土壤及地下水污染修復技術、專利與行業發展分析*

張 濤 丁貞玉

(環境保護部環境規劃院，北京 100012)

2016年初，發生在江蘇的常隆化工原廠址污染事件將中國土壤及地下水污染及修復問題推向風口浪尖。事實上，根據2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤環境質量狀況不容樂觀，很多地區土壤污染嚴重，總的超標率為16.1%，其中耕地土壤環境質量超標率達到19.4%，而類似常隆等工礦業廢棄地土壤環境問題更突出，超標率高達36.3%[1]。再回顧“全國地下水基礎環境狀況調查(環保、國土、水利、財政)”的初步結果，2011—2013年，地下水質量狀況極差水質比例達到15%左右。可見，土壤及地下水污染已對公眾健康和生存環境構成嚴重威脅，并將成為地方經濟發展的瓶頸[2-5]。自2006年以來，中國環境保護相關部門及從業人員已逐步開展土壤及地下水污染修復示范項目，在修復技術選擇方面，一般采用物理、化學和生物等方法轉移、吸收、降解和轉化土壤及地下水中的污染物，使其濃度降低到可接受水平，或將有毒有害的污染物轉化為無害的物質，但很多技術目前在中國仍未得到商業化的廣泛應用。中國土壤類型豐富、水文地質條件復雜，目前亟需在引進、消化、吸收國外先進修復技術的基礎上，建立適合中國不同污染類型場地的調查及修復技術體系，并在大規模實踐中對修復體系進行不斷修正和完善，以推動行業的快速發展。本研究比較了截至2015年國內外有關土壤和地下水污染修復技術的發展及應用狀況，并對相關專利進行檢索和分析，以期為中國修復產業發展提供基礎性參考或建議。

1 國外修復技術發展現狀

20世紀初，隨著發達地區工農業經濟的迅猛發展，很多國家都遭遇了土壤及地下水污染的問題[6]。20世紀50年代以來，已有部分國家制定并開展了土壤及地下水污染治理修復行動計劃，有一些國家還利用先進的技術與嚴格的法規進行生態治理，也積累了大量經驗[7-8]。國外常用的方法主要分為物理、化學及生物修復3種[9]559。物理方法一般分為電動力學法、熱處理法、蒸汽提法；化學方法分為固化/穩定化法、土壤淋洗法、化學氧化還原法、光催化法；生物方法主要包括植物、動物以及微生物法。部分重要修復技術對比具體見表1[9]559-562，[10]61，[11]。

1.1 美 國

在污染場地修復技術應用方面，美國可以說居于世界領先地位。針對不同類型的土壤及地下水污染物和污染源，因地制宜采取不同的管理規范，并成立不同管理部門，多方籌措治理經費。1980年以來，美國利用當時先進的技術手段有效地治理了一大批污染場地[12]。以地下水治理為例，美國各州常見的治理技術方案包括：(1)隔離污染物；(2)將污染物移出含水層；(3)將土壤及含水層中的污染物進行固定或無害化；(4)在使用前對受污染的地下水進行水質處理；(5)停止使用受污染含水層中的地下水，尋找替代水源。

首先，在1982—2005年，共977項美國土壤修復項目的統計結果顯示，原/異位修復技術所占項目總數的比例分別為48%和52%，主要技術應用比例依次為原位蒸發提取(26%)>異位固化/穩定化(18%)>異位焚燒(11%)>異位熱脫附(7%)>異位生物修復(6%)>原位固化/穩定化(5%)、原位生物修復(5%)、原位萃取(5%)>現場焚燒(4%)，說明當時美國修復工程側重于異位修復，除原位蒸發提取外，多側重于異位固化/穩定化、異位焚燒和異位熱脫附等修復技術。2002—2005年，美國年度財政支出中60%污染源處置工程采用的是原位修復技術，比1982—2005年高出12百分點，而原位修復具備無需開挖、成本低、施工影響較小等優點，可以預測美國未來會盡量以原位修復工程為主、異位為輔，并會逐步降低可能產生二次污染的技術應用比例(如焚燒等)[13]93。

其次，將1986—2008年美國超級基金修復地下水污染場地所采用的技術及比例變化進行統計，結果見圖1。由圖1可見，采用抽出處理技術的比例從1986年的68%下降到2008年的17%；采用監測自然衰減技術的比例從1986年的6%增加到2008年的17%；采用原位修復技術的比例從1986年的0增加到2008年的17%。監測自然衰減和原位修復技術的應用比例顯著提升。同時，制度控制及其他技術在1993—2000年大幅增加，2000年達到49%；2000—2008年一直維持在50%左右。

在美國超級基金計劃中，2005—2008年總共有702個地下水修復決策文件。其中，絕大多數場地采用了抽出處理、監測自然衰減和原位修復技術以外的其他污染控制技術手段，主要是風險管理控制制度和長期監測，共有328個案例；監測自然衰減案例為140個；原位修復技術案例共119個；抽出處理案例僅為98個。各種原位修復技術中，又以原位微生物修復和原位化學處理技術為主。

從各種土壤及地下水修復技術的應用趨勢來看，未來美國污染場地治理仍會以各種污染風險管理控制制度及修復技術聯合使用為主。原位微生物修復和原位化學處理技術會逐漸替代抽出處理技術。各種修復技術的聯合使用尤其是各種修復技術同監測自然衰減技術聯合使用會在未來的修復選擇策略中占主要地位。

1.2 其他發達國家

其他發達國家的土壤及地下水修復工程開展以來，也結合各自特點各有側重。英國奉行科技治污，將土壤修復較規范地分為物理、化學、生物修復技術3個方面；德國則強調對污染場地需進行詳細摸底調查后進行優先等級排序，針對不同的污染場地應采用不同的修復技術；日本則側重于風險管理控制為主要方向，并制定相關法律法規[14]。

圖1 1986—2008年美國超級基金修復地下水污染場地所采用的技術及比例變化Fig.1 The variations in technologies ratios of groundwater remediation in superfund of America in 1986-2008

圖2 按申請年和公開年統計的中國土壤及地下水修復技術專利(1985—2014)Fig.2 Patents of soil and groundwater remediation technologies for years according to apply for patent and public in China from 1985 to 2014

根據楊勇等[13]93的統計結果，在1978—2007年，歐洲實際工程中側重于應用原位生物修復技術，技術應用比例高達35%，并愿意將污染土作為非可再生資源進行廢棄處理(比例約37%)。

2 土壤及地下水修復產業現狀及專利分析

2014—2015年，中國環境修復工程領域也逐步加大投資成本及科學技術應用。從技術方法上，2007年工業場地污染土壤的處理處置主要技術為水泥窯混燒、安全填埋兩種，分別占67%和33%。2010年采用的修復技術主要為水泥窯混燒28%、熱脫附20%、固化/穩定化20%、化學氧化27%，能源高度消耗的技術占比97%以上。到2014年前后，土壤污染修復技術在中國主要為水泥窯混燒40%，固化/穩定化30%，熱脫附、化學氧化和土壤淋洗分別占10%左右。但是，污染土壤的異位高能耗工程化措施在國內場地修復技術選擇中一直處于主導地位。

據不完全統計，2014、2015年中國環境修復的資金分別投入約25億～35億、45億～60億元人民幣，包括工業企業污染場地、農田污染修復示范和河流底泥清理的試點工程，其中大部分來自國家重金屬專項資金、地下水專項資金(約30億～40億元人民幣)。在這逐年增加的資金投入上，技術的創新也得到了有效支持。

根據中國國家知識產權數據庫查詢，分別以“土壤污染調查”、“土壤調查”、“土壤修復”、“地下水調查”、“地下水修復”、“地下水治理”“污染場地”為關鍵詞進行檢索，共取得5 691條數據樣本，后經過仔細核實，最終得到有效數據2 684條。由圖2可以看出，中國土壤及地下水修復技術專利最早申請時間從1985年開始，到1999年發展一直較平穩，申請數量也并不多，平均3.8件/年；2000年后，專利申請數量呈快速增長趨勢，平均每年的增長幅度高達30%以上，部分年份甚至達到60%，其中2013、2014年專利申請數量已分別達到了558、479件。根據部分資料的專利分析情況顯示，包括日本、美國、德國在內的世界上大多數國家，在土壤修復技術領域的技術開發高潮期均在2004年前，2004年后都有不同程度下降。只有中國在該領域的專利申請數量自1994年以來穩步上升，并在2009年達到183件，升至第1位。此后，同期中國的專利申請數量不斷增長，而同時世界大部分國家專利申請數量均有不同程度下降，中國穩居第一。這與何歡等[10]61分析結果類似。這些表明，隨著中國土壤和地下水修復領域逐漸成為科研熱點，國家越發重視生態環境，修復市場前景廣闊，技術研發目前正處于新的高潮期。

中國土壤及地下水修復技術前16名競爭者綜合實力比較見表2。由表2可見，中國科學院沈陽應用生態研究所專利數排第一；清華大學具有最長的活動年數，從2000年至2015年已有15年的申請歷史。大學和研究單位在此領域占支配地位，前16名中只有江蘇上田環境修復有限公司和江蘇蓋亞環境工程有限公司兩家公司。中國的專利權人活動年數較短，平均只有8年左右，國際上前15位平均為10年。這表明，中國專利權人較分散，研究主體主要為高校，企業尚未成為研究主體。中國在此領域發展較快，投入較大，具有巨大的潛力。

對部分年份國內專利中關鍵技術分布頻率進行分析。結果表明，中國專利多集中在植物和微生物修復方面，其次是物理化學修復。在修復設備方面，中國具有自主知識產權的分析、檢測和施工設備相對落后，種類有限，大多依賴進口。日本專利技術則覆蓋面廣，除淋洗、電動和固化/穩定化技術專利外，在污染監測和施工設備方面同樣占據優勢；美國則側重于化學和熱解修復技術方面。這與趙婉雨等[15]分析結果類似。

表2 截至2015年中國土壤及地下水修復技術前16名競爭者綜合實力比較

針對污染類型不一的具體場地，單一技術和設備往往無法滿足修復需求。與國外相比，中國缺乏完整而系統的修復技術和產品產業鏈，目前亟需將工作重點放在修復技術體系研發和修復產品設備的產業化發展上，側重于物理、化學和生物聯合修復方式，實現全過程污染防控，在借鑒國外先進經驗的基礎上，努力促進技術本土化，加強工程應用和推廣力度，提高污染場地修復產業的快速發展水平，政府、科研機構、企業和社會等也應對土壤及地下水修復產業加大資本的投入。

3 中國土壤及地下水污染修復行業發展

(1) 土壤及地下水環境保護服務逐漸成為環保產業的重點。

據業內專家分析，污染場地修復行業主要分為3大類：咨詢服務；工程服務；藥劑與設備生產和供應。其中，咨詢服務類主要分為場地調查與風險評價、修復方案與設計、監理與修復驗收。除這3大類外，還會帶動采樣與實驗室分析及培訓服務行業。在工業化和城市化的過程中，歐美等發達國家較早關注了工業污染場地的修復問題。美國、日本的環境修復產業占本國環保產業的市場份額高達30%～50%。日本從20世紀70年代已開始土壤污染的治理研究，美國在20世紀90年代用于污染土壤修復方面的投資近1 000億美元。

2016年是“十三五”的開端，預計在土壤污染加密調查、農用地和建設用地治理試點、土壤污染防治先行區建設、受污染耕地修復和風險管理控制以及持續推進重金屬污染防治方面會有新的進展。參照大氣治理行動計劃，伴隨著“水十條”和“土十條”的實施，一旦修復市場打開，將是幾十萬億的規模，遠超過大氣治理。但是，目前國內修復技術及裝備還停留在“拿來主義”階段，自主知識產權的修復技術和設備成為制約中國修復行業發展的瓶頸。即便是中國土壤及地下水修復技術不斷提高，但總體上重金屬污染修復發明專利授權比例較高，授權比例約40%，其中植物修復技術發明專利授權比例接近50%，而化學固定與鈍化技術發明專利授權比例低于30%。因此，中國需盡快提高自主研發水平，盡快提高多種污染物處理處置技術能力，才能有效搶占該產業的國內市場。

(2) 土壤及地下水污染修復行業需要國家政策支持。

目前，中國污染場地土壤修復工作形勢嚴峻，需逐步健全國家污染場地土壤環境管理與修復管理支撐體系。

十一屆全國人大四次會議于2011年3月14日批準實施的《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》和國務院于2012年7月20日正式發布的《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》(國發[2012]28號)中首次在國家級戰略規劃中為土壤修復“正名”，并將之作為環保產業重點獨立分支發展。2014年，環境保護部出臺了《場地環境調查技術導則》(HJ 25.1—2014)、《場地環境監測技術導則》(HJ 25.2—2014)、《污染場地風險評估技術導則》(HJ 25.3—2014)、《污染場地土壤修復技術導則》(HJ 25.4—2014)、《污染場地術語》(HJ 682—2014)、《工業企業場地環境調查評估與修復工作指南(試行)》、《關于印發〈地下水環境狀況調查評價工作指南(試行)〉等6個工作指南的通知》(環辦[2014]99號)等一系列規范指南，極大推動了產業的發展及技術評估和應用。

同時，污染場地修復試點有序推動。2006年，環境保護部啟動了“污染土壤修復與綜合治理試點”專項研究，完成修復試點示范工程12個。國家“863計劃”資源環境技術領域對“典型工業污染場地土壤修復關鍵技術研究與綜合示范”進行了立項，開展有機氯農藥類、揮發性有機物、多氯聯苯類、鉻渣污染場地土壤修復技術設備研發與示范。2013年1月23日，國務院辦公廳發布了土壤環境保護與綜合治理的“十二五”規劃文件——《近期土壤環境保護和綜合治理工作安排》(國辦發[2013]7號)，明確以大中城市周邊、重金屬污染防治重點區域、集中式飲用水水源地周邊等為重點，開展土壤污染治理與修復試點示范；在長三角、珠三角、西南、中南等地區，選擇被污染地塊集中分布的典型區域，實施土壤污染綜合治理；有關地方要在2013年年底前完成綜合治理方案的編制工作并開始實施。2014年4月，財政部、農業部對外宣布，將在2014年啟動重金屬污染耕地修復綜合治理工作，并在湖南長株潭地區率先啟動試點，計劃3～5年內實施。中央財政在2014年撥款11.5億元，湖南財政亦相應投資。2015年，全國重金屬“十三五”規劃138個防控區競爭立項，最終30個重點防控區獲得國家支持。

4 結 語

隨著中國污染場地修復工程的逐步啟動，也激發了土壤及地下水修復產業市場，潛力巨大。實現綠色意義的污染場地修復、加大環保科技創新，是修復行業良性發展的重要基石，也是促進中國新的經濟增長和綠色發展的重要組成部分，能最終實現人和環境的和諧統一。因此，在工程實踐過程中，需要將物理、化學和生物的多種方法統籌考慮，架構適合中國污染場地的技術體系，健全行業標準，扶持自主創新及自主研發，以高效、低耗的方式解決技術效果難題。同時，應該推進企業在此領域積極創新，并發揮重要作用，采取更多措施，將高校和科研院所的專利盡快產業化，促進產業的健康快速發展。

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