有機物污染土壤修復技術(shù)篩選研究
——以北方某工業(yè)地塊為例

陶燕東，劉欣

（1.濰坊優(yōu)特檢測服務(wù)有限公司，山東 濰坊 261101；2.山東正實環(huán)保科技有限公司，山東 濰坊261101）

引言

土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)，但隨著社會的發(fā)展，工業(yè)化進程的加快，土壤污染問題日益突出[1,2]。污染土壤作為污染源具有較大的環(huán)境安全隱患，威脅著周邊居民的身體健康，對土壤資源后續(xù)的開發(fā)利用也帶來了不利的影響[3,4]。如何篩選適宜的修復技術(shù)防控污染物對生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來的風險，從而保障土壤資源合理化利用和人民生活質(zhì)量，在國內(nèi)外都是一個非常重要的課題。

國內(nèi)外關(guān)于有機物污染土壤修復技術(shù)的應用報道眾多[5,6]，每種修復技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，選擇有機物污染地塊修復技術(shù)時，通常考慮的因素有修復效果、修復成本和修復時間等[7]。在有機物污染地塊修復技術(shù)篩選過程中全面衡量各種修復技術(shù)的優(yōu)劣性，確定最佳的修復技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。在篩選最佳修復技術(shù)時，需要綜合考慮污染物特征、地塊條件、技術(shù)條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟水平等多方面因素，各因素指標之間存在一定的矛盾[8]。因此，有必要建立有機物污染土壤修復技術(shù)的篩選指標體系去科學準確的篩選出最佳修復技術(shù)。

目前我國有機物污染土壤修復技術(shù)篩選多采用數(shù)值評分法，如加權(quán)加和法（SAW）和層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法）。SAW法與AHP法通過主觀賦值進行修復技術(shù)篩選，有時難以區(qū)分修復技術(shù)之間的細微差別[8]，在決策方法的推廣上受到限制。本研究利用AHP 法和逼近理想解排序法（technique for sequencing by approximate ideal solution or technique for order preference by similarity to ideal solution，簡稱TOPSIS法）相結(jié)合，對有機物污染地塊土壤修復技術(shù)進行科學評價，并結(jié)合北方某工業(yè)企業(yè)地塊土壤有機物污染案例，根據(jù)建立的有機物染污土壤修復技術(shù)篩選體系，篩選出適合該污染地塊的最佳修復技術(shù)，為后續(xù)土壤有機污染修復技術(shù)的篩選提供參考。

1 土壤修復概述

我國的土壤修復產(chǎn)業(yè)起步較晚，基礎(chǔ)相對薄弱，仍屬新興行業(yè)，目前處于技術(shù)完善及試點階段[9]。歐美發(fā)達國家目前已采用的土壤修復技術(shù)種類較多，僅美國超級基金在1468個污染地塊修復中就應用了近30 種修復技術(shù)[6]，其中固化穩(wěn)定化、焚燒和土壤氣提技術(shù)在土壤修復技術(shù)中應用比較廣泛（圖1）[10]。我國參考了歐美發(fā)達國家多年來經(jīng)過實際驗證案例的公開資料和國內(nèi)實際工程案例經(jīng)驗，編制《污染場地修復技術(shù)目錄（第一批）》詳細介紹了固化穩(wěn)定化等多種土壤修復技術(shù)的適用性、原理、修復周期及成本等。

圖1 美國超級基金地塊修復技術(shù)應用情況

2 修復技術(shù)篩選

2.1 修復技術(shù)篩選流程

修復技術(shù)篩選是指根據(jù)污染物的特性、地塊水文地質(zhì)、修復目標等條件，對各修復技術(shù)的優(yōu)缺點進行綜合評價，篩選出最適宜的修復技術(shù)。修復技術(shù)篩選流程可分為兩個階段（如圖2 所示），第一階段為初步篩選，第二階段為詳細評價。第一階段初步篩選是指根據(jù)污染物特性、地塊條件和修復目標等確定潛在可用的修復技術(shù)；第二階段詳細評價則是根據(jù)建立的篩選指標體系進行綜合評價，包括確定各指標的權(quán)重、指標賦值評分和結(jié)果排序等，據(jù)此來篩選最佳的有機物污染土壤修復技術(shù)。

圖2 污染地塊修復技術(shù)篩選流程

2.2 修復技術(shù)初步篩選

參考國內(nèi)外較成熟的土壤修復技術(shù)，篩選出目前我國較常用的有機物污染土壤修復技術(shù)八種，分別為：異位熱脫附技術(shù)、水泥窯共處置技術(shù)、原位氣相抽提技術(shù)、原位土壤淋洗技術(shù)、異位化學氧化技術(shù)、生物堆技術(shù)、焚燒技術(shù)、常溫熱解吸技術(shù)[11-15]。八種土壤有機物修復技術(shù)的簡介、技術(shù)成熟度、修復周期、成本、適用性及局限性等情況見表1。

表1 有機物污染土壤修復技術(shù)初篩表

2.3 確定修復技術(shù)篩選指標體系

污染地塊修復技術(shù)的篩選既要考慮地塊本身的條件，還要考慮修復技術(shù)自身的技術(shù)條件、經(jīng)濟條件和環(huán)境條件等多個因素，每個因素又各自包含了多個指標，是一個多層次的決策分析問題，因此要構(gòu)建一個多層次的修復技術(shù)篩選指標體系。本研究參考張倩等[16]研究并根據(jù)實際工作經(jīng)驗建立3層有機物污染地塊修復技術(shù)指標體系，如圖3所示，第一層為目標層A，第二層為準則層B，B 層分為地塊條件（B1）、技術(shù)條件（B2）、經(jīng)濟條件（B3）和環(huán)境條件（B4）4 個因素，第三層是指標層C，C 層分為16 項指標(C1～C16)。各指標通過評分法獲得各備選修復技術(shù)的評分參數(shù)(表2)。

表2 修復技術(shù)指標評價標準

圖3 污染地塊修復技術(shù)篩選指標體系

要全面、科學、準確地評價各污染地塊修復技術(shù)的基本特征和多要素之間的復雜關(guān)系，通過單一指標是難以實現(xiàn)的，需要使用多個相互關(guān)系、相互作用的評價指標。因此在AHP 法應用之前首先要構(gòu)建修復技術(shù)篩選指標體系。本研究結(jié)合國內(nèi)外修復技術(shù)篩選的成功案例[17]，從地塊條件(B1)、技術(shù)指標(B2)、經(jīng)濟指標(B3)和環(huán)境指標(B4)四個方面選取了16 項指標，建立修復技術(shù)篩選的指標體系。

2.4 篩選指標權(quán)重確定方法

對于多方案的多屬性決策問題中指標權(quán)重的確定方法有多種，例如專家估測法、AHP法、二項系數(shù)法、環(huán)比評分法和成本效益分析法等[18]，其中，AHP 法是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，該方法是把復雜問題的各指標按相互間的從屬關(guān)系分解為若干個有序的遞階層次指標，在每層次各指標之間進行兩兩比較和計算，可得到不同指標的權(quán)重，對于解決多層次多目標的決策問題效果顯著，是目前應用最普遍的評價方法最為廣泛的決策分析法[19]。因此，本文采用AHP法計算各指標權(quán)重。AHP法的基本步驟[20]如下：

（1）根據(jù)以上建立的修復技術(shù)篩選指標體系，參考張倩等[16]并根據(jù)實際情況對同一層次的各指標對于上一層次某一準則的重要程度進行比較，構(gòu)建出判斷矩陣，表示B層第i個指標和第j 個指標的相對重要程度，采用專家打分法確定，判斷結(jié)果以1～9 的標度進行量化，量化標度含義如表3所示。

表3 指標相對重要性量化標度

（2）首先將判斷矩陣A中的每一列進行歸一化：

（3）將歸一化處理后的矩陣再按行求和：

（4）將向量B=（B1，....，Bn）T歸一化處理，得到屬性權(quán)重向量：

（5）計算判斷矩陣最大特征值：

在計算出某一層（C層）各個指標的單排序權(quán)重后，用上一層（B 層）因素本身的權(quán)重加權(quán)綜合，即可計算出C層總排序權(quán)重。

（6）判斷矩陣的一致性檢驗：

①計算一致性指標（ConsistentIndex,簡稱CI）：

②查找相應的平均隨機一致性指標（Random Index，簡稱RI），對n=1，2…，參考Saaty[20]研究的RI值，見表4。由指標篩選體系，可知n=4，查得RI=0.90。

表4 平均隨機一致性指標對照表

③計算一致性比率（Consistence Rate，簡稱CR）：

當CR＜0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，那么判斷矩陣A的最大特征值對應的特征向量即為權(quán)向量。在多層次分層的情況下，用上一層（B層）因素本身的權(quán)重，對一致性指標CI 以及隨機一致性指標RI 進行加權(quán)求和，可得到總層次的CI值和RI值，進行總層次的一致性判斷。

2.5 修復技術(shù)評價及排序方法

為進一步篩選出最合適的土壤有機物污染修復技術(shù)，采用TOPSIS 法對污染地塊土壤修復技術(shù)進行科學評價和優(yōu)劣性排序。具體步驟[21]如下。

（1）設(shè)多參數(shù)決策問題最初決策矩陣Y=｛yij｝，首先進行向量規(guī)范化處理，得到規(guī)范化決策矩陣Z=｛zij｝，公式：

（2）根據(jù)AHP 法計算得到的權(quán)重向量ω＝（ω1，ω2，...，ωn）T，構(gòu)成加權(quán)規(guī)范矩陣X＝｛xij｝，公式：

（3）確定理想解xj*和負理想解xj0，I+表示效益型參數(shù)，I-表示成本型參數(shù)，公式為：

（4）計算各修復方法到理想解與負理想解的距離di*和di0：

（5）計算各修復方法的綜合評價指數(shù)Ci*：

（6）按Ci*從大到小排列各修復方法的優(yōu)劣次序。Ci*值最大則對應的修復方法即為最佳修復技術(shù)。

3 案例研究

3.1 研究區(qū)基本情況介紹

選擇北方某工業(yè)地塊為研究對象，該企業(yè)主要從事堿性染料的生產(chǎn)，原輔料中用到氯仿作為原料，企業(yè)占地面積90 畝，地塊土壤調(diào)查期間共布設(shè)60個土壤采樣點位和15個地下水采樣點位，經(jīng)監(jiān)測分析得知，地塊內(nèi)生產(chǎn)區(qū)表層和中層土壤污染物氯仿超過《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600-2018）第一類用地篩選值。污染區(qū)域面積6860m2，氯仿最大超標倍數(shù)為11.93倍，土壤污染最大深度為3.5m。該地塊未來規(guī)劃為住宅用地。

根據(jù)《建設(shè)用地土壤污染風險評估技術(shù)導則》（HJ25.3-2019）對污染地塊開展風險評估，經(jīng)風評計算地塊內(nèi)超標點位污染物氯仿致癌風 險 范 圍 為1.79E-06～2.40E-05，均 大 于1.00E-06，致癌風險不可接受，主要通過吸入室內(nèi)空氣中來自下層土壤的氣態(tài)污染物影響人體健康。利用克里金插值法計算得到氯仿污染地塊需要修復的土壤方量約12978.99m3。

3.2 修復技術(shù)初步初篩

根據(jù)地塊基本情況和委托方對工期的要求，初步篩選重點關(guān)注異位土壤修復技術(shù)。本研究從常用的有機物污染地塊修復技術(shù)中篩選出5種：異位熱脫附技術(shù)（S1）、水泥窯共處置技術(shù)（S2）、異位化學氧化技術(shù)（S3）、焚燒技術(shù)（S4）和常溫熱解吸技術(shù)（S5）。根據(jù)已建立的篩選指標體系，對以上5種修復技術(shù)進行評分，結(jié)果見表5。

表5 初步篩選決策矩陣

按照向量規(guī)范化處理的方式對表5的初步篩選決策矩陣數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得規(guī)范化決策矩陣，見表6。

表6 規(guī)范化決策矩陣

3.3 篩選指標權(quán)重確認

根據(jù)建立的篩選指標體系，通過資料收集[22,16]、專家打分、問卷調(diào)查等方式，對各指標的相對重要性作出判斷，結(jié)果以1～9的標度進行量化，再采用AHP 法進行計算，獲得各指標的權(quán)重（見表7）。

表7 各層指標權(quán)重計算結(jié)果

3.4 最佳修復技術(shù)確定

采用TOPSIS 法對各土壤修復技術(shù)進行評價及排序，通過表6 的規(guī)范化矩陣和表7 的總排序權(quán)重加權(quán)，根據(jù)TOPSIS 法計算得出各修復技術(shù)的最終評價及排序結(jié)果（見表8）。

表8 最終評價及排序結(jié)果

針對以上5 種有機物污染土壤修復技術(shù)，本地塊土壤修復技術(shù)優(yōu)劣程度排序結(jié)果為S3＞S5＞S1＞S2＞S4，可見本地塊氯仿染污土壤最佳修復技術(shù)為S3 異位化學氧化修復技術(shù)。該污染地塊的修復單位亦采用異位化學氧化修復技術(shù)對該地塊開展土壤修復工作，與本研究篩選出的修復技術(shù)相同。本研究案例對有機物污染地塊修復技術(shù)系統(tǒng)、科學、準確的篩選具重要的指導意義。

4 結(jié)論

（1）本研究梳理了國內(nèi)外常用的有機物污染地塊修復技術(shù)，提出了有機物污染地塊修復技術(shù)篩選的流程與方法，從地塊條件、技術(shù)條件、經(jīng)濟條件和環(huán)境條件4個方面選取16項指標(C1～C16)，建立了有機物污染地塊修復技術(shù)篩選體系。

（2）利用AHP法和TOPSIS法相結(jié)合，科學準確的進行有機物污染地塊修復技術(shù)篩選和決策。

（3）依據(jù)建立的有機物污染地塊修復技術(shù)篩選流程和篩選指標體系，成功應用于北方某氯仿污染地塊修復技術(shù)的篩選，篩選出適合該地塊的土壤修復技術(shù)——異位化學氧化修復技術(shù)，為后續(xù)有機物污染土壤修復技術(shù)的篩選提供參考。