污染场地土壤与地下水风险管理与修复技术

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,污染场地风险管控与原位地下水修复技术,主要内容,污染场地现状分析,污染场地环境管理框架体系,污染场地概念模型,原位地下水修复技术综述,总结,2,污染,耕地,约有,1.5,亿亩,，中重度污染耕地高达,5000,万亩,全国工业企业搬迁遗留的严重,污染场地,超过,50,万家,矿区、油田以及饮用水源地土壤环境安全日趋恶化,土壤污染呈现出,流域性,和,区域化发展的态势,我国土壤污染问题十分突出，严重影响农产品安全和人体健康,2014,年,4,月,17,日“全国土壤污染状况调查公报”,我国场地污染状况分析,北京：,根据,北京奥运行动计划,，四环路区内,200,多家污染企业搬迁，置换,800,万,m,2,工业用地再开发,沈阳：,2008,年，,56,家污染企业搬迁改造；,2009,年，搬迁改造城区内所有重污染企业,江苏省：,2000-2005,年 ，,400,家化工企业搬离城区，关停小化工企业,1000,多家；,2010,年，置换土地,30,万亩,广州：,2007,年，,147,家大型工业企业关闭、停产、搬迁,重庆：,2010,年， 主城区,112,家污染企业“环保搬迁”,污染企业搬迁掀起“热潮”,我国场地污染状况分析,存在大量高风险污染场地,1000,多个农药生产基地 （含,44,家生产,POPs,有机氯农药遗留场地）,80,余处金属渣堆放区域，无防雨、防渗措施（总量,600,万吨）,难以计数的化工企业遗留场地,我国场地污染状况分析,有机类污染场地,北京原某农药厂：表层土壤六六六浓度在,1-440 mg/kg,，,DDTs,浓度在,5-966 mg/kg,，农药生产车间和农药存放场地土壤污染最为严重。,华北某农药厂：下风向,200 m,处土壤中,DDT,浓度达到,2624.0 mg/kg,，原生产车间、废物堆放场,土壤中,DDT,浓度分别高达,677940mg/kg,和,791600 mg/kg,。,巴塞尔公约,推荐标准为,50mg/kg,。,工业污染场地种类多、范围广、危害大,据不完全统计，全国农药企业关闭和搬迁遗留场地、农药流通和储存过程中形成的农药污染场地,近千处,，其中包括,44,家,生产,POPs,有机氯农药,企业历史遗留场地。,农药生产车间土壤污染,农药厂受污染土壤,无机类污染场地：金属渣堆存场地,上世纪,50,年代至今，,广州、上海、苏州、长沙、黄石、青岛、济南、天津、锦州、沈阳、重庆,等地都生产、堆存过铬渣，总堆存量约,600,万吨,，分散于,80,余处,，大部分没有防雨、防渗措施。,天津某化工厂,铬渣堆放场地周边土壤中,Cr,含量为,581-7060 mg/kg,；,杭州某化工厂,原万吨铬渣堆放点土壤,Cr,含量达到,172-20392 mg/kg,，,地下水,中,Cr,6+,含量达,10.5-227.3 mg/L,，污染严重。,湖南,甘肃,露天堆放，大片土地严重污染,垃圾堆放,化工厂废水排放,加油站,特定场地的地下水污染状况,矿区,化工厂,：,1,2-,二氯乙烷，苯胺，硝基苯，氯苯，苯 等,垃圾堆放,：硝酸盐，亚硝酸盐，氨氮，重金属等,加油站,：,苯系物，石油烃，多环芳烃 等,矿区,：,重金属（高锰、高砷、高镉、高铁,），氰化物等,我国场地污染状况分析,全国地下水污染调查评价结果（,2005-2010,）,调查地区,主要污染物类型,浅层地下水,承压水,华北平原,铁、锰、砷、硫酸盐、硝酸盐,氟,苯并,a,芘、滴滴涕、六六六、四氯化碳、三氯甲烷,淮河流域平原,氟、“三氮”、氯化物、砷、汞、铬,(VI),氟、亚硝酸盐,苯、苯并,a,芘、三氯乙烷、二氯乙烷,苯,长江三角洲,“三氮”、锰、氟、铁,二氯乙烷、二氯甲烷、苯、六六六、农药,二氯乙烷、二氯甲烷、环氧化七氯、七氯,珠江三角洲,锰、硝酸盐、氨氮、铁,邻苯二甲酸酯、多环芳烃、卤代烃,主要污染物,:,硝酸盐、重金属、持久性有机污染物、卤代烃,;,主要来源,:,农药、化肥，生活污水、工业,“,三废,”,、石油化工含油废水排放,我国场地污染状况分析,主要污染物,挥发酚,石油烃,硝酸盐,亚硝酸盐,氨氮,COD,氰化物,Hg,Pb,Cr,As,我国地下水污染的空间分布,污染场地（棕地）关注,污染物,Solvents,Acetone,Benzene,Toluene,Xylene,Napthalene,Highly Recalcitrant,Organics,(POPs),Aldrin, dieldrin,Chlordane,DDT, DDE, DDD,BHC (HCH),PCBs,Metals,As, Cr, P,b, Hg, Ni, Zn,Chlorinated,VOCs,(CVOCs),MeCl,2, CHCl,3, CCl,4,VC, DCEs, TCE, PCE,Challenging to treat,VERY difficult to treat!,有机溶剂,氯代烃类,重金属类,持久性有机污染物,污染场地现状分析,Official,Chinese Guidelines Published in Feb 2014, effective from July 1,st,2014,but need improvement,场地环境调查技术导则 （,HJ 25.1-2014),场地环境监测技术导则 （,HJ 25.2-2014,）,污染场地风险评估技术导则 （,HJ25.3-2014,）,污染场地土壤修复技术导则 （,HJ 25.4-2014,）,污染场地现状分析,我国场地污染状况分析,经济快速发展下,场地土壤与地下水污染,态势,污染面积在扩大,污染物种在增多,污染类型在叠加,污染浓度在提高,多源性、多样性、复合性,14,污染场地环境管理框架体系有待健全,各类技术指南、规范偏重于土壤 （土壤、地下水定义模糊）,场地调查与风险评估工作重视程度不够（污染边界，污染特征，污染介质）,修复方案的制定与评估结论严重脱节，修复工程针对性差,修复技术单一（水泥窑、异位热脱附、填埋）,污染场地现状分析,核心,：建立污染场地环境管理框架体系,污染物迁移行为特征的研究,土壤与地下水修复工程技术的实施,风险评估技术导则,健康与环境评估模型,污染场地风险管理框架模式,地下水污染与修复,地下水调查与风险评估,地下水污染机制,修复技术筛选,修复设计,修复监理与修复后期风险评估,地下水污染物迁移模拟,模型界面设计,: GWVistas,数字模型,: MODFLOW, MT3D, MT3DMS, RT3D,地球化学模型：,PHREEQC,，,HYDRUS,，,PHT3D,解析模型,: WINTRAN, RBCA, CONSIM, LANDSIM,数据显示,: ArcGIS,SADA,，,Aquachem, Surfer,污染物行为特征的模型模拟,针对,不同土壤与水文地质、污染物迁移行为特征、对污染物时空分布进行表征，给修复方案的制定提供科学依据,污染场地风险管理框架模式,自然衰减监测技术、强化生物修复技术,原位化学还原,纳米铁技术,实验室小试、场地中试、注射技术与设备,修复材料与装备的研发,地下水流向,石油烃污染羽,Residual NAPL,自由相,LNAPL,Methanogenesis,SulfateReduction,Iron (III) Reduction,Dentrification,Aerobic Respiration,污染场地风险管理框架模式,可持续管理 框架体系,1980 - 1990,1991 - 2004,2005 ,现在,将所有物质都恢复到自然背景值,污染场地风险管理框架体系,技术上难以达到,无需清除彻底,成本高,可持续性管理框架基于风险管理框架，更加关注修复过程中,环境，社会及经济效益的平衡,环境,经济,社会,可持续性,可行性,平衡性,容忍性,污染物,暴露途径,受体,风险,污染场地风险管理框架强调,源,-,暴露途径,-,受体链,，关注修复技术的选择及环境效益,完全清除,目前处于,完全清除,阶段，急需尽早建立污染场地,风险管理,和,可持续管理,框架体系,污染场地环境管理框架模式,自然衰减监测,完全清除,1980,到,1990,风险管理框架,1990,到,2004,可持续管理框架,2005,到,现在,抽提技术,社会制度控制,原位修复,抽提技术,污染场地环境管理框架模式,Provided by Carlos Pachon of USEPA Washington Office,需要的场地特征数据增多,修复成本却降低,健康,:,HERA, RBCA, CLEA,水环境,:,HERA, RBCA, RTM,MODFLOW, RT3D,MT3DMS, PTH3D,可持续修复,第四阶段,（,TIER 4,）,基于场地特征条件,推导,地下水,特定场地评估基准,（修复目标）,第二阶段,（,TIER 2,）,基于,保守,条件,推导,土壤与地下水,场地评估基准,（筛选值）,第一阶段,(TIER 1),定性风险评估,常用模型,定量风险评估,第三阶段,（,TIER 3,）,基于场地特征条件,推导,土壤与地下水,特定场地评估基准,（修复目标）,项目资金,投入越来越多,问题识别,Problem Formulation,毒性评估,Toxicity Assessment,风险表征,Risk Characterisation,暴露评估,Exposure Assessment,源,-,途径,-,受体联合体,健康,:,HERA, RBCA, CLEA,水环境,:,HERA, RBCA, RTM,污染场地环境管理框架模式,HERA, RBCA,，,CLEA,，,RTW,，,RiscHuman,MODFLOW,、,MT3DMS,，,RT3D,Statistical Models,：,PRO-UCL,、,CL:AIRE & CIEH,Data Visualisation,：,SADA,、,Arc GIS,、,SURFER,推导土壤与地下水修复目标的模型框架,GW Vistas, GMS, Visual MODFLOW,Numerical Models,Statistical Tests and Data Visualization,Risk Assessment,污染场地环境管理框架模式,污染暴露链：污染物,暴露途径,受体,污染场地概念模型,污染物,暴露途径,受体,风险,Relationship of Contaminant-,Exposure,Pathway,-Receptors,Pollutant Linkage,22,经口摄入,和皮肤接触,表层土壤,吸入室内,污染物蒸气,饮用地下水,下层土壤污染源,土壤污染物淋溶,表层土壤污染源,地下水迁移,蒸气入侵,生态环境,鱼,吸入室外污物蒸气和土壤颗粒物,贝壳,地下水,水平迁移,鱼苗,土壤与地下水污染问题,人体健康,:Human Health,水环境,:Water Environment,污染场地通用概念模型, Generic Conceptual,Site Model,污染场地概念模型,23,风险估算,(Risk estimation)+,风险判断,(Risk evaluation),风险估算,(Risk estimation),：风险大小,风险判断,(Risk evaluation),：风险是否值得关注,风险评估基本要素,风险计算,=,暴露剂量,/,毒性（环境质量标准）,Risk estimation=Exposure assessment/ toxicity,暴露剂量,(Exposure),：通过口腔摄入、呼吸及皮肤进入人体的污染物剂量,毒性,(Toxicity),：人体暴露于污染物发生的效应,暴露剂量与环境浓度密切相关,通过多介质环境模拟预测 （,Multimedia Environmental Modelling,）,污染场地概念模型,暴露途径,示意图,HERA,软件介绍,污染场地概念模型,自主研发的污染场地健康与环境风险评估,HERA,软件,多层次污染场地土壤与地下水风险评估系统,基于保护人体健康和水环境的风险评估,计算土壤及地下水中污染物的,筛选值,/,修复目标,包含,600,种污染物理化、毒理参数数据库，,22,个污染物,溶质多介质迁移模型,软件应用于,28,多个省、市，,300,多个项目,污染场地概念模型,North China Plain (NCP),27,污染场地概念模型,100,50,0,-50,渗坑废水,农田灌溉,100,50,0,-50,室内,室外,地下水饮用,潜水面,地下水流向,粉质粘土,粘土,细砂,粗砂,蒸气扩散,地下水饮用,地下水抽水井,地表水水面,淋溶液渗漏,Irrigation,农田灌溉,-,食品安全 （健康）,Drinking Water,饮用地下水,-,（健康）,Indoor and Outdoor Vapour Intrusion,室内外蒸气入侵（健康）,Discharge to Surface Water,河流释放 （生态风险）,华北平原邢台地区,-,水文地质概念模式,污染场地概念模型,28,污染场地特征（长三角地区）,数量多，污染历史复杂,粘土为主的水文地质环境,复合污染物迁移速度极其缓慢,污染场地概念模型,29,含水层,场地污染浓度高,具有隐蔽性、持久性,健康风险,占主导地位,处理极其困难,Hyporheic Zone,(,潜流交换带,),黄铁矿氧化区,酸性矿坑水与岩石相互作用,Neutralisation, dilution, sorption and,biochemical reactions,重金属元素沉淀,Metal Precipitation,and Co-Precipitation,废弃矿山环境污染过程演化,有效降雨量,含水层,潜流带,淋溶液渗漏,弥散，吸附，生物化学反应,金属冶选尾矿库,重金属沉淀,/,共,沉淀,区,（,水岩相互作用,）,淋溶液水位,潜水面,地下水流向,淋溶液渗漏,地下水抽水井,河流,地表径流,基岩隔水层,高浓度区,高风险区,高风险区,高风险区,环保部公益项目：稀土金属冶选尾矿库渗漏对地下水的生态风险评估与控制研究,污染场地概念模型,污染场地概念模型,有效降雨量,有效降雨量,空气混合与交换,含水层,地下水潜水面,地下水流向,隔水层,重,质,非水相,液体,轻质,非水相,液体,居民建筑,风向,/,风效应,包气带,污染源,对流与扩散,扩散,分配,商业建筑,近主要污染源,地下油罐,残留,挥发物主要迁移机制,毛细上升区,NAPL,水文地质及,VOC,迁移概念模型,干净地下水,地下水污染过程：有次序的氧化还原过程示意图,+1000,氧化还原电位,(,毫伏,),0,-500,O,2,H,2,O,NO,3,-,N,2,Mn,4+,Mn,2+,富氧,(,氧化,),厌氧,(,还原,),Fe,3+,Fe,2+,SO,4,2-,SH,2,CO,2,CH,4,Methanogenesis (,甲烷产生,),Sulphate Reduction (,硫酸盐根还原,),Iron Reduction (,铁还原,),Manganese Reduction,(,锰还原,),Denitrification (,去硝酸盐根,),Oxidation (,氧化,),H,2,O,H,2,(g),Beta Elimination (,-,消去,),Sequential Reduction,有次序,氧化,还原过程,氯代烃最佳还原区,(Chlorinated Solvents),苯系物 氧化区,(Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene),Nano-Iron Technology,污染场地概念模型,污染场地概念模型,污染源,地下水潜水面,地面,厌氧带,泄漏带,地下水流向,产生甲烷带,硫酸盐还原带,铁还原带,锰还原带,硝酸盐还原带,石油污染物地下水污染物自然衰减过程,BTEX Oxidation,AH,RD,RD,1,1-DCA,Ethanol,Ethane,CO,2,ADM or NDM,RD,1,1-DCE,VC,Ethene,CA,1,1,1-TCA,DHC,DHC,氯代烃类污染物地下水污染物自然衰减过程,Reductive Dechlorination,（还原去氯）,污染场地概念模型,三氯乙烯,- TCE,二氯乙烯,- DCE,氯乙烯,VC,乙烯,三氯乙烷,二氯乙烷,污染场地地下水原位修复技术,生物,/,生物化学,/,生物吸收,物理化学,化学,连二硫酸盐,H,2,S,气体,基于铁技术,土壤淋洗,络合淋洗,离子交换,化学还原,化学固定,化学淋洗,生物表面氧化,原位生物沉淀,放射性固定,纤维材料及,农业废弃物,生物体吸附金属,生物表面活性剂,生物修复,生物活性,生物吸附,活性炭,膜分离,表面活性剂,生物阻隔,沉淀,吸附,吸附过滤,电动处理,PRB,微生物及铁,去除,As,铁基添加物,铁酸盐,工业废弃物,矿物质,沸石,活性炭,红泥,铁基,雾化渣,络合剂,零价铁,苛性镁,生物及,ZVI,反硝化等,原位,PRB,修复技术,原位注射技术（铁基材料）,地下水原位修复技术,零价铁,生物碳,碳铁,1.,化学,-,生物修复技术,2.,地下水渗透反应墙 （,PRB,技术）,在地下水注射多类生物、化学及其复合材料降解，包括,：,ZVI/nZVI (,零价铁：颗粒与纳米级,),Molasses,（糖浆）,Bio-Magnetite (,生物磁铁矿,),Fe,3,O,4,（磁性氧化铁）,Biochar,（生物炭）,Graphene (,石墨烯）,地下水污染羽,处理过的地下水,地下水位,隔水层,在地下水流场中设置化学,-,生物障碍墙，使污染羽流经障碍墙，污染物还原无害化,地下水原位修复技术,处理多类关注污染物：氯代烃，石油污染物，重金属,基于零价铁的地下水重金属修复技术,零价铁可以发生以下反应,修复重金属,铁与,As,反应,还原,Cr,6+,和,Hg,2+,地下水原位修复技术,优点,无深度、污染介质、空间限制,已验证过的氧化还原过程,快速清理，无毒性的中间产物,容易注射，随地下水流动,纳米零价铁技术应用前景,国际纳米零价铁修复技术应用推广,美国自,2000,年开始研发，已在,44,多个场地进行了中试,近期欧盟,NANOREM,项目将在瑞士、捷克、以色列、葡萄牙及德国等,6,个场地进行中试,在我国还未得到应用，有待研究和推广,应用场地分布情况,地下水原位修复技术,处理多种关注污染物：氯代烃、农药、多氯联苯、重金属、硝酸盐,纳米零价铁还原含氯有机物过程机理,AH,RD,RD,1,1-DCA,Ethanol,Ethane,CO,2,ADM or NDM,RD,1,1-DCE,VC,Ethene,CA,1,1,1-TCA,DHC,DHC,DHC-,消去反应；,RD-,还原脱氯；,AH-,水解反应；,ADM-,有氧代谢；,ANDM-,厌氧代谢,地下水原位修复技术,Carbo-Iron,（,EHC,）,注射,EHC,药剂,注射装置,对相关重金属,去除情况,地下水原位修复技术,EHC,中试示范,某化工场地下水氯代烃修复,场地特征,住宅用地再开发,地下水关注污染物：,1,2-DCA, VC and Chloroform,，浓度超过,1000 mg/L,EHC,注射,注射深度：,9,-,18m,面积：,10m x 10m,使用,GeoProbe,在,9,个注射井,注射了,7200 Kg,EHC,泥浆,地下水原位修复技术,1,2-DCA, 1,1-DCA,and chloroform,除去率分别为,99.9 %, 86.7 %,和,98.8 %,EHC,中试示范,某化工场地下水氯代烃修复,地下水原位修复技术,生物技术,-,注射糖浆（,Molasses,）,Molasses,0,10000,20000,30000,40000,50000,60000,70000,80000,4,10,17,21,33,time (weeks),Chromium (total) (g/L),groundwater,molasses 0.1%,molasses 0.5%,molasses 1%,molasses 5 %,Microcosm tests ISBP,influence of concentration molasses,地下水原位修复技术,Bio-Magnetite,应用潜力,生物磁铁矿材料对,Hg,和,Cr,的吸附作用及机理,Cr,6+,去除,80% (300h),Q,max,=416mg/g,快,地下水原位修复技术,农业废弃物,生物碳,稳定性、持久性、廉价性,复合效应,裂 解,高效性,Fe,0,Fe,2+,+ 2e,-,C,2,HCl,3,+ 3H,+,+6e,-,C,2,H,4,+ 3Cl,-,研发并推广,高效、稳定、经济可行,的土壤和地下水氯代烃修复试剂和,修复技术！,纳米零价铁,地下水原位修复技术,纳米零价铁,/,生物炭,纳米零价铁,/,生物炭修复地下水中含氯有机物技术,生物炭：中温裂解稻壳,零价铁：,液相还原,纳米零价铁,/,生物炭材料可有效还原,TCE,地下水原位修复技术,S,2,O,8,2-,+ Me,2+,Me,3+,+,SO,4,+,SO,4,2-,(Me,表示,Fe,2+,或,Co,2+,),S,2,O,8,2-,heat, UV or microwave,2 SO,4,SO,4,+ Fe,2+,Fe,3+,+,SO,4,2-,纳米,Fe,3,O,4,替代,Fe,2+,作为活化剂,：,纳米,Fe,3,O,4,表面,Fe(),活化过硫酸盐,反应在表面进行，反应慢，减少副反应,四氧化三铁,/,石墨烯,改善四氧化三铁分散性,石墨烯表面羧基,/,羟基团也可活化过硫酸盐,制约过硫酸盐利用效率,纳米四氧化三铁,/,石墨烯活化过硫酸盐降解,TCE,E,0,=2.6V,地下水原位修复技术,纳米四氧化三铁,/,石墨烯制备与表征,材料表征,降,解,TCE,性,能,测,试,地下水原位修复技术,原位化学氧化（,ISCO,):,H,2,O,2, O,3, Sodium Persulphate, Fe,3,O,4,原位化学还原,（,ISCR,）,:,微米、纳米零价铁（,mZVI, nZVI,）,强化生物修复,:,糖渣（,Molasses,）,植物油（,Emulsified Vegetable Oils,）,吸附,:,活性炭（,Activated Carbon,）,生物炭（,Biochar,）,复合材料,:,纳米铁,/,生物炭（,nZVI/biochar,）,炭,-,铁（,Carbro-Iron,）,修复制剂产业化前景,地下水原位修复技术,总结,完善基于风险的污染场地环境管理框架体系,建立污染场地概念模型是场地修复的关键,重视经济有效的原位修复技术的研发及产业化,充分做好场地健康与水环境风险评估工作,制定基于风险的修复方案,51,谢谢！请批评指正！,欢迎合作交流,