利用三相平衡模型的污染場(chǎng)地異位修復(fù)VOCs無組織排放源強(qiáng)分析

毛華云

(北京市環(huán)境影響評(píng)價(jià)評(píng)估中心，北京 100161)

利用三相平衡模型的污染場(chǎng)地異位修復(fù)VOCs無組織排放源強(qiáng)分析

毛華云

(北京市環(huán)境影響評(píng)價(jià)評(píng)估中心，北京 100161)

為評(píng)估污染場(chǎng)地異位修復(fù)開挖施工過程中VOCs無組織排放對(duì)周圍環(huán)境的影響，對(duì)施工開挖過程VOCs無組織排放進(jìn)行了分析，并利用三相平衡模型計(jì)算土壤氣濃度，建立模型估算土壤異位修復(fù)開挖施工過程中無組織的面源有機(jī)污染物排放強(qiáng)度，以此模擬估算施工過程中有機(jī)污染物對(duì)場(chǎng)地周邊環(huán)境的影響。得出的結(jié)論包括：可以通過三相平衡模型計(jì)算土壤氣濃度，來估算土壤修復(fù)開挖施工過程中無組織的面源有機(jī)污染物排放強(qiáng)度；可以根據(jù)污染場(chǎng)地周邊敏感點(diǎn)分布情況，通過模擬，加強(qiáng)控制措施，合理安排施工強(qiáng)度，將施工過程中有機(jī)揮發(fā)氣體污染的影響降低在可控范圍內(nèi)。

有機(jī)污染氣體；異位修復(fù)；無組織排放；三相平衡模型；環(huán)境影響評(píng)價(jià)

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人類活動(dòng)的不斷增強(qiáng)，我國(guó)土壤環(huán)境形勢(shì)日趨嚴(yán)峻[1]。城市化建設(shè)進(jìn)度不斷加快，場(chǎng)地性質(zhì)的變更也越來越頻繁。原有工業(yè)用地被逐步開發(fā)為居住用地或公建用地，用地性質(zhì)發(fā)生改變。許多城市在搬遷或退役工業(yè)場(chǎng)地再開發(fā)利用過程中面臨已污染土壤的修復(fù)治理問題[2]。

在污染場(chǎng)地的修復(fù)及再次開發(fā)過程中，由于對(duì)土壤污染的危害性認(rèn)識(shí)不夠，建設(shè)方對(duì)施工人員的保護(hù)措施和安全防護(hù)往往準(zhǔn)備不足，從而對(duì)施工人員以及周邊敏感人群的健康構(gòu)成了巨大威脅。特別是針對(duì)VOCs類污染場(chǎng)地的異位修復(fù)，施工過程中可能產(chǎn)生的VOCs氣體，會(huì)對(duì)施工人員及周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。鑒于此，本文從環(huán)境影響評(píng)價(jià)的角度，利用三相平衡模型對(duì)有機(jī)污染場(chǎng)地修復(fù)治理施工過程中，VOCs無組織排放源強(qiáng)進(jìn)行了分析討論，并以某焦化廠土壤異位修復(fù)為案例，探討了施工過程中VOCs無組織排放對(duì)環(huán)境的影響，以期為VOCs污染場(chǎng)地的異位修復(fù)過程中的環(huán)境保護(hù)和人群健康防護(hù)提供參考。

1 VOCs無組織排放分析

1.1VOCs排放環(huán)節(jié)及來源分析

異位土壤修復(fù)技術(shù)是指將受污染的土壤從場(chǎng)地發(fā)生污染的原來位置挖掘或抽提出來，搬運(yùn)或轉(zhuǎn)移到其他場(chǎng)所或位置進(jìn)行治理修復(fù)的土壤修復(fù)技術(shù)[3]。異位土壤修復(fù)技術(shù)主要包括異位填埋、異位固化、異位化學(xué)淋洗、異位化學(xué)固化/穩(wěn)定化、異位熱處理和一系列的異位生物修復(fù)等。

有機(jī)污染場(chǎng)地在土壤異位修復(fù)過程中的主要污染環(huán)節(jié)為：(1)施工挖土過程會(huì)產(chǎn)生有機(jī)污染物的揮發(fā)，因收集處理難度大，易造成周圍環(huán)境影響；(2)污染土壤運(yùn)輸過程因有機(jī)物揮發(fā)或土壤遺撒等原因，造成環(huán)境污染；(3)污染土壤集中修復(fù)過程產(chǎn)生的污染。

施工過程中無組織排放的有機(jī)物主要來自于兩方面：一是在施工挖掘過程中土壤受到擾動(dòng)，土壤孔隙結(jié)構(gòu)包含的土壤氣中的有機(jī)污染物會(huì)部分排放到周圍環(huán)境中；二是土壤中所含有機(jī)物質(zhì)揮發(fā)進(jìn)入大氣環(huán)境，造成污染。

因污染場(chǎng)地施工前，VOCs在土壤中的氣、固、液相中處于平衡狀態(tài)，土壤挖掘施工過程中，土壤氣中的VOCs更容易揮發(fā)進(jìn)入環(huán)境中，并且污染土壤一般是挖掘后直接裝入封閉運(yùn)輸車輛，所以挖掘施工過程產(chǎn)生的VOCs無組織源強(qiáng)只考慮由土壤氣揮發(fā)產(chǎn)生的污染。由污染土壤中所含有機(jī)物揮發(fā)產(chǎn)生的污染，本文暫不予以討論。本文主要討論挖土施工過程中，無組織排放的VOCs可能產(chǎn)生的污染影響。

1.2VOCs無組織排放源強(qiáng)分析

本文假設(shè)被擾動(dòng)土壤中所有污染物均排入環(huán)境中，則只需要衡量擾動(dòng)過程中土壤氣的量及土壤氣中有機(jī)污染物的濃度，即：

(1)

式中，Psg為VOCs無組織排放源強(qiáng)，mg/(s·m2)；Vs為施工土方量，m3；θ為被擾動(dòng)土壤孔隙度，無量綱；Csg為土壤氣VOCs濃度，mg/m3；S為施工作業(yè)面積，m2；T為施工作業(yè)時(shí)間，s。

美國(guó)測(cè)試與材料協(xié)會(huì)(ASTM)的三相平衡模型自20世紀(jì)90年代以來，一直用于計(jì)算揮發(fā)性氣體在包氣帶土壤氣-固、氣-液以及固-液三相中的分配，定量獲取自然平衡條件下土壤孔隙氣相中VOCs的濃度，為評(píng)估VOCs呼吸暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)[4]。我國(guó)部分省市及環(huán)保部發(fā)布的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則中，也同樣引用了ASTM的三相平衡模型以描述VOCs在包氣帶土壤中的分配特征[5-7]，并用于計(jì)算呼吸暴露途徑的健康風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)相關(guān)研究，利用ASTM三相平衡模型計(jì)算的土壤氣污染濃度比實(shí)際情況高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右[8]，在最不利保守原則情況下，土壤氣VOCs濃度Csg可以由ASTM發(fā)布的三相平衡模型計(jì)算獲得[9]。

三相平衡模型可以表示如下：

水相-氣相：Csg=H×Cw

(2)

水相-固相：Cp=Kd×Cw

(3)

氣相-固相：Cp=Kp×Csg

(4)

式中，Cw為土壤水膜中的VOCs濃度，mg/L；Cp為土壤固相顆粒中的VOCs濃度，mg/kg；Kd為VOCs土壤-水分配系數(shù)，無量綱；Kp為土壤-氣分配系數(shù)，無量綱。

根據(jù)質(zhì)量平衡，土壤中固相、水相及氣相中VOCs的總質(zhì)量應(yīng)滿足公式(5)[10]：

Cs×ρ=Cw×θw+Csg×θa+Cp×ρ

(5)

聯(lián)立公式(2)至公式(5)可求出Csg，如下所示：

(6)

其中，Kd=Koc×foc

式中，Csg為土壤氣VOCs濃度，mg/m3；Cs為土壤中VOCs總濃度，即實(shí)驗(yàn)室分析所獲得的濃度，mg/kg；ρ為土壤干容重，kg/m3；H為亨利常數(shù)，無量綱；θw為污染土壤的水分含量，無量綱；θa為污染土壤的空氣含量，無量綱；Kd為VOCs土壤-水分配系數(shù)，m3/kg；Cw為土壤水膜中的VOCs濃度，mg/L；Cp為土壤固相顆粒中的VOCs濃度，mg/kg；Kp為土壤-氣分配系數(shù)；Koc為有機(jī)化合物在有機(jī)碳和水之間的分配系數(shù)，m3/kg；foc為土壤或含水層介質(zhì)中有機(jī)碳的百分含量，無量綱。

2 VOCs無組織排放案例

2.1場(chǎng)地概況

以某關(guān)停焦化廠修復(fù)項(xiàng)目場(chǎng)地為案例。該廠主要以煤作為原料，生產(chǎn)焦炭和煤氣。該廠生產(chǎn)過程中，煤氣凈化環(huán)節(jié)涉及煤焦油等化工產(chǎn)品的提煉與回收。因在生產(chǎn)時(shí)環(huán)保意識(shí)比較薄弱，對(duì)車間周邊土壤和地下水造成了污染。其中，苯系物是土壤中典型的污染物之一，主要集中在場(chǎng)地1.5～18 m的包氣帶土層內(nèi)，污染土壤以粉土、粉砂和粉黏土為主，土壤含水率約10%～15%，有機(jī)質(zhì)含量約1%～3%。

經(jīng)過多輪場(chǎng)地調(diào)查，最終確定場(chǎng)地內(nèi)需要進(jìn)行修復(fù)的苯系物污染土壤約65萬m3，結(jié)合未來修復(fù)區(qū)域建筑的地下空間開發(fā)規(guī)劃，以及開發(fā)進(jìn)度對(duì)時(shí)間的要求，最終確定對(duì)于苯系物污染土壤采用“清挖+異位常溫?zé)峤馕觥钡墓に?。主要工藝流程如圖1所示。

圖1 污染土壤“清挖+異位常溫?zé)峤馕觥惫に嚵鞒蘁ig.1 The excavation and ex-situ ordinary temperature thermal desorption for contaminated soil

整個(gè)修復(fù)過程中，清挖工序在敞開的環(huán)境中進(jìn)行，因此對(duì)于苯系物這類易揮發(fā)的有機(jī)物，容易出現(xiàn)無組織逃逸，對(duì)周邊空氣造成二次污染。鑒于此，本文將對(duì)此過程污染物的排放特征及其影響進(jìn)行定量分析評(píng)估，以期為此類項(xiàng)目的二次污染防治措施的制定提供參考。該場(chǎng)地土壤的主要污染物檢出結(jié)果如表1所示。

表1 土壤中污染物檢出結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2源強(qiáng)確定

因該場(chǎng)地調(diào)查數(shù)據(jù)中未對(duì)土壤氣濃度進(jìn)行檢測(cè)，因此采取三相平衡模型對(duì)土壤氣濃度進(jìn)行計(jì)算，其相關(guān)參數(shù)取值為：土壤容重(ρ)為1500 kg/m3，總孔隙度(θ)為0.46，體積含水量(θw)為0.3，體積含空氣量(θa)為0.16，有機(jī)碳含量(foc)為0.003。

利用三相平衡模型可得土壤氣中各污染物的濃度，如表2所示。假設(shè)施工組織方式中，施工強(qiáng)度土方量為100 m3/h，施工機(jī)械每次開挖深度約為1 m，施工面積約為100 m2，即可得到無組織面源的排放強(qiáng)度Psg。經(jīng)計(jì)算，苯、甲苯、二甲苯的土壤氣濃度依次為675.3 mg/m3、762.7 mg/m3、344.7 mg/m3，無組織排放源強(qiáng)依次為0.0863 mg/(s·m2)、0.0975 mg/(s·m2)、0.0440 mg/(s·m2)。

2.3環(huán)境影響分析

根據(jù)假設(shè)施工情景，施工過程中，苯、甲苯、二甲苯排放量分別為31.07 g/h、35.10 g/h、15.84 g/h。為評(píng)價(jià)施工過程中有機(jī)氣態(tài)污染物揮發(fā)對(duì)不同距離位置的影響，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/ 501—2007)中無組織排放監(jiān)控點(diǎn)濃度限值：苯為0.1 mg/m3，甲苯0.6 mg/m3，二甲苯0.2 mg/m3。

依據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2008)有關(guān)規(guī)定，采用估算模式Screen3 System計(jì)算各污染物落地濃度，分析其影響范圍，計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 土壤開挖無組織排放面源參數(shù)

表3 估算模式計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)施工面積為100 m2、施工強(qiáng)度為100 m3/h時(shí)，施工場(chǎng)地周邊50 m范圍內(nèi)，無組織監(jiān)控點(diǎn)苯的濃度不符合要求。假設(shè)施工場(chǎng)地離廠界距離為20 m，為了使苯的影響范圍控制在廠界范圍內(nèi)，在沒有其他控制措施的條件下，通過降低施工強(qiáng)度，即控制施工面積可以達(dá)到要求。經(jīng)預(yù)測(cè)，當(dāng)控制面積為4 m×4 m時(shí)，20 m處落地濃度為0.113 mg/m3、22 m處落地濃度為0.090 mg/m3。

3 結(jié)論與展望

本文研究結(jié)果顯示：可以通過三相平衡模型計(jì)算土壤氣濃度，來估算土壤修復(fù)開挖施工過程中無組織的面源有機(jī)污染物排放強(qiáng)度；可以根據(jù)場(chǎng)地周邊敏感點(diǎn)分布情況，通過模擬，加強(qiáng)控制措施，合理安排施工強(qiáng)度，將施工過程中有機(jī)揮發(fā)氣體污染的影響降低在可控范圍內(nèi)。

實(shí)際情況中，整個(gè)VOCs污染場(chǎng)地在不同位置的污染程度不同，可以通過三相平衡模型估算整個(gè)場(chǎng)地施工的源強(qiáng)分布情況，并以此優(yōu)化安排工作計(jì)劃，可有效降低施工過程對(duì)周圍環(huán)境的影響。同時(shí)，溫度、濕度、風(fēng)速、污染場(chǎng)地地質(zhì)情況、污染物分布情況等，都對(duì)開挖過程無組織排放源強(qiáng)有影響，本文僅對(duì)開挖過程中土壤氣逸散排放進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮土壤吸附有機(jī)物的自然揮發(fā)排放，有一定局限性。可以通過進(jìn)一步分析溫度、濕度、風(fēng)速等因素對(duì)施工過程土壤中VOCs揮發(fā)速度的影響，對(duì)施工過程無組織排放源強(qiáng)計(jì)算模型進(jìn)行完善。

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IntensityAnalysisofFugitiveEmissionsofVOCsforEx-situRemediationofContaminatedSitesbyASTMThree-phaseEquilibriumModel

MAO Hua-yun

(Beijing Municipal Appraisal Center for Environmental Impact Assessment, Beijing 100161, China)

In order to estimate the environmental impact of fugitive emissions of VOCs during the excavation of ex-situ remediation of organic contaminated sites, the fugitive emissions of VOCs during the excavation were analyzed in this paper. It calculated the concentration of VOCs in soil gas by ASTM three-phase equilibrium model, and estimated the environmental impact of the organic pollutants during the excavating process. It was concluded that the soil gas concentration can be calculated by the three-phase equilibrium model to estimate the intensity of fugitive emissions of VOCs during the excavation process. According to the distribution of sensitive spots around the contaminated sites, the control measures should be strengthened, and the excavation can be reasonably arranged by simulations. The impact of fugitive VOCs during the excavation process will be reduced within the controllable range.

VOCs; ex-situ remediation; fugitive emission; ASTM three-phase equilibrium model; environmental impact assessment

2017-04-01

毛華云(1984—)，男，四川人，助理研究員，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：mhybluesky@163.com

10.14068/j.ceia.2017.06.013

X502

A

2095-6444(2017)06-0052-04