有机物污染土壤修复技术筛选研究——以北方某工业地块为例

陶燕东，刘欣

（1.潍坊优特检测服务有限公司，山东 潍坊 261101；2.山东正实环保科技有限公司，山东 潍坊261101）

引言

土壤是人类赖以生存的基础，但随着社会的发展，工业化进程的加快，土壤污染问题日益突出[1,2]。污染土壤作为污染源具有较大的环境安全隐患，威胁着周边居民的身体健康，对土壤资源后续的开发利用也带来了不利的影响[3,4]。如何筛选适宜的修复技术防控污染物对生态环境和人体健康带来的风险，从而保障土壤资源合理化利用和人民生活质量，在国内外都是一个非常重要的课题。

国内外关于有机物污染土壤修复技术的应用报道众多[5,6]，每种修复技术都有各自的优缺点，选择有机物污染地块修复技术时，通常考虑的因素有修复效果、修复成本和修复时间等[7]。在有机物污染地块修复技术筛选过程中全面衡量各种修复技术的优劣性，确定最佳的修复技术具有重要的现实意义。在筛选最佳修复技术时，需要综合考虑污染物特征、地块条件、技术条件、环境条件和经济水平等多方面因素，各因素指标之间存在一定的矛盾[8]。因此，有必要建立有机物污染土壤修复技术的筛选指标体系去科学准确的筛选出最佳修复技术。

目前我国有机物污染土壤修复技术筛选多采用数值评分法，如加权加和法（SAW）和层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP法）。SAW法与AHP法通过主观赋值进行修复技术筛选，有时难以区分修复技术之间的细微差别[8]，在决策方法的推广上受到限制。本研究利用AHP 法和逼近理想解排序法（technique for sequencing by approximate ideal solution or technique for order preference by similarity to ideal solution，简称TOPSIS法）相结合，对有机物污染地块土壤修复技术进行科学评价，并结合北方某工业企业地块土壤有机物污染案例，根据建立的有机物染污土壤修复技术筛选体系，筛选出适合该污染地块的最佳修复技术，为后续土壤有机污染修复技术的筛选提供参考。

1 土壤修复概述

我国的土壤修复产业起步较晚，基础相对薄弱，仍属新兴行业，目前处于技术完善及试点阶段[9]。欧美发达国家目前已采用的土壤修复技术种类较多，仅美国超级基金在1468个污染地块修复中就应用了近30 种修复技术[6]，其中固化稳定化、焚烧和土壤气提技术在土壤修复技术中应用比较广泛（图1）[10]。我国参考了欧美发达国家多年来经过实际验证案例的公开资料和国内实际工程案例经验，编制《污染场地修复技术目录（第一批）》详细介绍了固化稳定化等多种土壤修复技术的适用性、原理、修复周期及成本等。

图1 美国超级基金地块修复技术应用情况

2 修复技术筛选

2.1 修复技术筛选流程

修复技术筛选是指根据污染物的特性、地块水文地质、修复目标等条件，对各修复技术的优缺点进行综合评价，筛选出最适宜的修复技术。修复技术筛选流程可分为两个阶段（如图2 所示），第一阶段为初步筛选，第二阶段为详细评价。第一阶段初步筛选是指根据污染物特性、地块条件和修复目标等确定潜在可用的修复技术；第二阶段详细评价则是根据建立的筛选指标体系进行综合评价，包括确定各指标的权重、指标赋值评分和结果排序等，据此来筛选最佳的有机物污染土壤修复技术。

图2 污染地块修复技术筛选流程

2.2 修复技术初步筛选

参考国内外较成熟的土壤修复技术，筛选出目前我国较常用的有机物污染土壤修复技术八种，分别为：异位热脱附技术、水泥窑共处置技术、原位气相抽提技术、原位土壤淋洗技术、异位化学氧化技术、生物堆技术、焚烧技术、常温热解吸技术[11-15]。八种土壤有机物修复技术的简介、技术成熟度、修复周期、成本、适用性及局限性等情况见表1。

表1 有机物污染土壤修复技术初筛表

2.3 确定修复技术筛选指标体系

污染地块修复技术的筛选既要考虑地块本身的条件，还要考虑修复技术自身的技术条件、经济条件和环境条件等多个因素，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。本研究参考张倩等[16]研究并根据实际工作经验建立3层有机物污染地块修复技术指标体系，如图3所示，第一层为目标层A，第二层为准则层B，B 层分为地块条件（B1）、技术条件（B2）、经济条件（B3）和环境条件（B4）4 个因素，第三层是指标层C，C 层分为16 项指标(C1～C16)。各指标通过评分法获得各备选修复技术的评分参数(表2)。

表2 修复技术指标评价标准

图3 污染地块修复技术筛选指标体系

要全面、科学、准确地评价各污染地块修复技术的基本特征和多要素之间的复杂关系，通过单一指标是难以实现的，需要使用多个相互关系、相互作用的评价指标。因此在AHP 法应用之前首先要构建修复技术筛选指标体系。本研究结合国内外修复技术筛选的成功案例[17]，从地块条件(B1)、技术指标(B2)、经济指标(B3)和环境指标(B4)四个方面选取了16 项指标，建立修复技术筛选的指标体系。

2.4 筛选指标权重确定方法

对于多方案的多属性决策问题中指标权重的确定方法有多种，例如专家估测法、AHP法、二项系数法、环比评分法和成本效益分析法等[18]，其中，AHP 法是一种定性与定量相结合的决策分析方法，该方法是把复杂问题的各指标按相互间的从属关系分解为若干个有序的递阶层次指标，在每层次各指标之间进行两两比较和计算，可得到不同指标的权重，对于解决多层次多目标的决策问题效果显著，是目前应用最普遍的评价方法最为广泛的决策分析法[19]。因此，本文采用AHP法计算各指标权重。AHP法的基本步骤[20]如下：

（1）根据以上建立的修复技术筛选指标体系，参考张倩等[16]并根据实际情况对同一层次的各指标对于上一层次某一准则的重要程度进行比较，构建出判断矩阵，表示B层第i个指标和第j 个指标的相对重要程度，采用专家打分法确定，判断结果以1～9 的标度进行量化，量化标度含义如表3所示。

表3 指标相对重要性量化标度

（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（ConsistentIndex,简称CI）：

②查找相应的平均随机一致性指标（Random Index，简称RI），对n=1，2…，参考Saaty[20]研究的RI值，见表4。由指标筛选体系，可知n=4，查得RI=0.90。

表4 平均随机一致性指标对照表

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。

2.5 修复技术评价及排序方法

为进一步筛选出最合适的土壤有机物污染修复技术，采用TOPSIS 法对污染地块土壤修复技术进行科学评价和优劣性排序。具体步骤[21]如下。

（1）设多参数决策问题最初决策矩阵Y=｛yij｝，首先进行向量规范化处理，得到规范化决策矩阵Z=｛zij｝，公式：

（2）根据AHP 法计算得到的权重向量ω＝（ω1，ω2，...，ωn）T，构成加权规范矩阵X＝｛xij｝，公式：

（3）确定理想解xj*和负理想解xj0，I+表示效益型参数，I-表示成本型参数，公式为：

（4）计算各修复方法到理想解与负理想解的距离di*和di0：

（5）计算各修复方法的综合评价指数Ci*：

（6）按Ci*从大到小排列各修复方法的优劣次序。Ci*值最大则对应的修复方法即为最佳修复技术。

3 案例研究

3.1 研究区基本情况介绍

选择北方某工业地块为研究对象，该企业主要从事碱性染料的生产，原辅料中用到氯仿作为原料，企业占地面积90 亩，地块土壤调查期间共布设60个土壤采样点位和15个地下水采样点位，经监测分析得知，地块内生产区表层和中层土壤污染物氯仿超过《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）第一类用地筛选值。污染区域面积6860m2，氯仿最大超标倍数为11.93倍，土壤污染最大深度为3.5m。该地块未来规划为住宅用地。

根据《建设用地土壤污染风险评估技术导则》（HJ25.3-2019）对污染地块开展风险评估，经风评计算地块内超标点位污染物氯仿致癌风 险 范 围 为1.79E-06～2.40E-05，均 大 于1.00E-06，致癌风险不可接受，主要通过吸入室内空气中来自下层土壤的气态污染物影响人体健康。利用克里金插值法计算得到氯仿污染地块需要修复的土壤方量约12978.99m3。

3.2 修复技术初步初筛

根据地块基本情况和委托方对工期的要求，初步筛选重点关注异位土壤修复技术。本研究从常用的有机物污染地块修复技术中筛选出5种：异位热脱附技术（S1）、水泥窑共处置技术（S2）、异位化学氧化技术（S3）、焚烧技术（S4）和常温热解吸技术（S5）。根据已建立的筛选指标体系，对以上5种修复技术进行评分，结果见表5。

表5 初步筛选决策矩阵

按照向量规范化处理的方式对表5的初步筛选决策矩阵数据进行归一化处理，得规范化决策矩阵，见表6。

表6 规范化决策矩阵

3.3 筛选指标权重确认

根据建立的筛选指标体系，通过资料收集[22,16]、专家打分、问卷调查等方式，对各指标的相对重要性作出判断，结果以1～9的标度进行量化，再采用AHP 法进行计算，获得各指标的权重（见表7）。

表7 各层指标权重计算结果

3.4 最佳修复技术确定

采用TOPSIS 法对各土壤修复技术进行评价及排序，通过表6 的规范化矩阵和表7 的总排序权重加权，根据TOPSIS 法计算得出各修复技术的最终评价及排序结果（见表8）。

表8 最终评价及排序结果

针对以上5 种有机物污染土壤修复技术，本地块土壤修复技术优劣程度排序结果为S3＞S5＞S1＞S2＞S4，可见本地块氯仿染污土壤最佳修复技术为S3 异位化学氧化修复技术。该污染地块的修复单位亦采用异位化学氧化修复技术对该地块开展土壤修复工作，与本研究筛选出的修复技术相同。本研究案例对有机物污染地块修复技术系统、科学、准确的筛选具重要的指导意义。

4 结论

（1）本研究梳理了国内外常用的有机物污染地块修复技术，提出了有机物污染地块修复技术筛选的流程与方法，从地块条件、技术条件、经济条件和环境条件4个方面选取16项指标(C1～C16)，建立了有机物污染地块修复技术筛选体系。

（2）利用AHP法和TOPSIS法相结合，科学准确的进行有机物污染地块修复技术筛选和决策。

（3）依据建立的有机物污染地块修复技术筛选流程和筛选指标体系，成功应用于北方某氯仿污染地块修复技术的筛选，筛选出适合该地块的土壤修复技术——异位化学氧化修复技术，为后续有机物污染土壤修复技术的筛选提供参考。