基于SEFA方法的異位土壤修復(fù)環(huán)境足跡分析——以某鋼鐵廠為例

桑春暉,楊欣桐,李香蘭**,張紅振

基于SEFA方法的異位土壤修復(fù)環(huán)境足跡分析——以某鋼鐵廠為例

桑春暉1,楊欣桐2*,李香蘭1**,張紅振2

(1.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100875；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,土壤保護(hù)與景觀設(shè)計(jì)中心,北京 100012)

以安徽省合肥市某鋼鐵污染場(chǎng)地為例,采用SEFA工具計(jì)算和對(duì)比復(fù)合污染土壤異位組合修復(fù)方案的環(huán)境足跡.方案一:淋洗+化學(xué)氧化+水泥窯;方案二:穩(wěn)定化+化學(xué)氧化+熱脫附+異地填埋;方案三:生物降解+穩(wěn)定化.結(jié)果表明,3種修復(fù)方案環(huán)境足跡存在一定差異.當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注能源和空氣污染兩個(gè)綠色可持續(xù)修復(fù)核心要素時(shí),方案三環(huán)境足跡最小,能源消耗總量21808萬MJ,溫室氣體(GHG)排放總量1.73萬tCO2e;修復(fù)1m3有機(jī)污染土壤的環(huán)境足跡整體表現(xiàn)為化學(xué)氧化<生物降解<異位熱脫附, 化學(xué)氧化、生物降解和異位熱脫附三種修復(fù)技術(shù)的溫室氣體排放強(qiáng)度分別為0.05、0.09和0.17tCO2e/m3,能源消耗量分別為949.55,1677.54,3049.11MJ/m3.修復(fù)1m3重金屬污染土壤時(shí),異地填埋技術(shù)的環(huán)境足跡最小,能源消耗和溫室氣體排放最低;穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)在空氣污染物排放方面環(huán)境足跡最小.

土壤修復(fù)；化學(xué)氧化；生物降解；環(huán)境足跡分析

“雙碳”目標(biāo)下,我國(guó)土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存[1],修復(fù)過程產(chǎn)生的環(huán)境影響愈發(fā)受到關(guān)注[2].鋼鐵行業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),工業(yè)區(qū)及周邊土壤普遍存在重金屬、多環(huán)芳烴等污染問題[3].在“退城搬遷”“淘汰落后產(chǎn)能”等政策指導(dǎo)下,鋼鐵冶煉企業(yè)搬遷導(dǎo)致大量污染地塊需要進(jìn)行土壤修復(fù).傳統(tǒng)污染場(chǎng)地修復(fù)理念通常以污染物清除效果為核心,導(dǎo)致大量能源和材料的消耗以及廢棄物的排放,由此產(chǎn)生的環(huán)境影響可能高于污染本身[4].為降低修復(fù)活動(dòng)的環(huán)境影響,可持續(xù)修復(fù)、綠色修復(fù)等概念相繼提出. 美國(guó)環(huán)境署一直倡導(dǎo)“綠色修復(fù)”,通過全面考慮修復(fù)活動(dòng)的環(huán)境影響,使其得到最大化的凈環(huán)境效益[5].歐洲國(guó)家更多提倡“可持續(xù)修復(fù)”[6],該理念以風(fēng)險(xiǎn)管理為核心,旨在全面優(yōu)化修復(fù)過程產(chǎn)生的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響[7].與綠色修復(fù)相比,可持續(xù)修復(fù)將社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響納入權(quán)衡范疇.為更好地將綠色修復(fù)與可持續(xù)修復(fù)理念相結(jié)合,2011年美國(guó)政府技術(shù)與政策聯(lián)合委員會(huì)(ITRC)提出了綠色可持續(xù)修復(fù)(GSR)的概念,并將其定義為針對(duì)特定污染場(chǎng)地,采用特定的產(chǎn)品、技術(shù)和流程,減輕受體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),平衡社區(qū)情況、經(jīng)濟(jì)影響和環(huán)境效應(yīng)[4].

污染場(chǎng)地修復(fù)活動(dòng)的綠色可持續(xù)性暫時(shí)沒有統(tǒng)一的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但可通過相對(duì)性比較確定更加“綠色可持續(xù)”的修復(fù)方案[7].綠色可持續(xù)評(píng)估方法通常構(gòu)建涵蓋不同社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的指標(biāo)體系,從而形成輔助決策工具,如常用的多標(biāo)準(zhǔn)分析評(píng)價(jià)(MCA)[8]、生命周期評(píng)價(jià)(LCA)[9]、環(huán)境足跡分析(EFA)[2]等方法.MCA法計(jì)算簡(jiǎn)便,但需人為對(duì)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重賦值,評(píng)價(jià)結(jié)果主觀性較大.LCA被認(rèn)為是最全面的修復(fù)活動(dòng)環(huán)境影響評(píng)估方法[10],但LCA所需數(shù)據(jù)量大,污染場(chǎng)地普遍具有較強(qiáng)的特異性,數(shù)據(jù)獲取難度高,模糊數(shù)據(jù)的使用將增加結(jié)果的不確定性[2].與LCA相比,EFA更簡(jiǎn)明[11],可以量化修復(fù)項(xiàng)目的環(huán)境足跡減少值,突出足跡的主要方面,因此可以調(diào)整修復(fù)方法來減少其對(duì)足跡的貢獻(xiàn),但EFA為簡(jiǎn)化足跡分析的過程,限制了指標(biāo)的數(shù)量[12].Yasutaka等[13]開發(fā)了一套評(píng)估修復(fù)活動(dòng)環(huán)境影響的軟件包,針對(duì)所評(píng)估的修復(fù)活動(dòng),可輸出包含130項(xiàng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值清單,清單數(shù)據(jù)可進(jìn)一步整合為4大評(píng)估項(xiàng)(人類健康、社會(huì)資產(chǎn)、生物多樣性和初級(jí)生產(chǎn)指數(shù)),并最終生成1個(gè)綜合指數(shù)代表所評(píng)估的修復(fù)活動(dòng)的綜合環(huán)境影響.該工具可同時(shí)滿足重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)和綜合指標(biāo)的評(píng)估要求,有助于綠色修復(fù)技術(shù)篩選的科學(xué)決策.

2012年4月,U.S.EPA推出環(huán)境足跡分析電子表格(Spreadsheets for Environmental Footprint Analysis, SEFA),該工具基于ITRC建立的GSR框架,涵蓋能源、空氣、水資源、材料和廢物、以及土地和生態(tài)系統(tǒng)等5項(xiàng)GSR核心要素,旨在量化修復(fù)活動(dòng)產(chǎn)生的能源消耗和碳足跡[14].SEFA工具在GSR評(píng)估活動(dòng)中應(yīng)用廣泛[2,12,14].SEFA針對(duì)修復(fù)活動(dòng)對(duì)土地和生態(tài)系統(tǒng)的影響僅包含定性描述,可額外開展田間試驗(yàn)、多準(zhǔn)則決策分析等活動(dòng)作為評(píng)估結(jié)果的補(bǔ)充[14-15].修復(fù)活動(dòng)對(duì)土地與生態(tài)系統(tǒng)的影響并非SEFA分析的必要環(huán)節(jié),已有研究多基于能源、空氣、水資源、材料和廢物4項(xiàng)要素進(jìn)行修復(fù)活動(dòng)環(huán)境足跡的量化及比較[12].

本文以安徽省合肥市某鋼鐵廠為例,采用SEFA工具計(jì)算化學(xué)氧化、熱脫附、生物降解、淋洗、穩(wěn)定化、水泥窯協(xié)同處置和異地填埋等常用修復(fù)技術(shù)組成的3種修復(fù)方案的環(huán)境足跡,以期為鋼鐵行業(yè)污染地塊綠色可持續(xù)修復(fù)技術(shù)的選擇提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 場(chǎng)地污染概況

選取安徽省合肥市某鋼鐵冶煉企業(yè)中部片區(qū)A地塊(根據(jù)地塊用地規(guī)劃和開發(fā)時(shí)序劃分),占地面積637km2.含原焦化、燒結(jié)、煉鐵車間及污水處理區(qū),已關(guān)閉拆除現(xiàn)為荒地.地塊所在地層自上而下可概化為人工填土層、粉質(zhì)粘土層、粉砂層和風(fēng)化泥巖.該區(qū)域土壤平均容重1.62kg/dm3,平均含水率23.6%.淺層滯水分布于雜填土中,穩(wěn)定水位埋深0.80～1.90m,受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給.未來規(guī)劃為GB 36600二類用地.

表1 污染土壤類型和方量

調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明,土壤中目標(biāo)污染物包括重金屬鉛和鎘、苯系物、多環(huán)芳烴和石油烴類,最大修復(fù)深度7.5m.修復(fù)土壤共計(jì)164459m3,包含有機(jī)污染土64375m3,重金屬污染土64255m3,復(fù)合污染土35829m3(表1).將污染物含量超出修復(fù)目標(biāo)值2倍以上的土壤定義為重度污染.地下水中關(guān)注污染物對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)均處于可接受水平.

1.2 備選修復(fù)方案

鋼鐵冶煉行業(yè)污染地塊多受重金屬和有機(jī)物復(fù)合污染,通常將多種修復(fù)技術(shù)聯(lián)用以實(shí)現(xiàn)污染土壤的徹底清潔.根據(jù)案例土壤污染情況,結(jié)合常用重金屬及有機(jī)物修復(fù)技術(shù)在本場(chǎng)地的適用性,提出以下3種備選修復(fù)方案組合.本研究未包含對(duì)不同修復(fù)技術(shù)有效性的定性評(píng)價(jià),假設(shè)每項(xiàng)技術(shù)均能實(shí)現(xiàn)修復(fù)目標(biāo).

方案一:淋洗+化學(xué)氧化+水泥窯.小試結(jié)果表明,淋洗技術(shù)可有效修復(fù)輕度重金屬污染土壤(HM1),并使重度重金屬污染土(HM2)減量40%.HM2淋洗減量后剩余污染土壤采用水泥窯協(xié)同處置.重金屬污染土壤分區(qū)清挖后,HM1與HM2分別清水淋洗.輕度有機(jī)污染土(O1)采用H2O2原地異位化學(xué)氧化,重度有機(jī)污染土(O2)采用水泥窯協(xié)同處置.

方案二:穩(wěn)定化+化學(xué)氧化+熱脫附+異地填埋.O1、HM1O1和HM2O1采用H2O2原地異位化學(xué)氧化,O2、HM1O2和HM2O2采用原地異位熱脫附.有機(jī)污染物修復(fù)達(dá)標(biāo)后,假設(shè)60%的含高濃度重金屬污染土壤(HM2、HM2O1和HM2O2)屬于II類一般工業(yè)固廢,采用5%生石灰穩(wěn)定化處理后,與I類重金屬污染土壤一起轉(zhuǎn)運(yùn)至I類固廢填埋場(chǎng)填埋.

方案三:生物降解+穩(wěn)定化.全部含有機(jī)污染土壤采用生物降解修復(fù)后,含重金屬污染土壤穩(wěn)定化處理至浸出濃度低于所在區(qū)域地下水IV類標(biāo)準(zhǔn)后回填.

1.3 系統(tǒng)邊界確定

本案例環(huán)境足跡核算邊界包括164459m3污染土壤,從清挖至修復(fù)后完成最終處置(回填或異地填埋)的各環(huán)節(jié),包括修復(fù)過程中燃油及電力機(jī)械設(shè)備的使用、材料的運(yùn)輸和使用、能源消耗、水資源消耗、廢水及固廢處置等.不包括前期準(zhǔn)備、后續(xù)效果評(píng)估及施工過程環(huán)境監(jiān)測(cè)等管理環(huán)節(jié).

1.4 工具及數(shù)據(jù)清單

采用SEFA工具分別計(jì)算3種修復(fù)方案的環(huán)境足跡,所用數(shù)據(jù)清單基于調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中明確的修復(fù)工程量,結(jié)合已有工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和場(chǎng)地所在地方實(shí)際.SEFA數(shù)據(jù)輸入過程中,根據(jù)3種修復(fù)方案實(shí)際包含的施工環(huán)節(jié)分別進(jìn)行組合錄入.機(jī)械設(shè)備的燃料、電力或天然氣消耗主要根據(jù)設(shè)備的功率和作業(yè)時(shí)間概算;材料用量、用水量、廢水和固廢處置量根據(jù)實(shí)際情況概算;運(yùn)輸環(huán)節(jié)的燃料消耗主要根據(jù)運(yùn)輸量、運(yùn)輸距離和車輛能耗概算.主要能源和材料的足跡轉(zhuǎn)換系數(shù)采用SEFA默認(rèn)數(shù)值.

2 結(jié)果分析

2.1 修復(fù)方案環(huán)境足跡

SEFA(U.S.EPA, Version 3.0)工具輸出結(jié)果包括材料消耗量、固廢產(chǎn)生量、用水量、能源消耗量和大氣排放量的具體數(shù)值.根據(jù)SEFA分析結(jié)果,針對(duì)本案例研究場(chǎng)地164459m3污染土壤,整理3種修復(fù)方案的環(huán)境足跡(表2).

溫室氣體(GHG)排放.三種修復(fù)方案均導(dǎo)致大量溫室氣體排放且存在一定差異.方案三GHG排放量最少,僅為1.73萬t二氧化碳當(dāng)量(tCO2e),方案一和方案二的GHG排放量分別是方案三的23.66倍和12.23倍.

能源消耗和耗水量.三種修復(fù)方案使用的能源類型包括熱脫附消耗的天然氣、設(shè)備運(yùn)行消耗的柴油或電力、運(yùn)輸過程消耗的燃油,用水主要來源于市政管網(wǎng).方案三的總能源消耗量為21808萬MJ,方案二和方案一的總能源消耗是方案三的11.17倍和15.93倍.方案二的用水量最少,僅為2.77萬t,方案三和方案一的用水量分別是方案二的5.66倍和3.58倍.

空氣污染物排放.NO、SO和PM(NSP)是主要的空氣污染物.方案三NSP排放總量為66.8t,方案一和方案二的NSP排放量是方案三的9.13倍和5.46倍.方案二具有最低的有害空氣污染物(HAPs)排放量(1.17t),方案一和方案三的HAPs排放量是方案二的12.78倍和1.04倍.

材料用量和廢物產(chǎn)量.方案一的材料消耗量總量最少(0.18萬t),方案三和方案二的材料消耗量是方案一的10.93倍和3.54倍.基于本案例假設(shè),方案三所采用的生物降解和穩(wěn)定化技術(shù)不產(chǎn)生固體廢物,方案一和方案二的固廢產(chǎn)生量分別為16.63萬t和20.05萬t.

表2 備選修復(fù)方案環(huán)境足跡分析結(jié)果

2.2 修復(fù)技術(shù)環(huán)境足跡

根據(jù)單個(gè)修復(fù)技術(shù)修復(fù)的土方總量,計(jì)算得出修復(fù)單方土(1m3)所產(chǎn)生的環(huán)境足跡(圖1).針對(duì)有機(jī)污染土壤所選修復(fù)技術(shù),化學(xué)氧化的環(huán)境足跡各項(xiàng)指標(biāo)值均低于異位熱脫附和生物降解,異位熱脫附的各項(xiàng)指標(biāo)均高于其他兩項(xiàng)技術(shù).針對(duì)化學(xué)氧化技術(shù),能源消耗量為949.55MJ/m3,分別占熱脫附和生物降解的31.14%和56.60%;GHG排放量為0.05tCO2e/m3,分別占熱脫附和生物降解的29.41%和55.56%;NOx、SOx和PM三種大氣污染物排放量為184.84g/m3,分別占熱脫附和生物降解的17.16%和33.27%;HAPs排放量為2.62g/m3,分別占熱脫附和生物降解的22.18%和22.84%.針對(duì)重金屬污染土壤所選修復(fù)技術(shù),異地填埋在能源消耗和溫室氣體排放2方面占優(yōu),其能源消耗量為432.57MJ/m3,分別占土壤淋洗和穩(wěn)定化的71.93%和85.42%;GHG排放量0.03tCO2e/m3,分別占土壤淋洗和穩(wěn)定化的75.00%和37.50%.土壤穩(wěn)定化在大氣污染物排放方面占優(yōu),NO、SO和PM三種大氣污染物排放量為116.11g/m3,分別占土壤淋洗和異地填埋的41.05%和17.89%;HAPs排放量0.75g/m3,分別占土壤淋洗和異地填埋的14.18%和47.17%.

本文選取材料用量、柴油及電力修復(fù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)2個(gè)關(guān)鍵參數(shù),采用參數(shù)變化率/GHG排放量變化率,計(jì)算不同修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生的GHG排放量對(duì)評(píng)估參數(shù)變化的敏感性.結(jié)果表明,材料用量是影響化學(xué)氧化和土壤穩(wěn)定化GHG排放量的關(guān)鍵參數(shù),敏感性分別為0.948和0.973(圖2),對(duì)于生物降解和土壤淋洗技術(shù),GHG排放量對(duì)材料用量和修復(fù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的敏感性在0.413～0.549,即材料用量和修復(fù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)兩種修復(fù)技術(shù)GHG排放量的影響幾乎同樣重要.異位熱脫附GHG排放量對(duì)材料用量的敏感性為0.34,對(duì)修復(fù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的敏感性為0.089,其余貢獻(xiàn)應(yīng)來自于尾氣處理環(huán)節(jié)燃?xì)獾南?異地填埋技術(shù)GHG排放量不受材料用量的影響,對(duì)修復(fù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的敏感性僅為0.015,其影響應(yīng)主要來自于下游固廢處置等其他環(huán)節(jié).

圖2 GHG排放量對(duì)評(píng)估參數(shù)變化的敏感性

2.3 確定最優(yōu)修復(fù)方案

案例中三種組合修復(fù)方案環(huán)境足跡存在一定差異,在能源消耗總量、廢棄物產(chǎn)生量、GHG排放總量、大氣污染物排放量等方面,三種方案表現(xiàn)為方案三<方案一<方案二,但方案三具有最高的材料消耗量、用電量和用水量.針對(duì)本案例場(chǎng)地,周邊1km內(nèi)存在居民區(qū)、學(xué)校等敏感目標(biāo),空氣質(zhì)量的環(huán)境敏感性較高.結(jié)合我國(guó)當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)的重要性和緊迫性[1],選擇能源和空氣兩個(gè)GSR核心要素相關(guān)指標(biāo)作為重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng),方案三能源消耗和空氣排放最少.此外,方案一中土壤淋洗技術(shù)會(huì)降低土壤中養(yǎng)分的可用性[16],方案一中水泥窯和方案二中的熱脫附可能導(dǎo)致生態(tài)土壤功能的完全損失[17],而方案三所包含的生物降解技術(shù),修復(fù)后土壤保留更多的生態(tài)土壤功能[14].出于以上考慮,結(jié)合SEFA環(huán)境足跡分析結(jié)果,認(rèn)為方案三是更加綠色可行的修復(fù)方案.

化學(xué)氧化和異地填埋分別是能源消耗和溫室氣體排放量最小的有機(jī)和重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù),但針對(duì)本案例場(chǎng)地,單純采用化學(xué)氧化不能實(shí)現(xiàn)重度有機(jī)污染土壤的徹底修復(fù),可見應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行修復(fù)技術(shù)的可行性評(píng)估,在確定修復(fù)技術(shù)可行的前提下提出備選修復(fù)方案,再基于環(huán)境足跡計(jì)算結(jié)果確定更加綠色可持續(xù)的方案.

3 討論

3.1 修復(fù)有機(jī)污染土壤的環(huán)境足跡

將環(huán)境足跡來源劃分為三個(gè)層次,層次1為場(chǎng)內(nèi)修復(fù)活動(dòng)的直接排放,層次2為外購(gòu)電力產(chǎn)生的可控間接排放,層次3為上下游產(chǎn)品及廢棄物生產(chǎn)、處置及運(yùn)輸產(chǎn)生的不可控間接排放[18-19].

有機(jī)污染土壤修復(fù),化學(xué)氧化環(huán)境足跡來源主要為層次3不可控間接排放,少量來源于層次1場(chǎng)內(nèi)直接排放,由層次3和層次1產(chǎn)生的4項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)占比分別為91.07%～99.98%和0.02%～8.93%(圖3A).異位熱脫附環(huán)境足跡來源主要為層次3不可控間接排放,由層次3產(chǎn)生的4項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)占比在50.26%～82.94%(圖3B).生物降解環(huán)境足跡來源主要為層次2可控間接排放和層次3不可控間接排放,由層次3、層次2和層次1產(chǎn)生的4項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)占比分別為11.02%～70.94%、16.67%～88.97%和0.01%～12.38%(圖3C).

修復(fù)單方有機(jī)污染土壤,三種備選修復(fù)技術(shù)的環(huán)境足跡整體表現(xiàn)為異位熱脫附>生物降解>化學(xué)氧化.案例中異位熱脫附全過程GHG排放量約為0.17tCO2e/m3,孟祥帥等[15]計(jì)算某焦化廠土壤異位熱脫附GHG排放量約為0.68tCO2e/m3,劉爽等[20]采用5個(gè)華東區(qū)域土壤異位熱脫附工程案例,計(jì)算得出熱脫附技術(shù)平均GHG排放量為0.21tCO2e.一方面,修復(fù)技術(shù)的環(huán)境足跡具有一定的場(chǎng)地特異性[21].另一方面,本文結(jié)果表明,場(chǎng)內(nèi)活動(dòng)的直接排放和上、下游產(chǎn)品及廢棄物的生產(chǎn)和處置是異位熱脫附主要的GHG排放源.本文SEFA輸入數(shù)據(jù)為基于已有類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和一般假設(shè)的理論均值,而實(shí)際工程運(yùn)行過程中,熱脫附尾氣處理所用的天然氣、NaOH和活性炭等能源和材料的消耗量將根據(jù)土壤中污染物含量變化情況及時(shí)調(diào)整,且土壤清挖和修復(fù)后回填產(chǎn)生的場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)距離也對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響,由此可能導(dǎo)致不同研究結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)內(nèi),但存在一定差異.

相對(duì)于生物降解,化學(xué)氧化的環(huán)境足跡更小.化學(xué)氧化能源消耗量為949.55MJ/m3(474.78MJ/t;按本案例場(chǎng)地土壤平均容重1.62kg/dm3,平均含水率23.6%計(jì),每方土約2.00t),低于生物降解能源消耗1677.54MJ/m3(838.77MJ/t);化學(xué)氧化GHG排放量為0.05tCO2e/m3(0.03tCO2e/t),低于生物降解GHG排放量0.09tCO2e/m3(0.05tCO2e/t);此外,生物降解電力消耗量為137.16MJ/m3(68.58MJ/t),化學(xué)氧化幾乎不產(chǎn)生電力消耗.已有研究多認(rèn)為生物降解具有更小的環(huán)境足跡,是更加綠色的修復(fù)技術(shù)[14,22],與本文的結(jié)論存在一定差異.這可能與本文假設(shè)的修復(fù)技術(shù)工藝流程有關(guān),本文假設(shè)化學(xué)氧化僅通過1次翻動(dòng)攪拌實(shí)現(xiàn)土壤與藥劑混合后,靜置養(yǎng)護(hù)直至反應(yīng)完全.生物降解在土壤與有機(jī)質(zhì)混合均勻后,每7天翻動(dòng)一次,并且需每日通風(fēng),由此產(chǎn)生的電力和能源消耗可能導(dǎo)致更高的環(huán)境足跡.Huang等[14]的研究結(jié)果表明,化學(xué)氧化不需要電力消耗,生物降解的電力消耗量在52.75MJ/t,與本文結(jié)論相近;但化學(xué)氧化的能量消耗量40577.45MJ/t,GHG排放量2.37tCO2e/t,生物降解的能源消耗3924.81MJ/t,GHG排放量0.31tCO2e/t,均遠(yuǎn)超出本文結(jié)果,可能由于其輸入的設(shè)備使用時(shí)長(zhǎng)、化學(xué)氧化或生物修復(fù)外源添加比均遠(yuǎn)超出本案例場(chǎng)地.由此可見,環(huán)境足跡的計(jì)算應(yīng)與實(shí)際修復(fù)工程相結(jié)合,能為修復(fù)技術(shù)的環(huán)境影響評(píng)估提供更好地支撐[2].修復(fù)單位方量(或單位質(zhì)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,可引入新的指標(biāo),如能源效率(去除單位質(zhì)量污染物能源消耗量)或溫室氣體排放強(qiáng)度(去除單位質(zhì)量污染物GHG排放量)等[23]以更好地評(píng)估不同場(chǎng)地條件下修復(fù)技術(shù)的環(huán)境影響.

圖3 有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)環(huán)境足跡來源分析

A:化學(xué)氧化, B:異位熱脫附, C:生物降解;(a) 能源消耗, (b) 溫室氣體排放, (c) NO、SO和PM三種大氣污染物排放, (d) HAPs排放

3.2 修復(fù)重金屬污染土壤的環(huán)境足跡

重金屬污染土壤修復(fù),土壤淋洗環(huán)境足跡來源主要為層次2可控間接排放和層次3不可控間接排放,由層次3、層次2和層次1產(chǎn)生的4項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)占比分別為13.02%～65.01%、20.80%～51.95%和4.56%～14.18%(圖4A).土壤穩(wěn)定化環(huán)境足跡來源主要為層次3不可控間接排放,少量來源于層次1場(chǎng)內(nèi)直接排放,由層次3和層次1產(chǎn)生的4項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)占比分別為87.60%～99.94%和0.06%～12.40% (圖4B).土壤異位填埋環(huán)境足跡來源主要為層次3不可控間接排放,由層次3產(chǎn)生的4項(xiàng)環(huán)境足跡指標(biāo)占比為98.70%～99.99%(圖4C).

圖4 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)環(huán)境足跡來源分析

A——土壤淋洗;B——土壤穩(wěn)定化;C——異地填埋

(a) 能源消耗;(b) 溫室氣體排放;(c) NO、SO和PM三種大氣污染物排放;(d) HAPs排放

針對(duì)重金屬污染土壤三種備選修復(fù)技術(shù),結(jié)果表明能源消耗和溫室氣體排放2方面異地填埋技術(shù)環(huán)境足跡最小.在大氣污染物排放方面,土壤穩(wěn)定化技術(shù)環(huán)境足跡最小.土壤淋洗的各項(xiàng)環(huán)境足跡主要來源于外購(gòu)電力的使用,以及上游產(chǎn)品生產(chǎn)及下游廢棄物處置.土壤淋洗電力消耗主要由一體化淋洗機(jī)產(chǎn)生,安徽省電網(wǎng)電力結(jié)構(gòu)中火電占比較高(89.12%)[24].有研究表明在修復(fù)活動(dòng)中大量使用可再生能源能夠使碳排放、大氣污染物排放等環(huán)境足跡大幅減少68%[12],針對(duì)本場(chǎng)地或可通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減排.此外,土壤淋洗過程所消耗的上游產(chǎn)品主要是淋洗液水處理藥劑,下游廢棄物主要是脫水污泥,若根據(jù)出水中重金屬濃度變化情況,優(yōu)化調(diào)整水處理藥劑投加量,或采用更加綠色的替代藥劑可有效減輕土壤淋洗環(huán)境足跡.

穩(wěn)定化修復(fù)大氣污染物排放量在三種修復(fù)技術(shù)中最低,且能源消耗量為中間水平,是環(huán)境影響較小的可選修復(fù)技術(shù).但其GHG排放量為0.08tCO2e/ m3,在三種修復(fù)技術(shù)中最高.穩(wěn)定化修復(fù)過程環(huán)境足跡主要來源于穩(wěn)定化藥劑生石灰的使用,可通過污染土壤充分篩分、破碎等預(yù)處理手段,或增加土壤翻拌頻率,從而提高生石灰和污染土壤接觸面積,提高材料利用率,減少使用量,進(jìn)而減少修復(fù)過程中環(huán)境足跡[20].異位填埋過程主要涉及場(chǎng)內(nèi)土壤開挖、污染土場(chǎng)外轉(zhuǎn)運(yùn)和填埋過程.異位填埋的環(huán)境足跡主要由填埋活動(dòng)本身產(chǎn)生,采用SEFA自帶數(shù)據(jù)庫中的“場(chǎng)外非危廢填埋”足跡轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算.與其他修復(fù)技術(shù)相比,只有異位填埋具有較高的場(chǎng)外運(yùn)輸占比.有研究表明,短距離運(yùn)輸環(huán)境足跡較小,場(chǎng)外運(yùn)輸對(duì)環(huán)境足跡的貢獻(xiàn)率隨運(yùn)輸距離增加而增大[20].本文設(shè)計(jì)的異地填埋場(chǎng)運(yùn)輸距離為25km,而其余修復(fù)技術(shù)所用的材料運(yùn)輸設(shè)計(jì)距離是15km,且材料總運(yùn)輸量遠(yuǎn)小于外運(yùn)土壤.

4 結(jié)語

SEFA數(shù)據(jù)輸出包含4項(xiàng)核心要素、20余項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的具體數(shù)值,但未進(jìn)行指標(biāo)的綜合分析,輸出結(jié)果不包含對(duì)土地和生態(tài)系統(tǒng)影響的定量分析.針對(duì)鋼鐵冶煉重金屬及有機(jī)物復(fù)合污染場(chǎng)地,SEFA數(shù)據(jù)輸出結(jié)果表明,當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注能源和空氣兩個(gè)GSR核心要素相關(guān)指標(biāo)時(shí),生物降解和穩(wěn)定化組合修復(fù)方案具有更小的環(huán)境足跡.對(duì)于有機(jī)污染土壤,修復(fù)1m3污染土壤的環(huán)境足跡整體表現(xiàn)為化學(xué)氧化<生物降解<異位熱脫附;對(duì)于重金屬污染土壤,修復(fù)1m3污染土壤時(shí),異地填埋技術(shù)在能源消耗和溫室氣體排放2方面環(huán)境足跡最小,土壤穩(wěn)定化技術(shù)處理在大氣污染物排放方面環(huán)境足跡最小.本文所選修復(fù)技術(shù)如化學(xué)氧化、熱脫附、穩(wěn)定化等,其環(huán)境足跡多主要來源于外購(gòu)藥劑和材料的使用,可根據(jù)污染物濃度變化情況,動(dòng)態(tài)調(diào)整外源藥劑投加量,或采用更加綠色的替代藥劑可有效減輕土壤修復(fù)過程環(huán)境足跡.

在進(jìn)行不同修復(fù)技術(shù)(或方案)間的環(huán)境足跡比較時(shí),如果某項(xiàng)修復(fù)技術(shù)的各項(xiàng)環(huán)境足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)均顯著優(yōu)于其他,則可認(rèn)為該技術(shù)為基于環(huán)境影響的最優(yōu)選擇.但當(dāng)不同指標(biāo)間的評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大時(shí),可進(jìn)一步結(jié)合社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素,或?qū)EFA工具與指標(biāo)權(quán)重賦值法等結(jié)合,采用綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更好地指導(dǎo)最優(yōu)技術(shù)的篩選.如孟祥帥等[15]構(gòu)建了包含GHG排放、大氣污染物排放、土壤及生態(tài)環(huán)境影響等20指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系,擬基于環(huán)境影響進(jìn)行原位及異位熱脫附技術(shù)的比選.評(píng)價(jià)結(jié)果雖表明異位熱脫附在污染物減排、GHG排放和有組織大氣污染物排放量等方面均優(yōu)于原位,但原位熱脫附具有更低的無組織大氣污染物排放量,考慮到場(chǎng)地周邊敏感目標(biāo)較多,最終篩選原位熱脫附為最佳修復(fù)技術(shù).此外,當(dāng)指標(biāo)對(duì)環(huán)境足跡的影響程度存在顯著差異時(shí),也可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行指標(biāo)的重要程度差異識(shí)別,如采用熵權(quán)模型對(duì)不同指標(biāo)權(quán)重賦值,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)SEFA環(huán)境足跡數(shù)據(jù)分析結(jié)果,將主觀的指標(biāo)權(quán)重與客觀的輸出數(shù)據(jù)相結(jié)合,更好地實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)修復(fù)技術(shù)的篩選.

[1] 薛成杰,方戰(zhàn)強(qiáng).土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰碳中和路徑研究 [J]. 環(huán)境工程, 2022,40(8):231-238. Xue C J, Fang Z Q. Path of carbon emission peaking and carbon neutrality in soil remediation industry [J]. Environmental Engineering, 2022,40(8):231-238.

[2] 劉文曉,夏天翔,張麗娜,等.基于修復(fù)效果的污染土壤修復(fù)工程環(huán)境足跡分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2022,35(10):2367-2377. Liu W X, Xia T X, Zhang L N, et al. Environmental footprint analysis of contaminated soil remediation projects based on remediation effects [J]. Research of Environmental Sciences, 2022,35(10):2367-2377.

[3] 沈妹娜.鋼鐵冶金行業(yè)節(jié)能與環(huán)保分析 [J]. 資源節(jié)約與環(huán)保, 2015(12):12.DOI:10.16317/j.cnki.12-1377/x.2015.12.011. Shen M N. Analysis of energy saving and environmental protection in iron and steel metallurgy industry [J]. Resources Economization & Environmental Protection, 2015(12):12.DOI:10.16317/j.cnki.12- 1377/x.2015.12.011.

[4] ITRC. Green and sustainable remediation: State of the science and practice. USA, 2011.

[5] Mueller D. Green remediation [J]. The Magazine for Environmental Managers, 2009,(10):54-55.

[6] 侯德義,李廣賀.污染土壤綠色可持續(xù)修復(fù)的內(nèi)涵與發(fā)展方向分析 [J]. 環(huán)境保護(hù), 2016,44(20):16-19. Hou D Y, Li G H. Green and sustainable remediation of contaminated soil in China: Core elements and development direction [J]. Environmental Protection, 2016,44(20):16-19.

[7] Smith N W J. Debunking myths about sustainable remediation [J]. Remediation Journal, 2019,29(2).

[8] 李青青,羅啟仕,鄭 偉,等.土壤修復(fù)技術(shù)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)——以原位穩(wěn)定/固化技術(shù)和異位填埋技術(shù)為例 [J]. 土壤, 2009,41(2):308- 314. Li Q Q, Luo Q S, Zheng W, et al. Assessment of technical sustainability of soil remediation——A case study of in situ solidification/stabilization and off site landfill [J]. Soils, 2009, 41(2):308-314.

[9] 楊宗帥,魏昌龍,宋 昕,等.生命周期評(píng)價(jià)研究及其在我國(guó)土壤修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展 [J/OL]. 土壤通報(bào), 1-12[2023-02-26].DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2022040808. Yang Z S, Wei C L, Song X, et al. Development of Life Cycle Assessment and Its Applications in Soil Remediation in China [J/OL]. Chinese Journal of Soil Science, 1-12[2023-02-26].DOI:10.19336/ j.cnki.trtb.2022040808.

[10] Morais A S, Delerue-Matos C. A perspective on LCA application in site remediation services: Critical review of challenges [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,175(1).

[11] Favara P J, Krieger T M, Boughton B, et al. Guidance for performing footprint analyses and life-cycle assessments for the remediation industry [J]. Remediation Journal, 2011,21(3):39-79.

[12] Ali A M K, Zakria Q, Muhammad A, et al. Environmental footprint assessment of a cleanup at hypothetical contaminated site [J]. Applied Sciences, 2021,11(11):4907.doi.org/10.3390/app11114907.

[13] Yasutaka T, Zhang H, Murayama K, et al. Development of a green remediation tool in Japan [J]. Science of the Total Environment, 2016,doi:10.1016/j.scitotenv.2016.01.018.

[14] Huang W, Hung W, Vu T C, et al. Green and sustainable remediation (GSR) evaluation: framework, standards, and tool. A case study in Taiwan [J]. Environmental science and pollution research international, 2016,23(21):21712-21725.

[15] 孟祥帥,陳鴻漢,何亞平,等.污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)方案篩選中環(huán)境指標(biāo)建立初探:以某廢棄焦化廠為例 [J]. 環(huán)境工程, 2021,39(2):153-159. Meng X S, Chen H H, He Y P, et al. Establishment of the environmental indexes in selection of remediation schemes: A case study of an abandoned coking site [J]. Environmental Engineering, 2021,39(2):153-159.

[16] Tomoyuki M, Takashi K, Hiroyuki T, et al. Remediation of cadmium-contaminated paddy soils by washing with calcium chloride: Verification of on-site washing [J]. Environmental pollution (Barking, Essex: 1987), 2007,147(1):112-119.

[17] Volchko Y, Norrman J, Rosén L, et al. Using soil function evaluation in multi-criteria decision analysis for sustainability appraisal of remediation alternatives [J]. Science of The Total Environment, 2014, (485/486):785-791.

[18] Divya P, Madhoolika A, Shanker J P. Carbon footprint: current methods of estimation [J]. Environmental monitoring and assessment, 2011,178(1-4).

[19] 黃 萍,廖祖文,張林鵬,等.高速公路服務(wù)區(qū)碳足跡分析——以江西省某高速公路服務(wù)區(qū)為例 [J]. 能源研究與管理, 2021,47(2):1-4,9. Huang P, Liao Z W, Zhang L P, et al. Carbon footprint analysis of highway service area——Take a highway service area in Jiangxi Province as an example [J]. Energy Research and Management, 2021, 47(2):1-4,9.

[20] 劉 爽,陳 盼,宋慧敏,等.我國(guó)華東地區(qū)污染土壤異位熱脫附修復(fù)碳排放及減排策略 [J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2022,16(8):2663-2671. Liu S, Chen P, Song H M, et al. Carbon emissions and emission reduction strategy for remediation of contaminated soil by ex-situ thermal desorption in East China [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022,16(8):2663-2671.

[21] Kingston J T, Dahlen P R, Johnson P C, et al. Critical evaluation of state-of-the-art in situ thermal treatment technologies for DNAPL source zone treatment [R]. Arlington: Defense Technical Information Center, 2010.

[22] Oleksandrenko A. A low impact technology chemical oxidation, bioremediation and groundwater reinjection analysed with Site Wise TM and SEFA [R]. 2018

[23] Kalomoiri A, Braida W. Promoting decision making through a Sustainable Remediation Assessment Matrix (SRAM) [J]. International Journal of Innovation and Sustainable Development, 2013,7(3):252.

[24] 安徽省統(tǒng)計(jì)局.2021年我省電力運(yùn)行穩(wěn)中向好[EB/OL]. http://tjj.ah. gov.cn/public/6981/146440421.html,2022-01-29/2023-02-03. Anhui provincial Bureau of Statistics. In 2021, our province's electric power operation is stable and good [EB/OL]. http://tjj.ah.gov.cn/ public/6981/146440421.html, 2022-01-29/2023-02-03.

Environmental footprint analysis of ectopic soil remediation based on SEFA method: A case study of a steel plant.

SANG Chun-hui1, YANG Xin-tong2*, LI Xiang-lan1**, ZHANG Hong-zhen2

(1.College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；2.Center for Soil Protection and landscape Design, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China)., 2023,43(10)：5359～5367

A study was conducted to analyze environmental footprints of heterotopic combination remediation schemes using SEFA (Spreadsheets for Environmental Footprint Analysis, EPA, version 3.0) algorithm at a steel contaminated site in Hefei, Anhui Province. Three schemes were included: (1) soil leaching + chemical oxidation + co-combustion in cement kiln, (2) stabilization + chemical oxidation + thermal desorption + remote landfill, (3) biodegradation + stabilization. Results showed significant differences in environmental footprints among the three remediation schemes. In terms of the green and sustainable restoration (GSR) elements, Scheme 3 yielded the smallest environmental footprint, i.e., energy consumption of 21808′104MJ and air pollution of 17,300tCO2e. The overall environmental footprint of remediation of 1m3of organic contaminated soil followed an order of chemical oxidation < biodegradation < thermal desorption, showing greenhouse gas emission as 0.05, 0.09 and 0.17tCO2e/m3, and energy consumption as 949.55, 1677.54, 3049.11MJ/m3, respectively. For remediation of heavy metal contaminated soil, landfill caused the smallest environmental footprint in terms of energy consumption and greenhouse gases emissions. Regarding air pollutant emissions, stabilization remediation technology led to the smallest environmental footprint.

Soil remediation；chemical oxidation；biodegradation；environmental footprint analysis

X703.5

A

1000-6923(2023)10-5359-09

2023-02-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFC3703301;2022YFC3703304)

* 責(zé)任作者, 工程師, xintongyang1994@163.com;**副教授, xlli@bnu.edu.cn

桑春暉(2000-),女,山東濟(jì)南人,北京師范大學(xué)碩士研究生,主要?dú)夂蜃兓c污染場(chǎng)地綠色可持續(xù)修復(fù)研究. 202331490012@mail.bna.edu.cn.

桑春暉,楊欣桐,李香蘭,等.基于SEFA方法的異位土壤修復(fù)環(huán)境足跡分析——以某鋼鐵廠為例 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5359-5367.

Sang C H, Yang X T, Li X L, et al. Environmental footprint analysis of ectopic soil remediation based on SEFA method: A case study of a steel plant [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5359-5367.