科學家如何表達對大地母親深沉的愛？︱走近科學

本欄目由 「世界科學」 和 「賽先生」聯合出品

2020年4月24日，湖南益陽市委宣傳部表示，針對「雲南昭通市鎮雄縣銷毀一批來自湖南益陽的重金屬超標大米」，經核實決定對7家涉事企業立案調查。然而，這並不是「鎘大米」第一次走進公眾視線。2014年，《南方日報》也報導了2009年湖南上萬噸鎘含量超標的大米在廣東糧食市場流通銷售。

鎘是一種自然界存在的有毒金屬元素，常用於電鍍、造船業、建築業等行業。20世紀50至70年代，日本富士山某地區居民因長期飲用受鎘汙染的河水及食用此水灌溉的鎘含量超標大米而患有「痛痛病」，該事件是世界上最早報導的重金屬土壤汙染事件。此次，湖南再次曝出「鎘大米」事件，警醒我們身邊的「土壤汙染問題」可能從未走遠。與大氣、水汙染相比，土壤汙染往往不容易被直接看到、嗅到，因此人們對土壤汙染總是「後知後覺」。這麼「神秘」的土壤汙染，人們是怎樣與之「過招」的呢？

土壤修復技術概覽

作為地球的「皮膚」，土壤是一層覆蓋在地球表面的疏鬆物質，含有礦物、氣體、水、有機質等，也是動植物的生長棲息地。土壤為人類的生活與生產活動提供支撐，也消納著自然或人為產生的廢物。土壤中常見的汙染物可大致分為重金屬汙染物和有機汙染物。面對這些「來勢洶洶」的「入侵者」，土壤往往啟動「自淨」能力消滅「敵軍」，即在自然條件下，通過土壤系統的物理、化學及生物學方面的作用，降低有毒物質的濃度或毒性，將其轉化為無毒或低毒產物。一旦土壤所受汙染超過了其自淨能力，土壤的功能就受到了破壞，當汙染程度達到一定風險水平時，就需要對汙染土壤進行治理。經過幾十年的發展，多達數十種土壤修復技術湧現了出來，下表舉例介紹了幾種常用的土壤修復技術。

特別關注：工礦企業搬遷後的遺留場地

近40多年來，歐美發達國家在土壤汙染防治的基礎理論、技術原理、功能材料、技術工藝及專業裝備等方面取得了長足的進展。

美國

以美國為例，20世紀70年代發生的「拉夫運河汙染事件」是促成美國設立「超級基金」並開展土壤和地下水汙染防治的標誌性事件。

拉夫運河居民的抗議，約1978年（圖源：維基百科）

1942年，因乾涸而廢棄的美國加利福尼亞州的拉夫運河，被美國胡克電化學公司收購，作為傾倒工業廢物的「垃圾倉庫」。11年後，這條填滿有毒廢棄物的運河經填埋覆蓋後，被胡克化學公司以1美元的象徵性價格轉讓給當地教育委員會用於建立學校，此後運河區逐步開發為底層社區。70年代末，當地孕婦流產、嬰兒畸形等怪象頻發，地面還曾滲出苯、氯仿、甲苯、二噁英和多氯聯苯等多種有毒物質，對人體健康有極大危害，引起了當地居民的恐慌。此後，1980年美國國會通過的《綜合環境反應、賠償與責任法》（又稱《超級基金法案》）填補了美國土壤汙染防治的法律空白，同時創設「超級基金」授權使用聯邦資金，保障在無法確定責任主體或責任主體無力承擔修復費用時的汙染土壤治理。美國在土壤汙染防治方面的工作喚醒了世界各國對土壤及地下水汙染問題的關注。經過多年實踐，歐美發達國家已逐步形成了一套涵蓋法律法規、技術規範及管理手段的完整的土壤汙染防治體系。

英國

英國1990年頒布了汙染場地管理的核心法規——《環境保護法案》第2A部分，為土壤汙染鑑定及恢復整治提供了依據，並明確了汙染場地的定義，將風險評估的理念納入土壤汙染防治。英國環境署於2002年發布了《汙染土地暴露評估模型：技術基礎和算法》《汙染土地管理的模型評估方法》等系列技術文件，初步建立了英國汙染場地風險評估的框架體系。

德國

德國的土壤汙染防治體系涵蓋了土壤汙染預防、土壤環境調查、風險評估和汙染場地修復的全過程，並分別對工業汙染場地和農用地土壤利用做了說明，規定了預防原則、責任機制、風險管控、土壤監測與信息公開、功能性修復等基本原則。德國的土壤修復技術主要分為三類：移除汙染源至別處治理；採用固封材料等防止汙染物進一步遷移擴散；保護汙染暴露受體，限制公眾接近汙染源。

中國

就我國而言，在20世紀90年代之前，土壤修復主要針對農田土壤，對城市工業用地汙染修復鮮有提及。隨著我國城市發展進程的加快，進入21世紀後，建設用地，尤其是工業企業關閉搬遷後的土地所引發的土壤汙染事件開始引起人們的重視。2004年，北京宋家莊地鐵站，3名工人在挖掘施工過程中急性中毒。調查發現，該地鐵站所在地的前身是一家始建於20世紀70年代的農藥廠，雖然搬離多年，但仍有部分有毒有害物質殘留在地下。此次發生在北京宋家莊地鐵站施工過程中的急性中毒事件，揭開了我國重視工業汙染場地再開發環境安全與治理修復的序幕。2016年5月28日，國務院印發了《土壤汙染防治行動計劃》（又稱「土十條」），進一步加快了我國土壤修復事業的步伐。2019年1月1日實施的《土壤汙染防治法》指出，土壤從受汙染到基本恢復功能的過程一般包括：土壤汙染狀況調查→土壤汙染風險評估→風險管控/修復→風險管控/修復效果評估→後期管理，由此形成土壤汙染防治的閉環體系。目前從總體上來說，在建設用地土壤汙染風險管控與修復技術方面，我國與歐美國家的管理和技術水平相比尚有較大差距。隨著我國城市化進程的進一步推進，工礦企業搬遷後遺留場地面臨的環境修復問題或更複雜、持久、嚴峻。因此，如何促進未來更多企業搬遷後遺留場地的再開發利用是一項亟須解決的重要課題。來自上海市環境科學研究院的黃沈發領銜研究團隊十餘年來始終致力於以上海為代表的城市再開發場地土壤汙染控制與修復，探索適合本土的「修復之路」。以下將以特大城市老工業區——上海桃浦工業區的轉型升級為例，介紹城市再開發場地土壤汙染控制與修復的「上海路徑」。

典型案例：上海桃浦工業區轉型升級

上海桃浦工業區的治理區域（紅線圈著的區域）

位於上海市西北部的桃浦工業區，自20世紀50年代以來大力促進工業發展，但因工業區早期環境保護設施設備相對落後，在生產運行過程中產生了嚴重的汙染問題，在20世紀80年代被上海市政府列入重汙染地區。2013年，桃浦工業區被列為重點整治區域，並規劃轉型為「桃浦智創城」，需要對原工廠用地進行再開發利用。研究人員發現，桃浦工業區土壤和地下水汙染範圍廣、汙染物種類多，存在汙染難以精準識別、汙染地塊風險評估不確定性大、安全高效的修復技術不足等問題。

常言「知己知彼，百戰不殆」，面對桃浦工業區的這些問題，首先需要知道「彼」是誰？「彼」在哪？

由於工業生產歷史悠久，桃浦工業區的地下管線及構築物複雜，地層以下人為幹擾強烈，遺留汙染物眾多，汙染物空間分布不均且組成複雜。如此種種，給前期的環境調查和汙染精準識別帶來了不小挑戰。為此，黃沈發團隊因地制宜提出「區域排查→企業篩查→初步調查→詳細調查→地塊補充調查與評估」的工作流程，並融合環境與巖土專業技術，探索運用多項場地環境精準調查技術——例如膜界面探測技術（MIP）、感應電磁技術（FDEM）、高密度電阻率技術（ERT）等——掃描診斷場地汙染狀況，有效提升了複雜場地調查的效率與精準度，實現了「全覆蓋、精細化、高效率」的調查目標，為後期風險管控及修復提供翔實的基礎數據資料。

找到「彼」後，便是全面、深度分析「彼」。

常規的汙染場地風險評估技術手段，其評估結果不可避免地存在較大不確定性。研究人員從風險評估數值模型、參數本土化取值等方面進行了突破。

通過探索與實踐，初步建立了包括自然地理、氣象氣候、土壤理化、巖土參數、受體暴露、建築物特徵等參數的風險評估本土參數取值資料庫；在評估模型本土化方面，通過土壤氣體採樣監測，重點開展了揮發性有機化合物（VOCs）汙染場地的汙染物多介質遷移和降解模擬優化研究，並綜合運用數值模型（MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、FEMWATER等）揭示VOCs在土壤中的遷移擴散過程及其在土、水、孔多種介質中的分配情況；對汙染物物化反應和生物作用的溶質遷移降解模擬，運用數值模型（RT3D、SEAM3D等）刻畫汙染物在場地多介質中的降解特徵，建立動態模擬體系。通過多技術方法聯用，提高了桃浦工業區汙染地塊風險評估結果的科學性和準確性。

最後便是有的放矢戰勝「彼」。

對於桃浦工業區的環境綜合治理並沒有「一刀切」，即沒有全部採取清除土壤汙染物質的修復技術，而是綜合考慮土壤和地下水汙染風險、規劃用地功能、區域環境條件及地塊開發進程等因素，採取「風險管控結合治理修復，依據實際情形分類施策」的治理修復策略。例如，按照汙染物分布圖對區域規劃用地功能及其控制性詳規方案提出調整建議，將部分汙染高風險區域調整為城市景觀類、市政配套設施類和商業服務類等非敏感性建設用地；其次，針對不同用途功能定位分別設定土壤和地下水修複目標，如對規劃為停車場等用地設定風險控制的修復標準，而規劃為學校、居住區等敏感性用地則按照嚴格的暴露場景進行評估並進行汙染物去除修復；最後，對於異位處置的汙染土採用「區域土方平衡、就地消納利用」方案，分類設定基於不同再利用方式的風險控制標準，經治理達標後實現土壤資源化安全利用。如此一來，既能保證各個用地的安全，也能控制修復成本、縮短治理年限。

修復作業現場，表層高汙染土壤剝離集中修復，下面的汙染地下水抽提處理

戰勝「彼」最關鍵之處還在於採用什麼修復技術，以及如何應用。

研究人員通過技術比選，在借鑑國外技術經驗的基礎上，比選治理修復模式及相應的修復技術，通過實驗室試驗和工程規模試驗確定了本土化技術應用的工藝參數，克服了修復技術「水土不服」的問題。此次治理的修復技術應用到了穩定化（將汙染物在汙染介質中固定，使其長期處於穩定狀態）、垂直/冒封阻隔（隔斷汙染源，切斷傳播途徑）、氧化還原、生物強化、氣相及多相抽提（真空抽提土壤中的氣體、地下水和非水相液體等至地面，進行相分離和處理）等多種處理工藝和原位異位組合技術，實現了整體區域的安全高效修復。說到底，研究團隊按照「風險可控、技術可達、經濟可行」的原則，開展了安全高效修復技術創新研發與集成應用。值得一提的是，該研究團隊還開發了基於天然礦物的系列綠色高效修復材料，提高了受汙染土壤的處理效率；自主研發了雙泵式多相抽提系統、重金屬汙染土壤處理能力達160 m^3/h的專業修復設備，打破了國外同類產品的壟斷局面。

原汙染地塊經修復治理後變為中央景觀綠地（桃浦中央公園一隅）

上海桃浦工業區整體轉型升級的環境治理成果和經驗，為未來上海高橋石化、吳涇化工等大型工業區的整體轉型升級探索了有效治理路徑。不僅如此，桃浦工業區土壤汙染防治過程中的創新技術方法為行業技術文件（如《上海市建設用地土壤汙染狀況調查、風險評估、風險管控與修複方案編制、風險管控與修復效果評估工作的補充規定（試行）》）提供了實踐基礎。該案例在行業裡已形成由點帶面的影響力，產生了巨大的社會、環境及經濟效益。

相信在一次次的土壤修復歷程中，越來越多的曾經遭受工業汙染重創的土地，將會再次承擔起新的使命，承載城市的快速發展。這個過程也體現了科學家如何用科技實力去表達他們對大地母親深沉的愛。

「世界科學」聯合「賽先生」等微信公眾號，在上海市科學技術委員會資助下，開闢「走近科學」欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報導。本篇圍繞2017年上海市科技進步一等獎——「城市再開發場地土壤汙染控制與修復關鍵技術及其應用」項目，該獎項由上海市環境科學研究院黃沈發領銜的團隊獲得。

本文刊載於《世界科學》雜誌2020年第9期「走近科學」欄目。（文中圖片除註明外均由課題組提供。）