁。由于该集控区的建设时间早，管道老化破损，电镀废水渗入地下导致场地土壤遭受到重金属污染。在再次开发利用前对该场地的土壤样品进行采样分析，发现该场地存在重金属污染，污染特征因子为铜、锌、铬、镍，以“展览会用地土壤环境质量评价标准(暂行)”(HJ350-2007)中不同用地类型(居住用地和商业用地)的标准限值进行评估，均有不同程度的超标；以适用于商业用地的B级土地利用类型的土壤标准限值为标准，铜超标为47.5%，最大超标为16.97倍；锌超标为33.4%，最大超标为10.92倍；铬超标为2.7%，镍超标为0.9%。

该电镀集控区场地微地貌属河流流域下游海积平原，地层上部埋深3 m以内以杂填土、粉质黏土、粗中砂为主，透水性强，渗透系数为0.27×10-2～3.6×10-2cm/s，容易受污染，为该场修复工作的重点；2～8 m主要为淤泥和淤泥夹砂，呈流塑状，颗粒极细，透水性极差，渗透系数为3.6×10-7cm/s，厚度大于2 m，在污染场地范围内均有分布，可作为天然防渗衬层，防止以下土层受污染；8～20 m主要为残积砂质黏性土，14 m以下见花岗岩基岩。

通过污染场地健康风险评估结果表明，此污染场地部分地块土壤中重金属含量较高，存在较大的健康风险，需进行工程修复的地块面积约为9 000 m2，最大污染深度为2 m，污染土方量约18 000 m3。

3.2 修复技术初筛

根据场地踏勘调查和资料收集，同时受项目工期所限制，拟采用异位修复技术进行场地修复。结合场地条件、修复目标及修复要求，从国内应用成熟的重金属污染场地修复技术中初步筛选出的修复技术为阻隔填埋(T1)、固化/稳定化(T2)、土壤洗脱(T3)、化学氧化/还原(T4)、植物修复技术(T5)。依据修复技术筛选指标体系，对照修复技术指标评价标准对初筛技术的16项指标进行量化评分，评分结果如(表5)所示。

3.3 筛选指标权重确定

针对筛选指标体系，通过专家问卷调查、咨询的方式，对指标C1～C16的相对重要性作出标度判断，按照指标相对重要性量化中1～9代表极不重要—极重要进行量化，再用AHP法对各指标进行分层比较和计算，并通过一致性检验，可得到筛选指标体系各指标的权重，计算结果如(表6)所示。

3.4 最适宜修复技术确定

表5 最初决策矩阵

表6 各层指标权重计算结果

注：① B层CR=0.045<0.1；②C层CR=0.057,0.09,0.058,0<0.1；③总层次CR=0.058<0.1，

利用TOPSIS法对各修复技术进行综合评价排序；将表5的最初决策矩阵归一化和表6中的C层总排序权重加权，得到加权规范矩阵；再根据公式计算得出各技术的综合评价指数 ，最终计算结果如(表7)所示。

表7 最终计算结果

由最终计算结果可以知道，根据5个备选修复技术的综合评价指数，修复技术的适宜程度排序为T2、T1、T4、T5、T3，其中T2固化/稳定化是该重金属污染场地相对最适宜的修复技术。该污染场地的建设单位采用固化/稳定化作为该场地污染土壤修复技术，施工后达到修复目标，与笔者筛选出的修复技术相符。该实例对指导重金属污染场地修复技术筛选具有一定的实际意义。

4 结论

(1)该研究系统梳理了重金属污染场地修复技术选择路线，构建了污染场地修复技术筛选指标体系，运用AHP法和TOPSIS法进行污染场地修复技术筛选的决策，并成功应用于某电镀污染场地的修复技术筛选。

(2)AHP法可避免对指标权重的忽视，TOPSIS法可克服在不易定量化指标上的主观性，联合利用可更科学客观地解决修复技术决策问题，为建设场地的重金属污染土壤修复技术的筛选决策问题提供参考。