科學(xué)家如何表達(dá)對(duì)大地母親深沉的愛(ài)？聊聊土壤修復(fù)那些事兒

仲英杰 李忠元

本篇報(bào)道圍繞2017年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“城市再開(kāi)發(fā)場(chǎng)地土壤污染控制與修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”展開(kāi)，該獎(jiǎng)項(xiàng)由上海市環(huán)境科學(xué)研究院黃沈發(fā)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。

2020年4月24日，湖南益陽(yáng)市委宣傳部表示，針對(duì)“云南昭通市鎮(zhèn)雄縣銷(xiāo)毀一批來(lái)自湖南益陽(yáng)的重金屬超標(biāo)大米”，經(jīng)核實(shí)決定對(duì)7家涉事企業(yè)立案調(diào)查。然而，這并不是“鎘大米”第一次走進(jìn)公眾視線(xiàn)。2014年，《南方日?qǐng)?bào)》也報(bào)道了2009年湖南上萬(wàn)噸鎘含量超標(biāo)的大米在廣東糧食市場(chǎng)流通銷(xiāo)售。

鎘是一種自然界存在的有毒金屬元素，常用于電鍍、造船業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)。20世紀(jì)50至70年代，日本富士山某地區(qū)居民因長(zhǎng)期飲用受鎘污染的河水及食用此水灌溉的鎘含量超標(biāo)大米而患有“痛痛病”，該事件是世界上最早報(bào)道的重金屬土壤污染事件。此次，湖南再次曝出“鎘大米”事件，警醒我們身邊的“土壤污染問(wèn)題”可能從未走遠(yuǎn)。

與大氣、水污染相比，土壤污染往往不容易被直接看到、嗅到，因此人們對(duì)土壤污染總是“后知后覺(jué)”。這么“神秘”的土壤污染，人們是怎樣與之“過(guò)招”的呢？

土壤修復(fù)技術(shù)概覽

作為地球的“皮膚”，土壤是一層覆蓋在地球表面的疏松物質(zhì)，含有礦物、氣體、水、有機(jī)質(zhì)等，也是動(dòng)植物的生長(zhǎng)棲息地。土壤為人類(lèi)的生活與生產(chǎn)活動(dòng)提供支撐，也消納著自然或人為產(chǎn)生的廢物。

土壤中常見(jiàn)的污染物可大致分為重金屬污染物和有機(jī)污染物。面對(duì)這些“來(lái)勢(shì)洶洶”的“入侵者”，土壤往往啟動(dòng)“自?xún)簟蹦芰ο麥纭皵耻姟保丛谧匀粭l件下，通過(guò)土壤系統(tǒng)的物理、化學(xué)及生物學(xué)方面的作用，降低有毒物質(zhì)的濃度或毒性，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或低毒產(chǎn)物。

一旦土壤所受污染超過(guò)了其自?xún)裟芰?，土壤的功能就受到了破壞，?dāng)污染程度達(dá)到一定風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)，就需要對(duì)污染土壤進(jìn)行治理。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，多達(dá)數(shù)十種土壤修復(fù)技術(shù)涌現(xiàn)了出來(lái)，下表舉例介紹了幾種常用的土壤修復(fù)技術(shù)。

常見(jiàn)的土壤修復(fù)技術(shù)

特別關(guān)注：工礦企業(yè)搬遷后的遺留場(chǎng)地

近40多年來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在土壤污染防治的基礎(chǔ)理論、技術(shù)原理、功能材料、技術(shù)工藝及專(zhuān)業(yè)裝備等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

以美國(guó)為例，20世紀(jì)70年代發(fā)生的“拉夫運(yùn)河污染事件”是促成美國(guó)設(shè)立“超級(jí)基金”并開(kāi)展土壤和地下水污染防治的標(biāo)志性事件。1942年，因干涸而廢棄的美國(guó)加利福尼亞州的拉夫運(yùn)河，被美國(guó)胡克電化學(xué)公司收購(gòu)，作為傾倒工業(yè)廢物的“垃圾倉(cāng)庫(kù)”。11年后，這條填滿(mǎn)有毒廢棄物的運(yùn)河經(jīng)填埋覆蓋后，被胡克化學(xué)公司以1美元的象征性?xún)r(jià)格轉(zhuǎn)讓給當(dāng)?shù)亟逃瘑T會(huì)用于建立學(xué)校，此后運(yùn)河區(qū)逐步開(kāi)發(fā)為底層社區(qū)。70年代末，當(dāng)?shù)卦袐D流產(chǎn)、嬰兒畸形等怪象頻發(fā)，地面還曾滲出苯、氯仿、甲苯、二噁英和多氯聯(lián)苯等多種有毒物質(zhì)，對(duì)人體健康有極大危害，引起了當(dāng)?shù)鼐用竦目只拧?/p>

此后，1980年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)的《綜合環(huán)境反應(yīng)、賠償與責(zé)任法》（又稱(chēng)《超級(jí)基金法案》）填補(bǔ)了美國(guó)土壤污染防治的法律空白，同時(shí)創(chuàng)設(shè)“超級(jí)基金”授權(quán)使用聯(lián)邦資金，保障在無(wú)法確定責(zé)任主體或責(zé)任主體無(wú)力承擔(dān)修復(fù)費(fèi)用時(shí)的污染土壤治理。

美國(guó)在土壤污染防治方面的工作喚醒了世界各國(guó)對(duì)土壤及地下水污染問(wèn)題的關(guān)注。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已逐步形成了一套涵蓋法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范及管理手段的完整的土壤污染防治體系。

英國(guó)1990年頒布了污染場(chǎng)地管理的核心法規(guī)——《環(huán)境保護(hù)法案》第2A部分，為土壤污染鑒定及恢復(fù)整治提供了依據(jù)，并明確了污染場(chǎng)地的定義，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理念納入土壤污染防治。英國(guó)環(huán)境署于2002年發(fā)布了《污染土地暴露評(píng)估模型：技術(shù)基礎(chǔ)和算法》《污染土地管理的模型評(píng)估方法》等系列技術(shù)文件，初步建立了英國(guó)污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的框架體系。

德國(guó)的土壤污染防治體系涵蓋了土壤污染預(yù)防、土壤環(huán)境調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和污染場(chǎng)地修復(fù)的全過(guò)程，并分別對(duì)工業(yè)污染場(chǎng)地和農(nóng)用地土壤利用做了說(shuō)明，規(guī)定了預(yù)防原則、責(zé)任機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)管控、土壤監(jiān)測(cè)與信息公開(kāi)、功能性修復(fù)等基本原則。德國(guó)的土壤修復(fù)技術(shù)主要分為三類(lèi)：移除污染源至別處治理；采用固封材料等防止污染物進(jìn)一步遷移擴(kuò)散；保護(hù)污染暴露受體，限制公眾接近污染源。

拉夫運(yùn)河居民的抗議，約1978年

就我國(guó)而言，在20世紀(jì)90年代之前，土壤修復(fù)主要針對(duì)農(nóng)田土壤，對(duì)城市工業(yè)用地污染修復(fù)鮮有提及。隨著我國(guó)城市發(fā)展進(jìn)程的加快，進(jìn)入21世紀(jì)后，建設(shè)用地，尤其是工業(yè)企業(yè)關(guān)閉搬遷后的土地所引發(fā)的土壤污染事件開(kāi)始引起人們的重視。

2004年，北京宋家莊地鐵站，3名工人在挖掘施工過(guò)程中急性中毒。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地鐵站所在地的前身是一家始建于20世紀(jì)70年代的農(nóng)藥廠(chǎng)，雖然搬離多年，但仍有部分有毒有害物質(zhì)殘留在地下。此次發(fā)生在北京宋家莊地鐵站施工過(guò)程中的急性中毒事件，揭開(kāi)了我國(guó)重視工業(yè)污染場(chǎng)地再開(kāi)發(fā)環(huán)境安全與治理修復(fù)的序幕。

2016年5月28日，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（又稱(chēng)“土十條”），進(jìn)一步加快了我國(guó)土壤修復(fù)事業(yè)的步伐。2019年1月1日實(shí)施的《土壤污染防治法》指出，土壤從受污染到基本恢復(fù)功能的過(guò)程一般包括：土壤污染狀況調(diào)查→土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估→風(fēng)險(xiǎn)管控/修復(fù)→風(fēng)險(xiǎn)管控/修復(fù)效果評(píng)估→后期管理，由此形成土壤污染防治的閉環(huán)體系。

目前從總體上來(lái)說(shuō)，在建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)技術(shù)方面，我國(guó)與歐美國(guó)家的管理和技術(shù)水平相比尚有較大差距。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，工礦企業(yè)搬遷后遺留場(chǎng)地面臨的環(huán)境修復(fù)問(wèn)題或更復(fù)雜、持久、嚴(yán)峻。因此，如何促進(jìn)未來(lái)更多企業(yè)搬遷后遺留場(chǎng)地的再開(kāi)發(fā)利用是一項(xiàng)亟須解決的重要課題。

來(lái)自上海市環(huán)境科學(xué)研究院的黃沈發(fā)領(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)十余年來(lái)始終致力于以上海為代表的城市再開(kāi)發(fā)場(chǎng)地土壤污染控制與修復(fù)，探索適合本土的“修復(fù)之路”。以下將以特大城市老工業(yè)區(qū)——上海桃浦工業(yè)區(qū)的轉(zhuǎn)型升級(jí)為例，介紹城市再開(kāi)發(fā)場(chǎng)地土壤污染控制與修復(fù)的“上海路徑”。

典型案例：上海桃浦工業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)型升級(jí)

位于上海市西北部的桃浦工業(yè)區(qū)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)大力促進(jìn)工業(yè)發(fā)展，但因工業(yè)區(qū)早期環(huán)境保護(hù)設(shè)施設(shè)備相對(duì)落后，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染問(wèn)題，在20世紀(jì)80年代被上海市政府列入重污染地區(qū)。

2013年，桃浦工業(yè)區(qū)被列為重點(diǎn)整治區(qū)域，并規(guī)劃轉(zhuǎn)型為“桃浦智創(chuàng)城”，需要對(duì)原工廠(chǎng)用地進(jìn)行再開(kāi)發(fā)利用。研究人員發(fā)現(xiàn)，桃浦工業(yè)區(qū)土壤和地下水污染范圍廣、污染物種類(lèi)多，存在污染難以精準(zhǔn)識(shí)別、污染地塊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不確定性大、安全高效的修復(fù)技術(shù)不足等問(wèn)題。

常言“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，面對(duì)桃浦工業(yè)區(qū)的這些問(wèn)題，研究人員首先需要知道“彼”是誰(shuí)？“彼”在哪？

由于工業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，桃浦工業(yè)區(qū)的地下管線(xiàn)及構(gòu)筑物復(fù)雜，地層以下人為干擾強(qiáng)烈，遺留污染物眾多，污染物空間分布不均且組成復(fù)雜。如此種種，給前期的環(huán)境調(diào)查和污染精準(zhǔn)識(shí)別帶來(lái)了不小挑戰(zhàn)。

為此，黃沈發(fā)團(tuán)隊(duì)因地制宜提出“區(qū)域排查→企業(yè)篩查→初步調(diào)查→詳細(xì)調(diào)查→地塊補(bǔ)充調(diào)查與評(píng)估”的工作流程，并融合環(huán)境與巖土專(zhuān)業(yè)技術(shù)，探索運(yùn)用多項(xiàng)場(chǎng)地環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)查技術(shù)——例如膜界面探測(cè)技術(shù)（MIP）、感應(yīng)電磁技術(shù)（FDEM）、高密度電阻率技術(shù)（ERT）等——掃描診斷場(chǎng)地污染狀況，有效提升了復(fù)雜場(chǎng)地調(diào)查的效率與精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)了“全覆蓋、精細(xì)化、高效率”的調(diào)查目標(biāo)，為后期風(fēng)險(xiǎn)管控及修復(fù)提供翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

找到“彼”后，便是全面、深度分析“彼”。常規(guī)的污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)手段，其評(píng)估結(jié)果不可避免地存在較大不確定性。研究人員從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)值模型、參數(shù)本土化取值等方面進(jìn)行了突破。通過(guò)探索與實(shí)踐，初步建立了包括自然地理、氣象氣候、土壤理化、巖土參數(shù)、受體暴露、建筑物特征等參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估本土參數(shù)取值數(shù)據(jù)庫(kù)；在評(píng)估模型本土化方面，通過(guò)土壤氣體采樣監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)開(kāi)展了揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）污染場(chǎng)地的污染物多介質(zhì)遷移和降解模擬優(yōu)化研究，并綜合運(yùn)用數(shù)值模型（MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、FEMWATER等）揭示VOCs在土壤中的遷移擴(kuò)散過(guò)程及其在土、水、孔多種介質(zhì)中的分配情況；對(duì)污染物物化反應(yīng)和生物作用的溶質(zhì)遷移降解模擬，運(yùn)用數(shù)值模型（RT3D、SEAM3D等）刻畫(huà)污染物在場(chǎng)地多介質(zhì)中的降解特征，建立動(dòng)態(tài)模擬體系。通過(guò)多技術(shù)方法聯(lián)用，提高了桃浦工業(yè)區(qū)污染地塊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

最后便是有的放矢戰(zhàn)勝“彼”。對(duì)于桃浦工業(yè)區(qū)的環(huán)境綜合治理并沒(méi)有“一刀切”，即沒(méi)有全部采取清除土壤污染物質(zhì)的修復(fù)技術(shù)，而是綜合考慮土壤和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)劃用地功能、區(qū)域環(huán)境條件及地塊開(kāi)發(fā)進(jìn)程等因素，采取“風(fēng)險(xiǎn)管控結(jié)合治理修復(fù)，依據(jù)實(shí)際情形分類(lèi)施策”的治理修復(fù)策略。例如，按照污染物分布圖對(duì)區(qū)域規(guī)劃用地功能及其控制性詳規(guī)方案提出調(diào)整建議，將部分污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域調(diào)整為城市景觀(guān)類(lèi)、市政配套設(shè)施類(lèi)和商業(yè)服務(wù)類(lèi)等非敏感性建設(shè)用地；其次，針對(duì)不同用途功能定位分別設(shè)定土壤和地下水修復(fù)目標(biāo)，如對(duì)規(guī)劃為停車(chē)場(chǎng)等用地設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)控制的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，而規(guī)劃為學(xué)校、居住區(qū)等敏感性用地則按照嚴(yán)格的暴露場(chǎng)景進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行污染物去除修復(fù)；最后，對(duì)于異位處置的污染土采用“區(qū)域土方平衡、就地消納利用”方案，分類(lèi)設(shè)定基于不同再利用方式的風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)治理達(dá)標(biāo)后實(shí)現(xiàn)土壤資源化安全利用。如此一來(lái)，既能保證各個(gè)用地的安全，也能控制修復(fù)成本、縮短治理年限。

戰(zhàn)勝“彼”最關(guān)鍵之處還在于采用什么修復(fù)技術(shù)，以及如何應(yīng)用。研究人員通過(guò)技術(shù)比選，在借鑒國(guó)外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，比選治理修復(fù)模式及相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工程規(guī)模試驗(yàn)確定了本土化技術(shù)應(yīng)用的工藝參數(shù)，克服了修復(fù)技術(shù)“水土不服”的問(wèn)題。此次治理的修復(fù)技術(shù)應(yīng)用到了穩(wěn)定化（將污染物在污染介質(zhì)中固定，使其長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)）、垂直/冒封阻隔（隔斷污染源，切斷傳播途徑）、氧化還原、生物強(qiáng)化、氣相及多相抽提（真空抽提土壤中的氣體、地下水和非水相液體等至地面，進(jìn)行相分離和處理）等多種處理工藝和原位異位組合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整體區(qū)域的安全高效修復(fù)。說(shuō)到底，研究團(tuán)隊(duì)按照“風(fēng)險(xiǎn)可控、技術(shù)可達(dá)、經(jīng)濟(jì)可行”的原則，開(kāi)展了安全高效修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)與集成應(yīng)用。

值得一提的是，該研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了基于天然礦物的系列綠色高效修復(fù)材料，提高了受污染土壤的處理效率；自主研發(fā)了雙泵式多相抽提系統(tǒng)、重金屬污染土壤處理能力達(dá)160 m 3 /h的專(zhuān)業(yè)修復(fù)設(shè)備，打破了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的壟斷局面。

上海桃浦工業(yè)區(qū)整體轉(zhuǎn)型升級(jí)的環(huán)境治理成果和經(jīng)驗(yàn)，為未來(lái)上海高橋石化、吳涇化工等大型工業(yè)區(qū)的整體轉(zhuǎn)型升級(jí)探索了有效治理路徑。不僅如此，桃浦工業(yè)區(qū)土壤污染防治過(guò)程中的創(chuàng)新技術(shù)方法為行業(yè)技術(shù)文件（如《上海市建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)方案編制、風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)效果評(píng)估工作的補(bǔ)充規(guī)定（試行）》）提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。該案例在行業(yè)里已形成由點(diǎn)帶面的影響力，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。

相信在一次次的土壤修復(fù)歷程中，越來(lái)越多的曾經(jīng)遭受工業(yè)污染重創(chuàng)的土地，將會(huì)再次承擔(dān)起新的使命，承載城市的快速發(fā)展。這個(gè)過(guò)程也體現(xiàn)了科學(xué)家如何用科技實(shí)力去表達(dá)他們對(duì)大地母親深沉的愛(ài)。