污染場(chǎng)地 VOCs 蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管控

摘要: 本文內(nèi)容節(jié)選于科學(xué)出版社出版《污染場(chǎng)地 VOCs 蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管控》，該書介紹了污染場(chǎng)地?fù)]發(fā)性有機(jī)物蒸氣入侵的途徑、危害、調(diào)查評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管控方法，從理論、技術(shù)、工程案例等角度系統(tǒng)介紹了蒸氣入侵的機(jī)制和過程，傳統(tǒng)和新興的場(chǎng)地調(diào)查技術(shù)、數(shù)學(xué)模型，初步篩查與詳細(xì)調(diào)查的工作流程、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法、常用的風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)。

本文內(nèi)容節(jié)選于科學(xué)出版社出版《污染場(chǎng)地 VOCs  蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管控》，該書介紹了污染場(chǎng)地?fù)]發(fā)性有機(jī)物蒸氣入侵的途徑、危害、調(diào)查評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管控方法，從理論、技術(shù)、工程案例等角度系統(tǒng)介紹了蒸氣入侵的機(jī)制和過程，傳統(tǒng)和新興的場(chǎng)地調(diào)查技術(shù)、數(shù)學(xué)模型，初步篩查與詳細(xì)調(diào)查的工作流程、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法、常用的風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)。

該書還對(duì)國外在蒸氣入侵場(chǎng)地管理方面的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)我國面臨的“理論短板”和“技術(shù)短板”進(jìn)行了梳理，并進(jìn)一步提出了構(gòu)建適應(yīng)中國國情的“VOCs 污染場(chǎng)地多證據(jù)層次化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系”以及“以風(fēng)險(xiǎn)管控為核心的蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)處置技術(shù)體系”的倡議和構(gòu)想。該書列舉了很多實(shí)際的場(chǎng)地案例，在正文和附錄中提供了內(nèi)容豐富的圖表數(shù)據(jù)資料，希望能對(duì)我國從事污染場(chǎng)地管理和實(shí)踐的從業(yè)者提供參考和幫助。

 

核心觀點(diǎn)
 

1. 蒸氣入侵問題的重要性揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是污染場(chǎng)地中最常見、最重要的一類污染物，在《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600—2018）中規(guī)定的 45 個(gè)基本項(xiàng)目中（必測(cè)污染物）中有 27 個(gè)物質(zhì)屬于 VOCs，占比超過了一半。2000 年之后，國外大量的場(chǎng)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)被污染土壤或地下水中的VOCs 可以以氣態(tài)形式穿越土壤包氣帶或者借助優(yōu)先傳質(zhì)通道（管道或者高滲透性地質(zhì)結(jié)構(gòu)）積累在地表建筑物的地基下方，地層中的 VOCs 可以沿著建筑物底板或墻體上的裂隙、孔洞、接縫或者直接借助優(yōu)先通道進(jìn)入建筑物室內(nèi)，并與室內(nèi)空氣混合，最后通過室內(nèi)呼吸產(chǎn)生人體暴露，這一暴露途徑就被稱為“蒸氣入侵（vapor intrusion）”。

（污染場(chǎng)地暴露途徑匯總）
蒸氣入侵可能是 VOCs 污染場(chǎng)地中最重要的人體暴露途徑。只有VOCs 蒸氣入侵最有可能造成實(shí)際人體暴露。圖中的污染物從表層土/ 深層土 / 地下水揮發(fā)至室內(nèi)通過吸入室內(nèi)揮發(fā)氣體產(chǎn)生暴露）（Ma et al.，2018；Ma and Lahvis，2020）。

 

VOCs 的長期低濃度暴露會(huì)誘發(fā)癌癥等慢性疾病，短期高濃度暴露會(huì)引起神經(jīng)毒性、頭暈?zāi)垦５劝Y狀，某些 VOCs 在高濃度時(shí)還有爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于 VOCs 類污染場(chǎng)地，蒸氣入侵是最可能造成實(shí)際人體暴露的途徑，特別是棕地再開發(fā)類的場(chǎng)地。國內(nèi)外的大量場(chǎng)地調(diào)查實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：對(duì)于揮發(fā)類有機(jī)物場(chǎng)地，蒸氣入侵途徑往往決定了場(chǎng)地總體的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的大小，并且會(huì)直接影響場(chǎng)地修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)管控工作，如修復(fù)范圍的劃定、修復(fù)目標(biāo)值的選取、修復(fù)技術(shù)的選擇、經(jīng)濟(jì)成本、修復(fù)時(shí)間等。從 2000 年以后，蒸氣入侵問題逐漸引起場(chǎng)地修復(fù)業(yè)界重視。2018 年 9 月，美國聯(lián)邦環(huán)保署（USEPA）第一次僅因?yàn)檎魵馊肭诛L(fēng)險(xiǎn)將兩塊場(chǎng)地增補(bǔ)進(jìn)入超級(jí)基金場(chǎng)地的名單（密西西比州 Rockwell International Wheel & Trim 場(chǎng)地和得克薩斯州 Delfasco Forge 場(chǎng)地）。

 

2. 蒸氣入侵過程的復(fù)雜性

 

傳統(tǒng)的蒸氣入侵場(chǎng)地概念模型認(rèn)為：受污染土壤和地下水中的 VOCs 主要以氣態(tài)的形式經(jīng)由包氣帶土壤中的孔隙遷移至建筑物地基附近，并通過建筑物地板和墻體結(jié)構(gòu)上的孔隙和接縫等進(jìn)入室內(nèi)。在蒸氣入侵過程中，污染物通過揮發(fā)、吸附、解析、溶解、分配等過程在水相、固相、氣相、自由相等多個(gè)相態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化。蒸氣入侵傳質(zhì)過程涉及擴(kuò)散、對(duì)流和彌散等遷移機(jī)制，在遷移過程中污染物還會(huì)通過好氧生物降解、厭氧生物降解、非生物降解等機(jī)制發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。污染物進(jìn)入室內(nèi)并與室內(nèi)空氣混合稀釋的過程受到建筑結(jié)構(gòu)和特征、室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況、居民活動(dòng)、室外的風(fēng)、降水、氣壓波動(dòng)、氣溫波動(dòng)等多種室內(nèi)外環(huán)境和人為因素的影響，非常復(fù)雜。

 

（VOCs 在地層中的遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨）

 

最新研究還發(fā)現(xiàn) VOCs 還可以通過多種非傳統(tǒng)傳質(zhì)途徑侵入室內(nèi)，例如：地下管線、濕地下室情形等。越來越多的實(shí)際場(chǎng)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在很多揮發(fā)性有機(jī)物場(chǎng)地，非傳統(tǒng)途徑可能是蒸氣入侵的主要傳質(zhì)方式。不過，這些非傳統(tǒng)途徑很難借助常規(guī)的場(chǎng)地調(diào)查手段被發(fā)現(xiàn)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)這些非傳統(tǒng)蒸氣入侵途徑的認(rèn)識(shí)目前還存在很多知識(shí)短板。

 

3. 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間異質(zhì)性

 

由于 VOCs 的揮發(fā)性和遷移性較強(qiáng)，VOCs 在飽水帶、包氣帶、室內(nèi)空氣中的濃度分布受到場(chǎng)地污染狀況、場(chǎng)地地質(zhì)和水文地質(zhì)特征、地表天氣狀況（風(fēng)、氣壓、降水、溫度）、建筑結(jié)構(gòu)、建筑內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況等多種因素的影響，其濃度分布具有非常大的時(shí)間和空間異質(zhì)性。3.10 節(jié)列舉了三個(gè)場(chǎng)地案例，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能存在 3 ～ 4 個(gè)數(shù)量級(jí)的波動(dòng)，這為準(zhǔn)確評(píng)估 VOCs 的長期平均人體暴露帶來了很多困難。但場(chǎng)地調(diào)查數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間異質(zhì)性問題尚未引起國內(nèi)同行足夠的重視（Ma et al.，2018）。

常見的導(dǎo)致 VOCs 濃度時(shí)間分布異質(zhì)性的原因包括：
①土壤含水率的波動(dòng)；②室內(nèi)空氣交換率的波動(dòng)；③非平衡吸附解析；④室內(nèi)外氣壓差的波動(dòng)；⑤場(chǎng)地水文地質(zhì)狀況的時(shí)間波動(dòng)；⑥污染源隨時(shí)間的變化，其中對(duì) VOCs 室內(nèi)空氣濃度的短期波動(dòng)影響較大的是室內(nèi)空氣交換率和室內(nèi)外氣壓差的波動(dòng)。

 

常見的導(dǎo)致 VOCs 濃度空間分布異質(zhì)性的原因包括：
①地層地質(zhì)狀況的空間異質(zhì)性；②場(chǎng)地水文地質(zhì)狀況的空間異質(zhì)性；③不同建筑物或同一棟建筑不同區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)的差異；④不同建筑物或同一棟建筑不同區(qū)域的建筑運(yùn)行工況的差異；⑤優(yōu)先通道。

 

4. 多證據(jù)調(diào)查方法

 

由于蒸氣入侵的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間異質(zhì)性，任何一項(xiàng)單一證據(jù)都無法單獨(dú)確證蒸氣入侵的風(fēng)險(xiǎn)，必須搜集不同種類的證據(jù)，綜合在一起才能得出可靠的結(jié)論，這就是“多證據(jù)調(diào)查方法”（Ma et al.，2018）。在蒸氣入侵調(diào)查評(píng)估中，多證據(jù)方法一般包括地下水、土壤、深層土壤氣、淺層土壤氣、底板下土壤氣、室內(nèi)空氣、室外空氣中污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也包括地表污染物通量監(jiān)測(cè)、單體穩(wěn)定同位素分析、分子指紋分析、示蹤劑監(jiān)測(cè)、室內(nèi)氣壓調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)等新興調(diào)查技術(shù)得到的數(shù)據(jù)。其中，地下水、土壤氣、室內(nèi)空氣中的 VOCs 濃度一般構(gòu)成多證據(jù)方法中的核心證據(jù)鏈。 

 

（蒸氣入侵詳細(xì)調(diào)查的工作步驟和路線圖）

 

在我國目前的場(chǎng)地調(diào)查實(shí)踐中，污染物土壤濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)占據(jù)著最核心的地位，是進(jìn)行場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心依據(jù)。不過揮發(fā)性有機(jī)物 VOCs 與半揮發(fā)性有機(jī)物 SVOCs 以及重金屬在理化特征以及環(huán)境行為等方面差異較大，VOCs 的污染特征及其適用的調(diào)查手段具有其特殊性。大量研究表明土壤中的VOCs 濃度和土壤氣中 VOCs 濃度并沒有顯著的相關(guān)性，基于土壤 VOCs 濃度數(shù)據(jù)，利用三相平衡模型計(jì)算出的土壤氣VOCs 濃度往往與其實(shí)際濃度差異較大。因此，僅依賴土壤濃度進(jìn)行 VOCs 場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估特別是 VOCs 呼吸暴露途徑的評(píng)估存在明顯的不足，這一點(diǎn)應(yīng)引起國內(nèi)環(huán)保管理部門以及調(diào)查評(píng)估同行更多的重視（Ma et al.，2018）。

 

5. 層次化的調(diào)查評(píng)估流程

 

由于蒸氣入侵的復(fù)雜性，為了更合理地分配調(diào)查資源（時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、人力），蒸氣入侵調(diào)查評(píng)估一般采用層次化的方法，通常包括初步篩查和詳細(xì)調(diào)查兩個(gè)階段。初步篩查的目的就是通過簡單的篩選將風(fēng)險(xiǎn)較低的建筑或區(qū)塊排除，以便在詳細(xì)調(diào)查階段的將工作重點(diǎn)聚焦在高風(fēng)險(xiǎn)的建筑或區(qū)塊。無論是初步篩查還是詳細(xì)調(diào)查，都包括若干工作步驟，既需要進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，又需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析評(píng)估。第 8 ～ 10 章分別對(duì)初步篩查、詳細(xì)調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了介紹。

 

6. 采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量

 

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是客觀評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況、反映污染治理成效、實(shí)施環(huán)境管理與決策的基本依據(jù)，高質(zhì)量的采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)。由于揮發(fā)性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)活潑，VOCs 采樣監(jiān)測(cè)技術(shù)難度較大，不規(guī)范操作會(huì)導(dǎo)致樣品中VOCs 的揮發(fā)、吸附、反應(yīng)損失。國內(nèi)第三方監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)能力參差不齊，有可能導(dǎo)致采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可靠。第 3 章和第 4 章分別針對(duì) VOCs 的檢測(cè)技術(shù)和采樣技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

 

7. 數(shù)學(xué)模型的不確定性

 

除了采樣監(jiān)測(cè)以外，數(shù)學(xué)模型也是一類常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前共開發(fā)出了超過 30 個(gè)蒸氣入侵模型。這些模型種類繁多、功能各異，既有簡單的一維解析模型，也有復(fù)雜的三維數(shù)值模型。不同模型有著不同的模型假設(shè)、邊界條件和控制方程，但大部分模型在核心計(jì)算步驟上采用了相似的數(shù)學(xué)原理，甚至完全相同的數(shù)學(xué)公式。需要指出的是任何數(shù)學(xué)模型都是對(duì)所模擬過程的簡化和數(shù)學(xué)抽象，在這一過程中會(huì)伴隨著一定程度的失真（即產(chǎn)生誤差）。因此，雖然數(shù)學(xué)模型是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要工具，其結(jié)果也可以作為多證據(jù)鏈中的一條，但是模型使用者應(yīng)該對(duì)模型的誤差有更為深刻的理解，這一點(diǎn)尚未引起國內(nèi)同行足夠的重視。

 

 GW-VAP3D 模型的概念   模型示意圖（Mustafa et al.，2014）

 

8. 蒸氣入侵的風(fēng)險(xiǎn)處置

如果目標(biāo)地塊或建筑可能因 VOCs 蒸氣入侵導(dǎo)致不可接受的健康風(fēng)險(xiǎn)，那么就必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)處置，常見風(fēng)險(xiǎn)處置技術(shù)包括：場(chǎng)地修復(fù)、制度控制、風(fēng)險(xiǎn)管控。污染修復(fù)是通過將污染物從被污染土壤或地下水中直接清除以達(dá)到減少或徹底消除蒸氣入侵人體暴露的目的。制度控制是通過法律、行政、規(guī)章制度的控制，以最大限度地減少人體暴露。風(fēng)險(xiǎn)管控是通過阻斷暴露途徑來降低污染物的暴露風(fēng)險(xiǎn)，蒸氣入侵的風(fēng)險(xiǎn)管控通常是通過阻斷 VOCs 進(jìn)入建筑物的途徑來實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)險(xiǎn)管控可以快速實(shí)施并在較短時(shí)間內(nèi)起到降低人體暴露的目的，而污染修復(fù)則需要在較長的時(shí)間內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。因此通常會(huì)將風(fēng)險(xiǎn)管控與污染修復(fù)結(jié)合使用。在進(jìn)行場(chǎng)地修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控時(shí)往往還需要制度控制措施相配合。如果需要進(jìn)行應(yīng)急處理或者在選定最終風(fēng)險(xiǎn)管控方案之前，還可以利用風(fēng)險(xiǎn)管控以達(dá)到立即降低暴露風(fēng)險(xiǎn)的目的。

 

在國外風(fēng)險(xiǎn)管控工程措施被廣泛用于蒸氣入侵的風(fēng)險(xiǎn)管理，取得了非常好的管控效果。蒸氣入侵常見的風(fēng)險(xiǎn)管控措施包括：被動(dòng)阻隔、被動(dòng)通風(fēng)、底板下降壓、膜下降壓、底板下增壓、室內(nèi)增壓、室內(nèi)空氣凈化、充氣地板等（10.3 節(jié)）。對(duì)于VOCs 沿優(yōu)先通道侵入室內(nèi)的特殊情形，也有其相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控方法（10.4 節(jié)）。蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)的安裝運(yùn)行包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工、運(yùn)行效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)、運(yùn)行維護(hù)與監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)關(guān)閉等環(huán)節(jié)（10.5 ～ 10.9 節(jié)）。

 

9. 需要專門制定針對(duì)蒸氣入侵的技術(shù)指南

蒸氣入侵的復(fù)雜性導(dǎo)致其調(diào)查評(píng)估的技術(shù)難度較大，但由于其重要性日漸被業(yè)內(nèi)認(rèn)知，很多國家都專門制定了針對(duì)VOCs 蒸氣入侵的場(chǎng)地調(diào)查評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)指南。隨著科學(xué)研究的深入和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，很多技術(shù)指南還經(jīng)過了多次修訂。目前，我國已經(jīng)建立起了土壤環(huán)境管理的基本的制度框架，但是專門針對(duì)蒸氣入侵的風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)指南仍然較為欠缺，應(yīng)盡快補(bǔ)齊這方面的制度短板。

 

作者簡介

馬杰，副教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)就職于中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系、重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。本科畢業(yè)于北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，碩士和博士均畢業(yè)于美國萊斯大學(xué)（Rice University）環(huán)境工程專業(yè)，導(dǎo)師 Pedro Alvarez 教授是國際知名環(huán)境工程專家、美國工程院院士。馬杰長期致力于“有機(jī)污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與修復(fù)”方面的研究，在北京大學(xué)本科學(xué)習(xí)期間參與了我國場(chǎng)地修復(fù)領(lǐng)域的第一個(gè)大型研究項(xiàng)目“北京焦化廠修復(fù)示范工程”，在 VOCs 蒸氣入侵、受控自然衰減與生物修復(fù)、原位化學(xué)氧化等方面均取得一定的研究成果，在 Environment Science & Technology、Water Research 等環(huán)境領(lǐng)域高水平期刊上發(fā)表第一作者 / 通訊作者 SCI 論文 28 篇，獨(dú)立撰寫學(xué)術(shù)專著 1 部，合作編寫本科生教材 1 部以及英文學(xué)術(shù)專著 1 章。2014 年入選校青年拔尖人才，2017 年入選北京市科技新星。

 

 

 

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