上海市某地下水砷污染地块修复案例分析

黄颖莹

积极推进污染地块风险评估和修复治理, 既是防治土壤及地下水污染的重要举措, 更是保障人民群众身体健康的必然要求[1]。 本文研究地块为上海闵行区某工业地块, 通过对该污染地开展土壤与地下水场地环境初步调查、 详细调查和风险评估、 修复方案比选、 修复工程实施、 修复效果评估等工作, 最终完成该污染地块地下水砷污染的修复。 可为今后异位修复技术在地下水砷污染修复中的应用提供借鉴。

1 工程概况

该污染地块站点面积约7642 m2, 为某化学材料公司厂区,该公司主要进行罐用密封胶、 水泥及混凝土添加剂和水泥添加剂以及涂料的生产。 初步调查发现, 场地部分监测点位地下水中砷、 总石油烃和氨氮的检测浓度超出相关标准限值。 详细调查及风险评估结果发现该地块部分区域地下水中重金属砷对建筑工人的致癌和非致癌风险超出了可接受水平。 对于超风险的地下水区域, 须进一步采取治理修复措施, 降低或消除场地污染对人体的健康风险。

2 场地环境调查结果

2.1 初步调查和详细调查

该场地埋深16 m, 浅土层分布主要由粘性土和粉性土组成, 呈水平成层分布。 按其沉积年代、 成因类型及其物理力学性质的差异自上而下依次划分为第①层填土层、 第②层粉质粘土层、 第③层淤泥质粉质粘土层、 第③夹层砂质粉土层、 第④层淤泥质粘土层和第⑤层粘土层等6 个土层。 此外, 地下水稳定水位埋深约1.455 ～1.524 m, 标高为2.839 ～2.993 m, 地下水流向基本为由西向东方向流动。 填土层渗透系数约1.73E-04 ～1.94E-04 cm/s, 粉质粘土层渗透系数约1.01E-06 ～7.46E-07 cm/s。

地块土壤所取样品样本分析检测了重金属、 挥发性有机物、 半挥发性有机物与总石油烃指标, 结果表明其环境质量可以达到国家《土壤环境质量标准(GB 15618-1995)》相关标准,并且满足《上海市场地土壤环境健康风险评估筛选值(试行)》中的非敏感用地筛选值标准。 前期调查所有采集土壤样品的pH 范围为7.6 ～9.2, 背景点土壤pH 值为7.4 ～7.7, 属于正常范围。 土壤样品中相关特征金属砷含量范围为GLS1-6:4.94 ～14.9 mg/kg, 混凝土(水泥) 添加剂车间处GLS7 及GLS7JM1/3/4/6: 2.0 ～11.4 mg/kg, 场地范围内土壤金属砷含量存在一定背景本底值。

根据前期调查结果表明, 地下水中有监测点位发现地下水金属砷、 氨氮与总石油烃的检测浓度分别超出国家《地下水质量标准(GB/T 14848-93)》中的IV 类标准限值和荷兰建设部关于土地使用和环境干涉值标准《Soil Remediation Circular 2009: Dutch Intervention Values》中的地下水干涉值。 前期调查所有地下水样品的pH 值测试结果范围为6.9 ～7.4, 属于正常范围之内。

综上, 地下水特征关注污染物包括检出超标的金属砷、 氨氮与总石油烃指标, 超标情况参见表1。

表1 地下水超标样品检测结果Table 1 The test results of groundwater exceeded sample

2.2 风险评估

地块环境健康风险评估具体包括危害识别、 暴露评估、 毒性评估、 风险表征及确定修复目标值等工作。

根据初步及详细调查阶段的监测数据及相关适用评价标准, 判断本项目地下水的特征关注污染物为重金属砷、 氨氮与总石油烃。 结合场地历史和规划用途, 建立了“污染源” (部分区域地下水)- “污染物迁移路径” (口腔摄入、 皮肤接触及呼吸吸入的途径)- “受体” (工作人员和建筑工人)的暴露途径概念模型, 分析三种污染物对于受体的致癌风险和非致癌风险, 通过分析可知, 地下水中的氨氮与总石油烃对工作人员和建筑工人的致癌风险和非致癌风险均处于可接受水平; 地下水中金属砷对工作人员无致癌和非致癌暴露途径; 地下水中金属砷对建筑工人的致癌风险和非致癌风险超过可接受水平。

按照健康风险评估计算地下水关注污染物砷的风险控制目标值, 参见表2。

表2 地下水关注污染物风险控制值Table 2 Risk control value of concerned pollutant in groundwater (μg/L)

3 修复方案

3.1 修复范围

根据前期调查和补充调查的相关监测数据, 采用各相邻监测井点位已知浓度数值内插/外插法估算地下水砷浓度分布可能范围, 污染扩散所在修复面积约为450 m2。 根据不同深度地下水检测结果, 确定地下水砷污染源深度主要存在于2.0 m 以上的填土层中, 其主要污染扩散深度约为地面下3.0 m。 除存在裂隙通道以外, 地下水砷污染不可能大范围渗入场地内以淤泥质粉质粘土为主的更深地下含水层。

3.2 修复技术筛选

根据选用的基于去除污染源达到恢复场地地下水质量功能目的的污染物减量化修复模式, 适用于本地下水污染场地的修复技术一般包括地下水抽出处理技术[2,3]、 地下水修复可渗透反应墙[4-5]和原位化学氧化技术[6]等三大类技术种类[7]。 三种技术比选参数如表3 所示。

表3 污染地下水修复技术比选Table 3 Comparison of polluted groundwater remediation technologies

在综合考虑技术可行性、 经济可行性和环境可行性等方面后, 分析确定优先采用地下水异位抽出处理技术, 作为该场地地下水砷污染修复的技术措施。 此外, 在后期修复效果评估的基础上, 可考虑投加氧化药剂以进一步去除地下水中的砷, 恢复污染区域的地下水氧化还原电位。

3.3 地下水抽提异位修复技术

本项目的地下水采用分区抽提的方式, 同时结合多次抽提、 药剂注入辅助措施进行治理修复。 目前, 含砷废水处理国内应用广泛的是吸附法和混凝沉淀法[8], 结合前期实验室小试和现场中试结果, 该项目金属砷废水处理技术路线见图1 所示。 污染地下水经处理修复后排放进入市政污水管网, 应满足纳管标准后进行市政纳管排放。

图1 重金属砷污染地下水处理技术路线Fig.1 Technical route for groundwater treatment of heavy metal arsenic

3.4 修复技术可行性评估

为评估分析拟选用修复技术的实用性与可操作性, 准备了小试和中试的试验方案, 以论证修复技术可行和修复总体方案合理。

3.4.1 实验室小试

针对重金属砷污染物, 采用芬顿氧化+絮凝沉淀方法进行实验, 投加一定量混凝剂(聚合氯化铝PAC)、 絮凝剂(聚丙烯酰胺, PAM)或芬顿试剂(硫酸亚铁+双氧水按比例混合投加,以药剂H2O2计投加量为2000 mg/L), 加快沉淀速度, 并分析检测氨氮与砷污染物浓度去除效果, 实验结果见表4。 通过实验验证了该地上污水处理工艺的可行性, 处理后的水质满足《污水综合排放标准》(DB31/199-2018)相关标准。

表4 污染地下水小试结果Table 4 The pilot results of polluted groundwater

另外, 实验室进行了双氧水药剂处理砷污染地下水效果试验。 配置5%的H2O2溶液, 并在200 mL 的地下水样品中投加约8 mL 的H2O2溶液(药剂投加量约为2000 mg/L, 以H2O2计), 投加后进行搅拌反应1 ～2 h, 分析重金属砷浓度。 从小试结果可以看出, 投加双氧水后, 污染地下水中的砷浓度从179 μg/L 降至91 μg/L。 投加的H2O2可氧化地下水中的溶解金属砷, 氧化后的砷离子易与水中的Fe2+、 Ca+等离子形成沉淀, 降低其浓度。 此外, 双氧水的投加可降解地下水中的部分有机物, 恢复地下水的氧化还原电势, 避免后续土壤中砷的析出。 因此, 通过小试试验, 证实了可通过注入H2O2药剂去除地下水中的溶解金属砷。

3.4.2 现场中试

现场中试进行了地下水修复区域中的部分区域(约200 m2)的抽水试验。 现场分两批布设了9 口深3.5 m、 直径110 mm 的地下水抽提井和2 口深1.7 m、 直径60 mm 的地下水抽提井;采用真空抽水方式对井群抽水, 监测地下水抽提效率, 记录抽提井出水量, 观察记录监测井内水位降深, 并对监测井和抽提井内水样采样检测; 完成水处理装置的安装, 记录中试污水处理工艺处理量、 加药量、 水处理污泥产生量等关键工艺运行参数, 并送检一批次处理后水样。

在中试试验期间, 开展了间歇抽水、 连续24 h、 连续72 h的抽水试验, 共抽提约17 m3的地下水。 分别于即连续抽提24 h 后和连续抽提72 h 后分两批次对抽提井和监测井内的地下水样进行了采集。 相比项目前期的初始砷浓度, 群井抽提网格内的大部分监测井地下水砷浓度略呈下降趋势。 有部分点位砷浓度变化较大, 且污染物浓度反而有所升高, 分析判断在抽提过程中, 车间反应装置和储罐区域的污染地下水可能发生迁移。 此外, 针对中试期间抽提上来的污染地下水, 进行了地上污水处置, 检测结果表明, 处理后废水的CODCr、 BOD5、 SS、 NH3-N、 石油类、 动植物油和砷均满足纳管排放标准。

4 修复效果

本项目在污染地下水修复范围内布设13 口验收监测井,围绕修复边界布置5 口地下水监测井, 在修复范围内外共设置18 口地下水验收监测井。 监测结果显示, pH 值的检测浓度范围为6.89 ～7.72, 砷的检测浓度范围为0.00034 ～0.0365 mg/L, 均低于修复目标值为0.0457 mg/L。

另外, 对抽提处理的地下水采集了9 批次水样, 共计49 组(含9 组平行样), 共验收水方量460 m3。 检测指标包括pH、氨氮、 CODCr、BOD5、 悬浮物、 砷、 色度和石油类, 结果显示,pH 的检测结果范围为7.11 ～8.68、 CODCr的检测浓度范围为5 ～52 mg/L、 总悬浮物的检测浓度范围为4 ～8 mg/L、 BOD5的检测浓度范围为0.9 ～9.1 mg/L, 氨氮的检测浓度范围为0.176 ～4.52 mg/L、 石油类的检测浓度范围为0.02 ～0.04 mg/L、色度的检测结果范围为1 ～2, 砷的检测浓度范围为ND ～0.025 mg/L, 均低于《污水综合排放标准》(DB31/199-2018)表1 和表2 的三级标准。

5 结 论

该地下水砷污染地块通过确定修复范围、 筛选修复技术、评估修复技术可行性(实验室小试和现场中试), 最终选用异位抽出处理与原位化学氧化联合修复技术进行修复工作。 经修复后, 该地块地下水砷浓度低于修复目标值。 抽出废水采用絮凝沉淀+高级氧化方法处理后, 达到相关排放标准后纳入市政污水管网排放。