科学家如何表达对大地母亲深沉的爱?︱走近科学

赛先生 2020-09-17 19:22

本栏目由  “世界科学”“赛先生”联合出品


2020年4月24日,湖南益阳市委宣传部表示,针对“云南昭通市镇雄县销毁一批来自湖南益阳的重金属超标大米”,经核实决定对7家涉事企业立案调查。然而,这并不是“镉大米”第一次走进公众视线。2014年,《南方日报》也报道了2009年湖南上万吨镉含量超标的大米在广东粮食市场流通销售。

镉是一种自然界存在的有毒金属元素,常用于电镀、造船业、建筑业等行业。20世纪50至70年代,日本富士山某地区居民因长期饮用受镉污染的河水及食用此水灌溉的镉含量超标大米而患有“痛痛病”,该事件是世界上最早报道的重金属土壤污染事件。此次,湖南再次曝出“镉大米”事件,警醒我们身边的“土壤污染问题”可能从未走远。


与大气、水污染相比,土壤污染往往不容易被直接看到、嗅到,因此人们对土壤污染总是“后知后觉”。这么“神秘”的土壤污染,人们是怎样与之“过招”的呢?


土壤修复技术概览

作为地球的“皮肤”,土壤是一层覆盖在地球表面的疏松物质,含有矿物、气体、水、有机质等,也是动植物的生长栖息地。土壤为人类的生活与生产活动提供支撑,也消纳着自然或人为产生的废物。


土壤中常见的污染物可大致分为重金属污染物和有机污染物。面对这些“来势汹汹”的“入侵者”,土壤往往启动“自净”能力消灭“敌军”,即在自然条件下,通过土壤系统的物理、化学及生物学方面的作用,降低有毒物质的浓度或毒性,将其转化为无毒或低毒产物。


一旦土壤所受污染超过了其自净能力,土壤的功能就受到了破坏,当污染程度达到一定风险水平时,就需要对污染土壤进行治理。


经过几十年的发展,多达数十种土壤修复技术涌现了出来,下表举例介绍了几种常用的土壤修复技术。


特别关注:工矿企业搬迁后的遗留场地

近40多年来,欧美发达国家在土壤污染防治的基础理论、技术原理、功能材料、技术工艺及专业装备等方面取得了长足的进展。


美国

以美国为例,20世纪70年代发生的“拉夫运河污染事件”是促成美国设立“超级基金”并开展土壤和地下水污染防治的标志性事件。

拉夫运河居民的抗议,约1978年

(图源:维基百科)


1942年,因干涸而废弃的美国加利福尼亚州的拉夫运河,被美国胡克电化学公司收购,作为倾倒工业废物的“垃圾仓库”。11年后,这条填满有毒废弃物的运河经填埋覆盖后,被胡克化学公司以1美元的象征性价格转让给当地教育委员会用于建立学校,此后运河区逐步开发为底层社区。70年代末,当地孕妇流产、婴儿畸形等怪象频发,地面还曾渗出苯、氯仿、甲苯、二噁英和多氯联苯等多种有毒物质,对人体健康有极大危害,引起了当地居民的恐慌。


此后,1980年美国国会通过的《综合环境反应、赔偿与责任法》(又称《超级基金法案》)填补了美国土壤污染防治的法律空白,同时创设“超级基金”授权使用联邦资金,保障在无法确定责任主体或责任主体无力承担修复费用时的污染土壤治理。


美国在土壤污染防治方面的工作唤醒了世界各国对土壤及地下水污染问题的关注。经过多年实践,欧美发达国家已逐步形成了一套涵盖法律法规、技术规范及管理手段的完整的土壤污染防治体系。


英国

英国1990年颁布了污染场地管理的核心法规——《环境保护法案》第2A部分,为土壤污染鉴定及恢复整治提供了依据,并明确了污染场地的定义,将风险评估的理念纳入土壤污染防治。


英国环境署于2002年发布了《污染土地暴露评估模型:技术基础和算法》《污染土地管理的模型评估方法》等系列技术文件,初步建立了英国污染场地风险评估的框架体系。


德国

德国的土壤污染防治体系涵盖了土壤污染预防、土壤环境调查、风险评估和污染场地修复的全过程,并分别对工业污染场地和农用地土壤利用做了说明,规定了预防原则、责任机制、风险管控、土壤监测与信息公开、功能性修复等基本原则。


德国的土壤修复技术主要分为三类:移除污染源至别处治理;采用固封材料等防止污染物进一步迁移扩散;保护污染暴露受体,限制公众接近污染源。


中国

就我国而言,在20世纪90年代之前,土壤修复主要针对农田土壤,对城市工业用地污染修复鲜有提及。随着我国城市发展进程的加快,进入21世纪后,建设用地,尤其是工业企业关闭搬迁后的土地所引发的土壤污染事件开始引起人们的重视。


2004年,北京宋家庄地铁站,3名工人在挖掘施工过程中急性中毒。调查发现,该地铁站所在地的前身是一家始建于20世纪70年代的农药厂,虽然搬离多年,但仍有部分有毒有害物质残留在地下。


此次发生在北京宋家庄地铁站施工过程中的急性中毒事件,揭开了我国重视工业污染场地再开发环境安全与治理修复的序幕。


2016年5月28日,国务院印发了《土壤污染防治行动计划》(又称“土十条”),进一步加快了我国土壤修复事业的步伐。


2019年1月1日实施的《土壤污染防治法》指出,土壤从受污染到基本恢复功能的过程一般包括:土壤污染状况调查→土壤污染风险评估→风险管控/修复→风险管控/修复效果评估→后期管理,由此形成土壤污染防治的闭环体系。


目前从总体上来说,在建设用地土壤污染风险管控与修复技术方面,我国与欧美国家的管理和技术水平相比尚有较大差距。


随着我国城市化进程的进一步推进,工矿企业搬迁后遗留场地面临的环境修复问题或更复杂、持久、严峻。因此,如何促进未来更多企业搬迁后遗留场地的再开发利用是一项亟须解决的重要课题。


来自上海市环境科学研究院的黄沈发领衔研究团队十余年来始终致力于以上海为代表的城市再开发场地土壤污染控制与修复,探索适合本土的“修复之路”。


以下将以特大城市老工业区——上海桃浦工业区的转型升级为例,介绍城市再开发场地土壤污染控制与修复的“上海路径”。


典型案例:上海桃浦工业区转型升级

上海桃浦工业区的治理区域(红线圈着的区域)


位于上海市西北部的桃浦工业区,自20世纪50年代以来大力促进工业发展,但因工业区早期环境保护设施设备相对落后,在生产运行过程中产生了严重的污染问题,在20世纪80年代被上海市政府列入重污染地区。


2013年,桃浦工业区被列为重点整治区域,并规划转型为“桃浦智创城”,需要对原工厂用地进行再开发利用。研究人员发现,桃浦工业区土壤和地下水污染范围广、污染物种类多,存在污染难以精准识别、污染地块风险评估不确定性大、安全高效的修复技术不足等问题。

常言“知己知彼,百战不殆”,面对桃浦工业区的这些问题,首先需要知道“彼”是谁?“彼”在哪?

由于工业生产历史悠久,桃浦工业区的地下管线及构筑物复杂,地层以下人为干扰强烈,遗留污染物众多,污染物空间分布不均且组成复杂。如此种种,给前期的环境调查和污染精准识别带来了不小挑战。


为此,黄沈发团队因地制宜提出“区域排查→企业筛查→初步调查→详细调查→地块补充调查与评估”的工作流程,并融合环境与岩土专业技术,探索运用多项场地环境精准调查技术——例如膜界面探测技术(MIP)、感应电磁技术(FDEM)、高密度电阻率技术(ERT)等——扫描诊断场地污染状况,有效提升了复杂场地调查的效率与精准度,实现了“全覆盖、精细化、高效率”的调查目标,为后期风险管控及修复提供翔实的基础数据资料。

找到“彼”后,便是全面、深度分析“彼”。

常规的污染场地风险评估技术手段,其评估结果不可避免地存在较大不确定性。研究人员从风险评估数值模型、参数本土化取值等方面进行了突破。


通过探索与实践,初步建立了包括自然地理、气象气候、土壤理化、岩土参数、受体暴露、建筑物特征等参数的风险评估本土参数取值数据库;


在评估模型本土化方面,通过土壤气体采样监测,重点开展了挥发性有机化合物(VOCs)污染场地的污染物多介质迁移和降解模拟优化研究,并综合运用数值模型(MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、FEMWATER等)揭示VOCs在土壤中的迁移扩散过程及其在土、水、孔多种介质中的分配情况;


对污染物物化反应和生物作用的溶质迁移降解模拟,运用数值模型(RT3D、SEAM3D等)刻画污染物在场地多介质中的降解特征,建立动态模拟体系。通过多技术方法联用,提高了桃浦工业区污染地块风险评估结果的科学性和准确性。

最后便是有的放矢战胜“彼”。

对于桃浦工业区的环境综合治理并没有“一刀切”,即没有全部采取清除土壤污染物质的修复技术,而是综合考虑土壤和地下水污染风险、规划用地功能、区域环境条件及地块开发进程等因素,采取“风险管控结合治理修复,依据实际情形分类施策”的治理修复策略。


例如,按照污染物分布图对区域规划用地功能及其控制性详规方案提出调整建议,将部分污染高风险区域调整为城市景观类、市政配套设施类和商业服务类等非敏感性建设用地;


其次,针对不同用途功能定位分别设定土壤和地下水修复目标,如对规划为停车场等用地设定风险控制的修复标准,而规划为学校、居住区等敏感性用地则按照严格的暴露场景进行评估并进行污染物去除修复;


最后,对于异位处置的污染土采用“区域土方平衡、就地消纳利用”方案,分类设定基于不同再利用方式的风险控制标准,经治理达标后实现土壤资源化安全利用。


如此一来,既能保证各个用地的安全,也能控制修复成本、缩短治理年限。

修复作业现场,表层高污染土壤剥离集中修复,下面的污染地下水抽提处理


战胜“彼”最关键之处还在于采用什么修复技术,以及如何应用。

研究人员通过技术比选,在借鉴国外技术经验的基础上,比选治理修复模式及相应的修复技术,通过实验室试验和工程规模试验确定了本土化技术应用的工艺参数,克服了修复技术“水土不服”的问题。


此次治理的修复技术应用到了稳定化(将污染物在污染介质中固定,使其长期处于稳定状态)、垂直/冒封阻隔(隔断污染源,切断传播途径)、氧化还原、生物强化、气相及多相抽提(真空抽提土壤中的气体、地下水和非水相液体等至地面,进行相分离和处理)等多种处理工艺和原位异位组合技术,实现了整体区域的安全高效修复。


说到底,研究团队按照“风险可控、技术可达、经济可行”的原则,开展了安全高效修复技术创新研发与集成应用。


值得一提的是,该研究团队还开发了基于天然矿物的系列绿色高效修复材料,提高了受污染土壤的处理效率;自主研发了双泵式多相抽提系统、重金属污染土壤处理能力达160 m^3/h的专业修复设备,打破了国外同类产品的垄断局面。

原污染地块经修复治理后变为中央景观绿地(桃浦中央公园一隅)


上海桃浦工业区整体转型升级的环境治理成果和经验,为未来上海高桥石化、吴泾化工等大型工业区的整体转型升级探索了有效治理路径。不仅如此,桃浦工业区土壤污染防治过程中的创新技术方法为行业技术文件(如《上海市建设用地土壤污染状况调查、风险评估、风险管控与修复方案编制、风险管控与修复效果评估工作的补充规定(试行)》)提供了实践基础。该案例在行业里已形成由点带面的影响力,产生了巨大的社会、环境及经济效益。


相信在一次次的土壤修复历程中,越来越多的曾经遭受工业污染重创的土地,将会再次承担起新的使命,承载城市的快速发展。这个过程也体现了科学家如何用科技实力去表达他们对大地母亲深沉的爱。


“世界科学”联合“赛先生”等微信公众号,在上海市科学技术委员会资助下,开辟“走近科学”栏目,对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。


本篇围绕2017年上海市科技进步一等奖——“城市再开发场地土壤污染控制与修复关键技术及其应用”项目,该奖项由上海市环境科学研究院黄沈发领衔的团队获得。


本文刊载于《世界科学》杂志2020年第9期“走近科学”栏目。

(文中图片除注明外均由课题组提供。)


制版编辑 | 栗子



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