有機污染土壤異位熱脫附修復的碳足跡分析

摘要：有機污染土壤一般含有大量有機污染物，存在較大的環境風險。以廣州市某溶劑廠污染場地為例，基于全生命周期評價，分析有機污染土壤異位熱脫附修復的碳足跡，對從開挖到回填的整個過程進行碳排放核算。核算結果顯示，碳排放的主要來源為熱脫附修復過程，占總碳排放量的99.08%；直接熱脫附工藝修復單位噸土的碳排放量是間接熱脫附的2倍左右，其中直接熱脫附修復過程碳排放量為127.08 kg CO2e/t土，間接熱脫附修復過程碳排放量為62.31 kg CO2e/t土。經對比，異位熱脫附修復技術可用于處理有機污染土壤，污染物去除率高?，修復周期短?，?適用性強，對環境更加友好。

關鍵詞：有機污染土壤；修復；異位熱脫附；碳排放核算

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0208-05

Carbon footprint analysis of ex-situ thermal desorption remediation of organic contaminated soil

—Taking the polluted site of a solvent factory in Guangzhou City as an example

XU Weitong1， WANG Kun1， SONG Guanghan2， LU Jun1， ZHONG Fanghai1， HE Zhichao3， LIANG Guodong2，

YAN Bin3， WANG Yanfei1

（1. GIIHG Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510150， China;

2. College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China; 3. Center International Group Co.， Ltd.， Beijing 100176， China）

Abstract： Organic polluted soil generally contains a large amount of organic pollutants and poses significant environmental risks. Taking a contaminated site of a solvent factory in Guangzhou city as an example， based on a full life cycle assessment， the carbon footprint of organic contaminated soil remediation through thermal desorption is analyzed， and the carbon emissions from excavation to backfilling are calculated. The accounting results show that the main source of carbon emissions is the thermal desorption and remediation process， accounting for 99.08% of the total carbon emissions; the carbon emissions per ton of soil restored by direct thermal desorption process are about twice that of indirect thermal desorption， the carbon emissions during direct thermal desorption remediation process are 127.08 kg CO2e/t soil， and

62.31 kg CO2e/t soil during indirect thermal desorption remediation process. After comparison， the ex-situ thermal desorption remediation technology can be used to treat organic polluted soil， with high pollutant removal rate， short remediation cycle， strong applicability， and more environmentally friendly.

Keywords： organic polluted soil; remediation; indirect thermal desorption; carbon emission accounting

為實現高附加值土地資源的優化配置，我國正在積極推行“退二進三”政策，以促進經濟的轉型升級和綠色低碳可持續發展。在“退二進三”的進程中，眾多工業生產企業遺留的污染場地亟待修復，之后方可進行開發利用[1-3]。在綠色可持續修復理念[4-5]與碳達峰碳中和目標[6]的雙重驅動下，有機污染場地使用異位熱脫附修復技術在解決“環境-社會-經濟”協同發展這一綜合問題上并非最優解，其高碳排放的顯著缺點與綠色可持續修復理念的核心要素碳減排背道而馳。污染場地修復踐行綠色可持續修復理念，是實現修復策略選擇的正面效益最大化、負面效益最小化、資源配置最優化的有效手段之一，切實推動修復活動減污降碳與協同增效。

在碳達峰碳中和目標驅動下，關注和降低修復活動的碳排放水平，是綠色可持續修復理念貫徹實施的重要著力點。全生命周期評價是環境管理中重要的環境影響定量分析方法[7-10]，應用全生命周期評價分析異位熱脫附修復過程的碳足跡，可以為修復模式的比選提供更好的依據。廣州市某溶劑廠污染場地占地面積為168 285.6 m2，有機污染土壤修復設計方量共計72 542.4 m3。針對有機物污染土壤，采用異位直接熱脫附和間接熱脫附兩種修復技術，修復后污染土壤經檢測合格進行回填處置。結合實際工程案例，分析異位熱脫附修復全過程（從清挖到回填）的碳足跡，為污染土壤修復行業低碳綠色可持續發展評價體系的構建與完善提供參考。

1 異位熱脫附修復的全生命周期評價

1.1 碳排放核算邊界與清單分析

全生命周期評價是指產品由搖籃到墳墓的全過程分析，項目將清挖到回填整個過程作為全生命周期，具體可分為8個過程，包括開挖轉運、預處理、生產轉運、熱脫附修復、生產廢水處理、危廢外運處置、修復土轉運以及回填轉運?；谌芷诘挠袡C污染土壤異位熱脫附修復碳排放核算邊界如圖1所示，清單分析如圖2所示。

碳排放核算的全生命周期為土壤清挖至回填的過程，前期臨建等施工準備未納入核算范圍。同時，項目施工過程零星機械的使用、基坑驗收過程擴挖、二次污染防治、場地內土壤與建渣的二次倒運、驗收檢測不合格的修復后土二次修復、基坑涌水與雨水處理、鋼材與高密度聚乙烯膜回收等難以核算或少量的碳排放量同樣未進行核算。從土方平衡的角度考慮，涉及的土壤方量均為理論值，并未考慮轉運過程的遺撒損失量、熱脫附修復過程的燒失量以及含水率調節過程因生石灰的添加所引起的體積與質量變化等情況。

1.2 碳排放核算方法

一是生產過程能源（燃油）消耗碳排放。工程機械涉及的燃油為柴油，因燃油消耗產生的碳排放量CEp采用式（1）計算。二是生產過程能源（電力）消耗碳排放。各種生產設備及配套工程的電力消耗碳排放量CEe采用式（2）進行計算。三是生產過程能源（燃氣）消耗碳排放。主要基于天然氣燃燒量、單位天然氣的含碳量和碳氧化率，采用式（3）計算天然氣燃燒的CO2排放量CEb。若未開展元素碳實測，其收到基元素碳含量CEar，i采用式（4）計算。四是運輸過程能源消耗碳排放。場內轉運過程和危廢外運處置過程燃油消耗產生的碳排放量CET采用式（5）計算。

（1）

CEe=PCe×EFe（2）

（3）

CEar，i=NCVar，i×CCi（4）

（5）

式中：qi為第i種工程機械每小時的柴油消耗量，L/h；ri為第i種工程機械作業總時長，h；fi為柴油碳排放因子，取值為2.171 kg CO2e/kg；k為柴油升（L）與千克（kg）換算系數，取值為0.85；PCe為購入使用電量，kW·h；EFe為電網排放因子，0.445 kg CO2e/（kW·h）；CEb為化石燃料燃燒的碳排放量，t CO2；FCi為第i種化石燃料的消耗量（氣體燃料），萬Nm3；Car，i為第i種化石燃料的收到基元素碳含量（氣體燃料），t C/萬Nm3，取值為5.92 t C/萬Nm3；OFi為第i種化石燃料的碳氧化率，取值為99%；44/12為二氧化碳與碳的相對分子質量之比；NCVar，i為第i種化石燃料（氣體燃料）的收到基低位發熱量，取值為389.31 GJ/萬Nm3；CCi為第i種化石燃料的單位熱值含碳量，取值為0.015 2 t C/GJ；qi為運輸車油耗，L/100 km；si為運輸距離，km；pi為柴油碳排放因子。

2 碳排放量計算結果分析

2.1 開挖轉運過程

開挖轉運過程的碳排放量主要來源包括污染土、疑似污染土和清潔土的開挖與轉運，該階段碳排放總量可根據式（6）核算。根據式（1）計算可得，開挖過程的碳排放量（CE11+CE13+CE15）為36 041.41 kg CO2e。

根據式（5）計算可得，開挖后土壤轉運過程的碳排放量（CE12+CE14+CE16）為3 024.01 kg CO2e，經合計，碳排放總量CE1為39 065.42 kg CO2e。由計算結果可知，開挖過程的碳排放量遠大于轉運過程的碳排放量，占比為92.26%，可見開挖過程是一個重大的碳排放源。因此，在污染土壤治理修復過程中，為減少碳排放量，應優先考慮原位修復策略，盡量避免開挖作業。

CE1=CE11+CE12+CE13+CE14+CE15+CE16（6）

2.2 預處理過程

預處理階段，碳排放的主要來源為篩分機械、照明及大棚排氣設備的能源消耗，主要包括污染土壤初篩、細篩、照明與排氣過程。該階段的總碳排放量根據式（7）核算。根據式（1）計算可得，污染土壤初篩過程的碳排放量CE21為35 697.63 kg CO2e。根據式（2）計算可得，細篩過程的碳排放量CE22為3 059.24 kg CO2e。

根據式（2）計算可得，大棚照明與尾氣排放過程產生的碳排放量CE23為17 002.56 kg CO2e，預處理過程碳排放總量CE2為59 460.72 kg CO2e。計算結果表明，預處理過程主要的碳排放來源于污染土壤初篩過程，占比為64.02%，主要原因是初篩使用的能源為化石燃料（柴油）。因此，在污染土壤治理修復工程中，應優先選用清潔能源。

CE2=CE21+CE22+CE23（7）

2.3 生產轉運過程

生產轉運階段，碳排放的主要來源為運輸車燃油消耗，主要包括污染土壤轉移至進料大棚與建渣轉移至沖洗區。該階段總的碳排放量根據式（8）核算。根據式（1）計算可得，碳排放量CE31和CE32分別為2 101.45 kg CO2e和43.87 kg CO2e，因此，生產轉運過程碳排放總量CE3為2 145.32 kg CO2e。

CE3=CE31+CE32（8）

2.4 熱脫附修復過程

熱脫附碳排放的主要來源為生產過程燃氣與電力消耗，主要包括污染土壤直接熱脫附修復的天然氣、電力消耗，間接熱脫附修復的天然氣、電力消耗，配套工程進料大棚、直接熱脫附出料大棚、間接熱脫附出料大棚照明與尾氣處理設備電力消耗。該階段總的碳排放量根據式（9）核算。根據式（3）和式（4）計算可得，碳排放量CE41為8 994 386.63 kg CO2e，碳排放量CE43為2 068 715.49 kg CO2e，根據式（2）計算可得，CE42、CE44、CE45、CE46和CE47分別為340 626.67 kg CO2e、207 941.01 kg CO2e、25 461.12 kg CO2e、8 031.36 kg CO2e和2 563.2 kg CO2e，污染土壤熱脫附修復過程總碳排放量CE4為11 647 725.48 kg CO2e。由計算結果可知，因消耗天然氣產生的碳排放量占熱脫附修復過程總量的94.98%，而因電力消耗產生的碳排放量僅占5.02%，因此，采用熱脫附修復技術時，應著重考慮能源種類，優先使用清潔能源，以減少化石燃料消耗產生的碳排放，切實做到減污降碳。

CE4=CE41+CE42+CE43+CE44+CE45+CE46+CE47（9）

根據計算結果可知，修復1 t污染土，直接熱脫附工藝和間接熱脫附工藝的燃氣消耗量分別為57.00 m3和26.36 m3，即直接熱脫附工藝的燃氣消耗量是間接熱脫附工藝的2倍多，而電力消耗量則相差無幾。根據項目的具體工藝情況，分析燃氣消耗量差異化的主要原因。兩種工藝使用的尾氣處理工藝大有不同，直接熱脫附的尾氣處理采用二次燃燒工藝，而間接熱脫附使用冷凝處理工藝，二次燃燒對燃氣的消耗量較大。

2.5 生產廢水處理過程

生產廢水處理過程碳排放的主要來源為直接熱脫附與間接熱脫附生產廢水處理、建渣沖洗廢水處理的電力消耗。該階段總的碳排放量根據式（10）核算。根據式（2）計算可得，碳排放量CE51為9.53 kg CO2e，碳排放量CE52為213.39 kg CO2e，碳排放量CE53為164.93 kg CO2e。因此，生產廢水處理過程的碳排放總量CE5為387.85 kg CO2e。

CE5=CE51+CE52+CE53（10）

2.6 危廢外運處置過程

危廢主要包括污水處理后的泥餅和尾氣處理后的廢活性炭，集中暫存后外運至危廢處置單位，外運過程碳排放的主要來源為泥餅和廢活性炭外運運輸車燃油消耗。該階段總的碳排放量根據式（11）核算。根據式（5）計算可得，碳排放量CE61為5.42 kg CO2e，碳排放量CE62為37.95 kg CO2e。因此，生產轉運過程的碳排放總量CE6為43.37 kg CO2e。

CE6=CE61+CE62（11）

2.7 修復后土轉運過程

修復后土轉運過程碳排放的主要來源包括直接熱脫附修復后土與間接熱脫附修復后土轉移至待檢區的運輸車燃油消耗。該階段總的碳排放量根據式（12）核算。根據式（5）計算可得，碳排放量CE71為884.53 kg CO2e，碳排放量CE72為1 158.45 kg CO2e。因此，修復后土轉運過程的碳排放總量CE7為2 042.97 kg CO2e。

CE7=CE71+CE72（12）

2.8 回填轉運過程

回填轉運過程碳排放的主要來源包括修復后土回填、建渣回填、疑似污染土回填以及清潔土回填的轉運燃油消耗。該階段總的碳排放量根據式（13）核算。根據式（5）計算可得，碳排放量CE81為4 513.13 kg CO2e，碳排放量CE82為131.66 kg CO2e，碳排放量CE83為187.36 kg CO2e，碳排放量CE84為285.61 kg CO2e。因此，基坑回填轉運過程的碳排放總量CE8為5 117.75 kg CO2e。

CE8=CE81+CE82+CE83+CE84（13）

3 討論

3.1 碳排放主要來源

為分析修復過程碳排放的主要來源，將土壤開挖轉運、預處理、生產轉運、熱脫附修復、生產廢水處理、危廢外運處置、修復后土轉運以及回填轉運等細部過程概化成5個過程，分別是開挖過程、轉運過程、預處理過程、熱脫附修復過程和廢物處置過程。統計結果顯示，采用原地異位熱脫附修復技術對有機污染土進行處理，碳排放的主要來源是熱脫附修復過程，碳排放量為11 647 725.48 kg CO2e，占總碳排放量的99.08%，其他過程碳排放量為108 446.71 kg CO2e，僅占總碳排放量的0.92%。

3.2 直接熱脫附與間接熱脫附碳排放量對比分析

項目使用直接熱脫附修復工藝處理有機污染土，共計73 460 t，其中天然氣和電力消耗產生的碳排放量分別為8 994 386.63 kg CO2e、340 626.67 kg CO2e，即修復單位噸土因天然氣和電力能源消耗產生的碳排放量分別為122.44 kg CO2e、4.64 kg CO2e。共計36 535.04 t有機污染土采用間接熱脫附工藝進行修復，其中天然氣和電力消耗產生的碳排放量分別為2 068 715.49 kg CO2e、207 941.01 kg CO2e，即修復單位噸土因天然氣和電力能源消耗產生的碳排放量分別為56.62 kg CO2e、5.69 kg CO2e。根據統計結果可知，采用直接熱脫附工藝修復有機污染土時，碳排量明顯高于間接熱脫附，修復單位噸土時，直接熱脫附的碳排放量是間接熱脫附的近2倍。經分析，主要原因為直接熱脫附尾氣處理采用二次燃燒工藝，二次燃燒工藝的系統溫度高，燃氣用量激增導致碳排放量增加。

4 結論

異位修復過程涉及大量的開挖、轉運與預處理，這些過程因消耗燃油和電力產生的碳排放量不可忽視。為了減少轉運的碳排放量，應合理規劃平面布局，最大限度減少運輸距離。同時，應更精細化地對實際的土方流轉做更為準確的統計。熱脫附修復過程中，化石燃料消耗是碳排放的主要來源，因此采用熱脫附修復工藝時，應提高清潔能源和可再生能源的消費比重。在進行方案比選時，除了考量經濟與時間兩大主要因素外，應將能源消耗與碳排放納入比選指標體系，以期實現高效經濟與綠色低碳的可持續環境治理。直接熱脫附工藝處理單位噸土的碳排放量顯著高于間接熱脫附，主要原因是尾氣處理采用二次燃燒工藝，因此應優化直接熱脫附尾氣處理工藝，采取更加低碳的處理工藝。建設用地土壤修復項目具有追求經濟效益最大化、治理周期短的顯著特點，是一個集中、高強度的碳排放過程，應加強治理過程的碳排放管控與核算，同時構建與完善本土化的碳足跡評價體系。

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