基于修复效果的污染土壤修复工程环境足迹分析

刘文晓，夏天翔，张丽娜*，贾晓洋，朱笑盈，梁 竞，蔡敏琦

1.北京市生态环境保护科学研究院，北京 100037

2.国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037

3.污染场地风险模拟与修复北京市重点实验室，北京 100037

工业企业改造搬迁后会遗留存在污染隐患的场地，给生态环境和人体健康带来严重威胁[1].因此，工业场地在改变原土地使用性质时，必须进行场地调查，开展风险管控或修复[2-3].目前，我国开展的大量污染场地修复工程主要考虑修复目标达成及经济成本投入，多采用高耗能、周期短的修复技术，对修复过程的环境影响考虑较少.但污染场地的修复过程本身消耗大量能源和其他自然资源，同时使用的化学品和排放的废弃物等均会造成新的环境影响[4]，因此在场地修复过程中还应考虑修复过程自身对环境的影响[5-6]，关注碳汇指标、生物学指标和环境指标[7].

可持续修复旨在清除场地中污染物的同时最大限度减少修复过程的环境影响[8]，所以需要在修复过程的各阶段采用提高能源效率、节约用水及减少温室气体排放的方法.生命周期评估(life cycle assessment，LCA)因可定量评估场地修复全过程的二次环境影响而被广泛应用于各领域[9-10].生命周期管理能帮助选择对生态系统和人类健康影响最小的修复方案[11].Page 等[12]计算了某铅污染场地修复过程的能源消耗、固体废物产生和污染物排放，证明LCA 有助于确定修复活动的环境负荷.Volkwein 等[13]利用LCA 对某多环芳烃污染场地的修复过程进行环境评估，其结果可用于修复方案的选择.Cadotte 等[14]分析了不同修复方案在清理石油污染场地时的环境影响，发现原位修复会对环境带来较大影响.由于LCA 所需数据量大、数据获取不确定性高，直接将传统LCA 应用于特异性强的污染场地会产生较大的不确定性.因此，美国环境保护局将环境足迹分析(environmental footprint analysis，EFA)作为绿色修复评价的重要方法，用于判断不同修复方案或技术的环境影响[15].2011 年美国发布的《修复行业足迹分析和生命周期评估导则》指出EFA 比LCA 更简明，可提供定性的决策支撑[16].同时，碳足迹、水足迹等指标广泛用于量化环境影响，如碳足迹计算器被用来计算各种产品和技术对气候变化的贡献.欧美等国家基于环境足迹方法理论，也开发了多种针对污染场地可持续管理的决策支持工具，包括SiteWiseTM、SEFA 等.

在碳达峰、碳中和目标下，我国场地修复行业挑战和机遇并存[17]，污染场地修复过程中二次环境影响愈发引起重视.因此，该研究针对北方某焦化厂有机污染场地原位热脱附和阻隔通风施工运行过程(简称“工程”)，运用SiteWiseTM工具计算了各阶段的环境足迹，分析了原位热脱附和阻隔通风技术的环境足迹强度，以期为我国污染场地修复过程环境影响和修复技术选择提供支撑，推动可持续修复的研究和实践.

1 材料与方法

1.1 场地概况

案例焦化厂位于我国北方中纬度地带，厂区地层表层为人工填土，其下为粉质黏土，再向下为卵石层.所在地区第四系含水层浅层地下水潜水位埋深在地表下30 m 左右，主要补给来源为地下径流和地表降雨.案例精苯场地包含焦油和粗苯精制工段，在长期生产过程中由于原料产品堆放及泄露等导致土壤污染，特征污染物为多环芳烃和苯系物.场地调查及风险评估显示，土壤中典型污染物苯和苯并[a]芘含量最大值分别为1 080、1 810 mg/kg，最大超标倍数分别为270、1 206 倍.

根据人体健康风险评估结果，结合GB 36600—2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准》(试行)[18]，将苯含量高于40 mg/kg、苯并[a]芘含量高于15 mg/kg 的区域定义为高风险区；将苯含量低于40 mg/kg、苯并[a]芘含量低于15 mg/kg 的区域定义为低风险区，污染场地概况如表1 所示.

表1 污染场地概况Table 1 Overview of the contaminated site

1.2 工程概况

该工程对高、低风险区采用了不同的修复和风险管控技术，高风险区采用原位热脱附技术(in-situthermal desorption，ISTD)，低风险区采用阻隔通风技术(in-situbarrier and bioventing，ISBB)，工艺原理如图1 所示.

将整个工程分为3 个阶段，分别为施工准备(Stage Ⅰ)、高风险区施工运行(Stage Ⅱ)、低风险区施工运行(Stage Ⅲ).施工准备阶段周期约50 d，包括人员物资准备、场地清理、临时设施施工等工作.高风险区施工运行周期约为200 d，分为两部分：①热脱附，包括加热、抽提井施工、热脱附设备安装及加热脱附等工作；②废水废气处理，包括废水废气设备安装和运行.低风险区施工运行周期约360 d，分为水平阻隔、生物通风、废气处理三个部分，包括阻隔层建设、通风井管制作安装、通风设备安装运行、废气处理等过程.

1.3 工具及数据清单

目前常用的环境足迹评价工具包括SEFA 和SiteWiseTM，均基于Excel 平台，其中SiteWiseTM由美国海军、陆军和巴特尔公司共同开发[19]，提供了温室气体排放、能源消耗、耗水量、空气污染物排放等量化指标，能够分析材料生产、运输、设备使用和废弃物处理等过程，采用模块化计算方式，对于修复过程的各阶段单独计算[20].Kim 等[21]使用该工具对铅污染射击场地的土壤淋洗过程进行环境足迹分析，发现盐酸和NaOH 等消耗性化学品、系统运行的电能消耗以及土壤挖掘设备的使用是土壤淋洗过程中环境污染的主要来源.

针对该场地高、低风险区施工运行的实际情况，考虑修复过程中能源消耗、材料使用、运输、废水废气处理等方面，使用SiteWiseTM工具计算各阶段的环境足迹，修复工程的技术流程和系统边界如图2 所示.

该研究的环境足迹清单数据主要来自土壤修复工程施工方案、工程监理报告、环境监理报告、工程竣工报告、修复效果评估报告等相关资料，对于资料中未标明的数据采用软件中默认参数.机械设备的燃油消耗根据现场作业机械设备的型号功率和作业时间计算，系统运行的电力消耗根据电力设备的功率与工作时间计算，其他能源(如天然气)和使用材料(如混凝土、钢铁等)均根据现场消耗情况计算，材料和设备运输的燃油消耗按车辆类型、里程和运载量计算.电力、柴油和主要材料的排放因子采用程序中的默认参数(见表2).

表2 土壤修复过程中使用的材料和能源Table 2 Materials and energy used in the soil remediation

2 结果与分析

2.1 修复效果分析

实施土壤修复和风险管控后，需进行效果评估[22]，进而判断该地块是否可以安全利用.从造成风险的“源—途径—受体”关键环节分析，原位热脱附是对污染源的削减或去除，阻隔通风是对污染物迁移途径的限制或切断，前者一般用修复后污染物含量与目标值的对比，后者需要根据阻隔设施参数、地块开发用途等进行风险评估，确定风险管控实施后地块风险是否达到可接受水平.

该地块高风险区目标污染物苯和苯并[a]芘的原始含量与修复后含量分布如图3 所示.由图3 可见：经原位热脱附修复后，土壤中苯含量最大值由1 080 mg/kg 降至2.89 mg/kg，平均值由51.91 mg/kg 降至0.26 mg/kg，低于修复目标值(4.00 mg/kg)；土壤中苯并[a]芘含量最大值由1 810 mg/kg 降至1.39 mg/kg，平均值由56.69 mg/kg 降至0.70 mg/kg，低于修复目标值(1.50 mg/kg).根据《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则》(HJ 25.5—2018)[23]，高风险区土壤修复达到目标.

低风险区阻隔通风后土壤中苯含量的最大值由32.06 mg/kg 降至3.50 mg/kg，平均值由2.21 mg/kg 降至0.28 mg/kg，低于修复目标值(4.00 mg/kg)，达到修复目标.对于土壤中苯并[a]芘，需通过阻隔后风险变化情况判断阻隔效果，一般可接受的致癌风险水平为1×10—6，可接受的危害商为1[24].阻隔通风前后风险评估关键参数取值如表3 所示.

表3 阻隔通风前后风险评估关键参数取值Table 3 Key parameters of risk assessment before and after ISBB

阻隔通风实施前后致癌风险和危害商变化情况如表4 所示，采用《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3—2019)[25]人体健康风险评估方法计算得到.阻隔通风实施前后苯的致癌风险分别为8.24×10—6和2.90×10—7，与阻隔通风后苯含量的降低和暴露途径减少有关.阻隔通风实施前后苯并[a]芘的含量变化不大，致癌风险由9.51×10—6降至6.62×10—11，原因是阻隔后经口摄入、皮肤接触、吸入土壤尘、吸入室外上层土壤挥发气体四个暴露途径均被切断，只需考虑吸入室外下层土壤挥发气体暴露途径.

表4 低风险区阻隔通风实施前后致癌风险与危害商Table 4 Carcinogenic risk and hazard quotient before and after the ISBB in low-risk zones

2.2 环境足迹分析

工程各阶段环境足迹和相对贡献如表5 所示，输出结果包括温室气体排放量、能源消耗量、耗水量、空气污染物排放量的具体数值.由表5 可见：施工准备阶段的材料、能源消耗最少，环境足迹在整个工程中的占比在1%左右；高风险区施工运行的能源消耗占整个工程的93.02%，温室气体和空气污染物排放量占整个工程的62%～73%；低风险区施工运行的材料消耗和机械设备使用造成了30%左右的温室气体和空气污染物排放，但能源消耗相对较少，占整个工程的6.77%.

表5 各阶段环境足迹及其占比Table 5 Environmental footprint and percentage at each stage

2.2.1 温室气体排放

该工程各阶段温室气体排放量如图4 所示，工程的各项活动都会导致温室气体排放，包括设备运行、能源使用、材料生产以及人员、材料和设备的运输等.在StageⅠ中，主要考虑了材料和人员运输、场地清理、临时设施施工，由于时间较短，能源和材料消耗较少，在整个工程中产生的环境足迹占比很小，温室气体排放量为104.34 t，其来源包括现场清理作业的机械燃油消耗和尾气排放以及设备人员运输产生的排放.Stage Ⅱ是产生温室气体的主要阶段，在整个工程中的占比为63.39%，热脱附和废水废气处理两个阶段分别产生温室气体4 136.93、1 309.74 t.土壤加热过程中天然气的大量使用是导致该阶段温室气体排放的主要原因.此外，由于材料生产(钢材等)同样被纳入考虑范围中，由此也产生大量的温室气体排放.Stage Ⅲ中3 个工程阶段产生的温室气体排放量分别为1 845.46、667.50、528.51 t，在整个工程中占比为35.40%，来源包括机械设备使用、运输以及电力使用等.综上，原位热脱附中天然气的使用、系统运行的电能消耗以及现场机械设备的使用是该工程温室气体排放的主要来源.

温室气体排放量是全球化影响的重要考量指标之一，我国温室气体排放主要来源于电力、冶炼、石化等行业[26].污染土壤修复工程由于规模小、运行时间短，温室气体排放量远小于上述工业企业.研究[27]显示，某土壤气相抽提工程年温室气体排放量仅相当于12 辆客车.现阶段制定修复技术方案时多注重工程自身的周期与经济成本[28-29]，对于修复技术方案的筛选多采用层次分析法[30-31]、PROMETHEE[32]、TOPSIS[33]、生命周期评价法[34]等.随着我国碳排放交易体系逐步建设完善、污染场地修复市场的扩大及新兴修复技术的出现，修复过程造成的碳排放也应引起重视.碳排放指标间接反映修复工程的能耗水平，作为评判修复技术的指标，在一定程度上可以减少决策者个人偏好的影响.

2.2.2 能源消耗量和耗水量

土壤修复过程中使用了各种类型的能源，包括用于热脱附的天然气、系统运行的电力，以及用于设备、人员运输的燃油.相关研究[35]中原位热脱附工程中能量利用率约60%.Heron 等[36]发现，修复过程的能源消耗为200～400 kW·h/m3，平均能耗为249 kW·h/m3.该工程各阶段能源消耗量如图5 所示.Stage Ⅰ的能源消耗在整个工程中占比仅0.20%，来源于车辆和现场机械设备的燃油使用.Stage Ⅱ是主要的能源消耗阶段，其中贡献最大的是土壤加热过程的天然气使用，在整个工程中占比达93.02%.Stage Ⅲ中现场机械设备作业的燃油消耗和各种设备(鼓风机、加热板等)的电力消耗为主要的能源使用过程，在整个工程中占比约6.77%.

整个施工过程的水资源消耗量相对不大，修复过程未涉及土壤淋洗等工艺，仅考虑施工人员日常用水和设备车辆清洗等基础用水情况，整个工程水资源消耗量为4 932.14 t，其中施工准备阶段、高风险区施工运行阶段和低风险区施工运行阶段水资源消耗量占比分别为0.92%、72.82%和26.26%.

2.2.3 空气污染物排放

NOx、SOx和PM10作为主要的空气污染物，其排放也是重要的环境足迹.该工程NOx和SOx的排放主要与能源消耗有关，而PM10的排放主要来自重型机械和设备的使用.整个修复工程的空气污染物排放量为81.47 t.Stage Ⅱ中大量使用能源和机械设备，NOx、SOx和PM10的排放量均高于其他阶段(见图6)，在整个工程中占比分别为71.99%、71.56%和62.87%.Stage Ⅲ中NOx、SOx和PM10的排放量在整个工程中的占比分别为26.95%、26.96%和36.01%，其空气污染物排放主要来源于黏土和混凝土的大量使用以及现场作业机械尾气排放和废气处理过程.

3 讨论

3.1 修复单位方量土壤的环境足迹

通过环境足迹指标评估修复技术的环境影响，可为选择可持续修复技术实现特定污染场地的修复目标提供参考.该场地修复单位方量土壤的环境足迹如表6 所示，不同修复技术产生的环境足迹差异较大，原位热脱附技术的各项环境足迹为阻隔通风技术的6～50 倍，其中能源消耗量差异最大，前者为后者的49.70 倍，这表明土壤热脱附技术中热脱附环节会带来较大的能源投入，这一结论在其他研究[37-38]中已被证实.该地块原位热脱附技术修复单位方量土壤的温室气体排放量为179.09 kg，阻隔通风技术为27.63 kg，前者为后者的6.48 倍.研究[39]表明，从土壤中去除1 kg 污染物会导致1.3～130 t CO2的排放，可见不同技术差异较大，以温室气体排放量为筛选指标，能帮助选择和优化技术方案[40].其他指标如耗水量和空气污染物排放量，原位热脱附是阻隔通风的6～10 倍.整体看来，原位热脱附技术修复单位方量土壤的环境足迹均高于阻隔通风技术，能源消耗尤为突出，如进一步比较二者的差异，需要结合修复效果进行分析.

表6 修复单位方量土壤的环境足迹Table 6 Environmental footprint per unit soil of remediation

修复工程的参数设计和运行效果受污染物含量和场地特征的影响而存在差异.如美国诸多场地原位热脱附工程案例报告[41]显示，不同的地层结构和土壤性质运行效果和能源消耗不同；同一修复技术的环境足迹也具有场地特异性，某场地原位热脱附案例研究[42]表明，每处理1.0 m3污染土壤约消耗天然气82.6 m3和电量40.5 kW·h，与笔者研究中污染场地具有一定差异.可见，环境足迹的计算方法应用以及基于场地实际修复效果的研究十分必要，可为修复技术的效益评估提供支撑.

3.2 环境足迹强度分析

修复单位方量土壤的环境足迹，仅反映该场地情况下所使用修复技术的环境影响大小.结合修复效果根据污染物含量和风险降低情况量化环境足迹指标，以期进一步反映不同场地情况下不同修复技术的环境影响.因此需要新的指标〔如能源效率(去除单位质量污染物所需的能量)和碳强度(处理单位质量污染物释放的CO2)等[43]〕来评估不同场地情况下不同修复技术的环境影响.

基于实际场地修复效果，该研究采用两种方法：一是根据修复前后污染物含量变化对各项环境足迹指标进行强度计算，进而结合不同指标权重确定该技术的综合环境影响；二是基于减少潜在受体风险的目标，计算减少单位风险的环境足迹，对于阻隔等工程控制技术及监测自然衰减技术根据工程前后的风险评估结果，结合工程过程的环境足迹来评价其环境影响和适用性.

3.2.1 基于污染物含量变化的环境足迹强度

为考量修复技术的环境足迹强度，根据污染物含量变化进行标准化处理，以温室气体为例，使用降低目标污染物单位含量时单位方量土壤的温室气体排放量表示该修复技术的温室气体强度(IGHG)〔见式(1)〕，其他足迹指标(能源、水、NOx、SOx、PM10)强度定义及计算方法相同：

式中：E为温室气体排放量，t；w为修复土方量，m3；c0和c为修复前、后污染物含量，mg/kg.

该地块高风险区按修复前后苯和苯并[a]芘含量的最大值和平均值计算环境足迹强度.该地块低风险区通风阶段对降低易挥发有机污染物苯含量的效果显著，而阻隔属于风险管控技术，通过阻断污染源的暴露途径从而降低环境和人体健康风险，这对降低苯并[a]芘的风险有重要作用，在实际工程中其含量变化不明显，不予计算.

由表7 可见，高风险区基于污染物含量最大值所计算的苯的环境足迹强度比苯并[a]芘高57%～75%，以平均值计算的苯的环境足迹强度比苯并[a]芘高8%～10%.原位热脱附对挥发性有机物的去除效果较好，但复合污染情况下需要兼顾半挥发有机物的修复效果，而造成挥发性有机物苯对应较高的环境足迹强度，这也是热脱附过程中加热温度需以土壤中沸点最高的污染物为准的原因.对比高、低风险区苯的环境足迹强度，低风险区温室气体强度高于高风险区，原因是虽然热脱附对污染物含量高的土壤效果显著，但随着污染物含量的下降，其去除难度会逐渐增加.而低风险区苯含量降低很少，此评价方法对阻隔通风技术适用性不强.

表7 基于污染物含量的环境足迹强度Table 7 Environmental footprint intensity based on contaminant concentration

3.2.2 基于风险变化的环境足迹强度

通过修复或风险管控技术削减污染场地的风险表现为风险概率的降低，以总致癌风险降低情况来计算环境足迹强度(IR)，计算公式：

式中：E0为环境足迹指标；w为修复土方量，m3；R0和R分别为修复前、后的风险概率值.

以修复前后污染物含量变化的最大值计算得到高风险区苯和苯并[a]芘修复前致癌风险分别为2.77×10—4和1.19×10—3，修复后分别为7.42×10—7和9.12×10—7，结合2.1 节中对低风险区风险水平的计算，基于风险变化的环境足迹强度如表8 所示.

表8 基于风险变化的环境足迹强度Table 8 Environmental footprint strength based on risk changes

由表8 可见，低风险区苯的风险降低程度较小，由此带来的环境足迹强度较苯并[a]芘大.从污染物含量变化和环境风险降低的角度分析，高风险区的能源消耗量都高于低风险区.高风险区基于风险削减的各项足迹指标的环境足迹强度均高于基于污染物含量最大值变化的环境足迹强度，这一差异为决策者提供不同参考，也提示未来的研究需要建立不同场地情况下针对各修复技术的不同污染物的环境足迹强度指标，以期探明其内在联系，建立具有决策指导意义的环境足迹强度指标.

4 结论

a)环境足迹计算结果表明，在整个工程中施工准备阶段的环境足迹占比仅1%左右；高风险区原位热脱附的温室气体排放量为5 446.67 t，其温室气体排放量、能源消耗量、耗水量、空气污染物排放量在整个工程中的占比分别为63.39%、93.02%、72.82%和71.08%；低风险区阻隔通风的温室气体排放量为3 041.47 t，其温室气体排放量、能源消耗量、耗水量、空气污染物排放量在整个工程中的占比分别为35.40%、6.77%、26.26%和27.74%.天然气的使用、系统运行的电能消耗以及现场机械设备的使用是施工过程中环境足迹的主要来源.

b)从修复单位方量土壤的环境足迹来看，原位热脱附技术的能源消耗量约为阻隔通风技术的49.70 倍，温室气体排放量、耗水量、空气污染物排放量为阻隔通风技术的6.32～10.30 倍.

c)从不同污染物的环境足迹强度来看，原位热脱附修复工程中苯的环境足迹强度高于苯并[a]芘.从不同修复技术分析，原位热脱附的能源强度较高.基于污染物含量降低的环境足迹强度对量化原位热脱附技术的环境足迹适用性较好，而基于风险削减的环境足迹强度适用于阻隔通风技术.