污染场地环境风险管理与原位地下水修复技术 陈梦舫

1、污染场地环境风险管控与原位地下水修复技术,陈梦舫 研究员,主要内容,污染场地现状分析 污染场地环境风险管理框架模式 污染场地概念模型 土壤与地下水风险评估技术方法学 原位地下水修复技术 总结,污染耕地约有1.5亿亩，中重度污染耕地高达5000万亩 全国工业企业搬迁遗留的严重污染场地超过50万家 矿区、油田以及饮用水源地土壤环境安全日趋恶化 土壤污染呈现出流域性和区域化发展的态势,我国土壤污染问题十分突出，严重影响农产品安全和人体健康,2014年4月17日“全国土壤污染状况调查公报”,场地污染现状分析,北京：根据北京奥运行动计划，四环路区内200多家污染企业搬迁，置换800万m2工业用地再开发,

2、沈阳：2008年，56家污染企业搬迁改造；2009年，搬迁改造城区内所有重污染企业,江苏省：2000-2005年 ，400家化工企业搬离城区，关停小化工企业1000多家；2010年，置换土地30万亩,广州：2007年，147家大型工业企业关闭、停产、搬迁,重庆：2010年， 主城区112家污染企业“环保搬迁”,污染企业搬迁掀起“热潮”,场地污染现状分析,存在大量高风险污染场地,1000多个农药生产基地 （含44家生产POPs有机氯农药遗留场地） 80 余处金属渣堆放区域，无防雨、防渗措施（总量600万吨） 难以计数的化工企业遗留场地,场地污染现状分析,有机类污染场地,北京原某农药厂：表层土壤六

3、六六浓度在1-440 mg/kg，DDTs浓度在5-966 mg/kg，农药生产车间和农药存放场地土壤污染最为严重。 华北某农药厂：下风向200 m处土壤中DDT浓度达到2624.0 mg/kg，原生产车间、废物堆放场土壤中DDT浓度分别高达677940mg/kg和791600 mg/kg。巴塞尔公约推荐标准为50mg/kg。,工业污染场地种类多、范围广、危害大,据不完全统计，全国农药企业关闭和搬迁遗留场地、农药流通和储存过程中形成的农药污染场地近千处，其中包括44家生产POPs有机氯农药企业历史遗留场地。,农药生产车间土壤污染,农药厂受污染土壤,无机类污染场地：金属渣堆存场地,上世纪50年代

4、至今，广州、上海、苏州、长沙、黄石、青岛、济南、天津、锦州、沈阳、重庆等地都生产、堆存过铬渣，总堆存量约600万吨，分散于80余处，大部分没有防雨、防渗措施。 天津某化工厂铬渣堆放场地周边土壤中Cr含量为581-7060 mg/kg；杭州某化工厂原万吨铬渣堆放点土壤Cr含量达到172-20392 mg/kg，地下水中Cr6+含量达10.5-227.3 mg/L，污染严重。,湖南,甘肃,露天堆放，大片土地严重污染,垃圾堆放,化工厂废水排放,加油站,特定场地的地下水污染状况,矿区,化工厂：1,2-二氯乙烷，苯胺，硝基苯，氯苯，苯 等 垃圾堆放：硝酸盐，亚硝酸盐，氨氮，重金属等 加油站：苯系物，石油

5、烃，多环芳烃 等 矿区：重金属（高锰、高砷、高镉、高铁），氰化物等,场地污染现状分析,全国地下水污染调查评价结果（2005-2010）,主要污染物: 硝酸盐、重金属、持久性有机污染物、卤代烃; 主要来源: 农药、化肥，生活污水、工业“三废” 、石油化工含油废水排放,场地污染现状分析,我国地下水污染的空间分布,经济快速发展下场地土壤与地下水污染态势,污染面积在扩大 污染物种在增多 污染类型在叠加 污染浓度在提高 多源性、多样性、复合性,场地污染现状分析,12,污染场地环境管理框架体系有待健全 各类技术指南、规范偏重于土壤 （土壤、地下水定义模糊） 场地调查与风评工作重视程度低（污染边界，特征，介

6、质） 修复方案的制定与评估结论严重脱节，修复工程针对性差 修复技术单一（水泥窑、异位热脱附、填埋）,场地污染现状分析,存在的问题,城市污染场地（棕地）关注污染物,Challenging to treat,VERY difficult to treat!,有机溶剂,氯代烃类,重金属类,持久性有机污染物,污染场地环境风险管理框架模式,可持续管理 框架体系,1980 - 1990,1991 - 2004,2005 现在,将所有物质都恢复到自然背景值,污染场地风险管理框架体系,技术上难以达到 无需清除彻底 成本高,可持续性管理框架基于风险管理框架，更加关注修复过程中环境，社会及经济效益的平衡,可行性,

7、平衡性,容忍性,污染物,暴露途径,受体,风险,污染场地风险管理框架强调源-暴露途径-受体链，关注修复技术的选择及环境效益,完全清除,我国目前处于完全清除阶段，急需尽早建立污染场地风险管理和可持续管理框架体系,污染场地环境风险管理框架模式,完全清除 1980 to 1990,风险管理框架 1990 to 2004,可持续管理框架 2005 to present,美国超级基金地下水修复1986-2011年数据,自污染场地风险管理框架体系实施以来，昂贵的抽提技术持续减少，而以风险管理为基础的制度控制持续上升，自然衰减监测技术、生物与物化修复技术已逐步占主导地位,抽提技术,社会制度控制,自然衰减监测,

8、原位修复,抽提技术,污染场地环境风险管理框架模式,核心：建立污染场地环境管理框架体系,污染物迁移行为特征的研究,土壤与地下水修复工程技术的实施,风险评估技术导则 健康与环境评估模型,污染场地环境风险管理框架模式,经口摄入 和皮肤接触 表层土壤,吸入室内 污染物蒸气,饮用地下水,下层土壤污染源,土壤污染物淋溶,表层土壤污染源,地下水迁移,蒸气入侵,生态环境,鱼,吸入室外污物蒸气和土壤颗粒物,贝壳,地下水 水平迁移,鱼苗,土壤与地下水污染问题,人体健康:Human Health 水环境:Water Environment,污染场地通用概念模型 Generic Conceptual Site Mod

9、el,污染场地环境风险管理框架模式,传统的方法,基于风险的方法,实施,修复选择,场地调查,通用标准,场地调查,修复选择,实施,风险评估,特定场地标准,污染场地环境风险管理框架模式,需要的场地特征数据增多, 修复成本却降低,健康: HERA, RBCA, CLEA 水环境: HERA, RBCA, RTM,MODFLOW, RT3D MT3DMS, PTH3D,可持续修复,第四阶段 （TIER 4） 基于场地特征条件 推导地下水 特定场地评估基准 （修复目标）,第二阶段 （TIER 2） 基于保守条件 推导土壤与地下水 成因场地评估基准 （筛选值）,第一阶段 (TIER 1),定性风险评估,常用

10、模型,定量风险评估,第三阶段 （TIER 3） 基于场地特征条件 推导土壤与地下水 特定场地评估基准 （修复目标）,项目资金投入越来越多,问题识别 Problem Formulation,毒性评估 Toxicity Assessment,风险表征 Risk Characterisation,暴露评估 Exposure Assessment,源 - 途径- 受体联合体,健康: HERA, RBCA, CLEA 水环境: HERA, RBCA, RTM,多层次风险评估体系,污染场地环境风险管理框架模式,Official Chinese Guidelines Published in Feb 201

11、4, effective from July 1st 2014, but need improvement,场地环境调查技术导则 （HJ 25.1-2014) 场地环境监测技术导则 （HJ 25.2-2014） 污染场地风险评估技术导则 （HJ25.3-2014） 污染场地土壤修复技术导则 （HJ 25.4-2014）,出台一系列场地环境管理办法 环发201466号关于加强工业企业关停、搬迁及原址场地再开发利用过程中污 染防治工作的通知,污染场地环境风险管理框架模式,污染暴露链：污染物暴露途径受体,污染场地概念模型,污染物,暴露途径,受体,风险,Relationship of Contamin

12、ant-Exposure Pathway-Receptors,Pollutant Linkage,水文地质概念模型：Understanding geology/hydrogeology, natural attenuation processes is critical for risk assessment,Conceptual Exposure Model（暴露概念模型）,污染场地概念模型,E,W,NCP Aquifer System,4个第四纪含水层单元。第一与第二个为 “浅层含水层区” ，第三与第四个为 “深层含水层区”。 地下水储存潜势高，山麓地区为重要的补给源。,污染场地概念模型,

13、North China Plain (NCP),2013年5月，华北六省市地下水污染专项检查结果显示：120家企业利用渗坑、渗井偷排工业废水,污染场地概念模型,(a) shallow aquifer (b) deep aquifer,污染场地概念模型,Irrigation 农田灌溉 - 食品安全 （健康） Drinking Water 饮用地下水 - （健康） Indoor and Outdoor Vapour Intrusion 室内外蒸气入侵（健康） Discharge to Surface Water 河流释放 （生态风险）,河北邢台渗坑风险-水文地质概念模式,污染场地概念模型,27,W

14、eak Aquifer,Widespread Complicated Site Histories,Clay dominated geology Weak aquifer (high WT) Composite Contaminants,Slowly migrating off-site Hidden, longevity Difficult to treat,Yangtze Delta Region Hydrogeological Conceptualization,污染场地概念模型,Hyporheic Zone (潜流交换带),黄铁矿氧化区,酸性矿坑水与岩石相互作用 Neutralisat

15、ion, dilution, sorption and biochemical reactions,重金属元素沉淀 Metal Precipitation and Co-Precipitation,废弃矿山环境污染过程演化,地下水污染过程：有次序氧化还原过程示意图,污染场地概念模型,污染场地概念模型,干净地下水,地下水污染物自然衰减过程 BTEX Oxidation,污染场地概念模型,地下水污染物自然衰减过程 Reductive Dechlorination,污染场地概念模型,三氯乙烯 - TCE,二氯乙烯 - DCE,氯乙烯 VC,乙烯,三氯乙烷,二氯乙烷,风险估算(Risk estimat

16、ion)+风险判断(Risk evaluation) 风险估算(Risk estimation)：风险大小 风险判断(Risk evaluation)：风险是否值得关注,风险评估基本要素,风险计算=暴露剂量/毒性（环境质量标准） Risk estimation=Exposure assessment/ toxicity 暴露剂量(Exposure)：通过口腔摄入、呼吸及皮肤进入人体的污染物剂量 毒性(Toxicity)：人体暴露于污染物发生的效应,暴露剂量与环境浓度密切相关 通过多介质环境模拟预测 （Multimedia Environmental Modelling）,土壤与地下水风险评估技

17、术方法学,可容许日均吸入量（Tolerable Daily Intake ，TDI） 针对某污染物，在生命周期中每天每单位体重摄入而仍未有显著健康风险的剂量。an estimate of the amount of a contaminant, expressed on a body weight basis, that can be taken in daily over a lifetime without appreciable health risk. 考虑非土壤背景值（Non-soil background taken into account） 容许日均土壤摄入量（Tolerabl

18、e Daily Soil Intake） = TDI - MDI 基于成人的日均摄入量（Mean Daily Intake based on adult data） C-RAG: 20% 规则-若无MDI-取保守值 （20% rule if no MDI is available Conservative）,毒理参数概念与收集,临界效应 Threshold Effects 非致癌污染物,土壤与地下水风险评估技术方法学,指示剂量 Index Dose 暴露于土壤污染物而造成的最小人体健康风险剂量（A dose which can be considered to present minimal

19、human health risk from exposure to soil contaminants） 最小健康风险（非0）（Minimal health risk-but not zero） 不考虑非土壤污染源（Soil considered independently of other sources ） 在合理实用的范围内尽可能低的条件下推导（ALARP applies ） 基于已建立标准/由可能传递最小风险的空气或水体情况估计得出，如WHO的空气质量或水质标准（Based on established standards/estimates such as from air or

20、water, which convey a minimal risk，e.g. air quality or water standards derived by WHO）,非临界效应 Non-Threshold Effects 致癌污染物,毒理参数概念与收集,土壤与地下水风险评估技术方法学,健康基准值推导框架 Health Criteria,STEP 1,化学性质（CHEMICAL CHARACTERISTICS）,文献回顾（LITERATURE REVIEW）,毒理参数TOXICITY DATA,背景暴露BACKGROUND EXPOSURE (MDI),临界值?,指示剂量（Index D

21、ose）,no,TDI,TDSI,导出 SSL,yes,STEP 2,STEP 4,STEP 3,毒理参数概念与收集,土壤与地下水风险评估技术方法学,通过剂量-效应评估（人体数据及动物试验）推导关注污染物的毒理参Toxicity data for a particular contaminant was derived from Dose-Response Evaluation (human data or animal testing）,非致癌物 Non-Carcinogen 参考剂量 Reference Dose (RfD) (mg/kg/d, 口摄和皮肤接触) 参考浓度 Referenc

22、e Concentration (RfC) (mg/m3 , 吸入) 致癌物 Carcinogen 致癌斜率因子 Cancer Slope Factor (mg/kg/d)-1 (口摄和皮肤接触) 单位致癌因子 Unit Risk factor (mg/m3)-1 (吸入),临界值 Threshold 可容许日均吸入量 Tolerable Daily Intake (TDI) (mg/kg/d, 口摄, 皮肤接触, 呼吸摄入) TDSI = TDI MDI or 20% TDI 非临界值（ ALARP 原则） Non-Threshold (ALARP Principal) 指示剂量（只用于英国

23、）Index Dose (only used in UK) (mg/kg/d,口摄, 皮肤接触, 呼吸摄入),英国 UK,美国 USA,土壤与地下水风险评估技术方法学,毒理参数概念与收集,英国：临界值及非临界值 美国:致癌物及非致癌物 UK: Threshold and Non-threshold USA: Carcinogen and Non-carcinogen,剂量 Dose (mg/kg/d),效应&风险 Response & Risk,A,B,A: 无临界值污染物，任何暴露 水平均有风险 （Toxicant has no threshold, there is some risk a

24、t any level of exposure .）,10-5,10-4,10-6,Dutch,UK ?,USEPA,TDI,Index Dose,无效应剂量 NOAEL,致癌斜率因子=风险/剂量 Slope Factor = Risk/Dose,失眠Sleep Loss,脱发Hair Loss,肾功能衰竭 Kidney Failure,LOAEL,LOAEL=最低有毒性反应剂量 TDI=非致癌效应的容许日均吸入量 NOAEL=无效应剂量 UF=不确定因子 MF=修正因子,B: 临界值污染物，其存在有限 剂量水平不会影响健康 （Toxicant has a threshold, there i

25、s a finite dose below which no adverse health effects will occur .）,毒理参数概念与收集,土壤与地下水风险评估技术方法学,国际致癌污染物风险目标水平比较,土壤与地下水风险评估技术方法学,美国ASTM RBCA 导则发展史,英国CLEA 导则发展史,EA, (1999) Methodology for the Derivation of Remedial Targets for Soil and Groundwater to Protect Water Resources. R & D Publication 20. EA, (2

26、006) Remedial Target Methodology and Remedial Target Worksheet V3.1: Hydrogeological Risk Assessment for Land Contamination.,土壤与地下水风险评估技术方法学,C-RAG: Chinese Risk Assessment Guideline published in Feb 2014,Human and Environmental Risk Assessment Software (Developed in August 2012) Developed by Centre

27、for Site Remediation (SiteRem) Institute of Soil Sciences Chinese Academy of Sciences,HERA Dealing With Both Soil and Groundwater Risks,Publically Available FREE from July 1st 2015,土壤与地下水风险评估技术方法学,Location of Applications,环境保护部环境规划院 中国环境科学研究院 上海环境科学研究院 北京市环境保护科学研究院 环保部南京环境科学研究所 轻工业环境保护研究所 浙江大学 重庆大学

28、浙江省环境监测中心 武汉市环境保护科学研究院 上海地质调查研究院 郑州市环境保护科学研究所 常州市环境科学研究院 山东省环境保护科学研究设计院 江西省环境保护科学研究院,HERA widely accepted in more than 500 projects in the past three years,主要使用单位,土壤与地下水风险评估技术方法学,HERA, RBCA，CLEA，RTW，RiscHuman,MODFLOW、MT3DMS，RT3D,Statistical Models：PRO-UCL、CL:AIRE & CIEH,Data Visualisation：SADA、Arc G

29、IS、SURFER,Model Framework for Undertaking Risk Assessment,GW Vistas, GMS, Visual MODFLOW,Numerical Models,Statistical Tests and Data Visualization,Risk Assessment,土壤与地下水风险评估技术方法学,1）计算日均暴露剂量 Calculation of Average Daily Exposure (ADEs),2）计算背景暴露剂量 Calculation of Background Exposure,3）计算总日均暴露剂量 Calcula

30、tion of TOTAL Exposure,土壤与地下水风险评估技术方法学,土壤健康风险评估 （土壤为污染源）,4）计算土壤筛选值 Calculate Generic Assessment Criteria for Soil,土壤与地下水风险评估技术方法学,4,4,POC,3,3,2,2,1,4,4,POC for soils at Tiers 1, 2, 3, and 4 （第1,2,3,4层次土壤评估的合规点）,POC for groundwater at Tiers 2, 3, and 4 （第 2, 3, 4层次地下水评估的合规点),土壤与地下水修复目标制定的多层次结构,POC,土壤

31、与地下水风险评估技术方法学,水环境风险评估 （土壤与地下水为污染源）,Contaminant Soil Sources 土壤污染源,土壤与地下水风险评估技术方法学,Contaminant Groundwater Sources 地下水污染源,土壤与地下水风险评估技术方法学,不同层次土壤修复目标计算方法,土壤与地下水风险评估技术方法学,不同层次地下水修复目标计算方法,土壤与地下水风险评估技术方法学,开发背景,污染场地风险评估技术导则（HJ 25.3-2014） Chinese Risk Assessment Guidelines for Contaminated Sites, C-RAG, 20

32、14 没有相关配套软件,HERA软件介绍,土壤与地下水风险评估技术方法学,开发背景,RBCA：基于EXCEL VBA编程，土壤与地下水评估，功能比较全面，但稳定性差，操作复杂，与C-RAG的计算方法不一致 CLEA：基于EXCEL VBA编程，仅土壤健康评估，功能比较全面，操作便利，与C-RAG的计算方法一致 RBCA+CLEA: 众多参数并非根据我国特定的环境与地质场景所设，全英文的操作界面更是给从业人员带来了极大的不便。 HERA：Health and Environmental Risk Assessment,HERA软件介绍,土壤与地下水风险评估技术方法学,基于Windows平台，使用

33、微软Visual Studio C#界面设计与C#编程，比基于EXCEL设计的美国RBCA及英国CLEA同类软件的稳定性高，功能更全面，界面设计更合理，操作更便利。,开发平台,HERA软件介绍,土壤与地下水风险评估技术方法学,功能 多层次污染场地土壤与地下水风险评估系统； 基于保护人体健康和水环境的风险评估； 计算土壤及地下水中污染物的筛选值/修复目标、风险值/危害商、暴露途径贡献率、介质浓度； 多层次数据库管理（更新参数值及添加关注污染物）； 根据英国CL: AIRE & CIEH统计导则分析污染物数据。,HERA软件介绍,土壤与地下水风险评估技术方法学,特点 揽括美国ASTM RBCA 2

34、081，英国CLEA导则及我国污染场地风险评估技术导则（C-RAG）中的主要评估模型； 包含20余种多介质溶质迁移模型； 收录610种污染物理化与毒性参数； 考虑原场与离场的健康及水环境受体； 快速构建污染场地概念模型。,HERA软件介绍,土壤与地下水风险评估技术方法学,暴露途径 （Exposure Pathways Included),土壤与地下水风险评估技术方法学,土壤与地下水风险评估技术方法学,基于RBCA、 CLEA 、C-RAG 使用 Microsoft Visual Studio (C#) 多层次评估框架 正向与反向计算方法,土壤与地下水风险评估技术方法学,610种污染物 石油烃

35、氯代溶剂 农药 重金属,选择污染物,土壤与地下水风险评估技术方法学,选择污染物,数据统计功能 鉴别检测数据的异常值 鉴别检测数据的正态或者非正态分布 计算平均值、标准差和置信区间,统计界面,土壤与地下水风险评估技术方法学,HERA软件的所有运算均使用第三层次数据库中的相应数值,理化毒性数据库管理,土壤与地下水风险评估技术方法学,共享数据库 编辑理化毒性数据库 可恢复默认参数,理化毒性数据库管理,土壤与地下水风险评估技术方法学,基础数据库 添加或删除污染物 编辑理化毒性数据库 可恢复默认参数 导入或导出数据库,理化毒性数据库管理,土壤与地下水风险评估技术方法学,原场与离场健康与水环境受体 多种暴

36、露途径,选择暴露途径,土壤与地下水风险评估技术方法学,暴露途径示意图,土壤与地下水风险评估技术方法学,模型选择,22种多介质溶质迁移解析模型,土壤与地下水风险评估技术方法学,设置参数暴露受体参数,参数默认值与C-RAG相符,土壤与地下水风险评估技术方法学,设置参数土壤性质参数,综合C-RAG、ASTM和CLEA模型中的土壤类型,土壤与地下水风险评估技术方法学,设置参数地下水性质参数,土壤与地下水风险评估技术方法学,设置参数建筑物特征参数,土壤与地下水风险评估技术方法学,设置参数空气特征参数,土壤与地下水风险评估技术方法学,设置参数作物吸收参数,参考CLEA模型参数,土壤与地下水风险评估技术方法

37、学,执行计算,土壤与地下水风险评估技术方法学,筛选值/修复目标,土壤与地下水风险评估技术方法学,风险值/危害商,土壤与地下水风险评估技术方法学,贡献率,土壤与地下水风险评估技术方法学,介质浓度,土壤与地下水风险评估技术方法学,暴露途径,土壤与地下水风险评估技术方法学,过程因子,土壤与地下水风险评估技术方法学,参数报表,土壤与地下水风险评估技术方法学,理化毒性报表,土壤与地下水风险评估技术方法学,污染场地地下水原位修复技术,生物/生物化学/生物吸收,物理化学,化学,微生物及铁 去除As,矿物质,原位PRB修复技术 原位注射技术（铁基材料）,原位地下水修复技术,零价铁 生物碳 炭-铁,1. 化学-

38、生物修复技术,2. 地下水渗透反应墙 （PRB技术）,在地下水注射多类生物、化学及其复合材料降解，包括： ZVI/nZVI (零价铁：颗粒与纳米级) Molasses （糖浆） Vegetable Oils （植物油） Bio-Magnetite (生物磁铁矿） Fe3O4 （磁性氧化铁） Biochar （生物炭） Graphene (石墨烯）,地下水污染羽,处理过的地下水,地下水位,隔水层,在地下水流场中设置化学-生物障碍墙，使污染羽流经障碍墙，污染物还原无害化,处理多类关注污染物：氯代烃，石油污染物，重金属,原位地下水修复技术,基于零价铁的地下水重金属修复技术,零价铁可以发生以下反应,修复重金属,铁与As反应,还原Cr6+和Hg2+,原位地下水修复技术,优点 无深度、污染介质、空间限制 已验证过的氧化还原过程 快速清理，无毒性的中间产物 容易注射，随地下水流动,纳米零价铁技术应用前景,国际纳米零价铁修复技术应用推广 美国自2000年开始研发，已在44多个场地进行了中试 近期欧盟NANOREM项目将在瑞士、捷克、以色列、葡萄牙及德国等6个场地进行中试 在我国还未得到应用，有待研究和推广,应用场地分布情况,处理多种关注污染物：氯代烃、农药、多氯联苯、重金属、硝酸盐,原位地下