关于挥发性有机污染物原位阻隔膜中气体扩散系数的讨论

2022-05-13＊关亮

当代化工研究 2022年8期

＊关亮

（上海久澄环境工程有限公司上海 201808）

土壤中的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）具有很强的挥发性及迁移性，可以通过蒸汽入侵的方式扩散侵入建筑物，继而通过蒸汽吸入的途径对人体健康造成危害。VOCs在我国工业污染地块中总检出率达到60%～ 80%[1]。

原位阻隔因兼具有可靠性、快捷性、经济性及可拓展性等[4-6]优点，成为目前VOCs风险管控技术中常用的技术之一。阻隔层是原位阻隔系统的核心，其关键性能参数可分为：（1）力学性质；（2）化学稳定性；（3）污染物阻隔能力：厚度、污染物在阻隔层中扩散系数。

其中污染物阻隔能力直接决定阻隔层是否对特征污染物起到有效的作用，是污染地块风险评估模型计算所需参数，也是VOCs污染地块风险管控所必须关注的重要参数。

本文以我国西南某城市的化工厂数据为基础，通过风险评估计算模型，针对不同可接受致癌风险下，阻隔膜的厚度、气体扩散系数进行计算，并讨论以上参数的相关性，以期为我国VOCs污染地块风险管控技术的发展提供参考。

1.项目背景

该地块位于我国西南某市东北方向，历史上曾作为化工厂使用，距离主城区约10km，占地约50亩，地块周边均已建设起高层住宅及商业区。该地块规划为居住用地，设计3层地下停车场，最大开挖深度为7m。

2016年-2021年，该地先后开展地块土壤污染初步调查、详细调查及风险评估工作，先后设置采样点78个，采集土壤及地下水等环境样品923个。前期工作成果表明，地块土壤中存在严重的VOCs污染，其中以氯仿最具代表性，最大检出浓度分别为57.06mg/kg，最大污染深度达到27m。

根据风险评估的结果，在可接受致癌风险为10E-6，计算该地块的风险控制值如表1。

表1 地块污染土壤风险控制值（单位：mg/kg）

根据风险控制值计算，地块总修复土方量约276557方，根据地块开发规划分层后，各层土壤量如表2所示。

表2 地块各层污染土壤修复工程量

地块土壤的地层划分及各层的特征参数如表3。

表3 地块土层划分及土壤特征参数取值

2.修复策略

目前国内对于VOCs类污染土壤的居住用地基本采用完全修复的策略，即将全部超过风险控制值的污染土壤进行修复，使其污染物浓度降低至风险控制值以下。该地块兼具开发周期紧迫、场地可利用空间小、周边敏感受体多、污染土壤量大、污染深度深等特点，加之其未来开发规划为全场开挖7m建设3层地下停车场，使得其可选用的修复策略单一，即：（1）0～7m污染土壤采用原地异位常温解吸技术，修复达标后土壤外运。（2）7～27m污染土壤采用原位热脱附技术。

基于该修复策略，修复施工周期为600天，修复工程总投资为289940650元，污染土壤修复综合单价为1046元/m3。分析本地块污染土壤修复综合单价较高的主要原因在于：（1）场地面积小，周边敏感受体密集，污染方量大，不利于采用全面开挖的异位修复技术。（2）深层土壤以粘性土为主，属于低渗透性土壤，修复难度高。（3）开发工期紧张，无法采用需多轮修复，逐步达标的技术方案。

结合国内外污染地块修复及风险管控工程案例，该地块的特征更适合采用原位阻隔的风险管控策略。

对下层土在采用基于原位阻隔的风险管控策略时，并未对土壤中的污染物含量进行直接修复与削减，而是通过阻隔技术切断下层土壤与上层活动人群之间的传播途径，使人体健康风险达到可接受水平，因此需要对阻隔系统的污染物阻隔能力参数进行论证。

3.风险论证

风险论证采用的模型及公式与《建设用地土壤污染风险评估技术导则》（HJ 25.3-2019）相同，计算过程中采用阻隔膜，代替建筑物地基，阻隔膜与墙体裂隙表面积所占比例参数采用地基与墙体裂隙表面积所占比例，计算并提出阻隔材料对风险管控区关注污染物的扩散系数，使其达到满足未来用地情境下活动人群的人体健康安全，计算原理及公式如下：

(1)下层土壤污染物扩散进入室内空气的挥发因子

VFsubia：下层土壤污染物挥发进入的室内空气的挥发因子，kg/m3；

Ksw：土壤-水中污染物分配系数，cm3/g；

Dseff：土壤中气态污染物的有效扩散系数，cm2/s；

DFia：室内空气中气态污染物扩散因子，（g/cm2/s）/（g/cm3）；

Dmeff：阻隔膜中气态污染物的有效扩散系数，cm2/s；

Lm：阻隔膜厚度，m；

ηm：阻隔膜与墙体裂隙表面积所占比例，无量纲；

θ：土壤孔隙比；

θws：土壤孔隙水体积比，无量纲；

θas：土壤孔隙空气体积比，无量纲。

(2)室内空气中来自下层土壤的气态污染物吸入途径暴露量

(3)室内空气中来自下层土壤的气态污染物吸入途径致癌风险

暴露参数、污染物毒理及理化参数详见表4～表6。

表4 暴露参数取值

续表

表5 污染物毒性参数

表6 污染物理化参数

我国风险管控要求的可接受的致癌风险应低于10E-6，因此分别对致癌风险为10E-6、10E-7、10E-8情况下不同厚度的HDPE阻隔膜扩散系数进行计算。

我国市场上HDPE阻隔膜的厚度一般在1.5～2.5mm。为保证居民风险健康风险致癌风险低于10E-6，分别对1.5mm、2.0mm、2.5mm厚度的阻隔膜进行气体扩散系数的计算，结果表7。

表7 不同健康风险等级条件下各厚度阻隔膜所需达到的最大气体扩散系数（单位：cm2/s）

市场上在最常用的阻隔膜的厚度为1.5mm，如在常州华润国际社区G地块住宅工程中使用了美国捷高公司的LIQUID BOOT®产品作为气体阻隔层为1.5mm厚的喷涂膜[8]。由表7可见，在此厚度下，为确保污染物致癌风险低于10E-6，阻隔膜气体扩散系数需小于9.20E-08。在阻隔膜厚度为2.5mm时，为确保污染物致癌风险低于10E-6，阻隔膜气体扩散系数也需要小于1.54E-07。

总体来说，在同一可接受致癌风险条件下，随着阻隔膜厚度的增加，需达到这一可接受致癌风险阻隔膜的扩散系数的最大值也随之降低。

随着可接受致癌风险的降低，对阻隔膜扩散系数的最大值的要求也随之降低。在1.5mm厚度下，为达到10E-7的可接受致癌风险，阻隔膜扩散系数需小于9.11E-09；为达到10E-8的可接受致癌风险，阻隔膜扩散系数需小于9.11E-10。即使在2.5mm厚度下，为达到10E-8的可接受致癌风险，阻隔膜扩散系数也需小于1.52E-09。

4.优化策略

结合风险论证的计算成果，当该地块采取修复及风险管控相结合的策略时，即：（1）0～7m污染土壤采用原地异位常温解吸技术，修复达标后土壤外运。（2）7～27m采用原位阻隔风险管控策略，对切断下层土壤VOCs与人体接触的途径，使人体健康风险达到可接受水平。（3）原位阻隔所采用阻隔膜的厚度及扩散系数满足修复工程总投资预算中的限制。该策略的修复总工期为450天，修复及风险管控总投资额为79410650元。

与前述的修复策略相比较，采用修复及风险管控相结合的策略工程工期缩短25%，工程投资缩减72.61%，具有明显优势。