VOCsSVOCs污染土壤常用修復(fù)技術(shù)及其在美國超級基金污染場地中的應(yīng)用

馬妍，董彬彬，徐東耀，谷慶寶，謝云峰，史怡，杜曉明*

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京　1000832.環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京　100012

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馬妍1，董彬彬1，徐東耀1，谷慶寶2，謝云峰2，史怡2，杜曉明2*

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京1000832.環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012

摘要美國超級基金污染場地修復(fù)實踐表明：美國有84%的污染土壤是由揮發(fā)性有機物(VOCs)或半揮發(fā)性有機物(SVOCs)引起的。發(fā)達國家對VOCs?SVOCs污染土壤的工程修復(fù)技術(shù)已較為成熟，并廣泛應(yīng)用。我國污染場地修復(fù)處于起步和發(fā)展階段，相應(yīng)的實際工程修復(fù)案例較少。對目前國內(nèi)外常用的VOCs?SVOCs污染土壤修復(fù)技術(shù)進行討論，重點介紹了土壤氣提、土壤淋洗、固化?穩(wěn)定化、熱處理和生物泥漿系統(tǒng)的原理，并對其修復(fù)效果、周期、成本和適用范圍進行比較，探討了修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢，以期為我國和其他發(fā)展中國家的VOCs?SVOCs污染土壤修復(fù)提供參考和建議。

關(guān)鍵詞揮發(fā)性有機物；半揮發(fā)性有機物；污染土壤；修復(fù)技術(shù)；超級基金；應(yīng)用

揮發(fā)性有機物(VOCs)與半揮發(fā)性有機物(SVOCs)是污染場地土壤中常見的典型污染物。VOCs主要包括低分子量的鹵代烴、簡單的芳烴和苯系物等；SVOCs主要包括苯酚類、苯胺類、氯代芳烴類和多環(huán)芳烴類等。VOCsSVOCs由于其多樣性、揮發(fā)性和高毒害性以及對土壤污染的隱蔽性和累積性，已被很多國家列入優(yōu)先控制污染物名錄[1]。

土壤的有機污染問題在全世界范圍內(nèi)廣泛存在[2]。2011年美國超級基金對323個污染場地中的535個可操作單元的污染物分類情況進行統(tǒng)計，有449個操作單元受到不同程度的VOCsSVOCs污染，其中受VOCs污染單元為359個，受SVOCs污染單元為317個，受VOCsSVOCs污染單元所占比例高達84%(圖1)[3]。

圖1　2011年美國超級基金污染場地污染物分類情況[3]18Fig.1　Contaminant group in US Superfund Sites 2011

2011年美國超級基金對最常引發(fā)場地污染的物質(zhì)進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)來源于323個污染場地的447個可操作單元(圖2)[3]，研究發(fā)現(xiàn)三氯乙烯(TCE)是最常見的VOCs，多氯聯(lián)苯(PCBs)是最常見的SVOCs。歐洲存在類似情況，Jelusic等[4]的研究表明，歐洲60%的污染場地是由有機污染物引起的。中國的污染場地也面臨同樣挑戰(zhàn)，大量化工、石油、焦化企業(yè)從城區(qū)搬遷，遺留下受到有機物污染的“棕地”數(shù)量不斷增多，這些污染場地嚴重威脅著周邊居民的身體健康和環(huán)境狀況，也阻礙了土地的再次利用，迫切需要采取措施加以治理[5]。從歐美國家的污染場地修復(fù)經(jīng)驗來看，修復(fù)技術(shù)種類繁多，筆者對國內(nèi)外比較成熟的VOCsSVOCs污染土壤修復(fù)技術(shù)進行討論，并借鑒美國超級基金污染場地修復(fù)的應(yīng)用經(jīng)驗，以期為中國和其他發(fā)展中國家VOCsSVOCs污染土壤的修復(fù)提供參考和建議。

圖2　2011年美國超級基金污染場地最常見污染物統(tǒng)計[3]17Fig.2　Most frequently occurring contaminantsin US Superfund Sites 2011

雖然有許多技術(shù)可用于污染場地的修復(fù)，但最終的技術(shù)選擇取決于污染物和場地的特點、監(jiān)管需求、成本和時間限制，需綜合考慮各方面因素，遴選出最佳的修復(fù)技術(shù)[6]。

1.1土壤氣提

土壤氣提(soil vapor extraction，SVE)技術(shù)是處理VOCsSVOCs污染場地應(yīng)用最廣泛的工程修復(fù)技術(shù)，可用于原位或異位處理。SVE技術(shù)通過垂直或水平井貫穿整個污染的土壤，抽真空作用蒸發(fā)了土壤中的易揮發(fā)污染物，產(chǎn)生的負壓迫使空氣流動，萃取出污染物(圖3)，同時由SVE技術(shù)使空氣加速刺激不易揮發(fā)的污染物降解[7-8]。

圖3　土壤氣提技術(shù)修復(fù)污染土壤過程Fig.3　Remediation of contaminated soil withsoil vapor extraction

SVE技術(shù)可將苯、甲苯、二甲苯、萘、聯(lián)苯、四氯乙烯、三氯乙烯、三氯乙烷和汽油從污染的土壤中有效去除，去除率可達90%以上，但土壤的滲透性以及地下水深度會影響SVE技術(shù)的處理效果。SVE技術(shù)可以以合理的成本處理大量污染土壤，其成本為20～50美元t[9]。隨著修復(fù)技術(shù)的不斷發(fā)展，SVE技術(shù)和其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)用以便達到更好的處理效果，稱為SVE強化修復(fù)技術(shù)，如熱空氣注入SVE強化修復(fù)技術(shù)、射頻加熱SVE強化修復(fù)技術(shù)、電磁波加熱SVE強化修復(fù)技術(shù)和生物通風(fēng)SVE強化修復(fù)技術(shù)[10-12]。

1.2土壤淋洗

圖4　土壤淋洗技術(shù)修復(fù)污染土壤過程Fig.4　Remediation of contaminated soil withsoil flushingwashing

1.4熱處理

圖5　熱處理技術(shù)修復(fù)污染土壤過程Fig.5　Remediation of contaminated soil withthermal treatmentdesorption

1.5生物泥漿系統(tǒng)

生物泥漿系統(tǒng)(bioslurry systems)是將挖掘的土壤、水、添加劑和用于分解污染物的細菌混合形成生物泥漿。為保持固體懸浮物、微生物與污染物充分接觸，在一個受控的生物反應(yīng)器中對污染土壤進行處理。在反應(yīng)器中，生物降解速度很快，1～6個月就能完成修復(fù)；之后，泥漿進行脫水，處置處理后的土壤，達到修復(fù)目的[9,19]。生物泥漿系統(tǒng)可成功治理污染土壤中的非鹵化VOCsSVOCs，對其他污染物(如農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯)需添加特定的細菌或厭氧好氧微生物，以達到降解的目的，其去除率在90%以上。該技術(shù)在應(yīng)用前需獲取大量的場地和污染物特性，如化學(xué)反應(yīng)性、蒸汽壓力和生物降解性等。生物泥漿系統(tǒng)的成本為50～150美元t[9]。

對于污染場地，選擇一個或多個特定的修復(fù)技術(shù)至關(guān)重要。許多因素影響選擇的結(jié)果，包括場地條件、污染物特性、修復(fù)時間和成本要求等。對VOCsSVOCs污染土壤常用修復(fù)技術(shù)進行比較，結(jié)果如表1所示。

表1　VOCsSVOCs污染土壤常用修復(fù)技術(shù)比較[9]

Table 1　Comparative evaluation of common used soil remediation

technologies for VOCsSVOCs-containmented site

表1　VOCsSVOCs污染土壤常用修復(fù)技術(shù)比較[9]

修復(fù)技術(shù)適用土壤類型1)成本∕(美元∕t)修復(fù)效果∕%修復(fù)周期∕月土壤氣提F～I25～50>906～24土壤淋洗F～I10～7550～901～12固化∕穩(wěn)定化A～I75～150>906～12熱處理A～I10～75>901～12生物泥漿系統(tǒng)D～I50～150>901～6

1)A為細黏土；B為中等黏土；C為粉質(zhì)黏土；D為黏壤土；E為粉質(zhì)壤土；F為粉土；G為砂質(zhì)黏土；H為砂質(zhì)壤土；I為砂土。

美國超級基金是解決美國污染場地問題的管理制度，在世界上極具代表性，對多數(shù)國家建立土壤污染管理制度有借鑒意義[20]。美國在1980年頒布了《超級基金法》，1982年開始對污染場地進行國家層面管理。美國超級基金中的源控制專指對土壤、沉積物、污泥和固體廢物等的修復(fù)，不包括對地下水的修復(fù)。1982—2011年，美國超級基金污染場地涉及源控制修復(fù)技術(shù)的有1 266個，其中最常被選用的修復(fù)技術(shù)為土壤氣提和固化穩(wěn)定化技術(shù)，所占比例分別為24%和22%(圖6)[3]。

圖6　1982—2011年美國超級基金源控制污染場地修復(fù)技術(shù)應(yīng)用統(tǒng)計[3]B-1Fig.6　The application of source control remediesin US Superfund Sites 1982-2011

美國超級基金對1982—2004年、2005—2008年和2009—2011年污染場地土壤修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用進行統(tǒng)計(圖7)[3,21]，研究發(fā)現(xiàn)：化學(xué)處理所占比例逐步攀升，由2.5%升至15.3%；焚燒技術(shù)所占比例下降趨勢顯著，2009—2011年未采用焚燒技術(shù)修復(fù)污染土壤，可能原因是焚燒技術(shù)的成本過高，且容易產(chǎn)生二次污染，因此逐漸被淘汰；其他技術(shù)主要包括土壤機械通風(fēng)、植物修復(fù)、電動修復(fù)、多相提取和光化學(xué)修復(fù)等，其所占比例上升趨勢較為明顯，可能原因是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其他修復(fù)技術(shù)趨于成熟，更多地應(yīng)用在實際土壤修復(fù)中。

圖7　1982—2004年、2005—2008年和2009—2011年美國超級基金污染場地修復(fù)技術(shù)應(yīng)用對比[3]8,[21]9Fig.7　Comparison of the remediation technologiesin US Superfund Sites 1982-2004，2005-2008 and 2009-2011

1982—2011年，源控制1 266個場地中采用異位修復(fù)技術(shù)的有666個，采用原位修復(fù)技術(shù)的有600個；原位修復(fù)技術(shù)由1982—2008年的47.1%上升至2009—2011年的50%，說明原位修復(fù)技術(shù)所占比例呈上升趨勢(圖8)[3]。圖9對各修復(fù)技術(shù)的原位和異位修復(fù)使用情況進行了統(tǒng)計。由圖9可知，土壤氣提和化學(xué)處理技術(shù)多用于原位修復(fù)；固化穩(wěn)定化技術(shù)多用于異位修復(fù)[3]。

注：1982—1985年數(shù)據(jù)合并，使用原位修復(fù)技術(shù)的污染場地所占比例為33.3%，使用異位修復(fù)技術(shù)的污染場地所占比例為66.7%。圖8　1982—2011年美國超級基金污染場地異位與原位修復(fù)技術(shù)使用情況[3]Fig.8　Comparison of in-situ with ex-situ remediationtechniques in US Superfund Sites 1982 to 2011

圖9　1982—2011年美國超級基金污染場地常用修復(fù)技術(shù)的原位和異位修復(fù)情況[3]Fig.9　Comparison of 5 in-situ remediation techniques inUS Superfund Sites with ex-situ techniques 1982 to 2011

3結(jié)論

與發(fā)達國家相比，中國的污染場地修復(fù)處于起步階段，各項相關(guān)制度還不夠完善，但企業(yè)搬遷遺留大量污染場地，而城市化進程的加速要求土地修復(fù)工作盡可能在較短時間內(nèi)完成。因此，快速、高效、簡單的異位修復(fù)技術(shù)成為現(xiàn)階段中國污染場地修復(fù)的首選。從污染場地修復(fù)發(fā)展歷程可見，選擇修復(fù)技術(shù)要綜合考慮場地條件、污染特征、修復(fù)周期和經(jīng)濟可行性等各種因素，做到因地制宜，擇優(yōu)選擇。

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Common Used Remediation Technologies for Volatile and Semivolatile Organic Compounds Contaminated Soils and Their Application in US Superfund Sites

MA Yan1, DONG Binbin1, XU Dongyao1, GU Qingbao2, XIE Yunfeng2, SHI Yi2, DU Xiaoming2

1.School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

AbstractThe US Superfund contaminated sites remediation practice shows that 84% of the soil contamination is caused by volatile organic compounds (VOCs) or semivolatile organic compounds (SVOCs). The remediation technologies of VOCs?SVOCs-contaminated sites have been relatively mature and widely used in developed countries, while there are fewer cases of engineering remediation applications in China as the site remediation has just started. Common organic contaminated soil remediation technologies in both China and abroad were introduced, with the focus on the principle of soil vapor extraction, soil flushing?washing, solidification?stabilization, thermal treatment?desorption and bioslurry systems. The efficiency, duration, cost and application of these technologies were compared, and current and future applications of these technologies discussed, in order to provide references and suggestions to the remediation of VOCs?SVOCs-contaminated sites in China and other developing countries.

Key wordsvolatile organic compounds; semivolatile organic compounds; contaminated soil; remediation technologies; Superfund; application

收稿日期：2016-01-11

基金項目:國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409047)

作者簡介：馬妍(1983—)，女，博士，主要從事場地污染土壤治理及修復(fù)研究，mayan2202@163.com *通訊作者：杜曉明(1963—)，男，研究員，主要從事場地調(diào)查、評估與修復(fù)，duxm@craes.org.cn

中圖分類號:X53

文章編號:1674-991X(2016)04-0391-06

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.058

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