浅谈国内土壤污染修复技术需求

浅谈国内土壤污染修复技术需求

2014-08-25 11:06:33   |   作者：王湘徽     

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从20世纪80年代起，欧美等发达国家开始关注场地污染和土壤及地下水修复，在历经二三十年的发展后积累了丰富的现场修复技术与工程应用经验。国际上一般将场地污染划分为源污染和地下水污染，其中源污染一般即指国内常说的土壤污染(注：本文主要讨论土壤污染修复，即引用国外文献时源污染也均统称土壤污染)。土壤污染修复技术在国际上已较为成熟，主要可分为原位修复及异位修复两大类别，十余种分支技术。其中包括但不限于，生物修复、化学氧化、土壤冲洗、蒸气抽提、多相抽提、固化稳定化、焚烧、热脱附、电动修复等。

中国在过去30年的工业化进程中，由于环保意识的匮乏，粗犷的企业发展模式造成全国大面的土壤受到污染。近年来国内由于土壤污染，特别是重金属污染引发了大量的环境和社会问题，然而直至21世纪初国内各级政府才开始重视土壤污染。我国的土壤污染修复工作起步较晚，对土壤修复技术的研究也较少，近几年主要是对国外成熟技术的学习和引进，同时许多国外的修复公司也蜂拥而至，于是对各种修复技术的优劣也是众说风云。究竟哪种土壤修复技术最适合我国污染场地的污染特征、环境特征以及如何更好地满足业主的要求仍存在较大争议。

本文尝试通过对国外历史上已有修复案例的统计结果进行大数据分析，确定国际主流的、成熟的土壤修复技术，并结合笔者对国内修复行业需求的浅薄认识，初探国内污染土壤修复技术需求。

一、国外污染场地修复状况

美国政府于20世纪中期开始意识到土壤污染的严重性，并于80年代开始进行了大量土壤修复工程。1982-2005年期间，有1536个污染场地被列入《国家优先治理污染现场顺序名单》(简称NPL)。(资料来源：Office of Solid Waste and Emergency Response.Cleaning up the Nation's Waste Sites:Markets and Technology Trends [R]. 2004 Edition.Washington DC:US Environmental Protection Agency,2004.)，在此期间美国超级基金一共进行了997个修复项目。这些修复项目使用的技术相对集中，接近91%的修复项目(889个项目)在对土壤修复中只使用了下图10种修复技术中的一种或几种，主要包括异位固化稳定化、异址焚烧、原址焚烧、异位热脱附、原位土壤蒸气抽提、原位生物修复、原位多项抽提、原位化学处理、和原位固化稳定化。只有约9%的修复项目采用了区别于以上10种的其它创新修复技术。

图 1美国1982~2005年的修复工程情况

(资料来源http:///tio/download/remed/asr/12/asr12_full_document.pdf)

采用异位处理技术的修复项目约占53%，略多于采用原位处理技术的项目。相对而言，异位修复技术中又以固化稳定化、以及焚烧(异址和原址)最为常用，占异位修复项目的69%;原位修复技术中以土壤蒸汽抽提尤为突出，占原位修复项目的53%，其次为化学处理。固化稳定化、焚烧、以及蒸气抽提正好可以基本覆盖各类污染特征场地，可以分别有效处理土壤中的重金属污染、半挥发性/持久性有机污染、以及挥发性有机污染。换个角度即可诠释为：重金属污染首选固化稳定化技术、半挥发性/持久性有机污染首选热处理技术(焚烧和热脱附)、易挥发性有机污染应首选蒸气抽提技术。化学处理、生物修复等作为一种灵活多变、使用范围广的技术同在首选技术之列是当污染场地受到其它原因限制后的有力技术补充。

曾在2005年前后，原位修复技术受到国外的追捧，认为是今后的主流趋势。同样对1985-2005年的修复项目中所采用的各项修复技术进行统计，发现采用原位修复技术的比例确实逐年增加，而趋势明显(见下图)。笔者在当年即存疑，原位修复真是首选?

图 2美国1985~2005年修复工程中原位修复技术历年占比(资料来源：http:///tio/download/remed/asr/12/asr12_full_document.pdf)

 

继续对美国超级基金历年修复项目进行统计，美国1982~2011年间各年度修复项目中主流修复技术占比如下图。

图 3美国1982-2011年历年修复项目中各主流技术占比(资料来源：http:///tio/download/remed/asr/14/asr14_full_document.pdf)

 

整体而言，在2004年前修复项目中采用原位修复的比例逐年增加，且趋势明显，但在2004年后异位修复技术使用比例又开始显著上升。笔者认为造成这种变化的原因主要有以下三点：

1)作为全世界最先进行土壤修复的项目，可供参考的技术和经验相对较少，异位修复中焚烧以及固化稳定化技术因去除效率高及修复周期短成为了最简单易行的解决方案。随着技术及经验的积累，超级基金项目开始寻求更为经济的原位修复技术，其中蒸气抽提技术得到长足发展，并在2004年前后达到顶峰。蒸气抽提技术可以有效修复易挥发性有机污染场地，但对其它类型污染物效果有限，因此在易挥发性污染场地的修复项目基本完成后，原位修复技术采用比例开始下降。

2)2000年左右，一种新的经济有效的异位修复技术——物理分离开始兴起，其被选用比例逐年提高。物理分离旨在将富集高浓度污染物的介质与无污染介质分离，大大减少待修复的土方量。

3)相对而言，修复项目采用原位技术具有较大风险。如图1所示，采用主流原位修复技术的项目完成率仅为41%，而采用主流异位修复技术的完成率高达80%。场地地层以及地质结构的不确定性导致原位修复技术的效果具有较大的不确定性，且需要更长的修复周期，甚至因为各种原因而无法达到修复目标。这些因素都导致原位修复技术被采用的比例在2004年后逐年下降。

欧洲各国因工业历史和污染类型不同，导致污染场地特征不同，综合分析后选择适合本国的土壤修复技术也存在明显的差异。但将欧洲作为一个整体来分析时，其修复技术选用整体特征与美国较为相似，修复项目中采用原位及异位修复技术的污染场地所占比例相差不大。

图4 1978～2007年欧洲各国污染场地修复技术应用情况(资料来源：杨勇,何艳明,栾景丽.等.国际污染场地土壤修复技术综合分析[J].环境科学与技术,2012,35(10):92-98)

综上所述，原位修复技术并一定代表未来修复的技术趋势。异位修复技术在成熟度、工程可控度、污染物适用性等方面具有明显优势;而原位修复技术在经济费用、减少污染暴露等方面具有较大优势。

二、我国污染场地修复技术需求

随着我国城市化的快速发展及“退二进三”政策下的产业结构调整，城市中大量工业企业需要关闭或搬迁，工业用地将被重新规划为商业或居住用地。因为此类场地曾作为工业用途，场地内土壤都受到不同程度的污染，但又因中国的工业化时间相对较短，大部分工业地块的污染物并未随地下水大规模扩散，而主要以源污染状态存在，即主要需要对场地内的土壤进行修复。

这些原工业地块大多位于市区内，后期开发成商业或居住用地后地块的升值潜力大。因此也导致污染场地修复的自发原动力强，修复费用也相对充足，但能接受的修复周期则要求尽可能短，多数业主要求在半年或一年内完工。此外，一般业主对修复效果要求“彻底”去除污染物，即土壤中污染物的去除优先于土壤中污染物的控制。以北京某染料厂为例，1964年搬迁到朝阳区，位于东三环内陆理位置极佳。2003年全面停产，40年工业历史导致土壤受到各种染料、有机颜料、以及重金属的污染。场地内共有5万方污染土壤需要进行修复，由于地块开发的需要，工期仅为6个月，其业主要求“彻底”去除污染物，包括降低土壤中重金属含量。而在国外，类似案例可供修复的时间长达数年甚至数十年之久。

针对我国的污染场地修复项目的特征——“工期短、去除尽、预算足”，笔者认为土壤修复技术宜采用“异位修复技术为主，原位修复技术为辅”的策略，应优先考虑引进和吸收的修复技术包括：固化稳定化、热脱附/热解析、焚烧/协同处理、蒸气抽提、生物通风降解等。

以最为常用的固化稳定化修复技术为例，其原理主要是通过土壤与药剂充分混合均匀使土壤中重金属稳定，不再被雨水或地下水浸出，截断暴露途径，进而实现土壤修复的目的。目前，我国对固化稳定化修复药剂已开展较多研究且已基本掌握制造工艺(相关文献较多，在此不再赘述)，但是如何将药剂进行定量添加，并确保与土壤混合均匀和充分接触是目前亟待解决的难题。相对于修复药剂与水介质能够较易实现均一性，药剂被投加到土壤特别是粘土中，即使长时间的强力搅拌，混合程度也上升缓慢，且基本无法达到1。

图 5典型粘土、药剂在水及土壤中混合程度随时间变化图

目前，国内在进行固化稳定化具体实施中，因缺少专业的修复设备，只能通过过量添加修复药剂，并配合常规市政搅拌混合设备进行施工。由此造成的问题主要包括：1)药剂利用率低，修复成本高;2)常规设备无法破碎搅拌粘土，易堵塞难清理，连续运行稳定性差，处理效率低。笔者对国内固化稳定化修复项目中各种常规的市政搅拌混合设备与国外的专业土壤修复一体化设备进行性能对比，并汇总于下表：

表格 1各种土壤破碎混合设备性能对比

设备	土壤破碎效果	药剂混合效果	处理能力	移动能力	设备成本
国外土壤修复一体机	c	A	★★★	▲▲	￥￥￥
已引进的ALLU土壤筛分破碎铲斗	b	C	★★	▲▲▲	￥￥
常规土壤挖掘机	a	C	★	▲▲▲	￥
常规稳定土搅拌站	b	A	★（易堵塞，不能连续运行）	—	￥￥

注：

(1) 土壤破碎效果： a- 粒径 < 10 cm;b-粒径 < 5 cm;c-粒径 < 2cm;

(2) 药剂混合效果：A-混合程度高;B-混合程度中等;C-混合程度低;

(3) 处理能力：★★★-50~100方/小时;★★-30~60方/小时;★-10~30方/小时。

(4) 移动能力：▲▲▲-可移动速度>20公里/小时;▲▲-可移动速度>10公里/小时;

(5) 设备成本：￥-低成本;￥￥ - 中等成本;￥￥￥ -高成本。

由此可见，我国在专业化修复设备方面与国外还有较大差距，直接限制了我国土壤修复技术的水平和修复项目质量的提升。在项目实施过程中使用与修复技术配套的专业化设备可以极大地提高土壤修复的效率，同时减少修复周期及节约修复资金。

虽然原位修复技术在经济费用、减少污染暴露等方面具有一定优势，但参考国内的土壤污染项目特征，仍不建议盲目地提倡原位修复技术。尤其是城市历史工业污染场地，此类场地升值潜力大，再开发冲动强烈，需要成熟度高、工程可控度强、污染物适用性广、修复周期短的污染修复技术。因此国内土壤修复应以异位修复技术为主。同时，专业化的修复设备是异位修复技术顺利开展的关键。