土壤气监测在污染地块调查评估中的优势、局限及解决思路

2023年2月9日 by 没有评论

从地表向下一直到毛管层上方的土壤和岩石空隙中未被水充满的空间中含有的气体被称为土壤气[1]。按照采样位置,土壤气可分为浅层土壤气、深层土壤气、底板下土壤气3类。浅层土壤气是指深度较浅的土壤孔隙中的气体样品;深层土壤气又叫近污染源土壤气,是指污染源附近土壤孔隙中的气体样品;底板下土壤气是指建筑物底板下方土壤孔隙中的气体样品。

美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家在挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)地块调查评估中将土壤气作为常规监测指标,并发布了一系列相关土壤气采样、监测、数据分析的技术标准[1-2]。在我国建设用地环境管理领域,土壤气采样监测尚处于起步阶段,缺乏专门的技术标准[3]。本文探讨在VOCs污染地块调查中推行土壤气监测的必要性、应用范围,以及现阶段在我国污染地块调查中推广该技术的局限,提出相应解决思路以供参考。

土壤气体样品的采集方式分为主动采样和被动式采样。主动式土壤气采样需要建设土壤气监测井,常见的监测井包括3类:1)钻孔埋管式监测井;2)钻杆直插式监测井;3)由地下水井改装成的土壤气井[1] (见图1)。钻孔埋管井是使用最广泛的土壤气采样井,其可靠性和采样精密度较高,可采集较深的土壤气样品。然而,钻孔埋管式监测井的建井流程较复杂,时间和经济成本也较高。钻杆直插井的建井速度较快,经济成本较低,但其采样深度较浅(通常不超过4 m),而且通常无法长期使用。地下水井改装的土壤气井由于筛管位置和长度的问题,用于土壤气采样时,采样精度和代表性较差,一般不推荐使用。

土壤气主动采样中,常见的样品保存器具有3种:吸附管、采样罐、气袋(见图2)。气袋常用于现场快速筛查,而送检样品一般用吸附管或采样罐收集。采样罐在北美地区较常用,而吸附管在欧洲更常用。一般认为,采样罐法的采样效果更好,但该方法采集过程中可能存在罐污染,影响采样精度,且会导致采样罐报废[4],故吸附管法在我国更为常用。被动式土壤气样品采集指在地表下放置吸附剂,通过扩散和吸附机制将污染物收集[5-6]。被动采样技术仍处于从研究向应用过渡的阶段,已有一些场地实测研究证实了该方法的可靠性。然而尚无国家发布官方土壤气被动采样技术规范,故其大规模推广应用受到限制。

目前,我国污染地块调查评估工作主要依据生态环境部修订的《建设用地土壤污染状况调查技术导则》(HJ 25.1-2019)、《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2-2019)、《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3-2019)这3项技术指南开展。这套方法以土壤监测为主要工作,并辅以地下水监测。然而,这套方法对VOCs理化性质和环境行为的特殊性考虑不足,可能会遗漏掉某些污染区域,在实践中出现过“土壤浓度不超标,但存在明显异味”或“土壤浓度不超标,但土壤气浓度超标”等现象[3, 7]。因此,与土壤监测相比,土壤气监测具有以下优势。

1)捕捉VOCs污染区域的能力更强。VOCs在地层中的分布空间异质性较大,有限的土壤监测点位无法完整反映地层中VOCs的污染分布和环境风险。土壤气是一种流体,气态VOCs在土壤气中通过扩散、对流等物理机制不断迁移,因此,VOCs土壤气浓度的空间异质性往往小于其土壤浓度。特别是对于离散点状分布的小规模污染源,通行的40 m×40 m 网格布点很容易遗漏这类污染源。而由于VOCs存在扩散迁移特性,通过土壤气监测捕捉到这类污染源的概率要高很多。笔者在南方某农药厂地块调查中发现,部分堆存在地面的异位土壤及地层原位土壤具有明显刺激性气味,且土壤气监测发现了60多种VOCs和半挥发性有机物(SVOCs)(部分VOCs的质量浓度高达几万μg·m−3),而土壤检测报告中污染物浓度均低于GB 36600-2018的风险筛选值。这个案例反映出土壤检测很有可能遗漏掉地层中的VOCs污染源,产生假阴性错误。

2)更准确地反映VOCs的气态扩散迁移过程和呼吸暴露风险。呼吸暴露是地块VOCs最重要的人体暴露途径。呼吸暴露定量风险评估中最终决定暴露风险的是气态VOCs的暴露量[1-2]。对于VOCs风险的评估,国内通行做法是以《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3-2019)指南中的推荐方法,基于相平衡假设通过VOCs土壤或地下水浓度计算VOCs土壤气的浓度,然后根据VOCs迁移模型(分室内、室外)预测空气中的VOCs浓度。已有研究证实,基于相平衡计算出的VOCs土壤气浓度与实测数据差异较大[7-9]。因此,VOCs土壤气监测得到的数据,可更准确反映地层中气态VOCs的分布、气相迁移过程及呼吸暴露风险[8]。

3)长期监测成本较低。除土壤气监测井的建设有一定经济成本外,土壤气的采样监测成本很低。进行长期监测时,土壤气监测比反复钻孔的土壤监测成本更低,且效果更好。因此,土壤气监测在企业自行监测及场地长期风险管控方面均能发挥作用。

在挥发性有机污染地块的调查和管理工作中,土壤气监测的应用方式有以下6个方面:1)土壤气监测数据可作为判断地块污染程度的直接依据,据此决定目标地块是否需要进行详细调查、风险评估、修复治理;2)土壤气监测数据可作为地下污染溯源的关键指标;3)土壤气浓度数据可作为输入参数代入风险评估模型,进行呼吸摄入量、致癌风险及非致癌风险的定量风险评估计算;4)土壤气监测可在地块修复工程实施及修复效果评估中为修复工程过程监管和修复效果评估提供直接判定依据;5)可帮助涉及挥发类有机物的在产企业自行监测、预警挥发性有机物的泄漏;6)在污染地块长期风险管控中,土壤气监测可指示土壤和地下水污染状况、环境风险及其变化趋势。

1)缺乏土壤气采样技术规范。土壤气采样过程对于监测数据的影响较大,采样过程不规范会降低监测数据的精确性。土壤气监测在国内尚处于起步阶段,相关采样技术规范缺失,国内调查评估单位对于土壤气采样监测经验不足,限制了土壤气监测的推广应用。建议国家尽快出台土壤气采样技术指南,为污染地块土壤气采样监测提供技术依据。

2)缺乏专门针对污染地块土壤气VOCs的分析检测标准方法。目前,土壤气监测主要借鉴《环境空气 挥发性有机物的测定 吸附管采样-热脱附/气相色谱-质谱法》(HJ 644-2013)和《环境空气 挥发性有机物的测定罐采样/气相色谱-质谱法》(HJ 759-2015)等环境空气检测方法,并没有专门针对污染地块气体VOCs的标准监测方法。然而,污染地块调查中的常见VOCs与环境空气监测的VOCs种类差异较大。污染地块中很多常见VOCs的检测方法并未被环境空气检测方法所涵盖。例如,污染地块调查中最常用的《环境空气 挥发性有机物的测定 吸附管采样-热脱附/气相色谱-质谱法》(HJ 644-2013)涵盖了35种VOCs的检测方法,但并不包括氯乙烯、反式-1,2-二氯乙烯、萘、异丙苯、三溴甲烷、1,1,2-三氯乙烷、六氯乙烷、三氯丙烷类、1-溴-2-氯乙烷、一溴二氯甲烷等污染地块可能存在的VOCs。另。

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