重金属污染地块风险评估及土壤修复技术筛选

李洪伟，邓一荣，刘丽丽，廖高明

(广东省环境科学研究院 广东省污染场地环境管理与修复重点实验室和粤港澳环境质量协同创新联合实验室，广东 广州 510045)

本文对目标地块开展土壤污染状况调查与风险评估工作进行研究，以确定地块污染的状况，为地块的环境管理和下一步工作提供依据[1-3]。在前期已有的土壤污染状况调查研究和风险评估研究的基础上，根据国家相关技术文件要求，开展了该地块修复技术筛选研究，为地块污染土壤治理选取高效、经济、可行的修复技术，并作出科学合理的成本和工期估算，为后续修复工程的开展提供技术支撑。

1 工程概况

1.1 目标地块概况

目标地块位于华南地区，占地面积约为50 000 m2。该厂建于20世纪90年代，主要运营五金塑料、饲料生产等行业。目前，该地块已被土地储备发展中心收储，规划为居住用地和商业用地。地块内企业已全部停产，厂房设施均已完成搬迁拆除。

1.2 地块环境特征

1.2.1 地质条件

根据地块土壤污染状况调查阶段过程中的钻孔揭露，该厂区地块的地层(0～10 m)主要分为中壤土、黏土和砂壤土，地质剖面如图1所示。

图1 地质剖面Fig.1 Geological section

(1)整个地块上层基本分布有第四系人工填土，有杂填土和素填土。杂填土中含有砖块，局部含有碎石、砂砾。素填土的主要成分是粉质黏土和砂土，棕褐色，松散，局部含有少量的砾石。

(2)粉质黏土、淤泥质土、细砂在地块内基本连续分布，埋深一般分布在填土层之下。粉质黏土：呈棕色，可塑，含细砂，土质均匀；淤泥质土：呈灰褐色，淤泥味，饱和，可塑；细砂：为灰黑色，饱和，中密实。

1.2.2 水文地质条件

根据调查结果可知，地块内地下水监测井中地下水的水位范围为地表以下1.0～4.8 m，地下水高程为+5.4～+9.4 m，地下水流向为从东北向西南，地块内地下水等水位线如图2所示。

图2 厂区地块地下水等高线和流向Fig.2 Contour lines and flow direction of groundwater in plant plots

2 地块污染现状

2.1 土壤污染现状

除六价铬外的重金属(铜、镍、铅、镉、砷、汞)在送检的所有土壤样品中均有不同程度的检出。其中，污染物铜、镍和铅超筛选值，最大超标倍数分别为3.52倍、11.67倍和1.65倍。挥发性有机物(VOCs)、半挥发性有机物(SVOCs)和总石油烃(TPH)在部分土壤样品中有检出，但检出浓度均未超筛选值。根据此次地块污染状况调查结果，地块界定出2处重金属铜、镍的污染区域和1处重金属铅污染区域，分别为地块西侧区域(WR-A区域)、地块东南侧区域(WR-C区域)以及地块西北侧表层土壤区域(WR-B区域)。

土壤污染范围如图3所示。

图3 土壤污染范围Fig.3 Soil contamination range

(1)WR-A区域。该区污染面积约3 700 m2，最大污染深度14 m，主要污染物为铜和镍。

(2)WR-C区域。该区污染面积约5 800 m2，最大污染深度12 m，主要污染物为铜和镍。

(3)WR-B区域。该区污染面积约265 m2，最大污染深度1 m，主要污染物为铅。

2.2 地下水污染现状

重金属镍、砷、铜、铅、汞在地下水样品中均有不同程度的检出。其中，镍和铜超地下水质量标准Ⅳ类，最大超标倍数分别为313倍和0.78倍。VOCs和TPH在部分地下水样品中被检出，但仍符合地下水水质Ⅳ类标准。SVOCs在所有样品中均未检出。

3 风险评估

3.1 土壤污染的健康风险评估

风险评估是基于此次地块污染状况调查中污染物检测结果，对调查范围内的污染现状及相应污染物的健康风险进行了相应分析与评估[4-8]。

(1)除铅以外污染物风险评估结果。目标地块未来功能区划为二类居住用地，根据详细调查采样结果，土壤中超筛选值的样品共82个，超筛选值的检测指标分别为铜和镍，可通过经口摄入、皮肤接触和吸入颗粒物暴露给地块开发的施工工人和未来居住在此的儿童和成人。根据《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ25.3—2019)计算超筛选值点位致癌风险和非致癌风险危害商。①铜对未来生活在此的儿童和成人的非致癌风险危害商为4.51，超过1的可接受水平，主要通过经口摄入影响人体健康；②镍对未来生活在此的儿童和成人的致癌风险为1.37×10-5，超过1×10-6的可接受水平，主要通过吸入颗粒物影响人体健康；镍对未来生活在此的儿童和成人的非致癌风险危害商为6.26，超过1的可接受水平，主要通过经口摄入和吸入颗粒物影响人体健康。综上所述，基于敏感用地方式下，地块土壤中铜、镍等关注污染物对使用人群存在健康隐患。需根据地块实际情况进行进一步分析，确定修复目标值，采取必要的风险管理手段。

(2)铅的风险评估结果。目标地块未来功能区划为二类居住用地，据详细调查采样结果，土壤中超筛选值样品共3个，超筛选值的监测指标为铅。

(3)铅的风险计算模型主要采用美国环保局开发的儿童(IEUBK)血铅模型。基于IEUBK模型对本地块土壤铅风险评估，表明整个儿童期内(0～6岁)血铅浓度平均值为58.9 μg/L，血铅浓度高于10 μg/dL的概率为100%，高于5%的可接受水平。

3.2 地下水污染现状的人体风险评估

本地块地下水关注污染物中铜、镍两项指标均不具备挥发性，不存在吸入室外地下水蒸汽(CRIOV3)和吸入室内地下水蒸汽(CRiiV2)2种暴露途径，且项目区域不属于地下水开采区，无直接饮入地下水途径，故铜、镍两项指标无致癌风险和非致癌危害，因此不存在人体健康风险。后续开发过程中需对其实施适当的后期管理措施，在后期严禁开发利用地下水作为饮用水源。地下水中关注污染物镍和铜，对于在此处施工的工人致癌风险和非致癌风险危害商均在可接受风险水平。

4 土壤修复技术筛选

根据《建设用地土壤修复技术导则》(HJ 25.4—2019)及其他相关文件要求，该研究在充分考虑地块地形地貌特征、工程地质条件、水文地质条件、目标污染物种类、空间分布和浓度水平[9-12]，以及当地经济技术条件的基础上，结合地块未来使用规划和施工进度等要求，对具有潜在可行性的修复技术进行分析比较，提出对目标地块的土壤修复技术研究。

4.1 重金属污染土壤修复技术

本项目土壤中污染物主要为重金属，常见的修复技术包括固化/稳定化技术、水泥窑协同处置技术、土壤淋洗技术、化学氧化技术、微生物修复技术、阻隔填埋技术等[13-16]，具体介绍如下。

4.1.1 固化/稳定化技术

固化/稳定化技术包含固化技术和稳定化技术。固化是指利用水泥一类的物质与土壤相混合将污染物包裹起来，使之呈颗粒状或大块状存在，进而使污染物处于相对稳定的状态。固化程序包含将污染土壤与固化剂(如水泥)混合以使土壤硬化的过程，混合物干燥后形成硬块，可以在原地或转移到其他地点进行最终处置。固化程序可避免固化物中的化学物质流散到周围环境中，来自雨水或其他水源的水，在流经地下环境中的固化物时，不会带走或溶解其固化物中的有害物质。稳定化是利用磷酸盐、硫化物和碳酸盐等作为污染物稳定化处理的反应剂，将有害化学物质转化成毒性较低或迁移性较低的物质，使其不具有危害性或移动性。例如重金属污染土壤与石灰混合，石灰与重金属反应形成金属氢氧化物沉淀，不易移出土壤。稳定化/固化技术的优点是技术成熟可靠，操作简单、安全，排放少，处置成本较低(来源于《污染场地修复技术名录(第一批)》(环发〔2014〕75号))。缺点是该技术只是将污染物固定在混合体内，而非去除，土壤内污染物总量未得到消减。因此，固化/稳定化处理后的土壤应结合其最终归宿，制定相应的验收方法和标准，如浸出检验等。处理后的土壤由于材料性质的改变，通常不易再作为普通土壤使用，需进行填埋处置或采取与其性质相符的资源化利用途径。

4.1.2 水泥窑协同处置技术

将污染土壤与水泥生料共处置，经过回转窑高温煅烧，可以将有机污染物完全分解，达到无害化处置。受水泥生产的工艺限制，必须对普通水泥窑投料口进行改造方可共处置污染土壤。同时作为水泥生产的附加功能，不能对水泥生产和产品质量带来不利影响。典型污染土壤水泥窑协同处置系统如图4所示。水泥窑协同处置污染土壤的价格适中，可用于重金属污染土壤修复，其优点是处置量较大，成本较低；缺点是土壤矿物成分必须满足水泥制造的要求，处置前需对水泥窑进料和排放系统进行改造，且水泥窑协同处置污染土壤必须得到环保主管部门的审批。

图4 污染土壤水泥窑协同处置系统Fig.4 Contaminated soil cement kiln co-processing system

4.1.3 淋洗技术

利用淋洗液去除土壤污染物的过程，通过水力学方式机械地使土壤颗粒悬浮，或搅动土壤颗粒使污染物与土壤颗粒分离。土壤清洗干净后，再处理含有污染物的废水或废液。如果大部分污染物被吸附于某一土壤粒级，并且这一粒级只占全部土壤体积的一小部分，那么可以只处理这部分土壤。土壤淋洗技术处置污染土壤量大，适用于多种污染土壤，处置成本适中。影响处置成本的主要因素是土壤物理性质，如果土壤中的黏土含量超过25%，则不建议采用此技术。此外，淋洗技术可能产生大量的洗土废水，必须配备相应的淋洗液处理及回用设备。淋洗工艺流程如图5所示。

图5 淋洗工艺流程Fig.5 Flow chart of leaching process

4.1.4 化学氧化技术

化学氧化修复技术主要是通过向土壤中注入化学氧化剂与污染物发生氧化反应，使污染物降解或转化为低毒产物的修复技术。常见的氧化剂包括高锰酸盐、过氧化氢、芬顿试剂、过硫酸盐和臭氧。处理周期与污染物初始浓度、修复药剂与目标污染物反应机理有关。化学氧化修复技术可用于多种污染地块的修复，处置成本适中(来源于《污染场地修复技术名录(第一批)》(环发〔2014〕75号))，影响处理效果的主要因素是土壤性质、污染物成分。化学氧化处理后，可能改变土壤有机质、铁离子、硫酸根离子含量等指标，对修复后土壤的利用可能会造成影响。原位化学氧化修复如图6所示。

图6 原位化学氧化修复示意Fig.6 In-situ chemical oxidation repair

4.1.5 微生物修复技术

微生物修复技术是以其对污染物的降解和转化为基础的，微生物修复污染的土壤必须具备两方面条件：①土壤中存在着多种多样的微生物，这些微生物能够适应变化了的环境，具有或产生酶，具备代谢功能，能够转化或降解土壤中难降解的有机化合物，或能够转化或固定土壤中的重金属；②进入土壤的有机化合物大部分具有可生物降解性，即在微生物的作用下由大分子化合物转变为简单小分子化合物的可能性，或使进入土壤的重金属具有微生物转化或固定的可能性。微生物修复技术在污染土壤和地下水的修复领域使用非常广泛，该技术非常适用于大面积的污染场地修复。近年来，微生物修复技术在美国修复市场占有的比例在10%左右，在国内也有一定的应用。微生物修复技术是成本较低廉的修复技术之一，但微生物种类的选择和培养过程比较复杂，不同的微生物只适用于分解不同的污染物。生物反应必须控制反应条件，对技术实施的要求较高。因为微生物消耗污染物的速度很慢，导致修复时间很长，因此这种技术适用于对土地修复时间没有严格限制的工程。此外，微生物制剂的环境安全性也是应关注的问题。

4.1.6 阻隔填埋技术

土壤阻隔覆盖系统主要由土壤阻隔系统、土壤覆盖系统、监测系统组成。土壤阻隔系统主要由HDPE膜、泥浆墙等防渗阻隔材料组成，通过在污染区域四周建设阻隔层，将污染区域限制在某一特定区域；土壤覆盖系统通常由黏土层、人工合成材料衬层、砂层、覆盖层等一层或多层组合而成；监测系统主要由阻隔区域上下游的监测井构成。土壤阻隔填埋系统主要由土壤预处理系统、填埋场防渗阻隔系统、渗滤液收集系统、封场系统、排水系统、监测系统组成。其中：该填埋场防渗系统通常由HDPE膜、土工布、钠基膨润土、土工排水网、天然黏土等防渗阻隔材料构筑而成。根据项目所在地地质及污染土壤情况需要，通常还可以设置地下水导排系统与气体抽排系统或者地面生态覆盖系统。适用于重金属、有机物及重金属有机物复合污染土壤；不宜用于污染物水溶性强或渗透率高的污染土壤，不适用于地质活动频繁和地下水水位较高的地区。阻隔区剖面如图7所示。

图7 阻隔区剖面示意Fig.7 Schematic diagram of barrier zone profile

4.2 修复技术筛查与选择方法

修复技术筛查阶段的目的是遴选可行的地块修复技术，这些技术可称为“备选修复技术”(Remedial Alternatives)。根据《工业企业用地环境调查评估与修复工作指南(试行)》，针对重金属的修复技术可选用原位或异位固化/稳定化技术、土壤淋洗技术、原位/异位化学氧化/还原技术、土壤洗脱技术、热脱附技术、阻隔填埋技术等。考虑到本地块重金属污染物为铜、镍和铅，原位/异位化学氧化/还原技术和热脱附技术均不适用，并且该地块污染土壤以粉质黏土为主。筛选出3项潜在修复技术为：水泥窑协同处置技术、固化/稳定化技术和阻隔填埋技术。

4.3 修复技术定量评估

对通过选择性试验的修复技术，可进一步采用修复技术评估工具(表1)以可接受性、操作性、效率、时间、成本为指标[17-22]，来定量评估得到目标地块实际工程切实可行的修复技术。

表1 污染地块修复技术综合评估阶段的评分Tab.1 Scoring at the comprehensive evaluation stage of contaminated land remediation technology

评分标准：①可接受性。与污染地块未来规划的使用功能、社会接受程度以及其他需接受标准之间的兼容性。4分为完全可接受；3分为可接受；2分为勉强可接受；1分为局部可接受。②操作性。修复技术的可操作性、地块设施影响以及技术是否在同类地块应用过。4分为操作性强；3分为可操作；2分为勉强可操作；1分为局部可操作。③效率。修复技术在类似地块的修复效率高低。4分为非常高效；3分为高效；2分为一般有效；1分为效率很低。④修复时间。所预期的修复时间。4分为短；3分为中等；2分为长；1分为非常长。⑤修复成本。所预期的总成本。4分为低；3分为中等；2分为高；1分为非常高。

根据表1评估结果，水泥窑协同处置技术、固化/稳定化技术和阻隔填埋技术3项潜在修复技术的分值依次为18分、17分和16分。经过可接受性、操作性、效率、修复时间、修复成本等多种因素的综合对比、考虑，确定以下备选修复技术组合。①水泥窑协同处置技术；②固化/稳定化技术+阻隔填埋技术；③水泥窑协同处置技术+固化/稳定化技术。

5 结语

结合地块工程概况及地块污染现状，从技术、条件、成本效益等方面对可供选择的修复技术进行了评估和论证，，本研究应用修复技术筛选矩阵，筛选出了适用于目标地块污染地块修复的潜在修复技术。通过可行性试验和评分矩阵法，确定以下备选修复技术组合：①采用水泥窑协同处置技术；②采用固化/稳定化+阻隔填埋技术；③采用水泥窑协同处置+固化/稳定化技术。