關于揮發性有機污染物原位阻隔膜中氣體擴散系數的討論

＊關 亮

（上海久澄環境工程有限公司 上海 201808）

土壤中的揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）具有很強的揮發性及遷移性，可以通過蒸汽入侵的方式擴散侵入建筑物，繼而通過蒸汽吸入的途徑對人體健康造成危害。VOCs在我國工業污染地塊中總檢出率達到60%～ 80%[1]。

原位阻隔因兼具有可靠性、快捷性、經濟性及可拓展性等[4-6]優點，成為目前VOCs風險管控技術中常用的技術之一。阻隔層是原位阻隔系統的核心，其關鍵性能參數可分為：（1）力學性質；（2）化學穩定性；（3）污染物阻隔能力：厚度、污染物在阻隔層中擴散系數。

其中污染物阻隔能力直接決定阻隔層是否對特征污染物起到有效的作用，是污染地塊風險評估模型計算所需參數，也是VOCs污染地塊風險管控所必須關注的重要參數。

本文以我國西南某城市的化工廠數據為基礎，通過風險評估計算模型，針對不同可接受致癌風險下，阻隔膜的厚度、氣體擴散系數進行計算，并討論以上參數的相關性，以期為我國VOCs污染地塊風險管控技術的發展提供參考。

1.項目背景

該地塊位于我國西南某市東北方向，歷史上曾作為化工廠使用，距離主城區約10km，占地約50畝，地塊周邊均已建設起高層住宅及商業區。該地塊規劃為居住用地，設計3層地下停車場，最大開挖深度為7m。

2016年-2021年，該地先后開展地塊土壤污染初步調查、詳細調查及風險評估工作，先后設置采樣點78個，采集土壤及地下水等環境樣品923個。前期工作成果表明，地塊土壤中存在嚴重的VOCs污染，其中以氯仿最具代表性，最大檢出濃度分別為57.06mg/kg，最大污染深度達到27m。

根據風險評估的結果，在可接受致癌風險為10E-6，計算該地塊的風險控制值如表1。

表1 地塊污染土壤風險控制值（單位：mg/kg）

根據風險控制值計算，地塊總修復土方量約276557方，根據地塊開發規劃分層后，各層土壤量如表2所示。

表2 地塊各層污染土壤修復工程量

地塊土壤的地層劃分及各層的特征參數如表3。

表3 地塊土層劃分及土壤特征參數取值

2.修復策略

目前國內對于VOCs類污染土壤的居住用地基本采用完全修復的策略，即將全部超過風險控制值的污染土壤進行修復，使其污染物濃度降低至風險控制值以下。該地塊兼具開發周期緊迫、場地可利用空間小、周邊敏感受體多、污染土壤量大、污染深度深等特點，加之其未來開發規劃為全場開挖7m建設3層地下停車場，使得其可選用的修復策略單一，即：（1）0～7m污染土壤采用原地異位常溫解吸技術，修復達標后土壤外運。（2）7～27m污染土壤采用原位熱脫附技術。

基于該修復策略，修復施工周期為600天，修復工程總投資為289940650元，污染土壤修復綜合單價為1046元/m3。分析本地塊污染土壤修復綜合單價較高的主要原因在于：（1）場地面積小，周邊敏感受體密集，污染方量大，不利于采用全面開挖的異位修復技術。（2）深層土壤以粘性土為主，屬于低滲透性土壤，修復難度高。（3）開發工期緊張，無法采用需多輪修復，逐步達標的技術方案。

結合國內外污染地塊修復及風險管控工程案例，該地塊的特征更適合采用原位阻隔的風險管控策略。

對下層土在采用基于原位阻隔的風險管控策略時，并未對土壤中的污染物含量進行直接修復與削減，而是通過阻隔技術切斷下層土壤與上層活動人群之間的傳播途徑，使人體健康風險達到可接受水平，因此需要對阻隔系統的污染物阻隔能力參數進行論證。

3.風險論證

風險論證采用的模型及公式與《建設用地土壤污染風險評估技術導則》（HJ 25.3-2019）相同，計算過程中采用阻隔膜，代替建筑物地基，阻隔膜與墻體裂隙表面積所占比例參數采用地基與墻體裂隙表面積所占比例，計算并提出阻隔材料對風險管控區關注污染物的擴散系數，使其達到滿足未來用地情境下活動人群的人體健康安全，計算原理及公式如下：

(1)下層土壤污染物擴散進入室內空氣的揮發因子

VFsubia：下層土壤污染物揮發進入的室內空氣的揮發因子，kg/m3；

Ksw：土壤-水中污染物分配系數，cm3/g；

Dseff：土壤中氣態污染物的有效擴散系數，cm2/s；

DFia：室內空氣中氣態污染物擴散因子，（g/cm2/s）/（g/cm3）；

Dmeff：阻隔膜中氣態污染物的有效擴散系數，cm2/s；

Lm：阻隔膜厚度，m；

ηm：阻隔膜與墻體裂隙表面積所占比例，無量綱；

θ：土壤孔隙比；

θws：土壤孔隙水體積比，無量綱；

θas：土壤孔隙空氣體積比，無量綱。

(2)室內空氣中來自下層土壤的氣態污染物吸入途徑暴露量

(3)室內空氣中來自下層土壤的氣態污染物吸入途徑致癌風險

暴露參數、污染物毒理及理化參數詳見表4～表6。

表4 暴露參數取值

續表

表5 污染物毒性參數

表6 污染物理化參數

我國風險管控要求的可接受的致癌風險應低于10E-6，因此分別對致癌風險為10E-6、10E-7、10E-8情況下不同厚度的HDPE阻隔膜擴散系數進行計算。

我國市場上HDPE阻隔膜的厚度一般在1.5～2.5mm。為保證居民風險健康風險致癌風險低于10E-6，分別對1.5mm、2.0mm、2.5mm厚度的阻隔膜進行氣體擴散系數的計算，結果表7。

表7 不同健康風險等級條件下各厚度阻隔膜所需達到的最大氣體擴散系數（單位：cm2/s）

市場上在最常用的阻隔膜的厚度為1.5mm，如在常州華潤國際社區G地塊住宅工程中使用了美國捷高公司的LIQUID BOOT?產品作為氣體阻隔層為1.5mm厚的噴涂膜[8]。由表7可見，在此厚度下，為確保污染物致癌風險低于10E-6，阻隔膜氣體擴散系數需小于9.20E-08。在阻隔膜厚度為2.5mm時，為確保污染物致癌風險低于10E-6，阻隔膜氣體擴散系數也需要小于1.54E-07。

總體來說，在同一可接受致癌風險條件下，隨著阻隔膜厚度的增加，需達到這一可接受致癌風險阻隔膜的擴散系數的最大值也隨之降低。

隨著可接受致癌風險的降低，對阻隔膜擴散系數的最大值的要求也隨之降低。在1.5mm厚度下，為達到10E-7的可接受致癌風險，阻隔膜擴散系數需小于9.11E-09；為達到10E-8的可接受致癌風險，阻隔膜擴散系數需小于9.11E-10。即使在2.5mm厚度下，為達到10E-8的可接受致癌風險，阻隔膜擴散系數也需小于1.52E-09。

4.優化策略

結合風險論證的計算成果，當該地塊采取修復及風險管控相結合的策略時，即：（1）0～7m污染土壤采用原地異位常溫解吸技術，修復達標后土壤外運。（2）7～27m采用原位阻隔風險管控策略，對切斷下層土壤VOCs與人體接觸的途徑，使人體健康風險達到可接受水平。（3）原位阻隔所采用阻隔膜的厚度及擴散系數滿足修復工程總投資預算中的限制。該策略的修復總工期為450天，修復及風險管控總投資額為79410650元。

與前述的修復策略相比較，采用修復及風險管控相結合的策略工程工期縮短25%，工程投資縮減72.61%，具有明顯優勢。

5.結論

（1）在一些污染地塊再利用過程中，合理采用原位阻隔技術可以在滿足風險管理的前提下，有效削減施工周期及成本。

（2）原位阻隔技術中，厚度、污染物在阻隔層中擴散系數是表征污染物阻隔能力的重要參數。

（3）在同一可接受致癌風險條件下，隨著阻隔膜厚度的增加，需達到這一可接受致癌風險阻隔膜的擴散系數的最大值也隨之降低。在同一阻隔膜厚度條件下，隨著可接受致癌風險的降低，對阻隔膜擴散系數的最大值的要求也隨之降低。

（4）目前我國缺少對阻隔膜擴散系數的標準測定方法，為后續管理要求需要，可盡快建立相應的標準體系。