基于修復(fù)效果的污染土壤修復(fù)工程環(huán)境足跡分析

劉文曉，夏天翔，張麗娜*，賈曉洋，朱笑盈，梁 競(jìng)，蔡敏琦

1.北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037

2.國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037

3.污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)模擬與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

工業(yè)企業(yè)改造搬遷后會(huì)遺留存在污染隱患的場(chǎng)地，給生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1].因此，工業(yè)場(chǎng)地在改變?cè)恋厥褂眯再|(zhì)時(shí)，必須進(jìn)行場(chǎng)地調(diào)查，開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)管控或修復(fù)[2-3].目前，我國(guó)開(kāi)展的大量污染場(chǎng)地修復(fù)工程主要考慮修復(fù)目標(biāo)達(dá)成及經(jīng)濟(jì)成本投入，多采用高耗能、周期短的修復(fù)技術(shù)，對(duì)修復(fù)過(guò)程的環(huán)境影響考慮較少.但污染場(chǎng)地的修復(fù)過(guò)程本身消耗大量能源和其他自然資源，同時(shí)使用的化學(xué)品和排放的廢棄物等均會(huì)造成新的環(huán)境影響[4]，因此在場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程中還應(yīng)考慮修復(fù)過(guò)程自身對(duì)環(huán)境的影響[5-6]，關(guān)注碳匯指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)[7].

可持續(xù)修復(fù)旨在清除場(chǎng)地中污染物的同時(shí)最大限度減少修復(fù)過(guò)程的環(huán)境影響[8]，所以需要在修復(fù)過(guò)程的各階段采用提高能源效率、節(jié)約用水及減少溫室氣體排放的方法.生命周期評(píng)估(life cycle assessment，LCA)因可定量評(píng)估場(chǎng)地修復(fù)全過(guò)程的二次環(huán)境影響而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[9-10].生命周期管理能幫助選擇對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康影響最小的修復(fù)方案[11].Page 等[12]計(jì)算了某鉛污染場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程的能源消耗、固體廢物產(chǎn)生和污染物排放，證明LCA 有助于確定修復(fù)活動(dòng)的環(huán)境負(fù)荷.Volkwein 等[13]利用LCA 對(duì)某多環(huán)芳烴污染場(chǎng)地的修復(fù)過(guò)程進(jìn)行環(huán)境評(píng)估，其結(jié)果可用于修復(fù)方案的選擇.Cadotte 等[14]分析了不同修復(fù)方案在清理石油污染場(chǎng)地時(shí)的環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)原位修復(fù)會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)較大影響.由于LCA 所需數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)獲取不確定性高，直接將傳統(tǒng)LCA 應(yīng)用于特異性強(qiáng)的污染場(chǎng)地會(huì)產(chǎn)生較大的不確定性.因此，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局將環(huán)境足跡分析(environmental footprint analysis，EFA)作為綠色修復(fù)評(píng)價(jià)的重要方法，用于判斷不同修復(fù)方案或技術(shù)的環(huán)境影響[15].2011 年美國(guó)發(fā)布的《修復(fù)行業(yè)足跡分析和生命周期評(píng)估導(dǎo)則》指出EFA 比LCA 更簡(jiǎn)明，可提供定性的決策支撐[16].同時(shí)，碳足跡、水足跡等指標(biāo)廣泛用于量化環(huán)境影響，如碳足跡計(jì)算器被用來(lái)計(jì)算各種產(chǎn)品和技術(shù)對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn).歐美等國(guó)家基于環(huán)境足跡方法理論，也開(kāi)發(fā)了多種針對(duì)污染場(chǎng)地可持續(xù)管理的決策支持工具，包括SiteWiseTM、SEFA 等.

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國(guó)場(chǎng)地修復(fù)行業(yè)挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存[17]，污染場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程中二次環(huán)境影響愈發(fā)引起重視.因此，該研究針對(duì)北方某焦化廠有機(jī)污染場(chǎng)地原位熱脫附和阻隔通風(fēng)施工運(yùn)行過(guò)程(簡(jiǎn)稱(chēng)“工程”)，運(yùn)用SiteWiseTM工具計(jì)算了各階段的環(huán)境足跡，分析了原位熱脫附和阻隔通風(fēng)技術(shù)的環(huán)境足跡強(qiáng)度，以期為我國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程環(huán)境影響和修復(fù)技術(shù)選擇提供支撐，推動(dòng)可持續(xù)修復(fù)的研究和實(shí)踐.

1 材料與方法

1.1 場(chǎng)地概況

案例焦化廠位于我國(guó)北方中緯度地帶，廠區(qū)地層表層為人工填土，其下為粉質(zhì)黏土，再向下為卵石層.所在地區(qū)第四系含水層淺層地下水潛水位埋深在地表下30 m 左右，主要補(bǔ)給來(lái)源為地下徑流和地表降雨.案例精苯場(chǎng)地包含焦油和粗苯精制工段，在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中由于原料產(chǎn)品堆放及泄露等導(dǎo)致土壤污染，特征污染物為多環(huán)芳烴和苯系物.場(chǎng)地調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯示，土壤中典型污染物苯和苯并[a]芘含量最大值分別為1 080、1 810 mg/kg，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為270、1 206 倍.

根據(jù)人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(試行)[18]，將苯含量高于40 mg/kg、苯并[a]芘含量高于15 mg/kg 的區(qū)域定義為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；將苯含量低于40 mg/kg、苯并[a]芘含量低于15 mg/kg 的區(qū)域定義為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，污染場(chǎng)地概況如表1 所示.

表1 污染場(chǎng)地概況Table 1 Overview of the contaminated site

1.2 工程概況

該工程對(duì)高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采用了不同的修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采用原位熱脫附技術(shù)(in-situthermal desorption，ISTD)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采用阻隔通風(fēng)技術(shù)(in-situbarrier and bioventing，ISBB)，工藝原理如圖1 所示.

將整個(gè)工程分為3 個(gè)階段，分別為施工準(zhǔn)備(Stage Ⅰ)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行(Stage Ⅱ)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行(Stage Ⅲ).施工準(zhǔn)備階段周期約50 d，包括人員物資準(zhǔn)備、場(chǎng)地清理、臨時(shí)設(shè)施施工等工作.高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行周期約為200 d，分為兩部分：①熱脫附，包括加熱、抽提井施工、熱脫附設(shè)備安裝及加熱脫附等工作；②廢水廢氣處理，包括廢水廢氣設(shè)備安裝和運(yùn)行.低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行周期約360 d，分為水平阻隔、生物通風(fēng)、廢氣處理三個(gè)部分，包括阻隔層建設(shè)、通風(fēng)井管制作安裝、通風(fēng)設(shè)備安裝運(yùn)行、廢氣處理等過(guò)程.

1.3 工具及數(shù)據(jù)清單

目前常用的環(huán)境足跡評(píng)價(jià)工具包括SEFA 和SiteWiseTM，均基于Excel 平臺(tái)，其中SiteWiseTM由美國(guó)海軍、陸軍和巴特爾公司共同開(kāi)發(fā)[19]，提供了溫室氣體排放、能源消耗、耗水量、空氣污染物排放等量化指標(biāo)，能夠分析材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、設(shè)備使用和廢棄物處理等過(guò)程，采用模塊化計(jì)算方式，對(duì)于修復(fù)過(guò)程的各階段單獨(dú)計(jì)算[20].Kim 等[21]使用該工具對(duì)鉛污染射擊場(chǎng)地的土壤淋洗過(guò)程進(jìn)行環(huán)境足跡分析，發(fā)現(xiàn)鹽酸和NaOH 等消耗性化學(xué)品、系統(tǒng)運(yùn)行的電能消耗以及土壤挖掘設(shè)備的使用是土壤淋洗過(guò)程中環(huán)境污染的主要來(lái)源.

針對(duì)該場(chǎng)地高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行的實(shí)際情況，考慮修復(fù)過(guò)程中能源消耗、材料使用、運(yùn)輸、廢水廢氣處理等方面，使用SiteWiseTM工具計(jì)算各階段的環(huán)境足跡，修復(fù)工程的技術(shù)流程和系統(tǒng)邊界如圖2 所示.

該研究的環(huán)境足跡清單數(shù)據(jù)主要來(lái)自土壤修復(fù)工程施工方案、工程監(jiān)理報(bào)告、環(huán)境監(jiān)理報(bào)告、工程竣工報(bào)告、修復(fù)效果評(píng)估報(bào)告等相關(guān)資料，對(duì)于資料中未標(biāo)明的數(shù)據(jù)采用軟件中默認(rèn)參數(shù).機(jī)械設(shè)備的燃油消耗根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)機(jī)械設(shè)備的型號(hào)功率和作業(yè)時(shí)間計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行的電力消耗根據(jù)電力設(shè)備的功率與工作時(shí)間計(jì)算，其他能源(如天然氣)和使用材料(如混凝土、鋼鐵等)均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)消耗情況計(jì)算，材料和設(shè)備運(yùn)輸?shù)娜加拖陌窜?chē)輛類(lèi)型、里程和運(yùn)載量計(jì)算.電力、柴油和主要材料的排放因子采用程序中的默認(rèn)參數(shù)(見(jiàn)表2).

表2 土壤修復(fù)過(guò)程中使用的材料和能源Table 2 Materials and energy used in the soil remediation

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)效果分析

實(shí)施土壤修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控后，需進(jìn)行效果評(píng)估[22]，進(jìn)而判斷該地塊是否可以安全利用.從造成風(fēng)險(xiǎn)的“源—途徑—受體”關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析，原位熱脫附是對(duì)污染源的削減或去除，阻隔通風(fēng)是對(duì)污染物遷移途徑的限制或切斷，前者一般用修復(fù)后污染物含量與目標(biāo)值的對(duì)比，后者需要根據(jù)阻隔設(shè)施參數(shù)、地塊開(kāi)發(fā)用途等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定風(fēng)險(xiǎn)管控實(shí)施后地塊風(fēng)險(xiǎn)是否達(dá)到可接受水平.

該地塊高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)目標(biāo)污染物苯和苯并[a]芘的原始含量與修復(fù)后含量分布如圖3 所示.由圖3 可見(jiàn)：經(jīng)原位熱脫附修復(fù)后，土壤中苯含量最大值由1 080 mg/kg 降至2.89 mg/kg，平均值由51.91 mg/kg 降至0.26 mg/kg，低于修復(fù)目標(biāo)值(4.00 mg/kg)；土壤中苯并[a]芘含量最大值由1 810 mg/kg 降至1.39 mg/kg，平均值由56.69 mg/kg 降至0.70 mg/kg，低于修復(fù)目標(biāo)值(1.50 mg/kg).根據(jù)《污染地塊風(fēng)險(xiǎn)管控與土壤修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.5—2018)[23]，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)土壤修復(fù)達(dá)到目標(biāo).

低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)阻隔通風(fēng)后土壤中苯含量的最大值由32.06 mg/kg 降至3.50 mg/kg，平均值由2.21 mg/kg 降至0.28 mg/kg，低于修復(fù)目標(biāo)值(4.00 mg/kg)，達(dá)到修復(fù)目標(biāo).對(duì)于土壤中苯并[a]芘，需通過(guò)阻隔后風(fēng)險(xiǎn)變化情況判斷阻隔效果，一般可接受的致癌風(fēng)險(xiǎn)水平為1×10—6，可接受的危害商為1[24].阻隔通風(fēng)前后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵參數(shù)取值如表3 所示.

表3 阻隔通風(fēng)前后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵參數(shù)取值Table 3 Key parameters of risk assessment before and after ISBB

阻隔通風(fēng)實(shí)施前后致癌風(fēng)險(xiǎn)和危害商變化情況如表4 所示，采用《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2019)[25]人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法計(jì)算得到.阻隔通風(fēng)實(shí)施前后苯的致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為8.24×10—6和2.90×10—7，與阻隔通風(fēng)后苯含量的降低和暴露途徑減少有關(guān).阻隔通風(fēng)實(shí)施前后苯并[a]芘的含量變化不大，致癌風(fēng)險(xiǎn)由9.51×10—6降至6.62×10—11，原因是阻隔后經(jīng)口攝入、皮膚接觸、吸入土壤塵、吸入室外上層土壤揮發(fā)氣體四個(gè)暴露途徑均被切斷，只需考慮吸入室外下層土壤揮發(fā)氣體暴露途徑.

表4 低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)阻隔通風(fēng)實(shí)施前后致癌風(fēng)險(xiǎn)與危害商Table 4 Carcinogenic risk and hazard quotient before and after the ISBB in low-risk zones

2.2 環(huán)境足跡分析

工程各階段環(huán)境足跡和相對(duì)貢獻(xiàn)如表5 所示，輸出結(jié)果包括溫室氣體排放量、能源消耗量、耗水量、空氣污染物排放量的具體數(shù)值.由表5 可見(jiàn)：施工準(zhǔn)備階段的材料、能源消耗最少，環(huán)境足跡在整個(gè)工程中的占比在1%左右；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行的能源消耗占整個(gè)工程的93.02%，溫室氣體和空氣污染物排放量占整個(gè)工程的62%～73%；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行的材料消耗和機(jī)械設(shè)備使用造成了30%左右的溫室氣體和空氣污染物排放，但能源消耗相對(duì)較少，占整個(gè)工程的6.77%.

表5 各階段環(huán)境足跡及其占比Table 5 Environmental footprint and percentage at each stage

2.2.1 溫室氣體排放

該工程各階段溫室氣體排放量如圖4 所示，工程的各項(xiàng)活動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致溫室氣體排放，包括設(shè)備運(yùn)行、能源使用、材料生產(chǎn)以及人員、材料和設(shè)備的運(yùn)輸?shù)?在StageⅠ中，主要考慮了材料和人員運(yùn)輸、場(chǎng)地清理、臨時(shí)設(shè)施施工，由于時(shí)間較短，能源和材料消耗較少，在整個(gè)工程中產(chǎn)生的環(huán)境足跡占比很小，溫室氣體排放量為104.34 t，其來(lái)源包括現(xiàn)場(chǎng)清理作業(yè)的機(jī)械燃油消耗和尾氣排放以及設(shè)備人員運(yùn)輸產(chǎn)生的排放.Stage Ⅱ是產(chǎn)生溫室氣體的主要階段，在整個(gè)工程中的占比為63.39%，熱脫附和廢水廢氣處理兩個(gè)階段分別產(chǎn)生溫室氣體4 136.93、1 309.74 t.土壤加熱過(guò)程中天然氣的大量使用是導(dǎo)致該階段溫室氣體排放的主要原因.此外，由于材料生產(chǎn)(鋼材等)同樣被納入考慮范圍中，由此也產(chǎn)生大量的溫室氣體排放.Stage Ⅲ中3 個(gè)工程階段產(chǎn)生的溫室氣體排放量分別為1 845.46、667.50、528.51 t，在整個(gè)工程中占比為35.40%，來(lái)源包括機(jī)械設(shè)備使用、運(yùn)輸以及電力使用等.綜上，原位熱脫附中天然氣的使用、系統(tǒng)運(yùn)行的電能消耗以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備的使用是該工程溫室氣體排放的主要來(lái)源.

溫室氣體排放量是全球化影響的重要考量指標(biāo)之一，我國(guó)溫室氣體排放主要來(lái)源于電力、冶煉、石化等行業(yè)[26].污染土壤修復(fù)工程由于規(guī)模小、運(yùn)行時(shí)間短，溫室氣體排放量遠(yuǎn)小于上述工業(yè)企業(yè).研究[27]顯示，某土壤氣相抽提工程年溫室氣體排放量?jī)H相當(dāng)于12 輛客車(chē).現(xiàn)階段制定修復(fù)技術(shù)方案時(shí)多注重工程自身的周期與經(jīng)濟(jì)成本[28-29]，對(duì)于修復(fù)技術(shù)方案的篩選多采用層次分析法[30-31]、PROMETHEE[32]、TOPSIS[33]、生命周期評(píng)價(jià)法[34]等.隨著我國(guó)碳排放交易體系逐步建設(shè)完善、污染場(chǎng)地修復(fù)市場(chǎng)的擴(kuò)大及新興修復(fù)技術(shù)的出現(xiàn)，修復(fù)過(guò)程造成的碳排放也應(yīng)引起重視.碳排放指標(biāo)間接反映修復(fù)工程的能耗水平，作為評(píng)判修復(fù)技術(shù)的指標(biāo)，在一定程度上可以減少?zèng)Q策者個(gè)人偏好的影響.

2.2.2 能源消耗量和耗水量

土壤修復(fù)過(guò)程中使用了各種類(lèi)型的能源，包括用于熱脫附的天然氣、系統(tǒng)運(yùn)行的電力，以及用于設(shè)備、人員運(yùn)輸?shù)娜加?相關(guān)研究[35]中原位熱脫附工程中能量利用率約60%.Heron 等[36]發(fā)現(xiàn)，修復(fù)過(guò)程的能源消耗為200～400 kW·h/m3，平均能耗為249 kW·h/m3.該工程各階段能源消耗量如圖5 所示.Stage Ⅰ的能源消耗在整個(gè)工程中占比僅0.20%，來(lái)源于車(chē)輛和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備的燃油使用.Stage Ⅱ是主要的能源消耗階段，其中貢獻(xiàn)最大的是土壤加熱過(guò)程的天然氣使用，在整個(gè)工程中占比達(dá)93.02%.Stage Ⅲ中現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備作業(yè)的燃油消耗和各種設(shè)備(鼓風(fēng)機(jī)、加熱板等)的電力消耗為主要的能源使用過(guò)程，在整個(gè)工程中占比約6.77%.

整個(gè)施工過(guò)程的水資源消耗量相對(duì)不大，修復(fù)過(guò)程未涉及土壤淋洗等工藝，僅考慮施工人員日常用水和設(shè)備車(chē)輛清洗等基礎(chǔ)用水情況，整個(gè)工程水資源消耗量為4 932.14 t，其中施工準(zhǔn)備階段、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行階段和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施工運(yùn)行階段水資源消耗量占比分別為0.92%、72.82%和26.26%.

2.2.3 空氣污染物排放

NOx、SOx和PM10作為主要的空氣污染物，其排放也是重要的環(huán)境足跡.該工程N(yùn)Ox和SOx的排放主要與能源消耗有關(guān)，而PM10的排放主要來(lái)自重型機(jī)械和設(shè)備的使用.整個(gè)修復(fù)工程的空氣污染物排放量為81.47 t.Stage Ⅱ中大量使用能源和機(jī)械設(shè)備，NOx、SOx和PM10的排放量均高于其他階段(見(jiàn)圖6)，在整個(gè)工程中占比分別為71.99%、71.56%和62.87%.Stage Ⅲ中NOx、SOx和PM10的排放量在整個(gè)工程中的占比分別為26.95%、26.96%和36.01%，其空氣污染物排放主要來(lái)源于黏土和混凝土的大量使用以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)機(jī)械尾氣排放和廢氣處理過(guò)程.

3 討論

3.1 修復(fù)單位方量土壤的環(huán)境足跡

通過(guò)環(huán)境足跡指標(biāo)評(píng)估修復(fù)技術(shù)的環(huán)境影響，可為選擇可持續(xù)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)特定污染場(chǎng)地的修復(fù)目標(biāo)提供參考.該場(chǎng)地修復(fù)單位方量土壤的環(huán)境足跡如表6 所示，不同修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生的環(huán)境足跡差異較大，原位熱脫附技術(shù)的各項(xiàng)環(huán)境足跡為阻隔通風(fēng)技術(shù)的6～50 倍，其中能源消耗量差異最大，前者為后者的49.70 倍，這表明土壤熱脫附技術(shù)中熱脫附環(huán)節(jié)會(huì)帶來(lái)較大的能源投入，這一結(jié)論在其他研究[37-38]中已被證實(shí).該地塊原位熱脫附技術(shù)修復(fù)單位方量土壤的溫室氣體排放量為179.09 kg，阻隔通風(fēng)技術(shù)為27.63 kg，前者為后者的6.48 倍.研究[39]表明，從土壤中去除1 kg 污染物會(huì)導(dǎo)致1.3～130 t CO2的排放，可見(jiàn)不同技術(shù)差異較大，以溫室氣體排放量為篩選指標(biāo)，能幫助選擇和優(yōu)化技術(shù)方案[40].其他指標(biāo)如耗水量和空氣污染物排放量，原位熱脫附是阻隔通風(fēng)的6～10 倍.整體看來(lái)，原位熱脫附技術(shù)修復(fù)單位方量土壤的環(huán)境足跡均高于阻隔通風(fēng)技術(shù)，能源消耗尤為突出，如進(jìn)一步比較二者的差異，需要結(jié)合修復(fù)效果進(jìn)行分析.

表6 修復(fù)單位方量土壤的環(huán)境足跡Table 6 Environmental footprint per unit soil of remediation

修復(fù)工程的參數(shù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行效果受污染物含量和場(chǎng)地特征的影響而存在差異.如美國(guó)諸多場(chǎng)地原位熱脫附工程案例報(bào)告[41]顯示，不同的地層結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)運(yùn)行效果和能源消耗不同；同一修復(fù)技術(shù)的環(huán)境足跡也具有場(chǎng)地特異性，某場(chǎng)地原位熱脫附案例研究[42]表明，每處理1.0 m3污染土壤約消耗天然氣82.6 m3和電量40.5 kW·h，與筆者研究中污染場(chǎng)地具有一定差異.可見(jiàn)，環(huán)境足跡的計(jì)算方法應(yīng)用以及基于場(chǎng)地實(shí)際修復(fù)效果的研究十分必要，可為修復(fù)技術(shù)的效益評(píng)估提供支撐.

3.2 環(huán)境足跡強(qiáng)度分析

修復(fù)單位方量土壤的環(huán)境足跡，僅反映該場(chǎng)地情況下所使用修復(fù)技術(shù)的環(huán)境影響大小.結(jié)合修復(fù)效果根據(jù)污染物含量和風(fēng)險(xiǎn)降低情況量化環(huán)境足跡指標(biāo)，以期進(jìn)一步反映不同場(chǎng)地情況下不同修復(fù)技術(shù)的環(huán)境影響.因此需要新的指標(biāo)〔如能源效率(去除單位質(zhì)量污染物所需的能量)和碳強(qiáng)度(處理單位質(zhì)量污染物釋放的CO2)等[43]〕來(lái)評(píng)估不同場(chǎng)地情況下不同修復(fù)技術(shù)的環(huán)境影響.

基于實(shí)際場(chǎng)地修復(fù)效果，該研究采用兩種方法：一是根據(jù)修復(fù)前后污染物含量變化對(duì)各項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，進(jìn)而結(jié)合不同指標(biāo)權(quán)重確定該技術(shù)的綜合環(huán)境影響；二是基于減少潛在受體風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)，計(jì)算減少單位風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境足跡，對(duì)于阻隔等工程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)自然衰減技術(shù)根據(jù)工程前后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合工程過(guò)程的環(huán)境足跡來(lái)評(píng)價(jià)其環(huán)境影響和適用性.

3.2.1 基于污染物含量變化的環(huán)境足跡強(qiáng)度

為考量修復(fù)技術(shù)的環(huán)境足跡強(qiáng)度，根據(jù)污染物含量變化進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以溫室氣體為例，使用降低目標(biāo)污染物單位含量時(shí)單位方量土壤的溫室氣體排放量表示該修復(fù)技術(shù)的溫室氣體強(qiáng)度(IGHG)〔見(jiàn)式(1)〕，其他足跡指標(biāo)(能源、水、NOx、SOx、PM10)強(qiáng)度定義及計(jì)算方法相同：

式中：E為溫室氣體排放量，t；w為修復(fù)土方量，m3；c0和c為修復(fù)前、后污染物含量，mg/kg.

該地塊高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)按修復(fù)前后苯和苯并[a]芘含量的最大值和平均值計(jì)算環(huán)境足跡強(qiáng)度.該地塊低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)通風(fēng)階段對(duì)降低易揮發(fā)有機(jī)污染物苯含量的效果顯著，而阻隔屬于風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)，通過(guò)阻斷污染源的暴露途徑從而降低環(huán)境和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)降低苯并[a]芘的風(fēng)險(xiǎn)有重要作用，在實(shí)際工程中其含量變化不明顯，不予計(jì)算.

由表7 可見(jiàn)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)基于污染物含量最大值所計(jì)算的苯的環(huán)境足跡強(qiáng)度比苯并[a]芘高57%～75%，以平均值計(jì)算的苯的環(huán)境足跡強(qiáng)度比苯并[a]芘高8%～10%.原位熱脫附對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的去除效果較好，但復(fù)合污染情況下需要兼顧半揮發(fā)有機(jī)物的修復(fù)效果，而造成揮發(fā)性有機(jī)物苯對(duì)應(yīng)較高的環(huán)境足跡強(qiáng)度，這也是熱脫附過(guò)程中加熱溫度需以土壤中沸點(diǎn)最高的污染物為準(zhǔn)的原因.對(duì)比高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)苯的環(huán)境足跡強(qiáng)度，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)溫室氣體強(qiáng)度高于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，原因是雖然熱脫附對(duì)污染物含量高的土壤效果顯著，但隨著污染物含量的下降，其去除難度會(huì)逐漸增加.而低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)苯含量降低很少，此評(píng)價(jià)方法對(duì)阻隔通風(fēng)技術(shù)適用性不強(qiáng).

表7 基于污染物含量的環(huán)境足跡強(qiáng)度Table 7 Environmental footprint intensity based on contaminant concentration

3.2.2 基于風(fēng)險(xiǎn)變化的環(huán)境足跡強(qiáng)度

通過(guò)修復(fù)或風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)削減污染場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為風(fēng)險(xiǎn)概率的降低，以總致癌風(fēng)險(xiǎn)降低情況來(lái)計(jì)算環(huán)境足跡強(qiáng)度(IR)，計(jì)算公式：

式中：E0為環(huán)境足跡指標(biāo)；w為修復(fù)土方量，m3；R0和R分別為修復(fù)前、后的風(fēng)險(xiǎn)概率值.

以修復(fù)前后污染物含量變化的最大值計(jì)算得到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)苯和苯并[a]芘修復(fù)前致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為2.77×10—4和1.19×10—3，修復(fù)后分別為7.42×10—7和9.12×10—7，結(jié)合2.1 節(jié)中對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)水平的計(jì)算，基于風(fēng)險(xiǎn)變化的環(huán)境足跡強(qiáng)度如表8 所示.

表8 基于風(fēng)險(xiǎn)變化的環(huán)境足跡強(qiáng)度Table 8 Environmental footprint strength based on risk changes

由表8 可見(jiàn)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)苯的風(fēng)險(xiǎn)降低程度較小，由此帶來(lái)的環(huán)境足跡強(qiáng)度較苯并[a]芘大.從污染物含量變化和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)降低的角度分析，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的能源消耗量都高于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū).高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)基于風(fēng)險(xiǎn)削減的各項(xiàng)足跡指標(biāo)的環(huán)境足跡強(qiáng)度均高于基于污染物含量最大值變化的環(huán)境足跡強(qiáng)度，這一差異為決策者提供不同參考，也提示未來(lái)的研究需要建立不同場(chǎng)地情況下針對(duì)各修復(fù)技術(shù)的不同污染物的環(huán)境足跡強(qiáng)度指標(biāo)，以期探明其內(nèi)在聯(lián)系，建立具有決策指導(dǎo)意義的環(huán)境足跡強(qiáng)度指標(biāo).

4 結(jié)論

a)環(huán)境足跡計(jì)算結(jié)果表明，在整個(gè)工程中施工準(zhǔn)備階段的環(huán)境足跡占比僅1%左右；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)原位熱脫附的溫室氣體排放量為5 446.67 t，其溫室氣體排放量、能源消耗量、耗水量、空氣污染物排放量在整個(gè)工程中的占比分別為63.39%、93.02%、72.82%和71.08%；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)阻隔通風(fēng)的溫室氣體排放量為3 041.47 t，其溫室氣體排放量、能源消耗量、耗水量、空氣污染物排放量在整個(gè)工程中的占比分別為35.40%、6.77%、26.26%和27.74%.天然氣的使用、系統(tǒng)運(yùn)行的電能消耗以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備的使用是施工過(guò)程中環(huán)境足跡的主要來(lái)源.

b)從修復(fù)單位方量土壤的環(huán)境足跡來(lái)看，原位熱脫附技術(shù)的能源消耗量約為阻隔通風(fēng)技術(shù)的49.70 倍，溫室氣體排放量、耗水量、空氣污染物排放量為阻隔通風(fēng)技術(shù)的6.32～10.30 倍.

c)從不同污染物的環(huán)境足跡強(qiáng)度來(lái)看，原位熱脫附修復(fù)工程中苯的環(huán)境足跡強(qiáng)度高于苯并[a]芘.從不同修復(fù)技術(shù)分析，原位熱脫附的能源強(qiáng)度較高.基于污染物含量降低的環(huán)境足跡強(qiáng)度對(duì)量化原位熱脫附技術(shù)的環(huán)境足跡適用性較好，而基于風(fēng)險(xiǎn)削減的環(huán)境足跡強(qiáng)度適用于阻隔通風(fēng)技術(shù).