基于AHP篩選的有機污染土聯(lián)合修復技術案例研究①

左文建，胡順磊，段 偉，劉曉鳳，吳 敏，王志超

基于AHP篩選的有機污染土聯(lián)合修復技術案例研究①

左文建1，胡順磊2*，段 偉2，劉曉鳳2，吳 敏2，王志超2

(1中鐵三局集團投資有限公司，太原 030000；2太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

為了研究聯(lián)合修復技術在有機物污染場地中的篩選方法以及修復效果，以山西某搬遷遺留場地土壤修復工程為案例，提出了采用層次分析法(AHP)對常用的物理、化學、生物修復技術方法進行優(yōu)選，最終確定“常溫解吸+異位熱脫附+填埋場覆土利用+水泥窯協(xié)同處置”的新聯(lián)合修復模式，并且研究了該聯(lián)合修復模式的處理效果及其對環(huán)境造成的影響。結果表明，AHP可用于有機污染場地修復最佳方案的篩選；采用該聯(lián)合修復模式費用低、效果良好且未對周圍環(huán)境造成影響?？梢娫撀?lián)合修復模式能夠有效地處理此類型場地污染土體。該修復模式的成功實施為類似污染場地土壤修復項目提供了借鑒和參考價值，并在一定程度上控制了土壤資源的流失。

有機污染土；篩選方法；層次分析法；聯(lián)合修復技術；修復效果

由于城市的快速發(fā)展，現(xiàn)有居住和商業(yè)用地已不能滿足使用需求，需要將原有的工業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼『蜕虡I(yè)用地，而一些化工企業(yè)在其所在地塊上長期從事生產(chǎn)化工產(chǎn)品，導致土壤受到嚴重的有機污染。有機污染主要包括多環(huán)芳烴(PAHs)、石油類、有機農(nóng)藥、合成洗滌劑、酚類等[1]。有機污染物的揮發(fā)性和致癌性會在未來土地再開發(fā)利用過程中對人類的身體健康產(chǎn)生嚴重威脅。因此我國對有機污染場地的修復越來越重視。

目前用于有機污染場地土壤修復的技術較多，根據(jù)修復點位的不同，分為原位修復和異位修復，根據(jù)修復原理的不同分為物理法、化學法、生物法等[2]。熱脫附是一項較為成熟的土壤修復技術，Bonnard等[3]以及范宇和徐飛[4]的研究表明熱脫附修復技術對于多環(huán)芳烴污染較為嚴重的土壤有非常好的處理效果；Chen等[5]研究發(fā)現(xiàn)使用添加蛋殼和植物灰的熱脫附技術修復污染土，可以提高修復后的土壤質(zhì)量并提高修復效率?；瘜W氧化技術作為一種高效的修復技術，已經(jīng)被廣泛應用于工程實踐。吳昊等[6]指出活化過硫酸鈉原位化學氧化技術對石油類污染場地土壤修復有較好的效果；Suanon等[7]通過對原制藥廠污染土壤的修復效果探究，得出TX-100增強的高級氧化技術是修復有機氯污染土壤的一種可靠方法。與化學氧化等其他技術相比，微生物修復技術能夠有效避免二次污染問題，且成本更低，操作性強，更易于維護，已成為石油烴污染土壤修復的研究熱點[8–9]。近年來，水泥窯協(xié)同處理技術已被廣泛應用于嚴重污染土壤的處理，整個工藝流程巧妙，避免了料漿的制備，提高了窯系統(tǒng)的效率，且對熟料沒有不利影響[10]。Tian等[11]基于雙基點(TOPSIS)法研究發(fā)現(xiàn)水泥窯協(xié)同處理是OCPs污染場地的最佳修復技術；Yang等[12–13]的研究表明水泥窯協(xié)同處理對二噁英類化合物具有很高的破壞效率，是處置固體廢物的一種好技術。然而有機物污染土壤往往含有多種有機污染物，修復難度較大，采取單一化的修復技術難以達到預期效果[14]，而且長期使用物理、化學單一的方法來進行土壤修復，可能會對土壤造成持續(xù)性的傷害[15]。相比單一修復技術，聯(lián)合修復技術綜合了各種技術的長處，充分利用不同方法技術間的協(xié)同作用，使其環(huán)境適應性和修復效果更為突出[9]，是有機污染土修復發(fā)展中最有前景的一種修復手段。面對眾多的修復技術，聯(lián)合哪種或哪幾種修復技術能夠?qū)崿F(xiàn)較好處理效果成為聯(lián)合模式的關鍵。

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。其優(yōu)點是系統(tǒng)性強、簡潔實用、所需定量數(shù)據(jù)信息較少，把判斷各要素的相對重要性化為簡單的權重進行計算。這種思想能處理許多用傳統(tǒng)的最優(yōu)化技術無法著手的實際問題。

本文依托山西某搬遷遺留場地土壤修復工程，對有機污染場地修復技術及修復效果進行研究。通過對常用修復技術的研究總結，基于AHP比較篩選出針對該場地有機物污染的高效聯(lián)合修復技術。通過對該場地修復效果的綜合評價及實施要點的分析，旨在驗證該聯(lián)合修復技術的有效性，也為類似污染場地土壤修復項目的工程設計和實施提供參考。

1 工程概況

1.1 場地概況

目標地塊原為煤氣化工廠區(qū)內(nèi)的選煤廠，占地面積97 749 m2。場地之前為廢棄的耕地，生產(chǎn)經(jīng)營時間約為30 a，對周邊環(huán)境有一定的影響。目前，場地內(nèi)的建構筑物均已拆除完畢，大部分的建筑垃圾均已清運，原建構筑物所在區(qū)域地表仍遺留有薄層建筑垃圾，建筑垃圾主要來源于本場地內(nèi)建構筑物拆除后遺留的磚塊、水泥塊及夾雜的粉土。該地塊的用地規(guī)劃類型為居住用地及中小學用地，地塊周邊現(xiàn)有居民小區(qū)、村落，以及規(guī)劃建立的居民區(qū)。

1.2 場地污染現(xiàn)狀

該地塊的污染主要分為地表以上建筑垃圾污染，以及地表以下土壤污染。根據(jù)檢測結果，該地塊的超標污染物為氯代烴、多環(huán)芳烴、石油烴等。污染超標倍數(shù)為0.20倍 ～ 41.4倍。其中5種污染物的致癌風險超過可接受水平，1種污染物的非致癌風險超過可接受水平。基坑污染層位主要在0 ～ 4.0 m，部分點位污染深度達到 5.0 m，污染未涉及到地下水。具體污染物篩選值[16]及超標情況如表1所示。

表1 污染物超標情況

2 修復方案確定

2.1 修復目標

本地塊共需修復14種污染物，修復目標值為篩選值[16](表1)。地塊范圍內(nèi)污染建筑垃圾和污染土壤的修復總面積為12 192 m2，需修復總方量為20 888 m3。

2.2 修復方案遴選

考慮到場地周圍存在居民小區(qū)、村落等敏感區(qū)域，因此修復過程中產(chǎn)生的二次污染特別是廢氣、揚塵、噪聲等應加以重視，所以選擇異位修復作為本場地修復的主要思路。根據(jù)場地污染現(xiàn)狀，初選出6種土壤修復技術，并列舉了其成熟性、修復周期、修復成本、適用性等指標[17–24]，如表2所示。

篩選污染場地修復技術需考慮多重因素，要通過相關評價指標綜合分析每種修復技術方能確定目標污染場地最適合的修復技術。利用AHP求出篩選指標權重，并建立修復技術評價矩陣，根據(jù)權重與評價矩陣的元素乘積來篩選出最合適的修復技術。

根據(jù)各因素對修復技術的影響程度，選取技術成熟度(B1)、修復周期(B2)、經(jīng)濟可行性(B3)、可操作性(B4)、二次污染(B5)這5個指標建立修復技術篩選指標體系(A)。結合本場地特點，根據(jù)AHP比例標度表來建立A-B判斷矩陣，如表3所示。

表2 常用修復技術的指標

表3 A-B判斷矩陣

AHP的計算步驟[25]為：

1)對A-B判斷矩陣的每一列元素進行歸一化處理。

式中：b為元素和元素的重要性之比；是b的歸一化結果；為元素個數(shù)。

2)將每一列經(jīng)歸一化處理后的判斷矩陣按行相加。

式中：b為第列歸一化后結果之和。

3)對向量＝(1，2，，)歸一化處理，得到判斷矩陣的屬性權重向量。

式中：ω為b的歸一化結果。本研究中求得=(1，2，…，ω)= (0.125，0.278，0.059，0.113，0.425)。

4)通過判斷矩陣及其權重向量計算最大特征根。

式中：max為權重向量最大特征根；為A-B判斷矩陣；()為第個特征根。本研究中求得max=5.089。

5)對構造的判斷矩陣進行一致性檢驗，判斷其是否為一致矩陣。

式中：CI為矩陣一致性指標。

通過查表得到相應的平均一致性指標RI，當=5時，RI=1.12。利用CI和RI的比值CR來判斷矩陣的一致性比例。

當CR<0.1時，說明該判斷矩陣的一致性可以接受。經(jīng)計算判斷矩陣A-B的CR值為0.019 8<0.1，認為該矩陣的一致性可以接受。

將各技術指標根據(jù)其優(yōu)越性分別劃分為5個等級，并分別賦予1 ～ 5分，優(yōu)越性判斷等級劃分見表4，并根據(jù)表2的信息建立修復技術評價集，構建評價矩陣(表5)。

根據(jù)修復技術評價矩陣，得到上述6個修復技術的評價集：化學氧化技術評價集1=(4，4，4，3，3)；微生物技術評價集2=(3，1，4，2，5)；常溫解吸技術評價集3=(5，5，5，5，4)；異位熱脫附技術評價集4=(5，4，3，5，4)；垃圾填埋場覆土利用技術評價集5=(5，5，5，4，4)；水泥窯協(xié)同處置技術評價集6=(4，4，4，4，3)。

計算評價結果：D1=1×=3.463；D2=2×=3.239；D3=3×=4.575；D4=4×=4.179；D5=5×=4.463；D6=6×=3.575。由評價結果可知，6個修復技術的排序為D3>D5>D4>D6>D1>D2。對于該場地，認為評價結果大于3.5的修復技術為有效修復技術，所以適用于本場地的污染土壤修復技術有常溫解吸、異位熱脫附、填埋場覆土利用和水泥窯協(xié)同處置。

表4 優(yōu)越性判斷等級劃分

表5 修復技術評價矩陣

3 場地修復

該地塊紅線范圍內(nèi)污染土方量巨大，施工工期較短，污染物種類繁多，采用單一的修復方法無法滿足，故選擇聯(lián)合修復技術，不同的修復技術可處置不同特征的污染物，不同濃度的同種類污染物采用的修復技術可能也不相同。根據(jù)表2中修復技術的適用性，輕度污染土壤運往填埋場用作覆蓋用土；常溫解吸技術處理含有VOCs的污染土；熱脫附技術修復中等濃度的污染土壤；水泥窯協(xié)同處置技術修復高濃度污染土壤以及石油烴超標土壤。

3.1 修復前試驗

考慮到常溫解吸技術成本較低且場地待修復面積較大，因此優(yōu)先采用常溫解吸技術進行修復，修復前進行了修復前試驗，來探究該技術對現(xiàn)有污染物的修復效果。常溫解吸技術適用于VOCs的修復，分別取含有一定濃度萘、氯仿、四氯化碳、1,2,3-三氯丙烷、1,2-二溴-3-氯丙烷5種VOCs的污染土樣品，對其采用常溫解吸修復工藝，然后取修復后土樣采用標準[16]推薦的檢測方法進行實驗室檢測，各污染物修復前后濃度對比如圖1所示。

由試驗結果可知，對于含有萘的污染土壤，采用常溫解吸技術修復效果不佳。因此，應根據(jù)萘的不同濃度采用填埋場資源化用土、異位熱脫附或水泥窯協(xié)同處置對含有萘的污染土壤進行處理處置。

3.2 污染土修復

根據(jù)土壤的污染類型、可揮發(fā)性與修復難易程度，在修復之前對待修復的污染土壤按照有關污染物標準[16]進行了精細化劃分(表6)，以滿足不同修復技術對污染物種類和污染濃度的要求。

修復前對基坑進行清挖，對建筑垃圾進行篩分，根據(jù)污染土種類以及表2中各修復方法的適用性，并考慮污染土中萘的含量，選用相應的技術處理，總的修復技術路線如圖2所示。其中常溫解吸和熱脫附后的土壤經(jīng)實驗室檢測合格后可以進行再利用，具體工藝如圖3所示。

常溫解吸技術施工難度低、經(jīng)濟性好，適合處理大面積污染土；熱脫附作為一種非燃燒技術，對環(huán)境影響較小、污染物處理范圍寬、修復更徹底；水泥窯協(xié)同處置是水泥工業(yè)提出的一種新的廢棄物處置手段，它能夠在進行水泥熟料生產(chǎn)的同時實現(xiàn)對固體廢物的無害化處置過程，并能夠分解高濃度的污染物，三者結合并以低成本、高效率的填埋場覆土利用為輔助，優(yōu)勢互補，組成一種新的聯(lián)合修復模式。

圖1 VOCs修復前后濃度

表6 污染土分類

圖2 修復技術路線圖

圖3 熱脫附和常溫解吸技術工藝

4 修復效果評估

4.1 布點與采樣

根據(jù)HJ 25.5—2018《污染地塊風險管控與土壤修復效果評估技術導則(試行)》[26]中的要求進行基坑以及修復后土壤的布點。該地塊共布設基坑坑底采樣點46個，側壁采樣點68個。共采集153個樣品，其中平行樣15個；共采集修復后土壤29個樣品，包含平行樣5個。

4.2 實驗分析與結果

采用標準[16]推薦的分析方法，對14種污染物進行檢測。檢測結果顯示，有3個基坑點位的樣品存在超標現(xiàn)象，超標污染物為苯并[a]芘，其余基坑點位以及修復后土壤的檢測結果均合格。需要對以上超標采樣點位所代表的基坑底部和側壁繼續(xù)擴挖，擴挖后再取該點位樣品進行第二次檢測，第二次檢測結果均合格，3個點位擴挖前后檢測結果如表7所示。

表7 擴挖前后污染物濃度(mg/kg)

注：“ND”表示未檢出該污染物。

圖4 各污染物修復前后濃度

綜合兩次數(shù)據(jù)分析結果，本地塊基坑清挖效果達到標準。進行常溫解吸和熱脫附后的土壤樣品中各污染物最大檢出值均低于修復目標值，符合修復治理要求，無需繼續(xù)修復。各污染物修復效果如圖4所示。修復后的土壤可以進行再次利用，一定程度上控制了土壤資源流失。

4.3 二次污染評估

對環(huán)境的友好性也是評價修復技術好壞的一種尺度，修復方案的效果不僅取決于對污染物的去除程度，也取決于是否對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。本工程采取了一系列二次污染防治措施，其中最為突出的是對廢氣的監(jiān)測和處理。根據(jù)監(jiān)測范圍大小、污染物的空間分布特征、氣象因素綜合考慮確定廢氣監(jiān)測采樣點。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，與GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》[27]、GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》[28]以及GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》[29]中規(guī)定的排放標準進行比較，結果顯示所有檢測的排放項目濃度值均低于相應的排放標準，各檢測項目排放標準和最大檢出濃度對比如圖5所示。

結合以上試驗結果，在該聯(lián)合修復模式下，該地塊清挖效果達到目標要求，土壤異位修復效果達到目標要求，施工過程未對周圍環(huán)境造成不良影響。該模式工期短、效率高、經(jīng)濟性好，其修復效果良好且對環(huán)境影響較小，具有較好的推廣價值，能夠為其他類似污染場地修復提供案例支撐。事實證明，單一的修復方法都有各自的缺點，因此應綜合各種技術的優(yōu)點和長處，取長補短，采用聯(lián)合修復技術修復被有機物污染的土壤無疑是最有效的修復方式。而基于AHP的篩選方法可以有效應用于篩選有機污染土壤修復技術。

5 結論

1)基于AHP進行篩選，采用常溫解吸+填埋場覆土利用+異位熱脫附+水泥窯協(xié)同處置的聯(lián)合修復模式為該場地最佳模式，該模式工期短、效率高、經(jīng)濟性好，修復后的場地污染物濃度均低于控制標準且對環(huán)境影響較小，表明基于AHP的篩選方法可以應用于篩選有機污染土壤修復技術，具有較好的推廣價值，能夠為其他類似污染場地修復提供案例支撐。

(A. 常溫解吸和熱脫附尾氣；B. 水泥窯尾氣；C. 無組織廢氣；其中，苯并[a]芘、汞及其化合物的濃度單位為ng/m3)

2)對于有機物污染場地，有機污染物種類繁多，施工工期較短，采用單一的修復方法無法滿足，而聯(lián)合修復技術可充分利用不同方法技術之間的協(xié)同作用，因此選擇聯(lián)合修復技術是最有效的一種修復手段。

3)對于周圍存在居民小區(qū)、村落等敏感區(qū)域的場地，修復過程中產(chǎn)生的二次污染特別是廢氣、揚塵、噪聲等會對其造成很大影響，因此適合采用異位修復技術。

4)對于含有萘的污染土壤，采用常溫解吸的方式修復后的濃度為修復目標值的4倍以上，修復效果不佳。應根據(jù)萘的不同濃度采用填埋場資源化用土、異位熱脫附或水泥窯協(xié)同處置對污染土壤進行處理處置。

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Case Study of Combined Remediation Technology for Organic Contaminated Soils Based on AHP Screening

ZUO Wenjian1, HU Shunlei2*, DUAN Wei2, LIU Xiaofeng2, WU Min2, WANG Zhichao2

(1 China Railway Third Bureau Group Investment Co., Ltd., Taiyuan 030000, China; 2 College of Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

To investigate the screening approaches and remediation effects of combined remediation technology in organic contaminated sites, a relocation legacy site soil remediation project in Shanxi was used as a case study. In this paper, the commonly used physical, chemical and biological remediation technologies were screened by analytic hierarchy process (AHP). The new combined remediation model of “room temperature desorption + ectopic thermal desorption + landfill cover soil utilization + cement kiln co-processing” was finally determined. The repair effect of the combined remediation model and its impact on the environment were studied. The results show that AHP can be used for screening the best remediation solution for organic contaminated sites, and the combined remediation model has low cost, good effect and no impact on the surrounding. The combined remediation model is effective in treating contaminated soils at this type of site. The successful implementation of this remediation model provides a guideline for similar remediation projects and controls the loss of soil resources to a certain extent.

Organic contaminated soil; Screening approach; Analytic hierarchy process; Combined remediation technology; Remediation effect

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.020

左文建, 胡順磊, 段偉, 等. 基于AHP篩選的有機污染土聯(lián)合修復技術案例研究. 土壤, 2023, 55(2): 390–398.

住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術計劃項目(2019-K-135)和山西省自然科學基金項目(202103021223122)資助。

(hushunlei97@163.com)

左文建(1980—)，男，山西汾陽人，本科，高級工程師，主要從事節(jié)能環(huán)保研究。E-mail: 327791968@qq.com