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污染场地 VOCs 蒸气入侵风险评估与管控

更新时间:2020-07-24 15:21 来源:中国环境保护产业协会 作者: 马杰 阅读:1806 网友评论0

本文内容节选于科学出版社出版《污染场地 VOCs  蒸气入侵风险评估与管控》,该书介绍了污染场地挥发性有机物蒸气入侵的途径、危害、调查评估与风险管控方法,从理论、技术、工程案例等角度系统介绍了蒸气入侵的机制和过程,传统和新兴的场地调查技术、数学模型,初步筛查与详细调查的工作流程、风险评估的方法、常用的风险管控技术。

该书还对国外在蒸气入侵场地管理方面的成功经验和失败教训进行了总结,对我国面临的“理论短板”和“技术短板”进行了梳理,并进一步提出了构建适应中国国情的“VOCs 污染场地多证据层次化风险评估技术体系”以及“以风险管控为核心的蒸气入侵风险处置技术体系”的倡议和构想。该书列举了很多实际的场地案例,在正文和附录中提供了内容丰富的图表数据资料,希望能对我国从事污染场地管理和实践的从业者提供参考和帮助。
 
核心观点
 
1. 蒸气入侵问题的重要性挥发性有机物(VOCs)是污染场地中最常见、最重要的一类污染物,在《建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600—2018)中规定的 45 个基本项目中(必测污染物)中有 27 个物质属于 VOCs,占比超过了一半。2000 年之后,国外大量的场地调查发现被污染土壤或地下水中的VOCs 可以以气态形式穿越土壤包气带或者借助优先传质通道(管道或者高渗透性地质结构)积累在地表建筑物的地基下方,地层中的 VOCs 可以沿着建筑物底板或墙体上的裂隙、孔洞、接缝或者直接借助优先通道进入建筑物室内,并与室内空气混合,最后通过室内呼吸产生人体暴露,这一暴露途径就被称为“蒸气入侵(vapor intrusion)”。
(污染场地暴露途径汇总)
蒸气入侵可能是 VOCs 污染场地中最重要的人体暴露途径。只有VOCs 蒸气入侵最有可能造成实际人体暴露。图中的污染物从表层土/ 深层土 / 地下水挥发至室内通过吸入室内挥发气体产生暴露)(Ma et al.,2018;Ma and Lahvis,2020)。
 
VOCs 的长期低浓度暴露会诱发癌症等慢性疾病,短期高浓度暴露会引起神经毒性、头晕目眩等症状,某些 VOCs 在高浓度时还有爆炸等安全风险。对于 VOCs 类污染场地,蒸气入侵是最可能造成实际人体暴露的途径,特别是棕地再开发类的场地。国内外的大量场地调查实践发现:对于挥发类有机物场地,蒸气入侵途径往往决定了场地总体的环境风险的大小,并且会直接影响场地修复与风险管控工作,如修复范围的划定、修复目标值的选取、修复技术的选择、经济成本、修复时间等。从 2000 年以后,蒸气入侵问题逐渐引起场地修复业界重视。2018 年 9 月,美国联邦环保署(USEPA)第一次仅因为蒸气入侵风险将两块场地增补进入超级基金场地的名单(密西西比州 Rockwell International Wheel & Trim 场地和得克萨斯州 Delfasco Forge 场地)。
 
2. 蒸气入侵过程的复杂性
 
传统的蒸气入侵场地概念模型认为:受污染土壤和地下水中的 VOCs 主要以气态的形式经由包气带土壤中的孔隙迁移至建筑物地基附近,并通过建筑物地板和墙体结构上的孔隙和接缝等进入室内。在蒸气入侵过程中,污染物通过挥发、吸附、解析、溶解、分配等过程在水相、固相、气相、自由相等多个相态之间相互转化。蒸气入侵传质过程涉及扩散、对流和弥散等迁移机制,在迁移过程中污染物还会通过好氧生物降解、厌氧生物降解、非生物降解等机制发生化学结构的转化。污染物进入室内并与室内空气混合稀释的过程受到建筑结构和特征、室内暖通空调系统运行工况、居民活动、室外的风、降水、气压波动、气温波动等多种室内外环境和人为因素的影响,非常复杂。
 
(VOCs 在地层中的迁移、转化、归趋)
 
最新研究还发现 VOCs 还可以通过多种非传统传质途径侵入室内,例如:地下管线、湿地下室情形等。越来越多的实际场地调查发现在很多挥发性有机物场地,非传统途径可能是蒸气入侵的主要传质方式。不过,这些非传统途径很难借助常规的场地调查手段被发现,学术界和工业界对这些非传统蒸气入侵途径的认识目前还存在很多知识短板。
 
3. 监测数据的空间和时间异质性
 
由于 VOCs 的挥发性和迁移性较强,VOCs 在饱水带、包气带、室内空气中的浓度分布受到场地污染状况、场地地质和水文地质特征、地表天气状况(风、气压、降水、温度)、建筑结构、建筑内暖通空调系统运行情况等多种因素的影响,其浓度分布具有非常大的时间和空间异质性。3.10 节列举了三个场地案例,部分监测数据可能存在 3 ~ 4 个数量级的波动,这为准确评估 VOCs 的长期平均人体暴露带来了很多困难。但场地调查数据的时间和空间异质性问题尚未引起国内同行足够的重视(Ma et al.,2018)。

常见的导致 VOCs 浓度时间分布异质性的原因包括:
①土壤含水率的波动;②室内空气交换率的波动;③非平衡吸附解析;④室内外气压差的波动;⑤场地水文地质状况的时间波动;⑥污染源随时间的变化,其中对 VOCs 室内空气浓度的短期波动影响较大的是室内空气交换率和室内外气压差的波动。
 
常见的导致 VOCs 浓度空间分布异质性的原因包括:
①地层地质状况的空间异质性;②场地水文地质状况的空间异质性;③不同建筑物或同一栋建筑不同区域的建筑结构的差异;④不同建筑物或同一栋建筑不同区域的建筑运行工况的差异;⑤优先通道。
 
4. 多证据调查方法
 
由于蒸气入侵的复杂性以及数据的时间和空间异质性,任何一项单一证据都无法单独确证蒸气入侵的风险,必须搜集不同种类的证据,综合在一起才能得出可靠的结论,这就是“多证据调查方法”(Ma et al.,2018)。在蒸气入侵调查评估中,多证据方法一般包括地下水、土壤、深层土壤气、浅层土壤气、底板下土壤气、室内空气、室外空气中污染物的监测数据,也包括地表污染物通量监测、单体稳定同位素分析、分子指纹分析、示踪剂监测、室内气压调节监测等新兴调查技术得到的数据。其中,地下水、土壤气、室内空气中的 VOCs 浓度一般构成多证据方法中的核心证据链。 
 
(蒸气入侵详细调查的工作步骤和路线图)
 
在我国目前的场地调查实践中,污染物土壤浓度的监测数据占据着最核心的地位,是进行场地风险评估的核心依据。不过挥发性有机物 VOCs 与半挥发性有机物 SVOCs 以及重金属在理化特征以及环境行为等方面差异较大,VOCs 的污染特征及其适用的调查手段具有其特殊性。大量研究表明土壤中的VOCs 浓度和土壤气中 VOCs 浓度并没有显著的相关性,基于土壤 VOCs 浓度数据,利用三相平衡模型计算出的土壤气VOCs 浓度往往与其实际浓度差异较大。因此,仅依赖土壤浓度进行 VOCs 场地的风险评估特别是 VOCs 呼吸暴露途径的评估存在明显的不足,这一点应引起国内环保管理部门以及调查评估同行更多的重视(Ma et al.,2018)。
 
5. 层次化的调查评估流程
 
由于蒸气入侵的复杂性,为了更合理地分配调查资源(时间、经济、人力),蒸气入侵调查评估一般采用层次化的方法,通常包括初步筛查和详细调查两个阶段。初步筛查的目的就是通过简单的筛选将风险较低的建筑或区块排除,以便在详细调查阶段的将工作重点聚焦在高风险的建筑或区块。无论是初步筛查还是详细调查,都包括若干工作步骤,既需要进行采样监测,又需要进行数据分析评估。第 8 ~ 10 章分别对初步筛查、详细调查、风险评估进行了介绍。
 
6. 采样监测数据的质量
 
环境监测数据是客观评价环境质量状况、反映污染治理成效、实施环境管理与决策的基本依据,高质量的采样监测数据是进行场地风险评估的基础。由于挥发性强、化学性质活泼,VOCs 采样监测技术难度较大,不规范操作会导致样品中VOCs 的挥发、吸附、反应损失。国内第三方监测实验室的技术能力参差不齐,有可能导致采样监测数据不可靠。第 3 章和第 4 章分别针对 VOCs 的检测技术和采样技术进行了详细的介绍。
 
7. 数学模型的不确定性
 
除了采样监测以外,数学模型也是一类常用的风险评估工具。经过几十年的发展,目前共开发出了超过 30 个蒸气入侵模型。这些模型种类繁多、功能各异,既有简单的一维解析模型,也有复杂的三维数值模型。不同模型有着不同的模型假设、边界条件和控制方程,但大部分模型在核心计算步骤上采用了相似的数学原理,甚至完全相同的数学公式。需要指出的是任何数学模型都是对所模拟过程的简化和数学抽象,在这一过程中会伴随着一定程度的失真(即产生误差)。因此,虽然数学模型是风险评估的重要工具,其结果也可以作为多证据链中的一条,但是模型使用者应该对模型的误差有更为深刻的理解,这一点尚未引起国内同行足够的重视。
 
 GW-VAP3D 模型的概念   模型示意图(Mustafa et al.,2014)
 
8. 蒸气入侵的风险处置

如果目标地块或建筑可能因 VOCs 蒸气入侵导致不可接受的健康风险,那么就必须进行风险处置,常见风险处置技术包括:场地修复、制度控制、风险管控。污染修复是通过将污染物从被污染土壤或地下水中直接清除以达到减少或彻底消除蒸气入侵人体暴露的目的。制度控制是通过法律、行政、规章制度的控制,以最大限度地减少人体暴露。风险管控是通过阻断暴露途径来降低污染物的暴露风险,蒸气入侵的风险管控通常是通过阻断 VOCs 进入建筑物的途径来实现的。风险管控可以快速实施并在较短时间内起到降低人体暴露的目的,而污染修复则需要在较长的时间内才能实现降低风险的目的。因此通常会将风险管控与污染修复结合使用。在进行场地修复和风险管控时往往还需要制度控制措施相配合。如果需要进行应急处理或者在选定最终风险管控方案之前,还可以利用风险管控以达到立即降低暴露风险的目的。
 
在国外风险管控工程措施被广泛用于蒸气入侵的风险管理,取得了非常好的管控效果。蒸气入侵常见的风险管控措施包括:被动阻隔、被动通风、底板下降压、膜下降压、底板下增压、室内增压、室内空气净化、充气地板等(10.3 节)。对于VOCs 沿优先通道侵入室内的特殊情形,也有其相应的风险管控方法(10.4 节)。蒸气入侵风险管控系统的安装运行包括:系统设计和施工、运行效果的评价指标、运行维护与监测、系统关闭等环节(10.5 ~ 10.9 节)。
 
9. 需要专门制定针对蒸气入侵的技术指南

蒸气入侵的复杂性导致其调查评估的技术难度较大,但由于其重要性日渐被业内认知,很多国家都专门制定了针对VOCs 蒸气入侵的场地调查评估和风险管控技术指南。随着科学研究的深入和实践经验的积累,很多技术指南还经过了多次修订。目前,我国已经建立起了土壤环境管理的基本的制度框架,但是专门针对蒸气入侵的风险的技术指南仍然较为欠缺,应尽快补齐这方面的制度短板。
 
作者简介
马杰,副教授,博士生导师,现就职于中国石油大学(北京)化学工程与环境学院环境科学与工程系、重质油国家重点实验室。本科毕业于北京大学环境科学专业,硕士和博士均毕业于美国莱斯大学(Rice University)环境工程专业,导师 Pedro Alvarez 教授是国际知名环境工程专家、美国工程院院士。马杰长期致力于“有机污染场地风险评估与修复”方面的研究,在北京大学本科学习期间参与了我国场地修复领域的第一个大型研究项目“北京焦化厂修复示范工程”,在 VOCs 蒸气入侵、受控自然衰减与生物修复、原位化学氧化等方面均取得一定的研究成果,在 Environment Science & Technology、Water Research 等环境领域高水平期刊上发表第一作者 / 通讯作者 SCI 论文 28 篇,独立撰写学术专著 1 部,合作编写本科生教材 1 部以及英文学术专著 1 章。2014 年入选校青年拔尖人才,2017 年入选北京市科技新星。
 
 
 
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