有機(jī)污染土壤異位熱脫附修復(fù)的碳足跡分析

摘要：有機(jī)污染土壤一般含有大量有機(jī)污染物，存在較大的環(huán)境風(fēng)險。以廣州市某溶劑廠污染場地為例，基于全生命周期評價，分析有機(jī)污染土壤異位熱脫附修復(fù)的碳足跡，對從開挖到回填的整個過程進(jìn)行碳排放核算。核算結(jié)果顯示，碳排放的主要來源為熱脫附修復(fù)過程，占總碳排放量的99.08%；直接熱脫附工藝修復(fù)單位噸土的碳排放量是間接熱脫附的2倍左右，其中直接熱脫附修復(fù)過程碳排放量為127.08 kg CO2e/t土，間接熱脫附修復(fù)過程碳排放量為62.31 kg CO2e/t土。經(jīng)對比，異位熱脫附修復(fù)技術(shù)可用于處理有機(jī)污染土壤，污染物去除率高?，修復(fù)周期短?，?適用性強(qiáng)，對環(huán)境更加友好。

關(guān)鍵詞：有機(jī)污染土壤；修復(fù)；異位熱脫附；碳排放核算

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0208-05

Carbon footprint analysis of ex-situ thermal desorption remediation of organic contaminated soil

—Taking the polluted site of a solvent factory in Guangzhou City as an example

XU Weitong1， WANG Kun1， SONG Guanghan2， LU Jun1， ZHONG Fanghai1， HE Zhichao3， LIANG Guodong2，

YAN Bin3， WANG Yanfei1

（1. GIIHG Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510150， China;

2. College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China; 3. Center International Group Co.， Ltd.， Beijing 100176， China）

Abstract： Organic polluted soil generally contains a large amount of organic pollutants and poses significant environmental risks. Taking a contaminated site of a solvent factory in Guangzhou city as an example， based on a full life cycle assessment， the carbon footprint of organic contaminated soil remediation through thermal desorption is analyzed， and the carbon emissions from excavation to backfilling are calculated. The accounting results show that the main source of carbon emissions is the thermal desorption and remediation process， accounting for 99.08% of the total carbon emissions; the carbon emissions per ton of soil restored by direct thermal desorption process are about twice that of indirect thermal desorption， the carbon emissions during direct thermal desorption remediation process are 127.08 kg CO2e/t soil， and

62.31 kg CO2e/t soil during indirect thermal desorption remediation process. After comparison， the ex-situ thermal desorption remediation technology can be used to treat organic polluted soil， with high pollutant removal rate， short remediation cycle， strong applicability， and more environmentally friendly.

Keywords： organic polluted soil; remediation; indirect thermal desorption; carbon emission accounting

為實(shí)現(xiàn)高附加值土地資源的優(yōu)化配置，我國正在積極推行“退二進(jìn)三”政策，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級和綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。在“退二進(jìn)三”的進(jìn)程中，眾多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)遺留的污染場地亟待修復(fù)，之后方可進(jìn)行開發(fā)利用[1-3]。在綠色可持續(xù)修復(fù)理念[4-5]與碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)[6]的雙重驅(qū)動下，有機(jī)污染場地使用異位熱脫附修復(fù)技術(shù)在解決“環(huán)境-社會-經(jīng)濟(jì)”協(xié)同發(fā)展這一綜合問題上并非最優(yōu)解，其高碳排放的顯著缺點(diǎn)與綠色可持續(xù)修復(fù)理念的核心要素碳減排背道而馳。污染場地修復(fù)踐行綠色可持續(xù)修復(fù)理念，是實(shí)現(xiàn)修復(fù)策略選擇的正面效益最大化、負(fù)面效益最小化、資源配置最優(yōu)化的有效手段之一，切實(shí)推動修復(fù)活動減污降碳與協(xié)同增效。

在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)驅(qū)動下，關(guān)注和降低修復(fù)活動的碳排放水平，是綠色可持續(xù)修復(fù)理念貫徹實(shí)施的重要著力點(diǎn)。全生命周期評價是環(huán)境管理中重要的環(huán)境影響定量分析方法[7-10]，應(yīng)用全生命周期評價分析異位熱脫附修復(fù)過程的碳足跡，可以為修復(fù)模式的比選提供更好的依據(jù)。廣州市某溶劑廠污染場地占地面積為168 285.6 m2，有機(jī)污染土壤修復(fù)設(shè)計方量共計72 542.4 m3。針對有機(jī)物污染土壤，采用異位直接熱脫附和間接熱脫附兩種修復(fù)技術(shù)，修復(fù)后污染土壤經(jīng)檢測合格進(jìn)行回填處置。結(jié)合實(shí)際工程案例，分析異位熱脫附修復(fù)全過程（從清挖到回填）的碳足跡，為污染土壤修復(fù)行業(yè)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展評價體系的構(gòu)建與完善提供參考。

1 異位熱脫附修復(fù)的全生命周期評價

1.1 碳排放核算邊界與清單分析

全生命周期評價是指產(chǎn)品由搖籃到墳?zāi)沟娜^程分析，項目將清挖到回填整個過程作為全生命周期，具體可分為8個過程，包括開挖轉(zhuǎn)運(yùn)、預(yù)處理、生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)、熱脫附修復(fù)、生產(chǎn)廢水處理、危廢外運(yùn)處置、修復(fù)土轉(zhuǎn)運(yùn)以及回填轉(zhuǎn)運(yùn)?；谌芷诘挠袡C(jī)污染土壤異位熱脫附修復(fù)碳排放核算邊界如圖1所示，清單分析如圖2所示。

碳排放核算的全生命周期為土壤清挖至回填的過程，前期臨建等施工準(zhǔn)備未納入核算范圍。同時，項目施工過程零星機(jī)械的使用、基坑驗收過程擴(kuò)挖、二次污染防治、場地內(nèi)土壤與建渣的二次倒運(yùn)、驗收檢測不合格的修復(fù)后土二次修復(fù)、基坑涌水與雨水處理、鋼材與高密度聚乙烯膜回收等難以核算或少量的碳排放量同樣未進(jìn)行核算。從土方平衡的角度考慮，涉及的土壤方量均為理論值，并未考慮轉(zhuǎn)運(yùn)過程的遺撒損失量、熱脫附修復(fù)過程的燒失量以及含水率調(diào)節(jié)過程因生石灰的添加所引起的體積與質(zhì)量變化等情況。

1.2 碳排放核算方法

一是生產(chǎn)過程能源（燃油）消耗碳排放。工程機(jī)械涉及的燃油為柴油，因燃油消耗產(chǎn)生的碳排放量CEp采用式（1）計算。二是生產(chǎn)過程能源（電力）消耗碳排放。各種生產(chǎn)設(shè)備及配套工程的電力消耗碳排放量CEe采用式（2）進(jìn)行計算。三是生產(chǎn)過程能源（燃?xì)猓┫奶寂欧?。主要基于天然氣燃燒量、單位天然氣的含碳量和碳氧化率，采用式?）計算天然氣燃燒的CO2排放量CEb。若未開展元素碳實(shí)測，其收到基元素碳含量CEar，i采用式（4）計算。四是運(yùn)輸過程能源消耗碳排放。場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程和危廢外運(yùn)處置過程燃油消耗產(chǎn)生的碳排放量CET采用式（5）計算。

（1）

CEe=PCe×EFe（2）

（3）

CEar，i=NCVar，i×CCi（4）

（5）

式中：qi為第i種工程機(jī)械每小時的柴油消耗量，L/h；ri為第i種工程機(jī)械作業(yè)總時長，h；fi為柴油碳排放因子，取值為2.171 kg CO2e/kg；k為柴油升（L）與千克（kg）換算系數(shù)，取值為0.85；PCe為購入使用電量，kW·h；EFe為電網(wǎng)排放因子，0.445 kg CO2e/（kW·h）；CEb為化石燃料燃燒的碳排放量，t CO2；FCi為第i種化石燃料的消耗量（氣體燃料），萬Nm3；Car，i為第i種化石燃料的收到基元素碳含量（氣體燃料），t C/萬Nm3，取值為5.92 t C/萬Nm3；OFi為第i種化石燃料的碳氧化率，取值為99%；44/12為二氧化碳與碳的相對分子質(zhì)量之比；NCVar，i為第i種化石燃料（氣體燃料）的收到基低位發(fā)熱量，取值為389.31 GJ/萬Nm3；CCi為第i種化石燃料的單位熱值含碳量，取值為0.015 2 t C/GJ；qi為運(yùn)輸車油耗，L/100 km；si為運(yùn)輸距離，km；pi為柴油碳排放因子。

2 碳排放量計算結(jié)果分析

2.1 開挖轉(zhuǎn)運(yùn)過程

開挖轉(zhuǎn)運(yùn)過程的碳排放量主要來源包括污染土、疑似污染土和清潔土的開挖與轉(zhuǎn)運(yùn)，該階段碳排放總量可根據(jù)式（6）核算。根據(jù)式（1）計算可得，開挖過程的碳排放量（CE11+CE13+CE15）為36 041.41 kg CO2e。

根據(jù)式（5）計算可得，開挖后土壤轉(zhuǎn)運(yùn)過程的碳排放量（CE12+CE14+CE16）為3 024.01 kg CO2e，經(jīng)合計，碳排放總量CE1為39 065.42 kg CO2e。由計算結(jié)果可知，開挖過程的碳排放量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)運(yùn)過程的碳排放量，占比為92.26%，可見開挖過程是一個重大的碳排放源。因此，在污染土壤治理修復(fù)過程中，為減少碳排放量，應(yīng)優(yōu)先考慮原位修復(fù)策略，盡量避免開挖作業(yè)。

CE1=CE11+CE12+CE13+CE14+CE15+CE16（6）

2.2 預(yù)處理過程

預(yù)處理階段，碳排放的主要來源為篩分機(jī)械、照明及大棚排氣設(shè)備的能源消耗，主要包括污染土壤初篩、細(xì)篩、照明與排氣過程。該階段的總碳排放量根據(jù)式（7）核算。根據(jù)式（1）計算可得，污染土壤初篩過程的碳排放量CE21為35 697.63 kg CO2e。根據(jù)式（2）計算可得，細(xì)篩過程的碳排放量CE22為3 059.24 kg CO2e。

根據(jù)式（2）計算可得，大棚照明與尾氣排放過程產(chǎn)生的碳排放量CE23為17 002.56 kg CO2e，預(yù)處理過程碳排放總量CE2為59 460.72 kg CO2e。計算結(jié)果表明，預(yù)處理過程主要的碳排放來源于污染土壤初篩過程，占比為64.02%，主要原因是初篩使用的能源為化石燃料（柴油）。因此，在污染土壤治理修復(fù)工程中，應(yīng)優(yōu)先選用清潔能源。

CE2=CE21+CE22+CE23（7）

2.3 生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過程

生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)階段，碳排放的主要來源為運(yùn)輸車燃油消耗，主要包括污染土壤轉(zhuǎn)移至進(jìn)料大棚與建渣轉(zhuǎn)移至沖洗區(qū)。該階段總的碳排放量根據(jù)式（8）核算。根據(jù)式（1）計算可得，碳排放量CE31和CE32分別為2 101.45 kg CO2e和43.87 kg CO2e，因此，生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過程碳排放總量CE3為2 145.32 kg CO2e。

CE3=CE31+CE32（8）

2.4 熱脫附修復(fù)過程

熱脫附碳排放的主要來源為生產(chǎn)過程燃?xì)馀c電力消耗，主要包括污染土壤直接熱脫附修復(fù)的天然氣、電力消耗，間接熱脫附修復(fù)的天然氣、電力消耗，配套工程進(jìn)料大棚、直接熱脫附出料大棚、間接熱脫附出料大棚照明與尾氣處理設(shè)備電力消耗。該階段總的碳排放量根據(jù)式（9）核算。根據(jù)式（3）和式（4）計算可得，碳排放量CE41為8 994 386.63 kg CO2e，碳排放量CE43為2 068 715.49 kg CO2e，根據(jù)式（2）計算可得，CE42、CE44、CE45、CE46和CE47分別為340 626.67 kg CO2e、207 941.01 kg CO2e、25 461.12 kg CO2e、8 031.36 kg CO2e和2 563.2 kg CO2e，污染土壤熱脫附修復(fù)過程總碳排放量CE4為11 647 725.48 kg CO2e。由計算結(jié)果可知，因消耗天然氣產(chǎn)生的碳排放量占熱脫附修復(fù)過程總量的94.98%，而因電力消耗產(chǎn)生的碳排放量僅占5.02%，因此，采用熱脫附修復(fù)技術(shù)時，應(yīng)著重考慮能源種類，優(yōu)先使用清潔能源，以減少化石燃料消耗產(chǎn)生的碳排放，切實(shí)做到減污降碳。

CE4=CE41+CE42+CE43+CE44+CE45+CE46+CE47（9）

根據(jù)計算結(jié)果可知，修復(fù)1 t污染土，直接熱脫附工藝和間接熱脫附工藝的燃?xì)庀牧糠謩e為57.00 m3和26.36 m3，即直接熱脫附工藝的燃?xì)庀牧渴情g接熱脫附工藝的2倍多，而電力消耗量則相差無幾。根據(jù)項目的具體工藝情況，分析燃?xì)庀牧坎町惢闹饕?。兩種工藝使用的尾氣處理工藝大有不同，直接熱脫附的尾氣處理采用二次燃燒工藝，而間接熱脫附使用冷凝處理工藝，二次燃燒對燃?xì)獾南牧枯^大。

2.5 生產(chǎn)廢水處理過程

生產(chǎn)廢水處理過程碳排放的主要來源為直接熱脫附與間接熱脫附生產(chǎn)廢水處理、建渣沖洗廢水處理的電力消耗。該階段總的碳排放量根據(jù)式（10）核算。根據(jù)式（2）計算可得，碳排放量CE51為9.53 kg CO2e，碳排放量CE52為213.39 kg CO2e，碳排放量CE53為164.93 kg CO2e。因此，生產(chǎn)廢水處理過程的碳排放總量CE5為387.85 kg CO2e。

CE5=CE51+CE52+CE53（10）

2.6 危廢外運(yùn)處置過程

危廢主要包括污水處理后的泥餅和尾氣處理后的廢活性炭，集中暫存后外運(yùn)至危廢處置單位，外運(yùn)過程碳排放的主要來源為泥餅和廢活性炭外運(yùn)運(yùn)輸車燃油消耗。該階段總的碳排放量根據(jù)式（11）核算。根據(jù)式（5）計算可得，碳排放量CE61為5.42 kg CO2e，碳排放量CE62為37.95 kg CO2e。因此，生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的碳排放總量CE6為43.37 kg CO2e。

CE6=CE61+CE62（11）

2.7 修復(fù)后土轉(zhuǎn)運(yùn)過程

修復(fù)后土轉(zhuǎn)運(yùn)過程碳排放的主要來源包括直接熱脫附修復(fù)后土與間接熱脫附修復(fù)后土轉(zhuǎn)移至待檢區(qū)的運(yùn)輸車燃油消耗。該階段總的碳排放量根據(jù)式（12）核算。根據(jù)式（5）計算可得，碳排放量CE71為884.53 kg CO2e，碳排放量CE72為1 158.45 kg CO2e。因此，修復(fù)后土轉(zhuǎn)運(yùn)過程的碳排放總量CE7為2 042.97 kg CO2e。

CE7=CE71+CE72（12）

2.8 回填轉(zhuǎn)運(yùn)過程

回填轉(zhuǎn)運(yùn)過程碳排放的主要來源包括修復(fù)后土回填、建渣回填、疑似污染土回填以及清潔土回填的轉(zhuǎn)運(yùn)燃油消耗。該階段總的碳排放量根據(jù)式（13）核算。根據(jù)式（5）計算可得，碳排放量CE81為4 513.13 kg CO2e，碳排放量CE82為131.66 kg CO2e，碳排放量CE83為187.36 kg CO2e，碳排放量CE84為285.61 kg CO2e。因此，基坑回填轉(zhuǎn)運(yùn)過程的碳排放總量CE8為5 117.75 kg CO2e。

CE8=CE81+CE82+CE83+CE84（13）

3 討論

3.1 碳排放主要來源

為分析修復(fù)過程碳排放的主要來源，將土壤開挖轉(zhuǎn)運(yùn)、預(yù)處理、生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)、熱脫附修復(fù)、生產(chǎn)廢水處理、危廢外運(yùn)處置、修復(fù)后土轉(zhuǎn)運(yùn)以及回填轉(zhuǎn)運(yùn)等細(xì)部過程概化成5個過程，分別是開挖過程、轉(zhuǎn)運(yùn)過程、預(yù)處理過程、熱脫附修復(fù)過程和廢物處置過程。統(tǒng)計結(jié)果顯示，采用原地異位熱脫附修復(fù)技術(shù)對有機(jī)污染土進(jìn)行處理，碳排放的主要來源是熱脫附修復(fù)過程，碳排放量為11 647 725.48 kg CO2e，占總碳排放量的99.08%，其他過程碳排放量為108 446.71 kg CO2e，僅占總碳排放量的0.92%。

3.2 直接熱脫附與間接熱脫附碳排放量對比分析

項目使用直接熱脫附修復(fù)工藝處理有機(jī)污染土，共計73 460 t，其中天然氣和電力消耗產(chǎn)生的碳排放量分別為8 994 386.63 kg CO2e、340 626.67 kg CO2e，即修復(fù)單位噸土因天然氣和電力能源消耗產(chǎn)生的碳排放量分別為122.44 kg CO2e、4.64 kg CO2e。共計36 535.04 t有機(jī)污染土采用間接熱脫附工藝進(jìn)行修復(fù)，其中天然氣和電力消耗產(chǎn)生的碳排放量分別為2 068 715.49 kg CO2e、207 941.01 kg CO2e，即修復(fù)單位噸土因天然氣和電力能源消耗產(chǎn)生的碳排放量分別為56.62 kg CO2e、5.69 kg CO2e。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，采用直接熱脫附工藝修復(fù)有機(jī)污染土?xí)r，碳排量明顯高于間接熱脫附，修復(fù)單位噸土?xí)r，直接熱脫附的碳排放量是間接熱脫附的近2倍。經(jīng)分析，主要原因為直接熱脫附尾氣處理采用二次燃燒工藝，二次燃燒工藝的系統(tǒng)溫度高，燃?xì)庥昧考ぴ鰧?dǎo)致碳排放量增加。

4 結(jié)論

異位修復(fù)過程涉及大量的開挖、轉(zhuǎn)運(yùn)與預(yù)處理，這些過程因消耗燃油和電力產(chǎn)生的碳排放量不可忽視。為了減少轉(zhuǎn)運(yùn)的碳排放量，應(yīng)合理規(guī)劃平面布局，最大限度減少運(yùn)輸距離。同時，應(yīng)更精細(xì)化地對實(shí)際的土方流轉(zhuǎn)做更為準(zhǔn)確的統(tǒng)計。熱脫附修復(fù)過程中，化石燃料消耗是碳排放的主要來源，因此采用熱脫附修復(fù)工藝時，應(yīng)提高清潔能源和可再生能源的消費(fèi)比重。在進(jìn)行方案比選時，除了考量經(jīng)濟(jì)與時間兩大主要因素外，應(yīng)將能源消耗與碳排放納入比選指標(biāo)體系，以期實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)與綠色低碳的可持續(xù)環(huán)境治理。直接熱脫附工藝處理單位噸土的碳排放量顯著高于間接熱脫附，主要原因是尾氣處理采用二次燃燒工藝，因此應(yīng)優(yōu)化直接熱脫附尾氣處理工藝，采取更加低碳的處理工藝。建設(shè)用地土壤修復(fù)項目具有追求經(jīng)濟(jì)效益最大化、治理周期短的顯著特點(diǎn)，是一個集中、高強(qiáng)度的碳排放過程，應(yīng)加強(qiáng)治理過程的碳排放管控與核算，同時構(gòu)建與完善本土化的碳足跡評價體系。

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