建設(shè)場地重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的篩選

朱曉星 王仕彬

(福建省閩東南地質(zhì)大隊，泉州，362021)

一般來講，重金屬是指密度大于4.0 g/cm3的約60種元素或密度大于5.0 g/cm3的約45種元素[1]，但從環(huán)境污染方面講，重金屬主要是指具有毒性的Pb、Hg、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、Sb、Be、Tl等元素，以及具有毒性且某些性質(zhì)與重金屬相似的類金屬As等污染物[2]。金屬制品業(yè)、有色金屬冶煉和加工業(yè)、皮革及其制品業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制造業(yè)的工業(yè)場地產(chǎn)生的大量廢棄污染物，通過大氣沉降、地表徑流和地下水淋濾等轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化作用，使得過量的重金屬元素進入土壤[3]，超過土壤的自凈能力，致使土壤中重金屬含量明顯高于原生背景值，造成土壤質(zhì)量惡化，并且嚴重威脅著人體健康，全國城市工業(yè)企業(yè)搬遷而遺留的污染場地超過50萬個，其中重金屬污染場地占了相當(dāng)大的比例[4]，迫切需要采取措施對重金屬污染場地進行土壤修復(fù)。

目前，國際上對于重金屬污染場地的土壤修復(fù)技術(shù)很多，美國超級基金在對污染場地選擇修復(fù)技術(shù)時，重點考慮的因素包括修復(fù)效果、修復(fù)成本和修復(fù)時間等[5]。在污染場地修復(fù)技術(shù)篩選過程中往往需要借助不同的決策方法，如何高效地治理污染場地，選擇適合的修復(fù)技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。有研究曾指出需將科學(xué)與經(jīng)驗相結(jié)合來進行修復(fù)技術(shù)的選擇，根據(jù)以往的經(jīng)驗，往往采用表面上花費較低的修復(fù)技術(shù)，最終導(dǎo)致修復(fù)效果不理想，造成更大的經(jīng)濟損失[6]。對于污染場地，修復(fù)技術(shù)的適用性是影響修復(fù)效果的關(guān)鍵因素。美國超級基金對重金屬污染場地修復(fù)技術(shù)的篩選規(guī)定了基本程序，確定了9個篩選原則以確定最終的修復(fù)技術(shù)。李安婕等[7]運用多屬性決策分析方法對修復(fù)技術(shù)進行偏好排序以篩選出適宜的修復(fù)技術(shù)。該次研究擬建立適合重金屬污染場地的修復(fù)技術(shù)篩選指標體系，利用層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP法)和逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，簡稱TOPSIS法)對污染場地土壤修復(fù)技術(shù)進行科學(xué)評價，以期為國內(nèi)重金屬污染場地選擇合適的修復(fù)技術(shù)提供參考。

1 國內(nèi)重金屬污染場地土壤修復(fù)技術(shù)概述

相比于歐美國家40多年的發(fā)展，我國污染場地土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)仍屬新興行業(yè)，起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，仍處在技術(shù)完善及試點階段，尚缺乏成熟的技術(shù)、設(shè)備及工程應(yīng)用[8，9]。

在國內(nèi)，受城市土地經(jīng)濟價值的影響，污染場地修復(fù)的最終目的多是用于商業(yè)開發(fā)再利用，選擇的場地修復(fù)技術(shù)應(yīng)具有二次污染風(fēng)險小、修復(fù)周期短、穩(wěn)定性高等特點。近幾年國內(nèi)也開展了一些關(guān)于重金屬污染場地治理的試點與示范工程(表1)。當(dāng)前國內(nèi)重金屬污染場地土壤修復(fù)工程較多采用的修復(fù)技術(shù)包括阻隔填埋、固化/穩(wěn)定化、化學(xué)淋洗、土壤洗脫、化學(xué)氧化/還原、植物修復(fù)等技術(shù)，各修復(fù)技術(shù)的適用條件、技術(shù)成熟度、修復(fù)周期、污染物去除率、成本等情況匯總(表2)。

表1 國內(nèi)部分已開展的污染場地修復(fù)工程實例

表2 重金屬污染場地土壤修復(fù)技術(shù)匯總

注：①土壤類型：1—細黏土；2—中粒黏土；3-淤質(zhì)黏土；4—黏質(zhì)壤土；5—淤質(zhì)壤土；6—淤泥；7—砂質(zhì)黏土；8—砂質(zhì)壤土；9—砂土。②污染物類型：a—揮發(fā)性；b—半揮發(fā)性；c—重碳水化合物；d—殺蟲劑；e—無機物；f—重金屬。③技術(shù)成熟度：M—廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟；S—規(guī)模應(yīng)用，技術(shù)仍需改進；P—中試階段，技術(shù)尚未規(guī)模應(yīng)用。

2 污染場地土壤修復(fù)技術(shù)篩選方法

2.1 修復(fù)技術(shù)篩選流程

修復(fù)技術(shù)篩選就是對各修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點進行綜合評價，結(jié)合具體污染場地的場地條件、修復(fù)目標以及修復(fù)要求等選出適宜的修復(fù)技術(shù)，基本流程如(圖1)所示。

圖1 污染場地修復(fù)技術(shù)篩選流程Fig.1 Flowchart for selection of contaminated site remediation technologies

2.2 建立修復(fù)技術(shù)篩選指標體系

污染場地修復(fù)技術(shù)的篩選要考慮修復(fù)技術(shù)的經(jīng)濟性、環(huán)境友好性和技術(shù)適用性等多個因素，每個因素又各自包含了多個指標， 是一個多層次的決策分析問題，因此要構(gòu)建一個多層次的修復(fù)技術(shù)篩選指標體系(圖2)。 該次研究參考張倩等[10]并根據(jù)實際情況建立的修復(fù)技術(shù)篩選指標體系分為場地條件(B1)、技術(shù)條件(B2)、經(jīng)濟條件(B3)和環(huán)境條件(B4)4個因素，并從4個因素中選取了16項指標(C1～ C16)。各指標可通過評分法獲得各備選修復(fù)技術(shù)的評分參數(shù)(表3)。

圖2 污染場地修復(fù)技術(shù)篩選指標體系Fig.2 Index system of selection of contaminated site remediation technologies

表3 修復(fù)技術(shù)指標評價標準

2.3 篩選指標權(quán)重確定方法

對于多參數(shù)決策問題中指標權(quán)重的確定有很多方法，包括AHP法、專家評價法、調(diào)查統(tǒng)計法、成本效益分析法等。其中，AHP法是一種定性和定量分析相結(jié)合的決策方法，通過將與決策有關(guān)的因素分解成目標、因素和指標等層次，在各指標之間進行兩兩比較，定量計算得到各指標的權(quán)重。此次采用AHP法計算各指標的權(quán)重。計算步驟如下[11]。

(1)對同一層次的各指標對于上一層次因素的重要程度進行判斷，構(gòu)建出評價指標的判斷矩陣， 表示B層第i個指標與第j個指標的相對重要程度，以標度進行量化，量化標度值(表4)，此量化標度值可采用專家打分法確定。

表4 指標相對重要性量化

注：兩相鄰等級之間的中間值為8，6，4，2，1/2，1/4，1/6，1/8。

(2)首先將判斷矩陣A中的每一列進行歸一化：

(3)將歸一化處理后的矩陣再按行求和：

(4)將向量B=(B1，…，Bn)T歸一化處理，得到屬性權(quán)重向量：

(5)計算判斷矩陣最大特征值：

在計算出某一層(C層)各個指標的單排序權(quán)重后，用上一層(B層)因素本身的權(quán)重加權(quán)綜合，即可計算出C層總排序權(quán)重。

(6)判斷矩陣的一致性檢驗：

①計算一致性指標(Consistent Index，簡稱CI)：

②確定隨機一致性指標(Random Index，簡稱RI)，Saaty給出了RI值，由指標篩選體系，可知道n=4，查得RI=0.90。

③計算一致性比率(Consistence Rate，簡稱CR)：

當(dāng)CR<0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，那么判斷矩陣A的最大特征值對應(yīng)的特征向量即為權(quán)向量。在多層次分層的情況下，用上一層(B層)因素本身的權(quán)重，對一致性指標CI以及隨機一致性指標RI進行加權(quán)求和，可得到總層次的CI值和RI值，進行總層次的一致性判斷。

2.4 最適宜修復(fù)技術(shù)排序方法

筆者采用TOPSIS法進一步篩選出最適合污染場地的土壤修復(fù)技術(shù)。采用TOPSIS法的目的是在備選的修復(fù)技術(shù)中找到一個最理想的修復(fù)技術(shù)[12]從而解決決策問題。具體步驟如下[13]如下。

(1)假設(shè)多參數(shù)決策問題由最初的決策矩陣Y={yij}，首先進行歸一化處理，得到規(guī)范化的決策矩陣Z={zij}，公式：

(2)根據(jù)AHP法確定的指標權(quán)重向量ω=(ω1，ω2…ωn)T將規(guī)范化決策矩陣加權(quán)規(guī)范，得到加權(quán)規(guī)范矩陣X={xij}，公式如下：

xij=ωi·ziji=1,…m；j=1,…n

3 實例研究

3.1 重金屬污染場地背景

某電鍍集控區(qū)占地面積7.33 hm2，位于中國東南沿海泉州市，所屬37家電鍍企業(yè)于2008年8月全面關(guān)停，進行了整體搬遷。由于該集控區(qū)的建設(shè)時間早，管道老化破損，電鍍廢水滲入地下導(dǎo)致場地土壤遭受到重金屬污染。在再次開發(fā)利用前對該場地的土壤樣品進行采樣分析，發(fā)現(xiàn)該場地存在重金屬污染，污染特征因子為銅、鋅、鉻、鎳，以“展覽會用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價標準(暫行)”(HJ350-2007)中不同用地類型(居住用地和商業(yè)用地)的標準限值進行評估，均有不同程度的超標；以適用于商業(yè)用地的B級土地利用類型的土壤標準限值為標準，銅超標為47.5%，最大超標為16.97倍；鋅超標為33.4%，最大超標為10.92倍；鉻超標為2.7%，鎳超標為0.9%。

該電鍍集控區(qū)場地微地貌屬河流流域下游海積平原，地層上部埋深3 m以內(nèi)以雜填土、粉質(zhì)黏土、粗中砂為主，透水性強，滲透系數(shù)為0.27×10-2～3.6×10-2cm/s，容易受污染，為該場修復(fù)工作的重點；2～8 m主要為淤泥和淤泥夾砂，呈流塑狀，顆粒極細，透水性極差，滲透系數(shù)為3.6×10-7cm/s，厚度大于2 m，在污染場地范圍內(nèi)均有分布，可作為天然防滲襯層，防止以下土層受污染；8～20 m主要為殘積砂質(zhì)黏性土，14 m以下見花崗巖基巖。

通過污染場地健康風(fēng)險評估結(jié)果表明，此污染場地部分地塊土壤中重金屬含量較高，存在較大的健康風(fēng)險，需進行工程修復(fù)的地塊面積約為9 000 m2，最大污染深度為2 m，污染土方量約18 000 m3。

3.2 修復(fù)技術(shù)初篩

根據(jù)場地踏勘調(diào)查和資料收集，同時受項目工期所限制，擬采用異位修復(fù)技術(shù)進行場地修復(fù)。結(jié)合場地條件、修復(fù)目標及修復(fù)要求，從國內(nèi)應(yīng)用成熟的重金屬污染場地修復(fù)技術(shù)中初步篩選出的修復(fù)技術(shù)為阻隔填埋(T1)、固化/穩(wěn)定化(T2)、土壤洗脫(T3)、化學(xué)氧化/還原(T4)、植物修復(fù)技術(shù)(T5)。依據(jù)修復(fù)技術(shù)篩選指標體系，對照修復(fù)技術(shù)指標評價標準對初篩技術(shù)的16項指標進行量化評分，評分結(jié)果如(表5)所示。

3.3 篩選指標權(quán)重確定

針對篩選指標體系，通過專家問卷調(diào)查、咨詢的方式，對指標C1～C16的相對重要性作出標度判斷，按照指標相對重要性量化中1～9代表極不重要—極重要進行量化，再用AHP法對各指標進行分層比較和計算，并通過一致性檢驗，可得到篩選指標體系各指標的權(quán)重，計算結(jié)果如(表6)所示。

3.4 最適宜修復(fù)技術(shù)確定

表5 最初決策矩陣

表6 各層指標權(quán)重計算結(jié)果

注：① B層CR=0.045<0.1；②C層CR=0.057,0.09,0.058,0<0.1；③總層次CR=0.058<0.1，

利用TOPSIS法對各修復(fù)技術(shù)進行綜合評價排序；將表5的最初決策矩陣歸一化和表6中的C層總排序權(quán)重加權(quán)，得到加權(quán)規(guī)范矩陣；再根據(jù)公式計算得出各技術(shù)的綜合評價指數(shù) ，最終計算結(jié)果如(表7)所示。

表7 最終計算結(jié)果

由最終計算結(jié)果可以知道，根據(jù)5個備選修復(fù)技術(shù)的綜合評價指數(shù)，修復(fù)技術(shù)的適宜程度排序為T2、T1、T4、T5、T3，其中T2固化/穩(wěn)定化是該重金屬污染場地相對最適宜的修復(fù)技術(shù)。該污染場地的建設(shè)單位采用固化/穩(wěn)定化作為該場地污染土壤修復(fù)技術(shù)，施工后達到修復(fù)目標，與筆者篩選出的修復(fù)技術(shù)相符。該實例對指導(dǎo)重金屬污染場地修復(fù)技術(shù)篩選具有一定的實際意義。

4 結(jié)論

(1)該研究系統(tǒng)梳理了重金屬污染場地修復(fù)技術(shù)選擇路線，構(gòu)建了污染場地修復(fù)技術(shù)篩選指標體系，運用AHP法和TOPSIS法進行污染場地修復(fù)技術(shù)篩選的決策，并成功應(yīng)用于某電鍍污染場地的修復(fù)技術(shù)篩選。

(2)AHP法可避免對指標權(quán)重的忽視，TOPSIS法可克服在不易定量化指標上的主觀性，聯(lián)合利用可更科學(xué)客觀地解決修復(fù)技術(shù)決策問題，為建設(shè)場地的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的篩選決策問題提供參考。