上海市某地下水砷污染地塊修復案例分析

黃穎瑩

積極推進污染地塊風險評估和修復治理, 既是防治土壤及地下水污染的重要舉措, 更是保障人民群眾身體健康的必然要求[1]。 本文研究地塊為上海閔行區某工業地塊, 通過對該污染地開展土壤與地下水場地環境初步調查、 詳細調查和風險評估、 修復方案比選、 修復工程實施、 修復效果評估等工作, 最終完成該污染地塊地下水砷污染的修復。 可為今后異位修復技術在地下水砷污染修復中的應用提供借鑒。

1 工程概況

該污染地塊站點面積約7642 m2, 為某化學材料公司廠區,該公司主要進行罐用密封膠、 水泥及混凝土添加劑和水泥添加劑以及涂料的生產。 初步調查發現, 場地部分監測點位地下水中砷、 總石油烴和氨氮的檢測濃度超出相關標準限值。 詳細調查及風險評估結果發現該地塊部分區域地下水中重金屬砷對建筑工人的致癌和非致癌風險超出了可接受水平。 對于超風險的地下水區域, 須進一步采取治理修復措施, 降低或消除場地污染對人體的健康風險。

2 場地環境調查結果

2.1 初步調查和詳細調查

該場地埋深16 m, 淺土層分布主要由粘性土和粉性土組成, 呈水平成層分布。 按其沉積年代、 成因類型及其物理力學性質的差異自上而下依次劃分為第①層填土層、 第②層粉質粘土層、 第③層淤泥質粉質粘土層、 第③夾層砂質粉土層、 第④層淤泥質粘土層和第⑤層粘土層等6 個土層。 此外, 地下水穩定水位埋深約1.455 ～1.524 m, 標高為2.839 ～2.993 m, 地下水流向基本為由西向東方向流動。 填土層滲透系數約1.73E-04 ～1.94E-04 cm/s, 粉質粘土層滲透系數約1.01E-06 ～7.46E-07 cm/s。

地塊土壤所取樣品樣本分析檢測了重金屬、 揮發性有機物、 半揮發性有機物與總石油烴指標, 結果表明其環境質量可以達到國家《土壤環境質量標準(GB 15618-1995)》相關標準,并且滿足《上海市場地土壤環境健康風險評估篩選值(試行)》中的非敏感用地篩選值標準。 前期調查所有采集土壤樣品的pH 范圍為7.6 ～9.2, 背景點土壤pH 值為7.4 ～7.7, 屬于正常范圍。 土壤樣品中相關特征金屬砷含量范圍為GLS1-6:4.94 ～14.9 mg/kg, 混凝土(水泥) 添加劑車間處GLS7 及GLS7JM1/3/4/6: 2.0 ～11.4 mg/kg, 場地范圍內土壤金屬砷含量存在一定背景本底值。

根據前期調查結果表明, 地下水中有監測點位發現地下水金屬砷、 氨氮與總石油烴的檢測濃度分別超出國家《地下水質量標準(GB/T 14848-93)》中的IV 類標準限值和荷蘭建設部關于土地使用和環境干涉值標準《Soil Remediation Circular 2009: Dutch Intervention Values》中的地下水干涉值。 前期調查所有地下水樣品的pH 值測試結果范圍為6.9 ～7.4, 屬于正常范圍之內。

綜上, 地下水特征關注污染物包括檢出超標的金屬砷、 氨氮與總石油烴指標, 超標情況參見表1。

表1 地下水超標樣品檢測結果Table 1 The test results of groundwater exceeded sample

2.2 風險評估

地塊環境健康風險評估具體包括危害識別、 暴露評估、 毒性評估、 風險表征及確定修復目標值等工作。

根據初步及詳細調查階段的監測數據及相關適用評價標準, 判斷本項目地下水的特征關注污染物為重金屬砷、 氨氮與總石油烴。 結合場地歷史和規劃用途, 建立了“污染源” (部分區域地下水)- “污染物遷移路徑” (口腔攝入、 皮膚接觸及呼吸吸入的途徑)- “受體” (工作人員和建筑工人)的暴露途徑概念模型, 分析三種污染物對于受體的致癌風險和非致癌風險, 通過分析可知, 地下水中的氨氮與總石油烴對工作人員和建筑工人的致癌風險和非致癌風險均處于可接受水平; 地下水中金屬砷對工作人員無致癌和非致癌暴露途徑; 地下水中金屬砷對建筑工人的致癌風險和非致癌風險超過可接受水平。

按照健康風險評估計算地下水關注污染物砷的風險控制目標值, 參見表2。

表2 地下水關注污染物風險控制值Table 2 Risk control value of concerned pollutant in groundwater (μg/L)

3 修復方案

3.1 修復范圍

根據前期調查和補充調查的相關監測數據, 采用各相鄰監測井點位已知濃度數值內插/外插法估算地下水砷濃度分布可能范圍, 污染擴散所在修復面積約為450 m2。 根據不同深度地下水檢測結果, 確定地下水砷污染源深度主要存在于2.0 m 以上的填土層中, 其主要污染擴散深度約為地面下3.0 m。 除存在裂隙通道以外, 地下水砷污染不可能大范圍滲入場地內以淤泥質粉質粘土為主的更深地下含水層。

3.2 修復技術篩選

根據選用的基于去除污染源達到恢復場地地下水質量功能目的的污染物減量化修復模式, 適用于本地下水污染場地的修復技術一般包括地下水抽出處理技術[2,3]、 地下水修復可滲透反應墻[4-5]和原位化學氧化技術[6]等三大類技術種類[7]。 三種技術比選參數如表3 所示。

表3 污染地下水修復技術比選Table 3 Comparison of polluted groundwater remediation technologies

在綜合考慮技術可行性、 經濟可行性和環境可行性等方面后, 分析確定優先采用地下水異位抽出處理技術, 作為該場地地下水砷污染修復的技術措施。 此外, 在后期修復效果評估的基礎上, 可考慮投加氧化藥劑以進一步去除地下水中的砷, 恢復污染區域的地下水氧化還原電位。

3.3 地下水抽提異位修復技術

本項目的地下水采用分區抽提的方式, 同時結合多次抽提、 藥劑注入輔助措施進行治理修復。 目前, 含砷廢水處理國內應用廣泛的是吸附法和混凝沉淀法[8], 結合前期實驗室小試和現場中試結果, 該項目金屬砷廢水處理技術路線見圖1 所示。 污染地下水經處理修復后排放進入市政污水管網, 應滿足納管標準后進行市政納管排放。

圖1 重金屬砷污染地下水處理技術路線Fig.1 Technical route for groundwater treatment of heavy metal arsenic

3.4 修復技術可行性評估

為評估分析擬選用修復技術的實用性與可操作性, 準備了小試和中試的試驗方案, 以論證修復技術可行和修復總體方案合理。

3.4.1 實驗室小試

針對重金屬砷污染物, 采用芬頓氧化+絮凝沉淀方法進行實驗, 投加一定量混凝劑(聚合氯化鋁PAC)、 絮凝劑(聚丙烯酰胺, PAM)或芬頓試劑(硫酸亞鐵+雙氧水按比例混合投加,以藥劑H2O2計投加量為2000 mg/L), 加快沉淀速度, 并分析檢測氨氮與砷污染物濃度去除效果, 實驗結果見表4。 通過實驗驗證了該地上污水處理工藝的可行性, 處理后的水質滿足《污水綜合排放標準》(DB31/199-2018)相關標準。

表4 污染地下水小試結果Table 4 The pilot results of polluted groundwater

另外, 實驗室進行了雙氧水藥劑處理砷污染地下水效果試驗。 配置5%的H2O2溶液, 并在200 mL 的地下水樣品中投加約8 mL 的H2O2溶液(藥劑投加量約為2000 mg/L, 以H2O2計), 投加后進行攪拌反應1 ～2 h, 分析重金屬砷濃度。 從小試結果可以看出, 投加雙氧水后, 污染地下水中的砷濃度從179 μg/L 降至91 μg/L。 投加的H2O2可氧化地下水中的溶解金屬砷, 氧化后的砷離子易與水中的Fe2+、 Ca+等離子形成沉淀, 降低其濃度。 此外, 雙氧水的投加可降解地下水中的部分有機物, 恢復地下水的氧化還原電勢, 避免后續土壤中砷的析出。 因此, 通過小試試驗, 證實了可通過注入H2O2藥劑去除地下水中的溶解金屬砷。

3.4.2 現場中試

現場中試進行了地下水修復區域中的部分區域(約200 m2)的抽水試驗。 現場分兩批布設了9 口深3.5 m、 直徑110 mm 的地下水抽提井和2 口深1.7 m、 直徑60 mm 的地下水抽提井;采用真空抽水方式對井群抽水, 監測地下水抽提效率, 記錄抽提井出水量, 觀察記錄監測井內水位降深, 并對監測井和抽提井內水樣采樣檢測; 完成水處理裝置的安裝, 記錄中試污水處理工藝處理量、 加藥量、 水處理污泥產生量等關鍵工藝運行參數, 并送檢一批次處理后水樣。

在中試試驗期間, 開展了間歇抽水、 連續24 h、 連續72 h的抽水試驗, 共抽提約17 m3的地下水。 分別于即連續抽提24 h 后和連續抽提72 h 后分兩批次對抽提井和監測井內的地下水樣進行了采集。 相比項目前期的初始砷濃度, 群井抽提網格內的大部分監測井地下水砷濃度略呈下降趨勢。 有部分點位砷濃度變化較大, 且污染物濃度反而有所升高, 分析判斷在抽提過程中, 車間反應裝置和儲罐區域的污染地下水可能發生遷移。 此外, 針對中試期間抽提上來的污染地下水, 進行了地上污水處置, 檢測結果表明, 處理后廢水的CODCr、 BOD5、 SS、 NH3-N、 石油類、 動植物油和砷均滿足納管排放標準。

4 修復效果

本項目在污染地下水修復范圍內布設13 口驗收監測井,圍繞修復邊界布置5 口地下水監測井, 在修復范圍內外共設置18 口地下水驗收監測井。 監測結果顯示, pH 值的檢測濃度范圍為6.89 ～7.72, 砷的檢測濃度范圍為0.00034 ～0.0365 mg/L, 均低于修復目標值為0.0457 mg/L。

另外, 對抽提處理的地下水采集了9 批次水樣, 共計49 組(含9 組平行樣), 共驗收水方量460 m3。 檢測指標包括pH、氨氮、 CODCr、BOD5、 懸浮物、 砷、 色度和石油類, 結果顯示,pH 的檢測結果范圍為7.11 ～8.68、 CODCr的檢測濃度范圍為5 ～52 mg/L、 總懸浮物的檢測濃度范圍為4 ～8 mg/L、 BOD5的檢測濃度范圍為0.9 ～9.1 mg/L, 氨氮的檢測濃度范圍為0.176 ～4.52 mg/L、 石油類的檢測濃度范圍為0.02 ～0.04 mg/L、色度的檢測結果范圍為1 ～2, 砷的檢測濃度范圍為ND ～0.025 mg/L, 均低于《污水綜合排放標準》(DB31/199-2018)表1 和表2 的三級標準。

5 結 論

該地下水砷污染地塊通過確定修復范圍、 篩選修復技術、評估修復技術可行性(實驗室小試和現場中試), 最終選用異位抽出處理與原位化學氧化聯合修復技術進行修復工作。 經修復后, 該地塊地下水砷濃度低于修復目標值。 抽出廢水采用絮凝沉淀+高級氧化方法處理后, 達到相關排放標準后納入市政污水管網排放。