污染場地 VOCs 蒸氣入侵風險評估與管控
更新時間：2020-07-24 15:21
來源：中國環境保護產業協會
作者: 馬杰
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本文內容節選于科學出版社出版《污染場地 VOCs 蒸氣入侵風險評估與管控》，該書介紹了污染場地揮發性有機物蒸氣入侵的途徑、危害、調查評估與風險管控方法，從理論、技術、工程案例等角度系統介紹了蒸氣入侵的機制和過程，傳統和新興的場地調查技術、數學模型，初步篩查與詳細調查的工作流程、風險評估的方法、常用的風險管控技術。
該書還對國外在蒸氣入侵場地管理方面的成功經驗和失敗教訓進行了總結，對我國面臨的“理論短板”和“技術短板”進行了梳理，并進一步提出了構建適應中國國情的“VOCs 污染場地多證據層次化風險評估技術體系”以及“以風險管控為核心的蒸氣入侵風險處置技術體系”的倡議和構想。該書列舉了很多實際的場地案例，在正文和附錄中提供了內容豐富的圖表數據資料，希望能對我國從事污染場地管理和實踐的從業者提供參考和幫助。
該書還對國外在蒸氣入侵場地管理方面的成功經驗和失敗教訓進行了總結，對我國面臨的“理論短板”和“技術短板”進行了梳理，并進一步提出了構建適應中國國情的“VOCs 污染場地多證據層次化風險評估技術體系”以及“以風險管控為核心的蒸氣入侵風險處置技術體系”的倡議和構想。該書列舉了很多實際的場地案例，在正文和附錄中提供了內容豐富的圖表數據資料，希望能對我國從事污染場地管理和實踐的從業者提供參考和幫助。
核心觀點
1. 蒸氣入侵問題的重要性揮發性有機物（VOCs）是污染場地中最常見、最重要的一類污染物，在《建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600—2018）中規定的 45 個基本項目中（必測污染物）中有 27 個物質屬于 VOCs，占比超過了一半。2000 年之后，國外大量的場地調查發現被污染土壤或地下水中的VOCs 可以以氣態形式穿越土壤包氣帶或者借助優先傳質通道（管道或者高滲透性地質結構）積累在地表建筑物的地基下方，地層中的 VOCs 可以沿著建筑物底板或墻體上的裂隙、孔洞、接縫或者直接借助優先通道進入建筑物室內，并與室內空氣混合，最后通過室內呼吸產生人體暴露，這一暴露途徑就被稱為“蒸氣入侵（vapor intrusion）”。
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（污染場地暴露途徑匯總）
蒸氣入侵可能是 VOCs 污染場地中最重要的人體暴露途徑。只有VOCs 蒸氣入侵最有可能造成實際人體暴露。圖中的污染物從表層土/ 深層土 / 地下水揮發至室內通過吸入室內揮發氣體產生暴露）（Ma et al.，2018；Ma and Lahvis，2020）。
蒸氣入侵可能是 VOCs 污染場地中最重要的人體暴露途徑。只有VOCs 蒸氣入侵最有可能造成實際人體暴露。圖中的污染物從表層土/ 深層土 / 地下水揮發至室內通過吸入室內揮發氣體產生暴露）（Ma et al.，2018；Ma and Lahvis，2020）。
VOCs 的長期低濃度暴露會誘發癌癥等慢性疾病，短期高濃度暴露會引起神經毒性、頭暈目眩等癥狀，某些 VOCs 在高濃度時還有爆炸等安全風險。對于 VOCs 類污染場地，蒸氣入侵是最可能造成實際人體暴露的途徑，特別是棕地再開發類的場地。國內外的大量場地調查實踐發現：對于揮發類有機物場地，蒸氣入侵途徑往往決定了場地總體的環境風險的大小，并且會直接影響場地修復與風險管控工作，如修復范圍的劃定、修復目標值的選取、修復技術的選擇、經濟成本、修復時間等。從 2000 年以后，蒸氣入侵問題逐漸引起場地修復業界重視。2018 年 9 月，美國聯邦環保署（USEPA）第一次僅因為蒸氣入侵風險將兩塊場地增補進入超級基金場地的名單（密西西比州 Rockwell International Wheel & Trim 場地和得克薩斯州 Delfasco Forge 場地）。
2. 蒸氣入侵過程的復雜性
傳統的蒸氣入侵場地概念模型認為：受污染土壤和地下水中的 VOCs 主要以氣態的形式經由包氣帶土壤中的孔隙遷移至建筑物地基附近，并通過建筑物地板和墻體結構上的孔隙和接縫等進入室內。在蒸氣入侵過程中，污染物通過揮發、吸附、解析、溶解、分配等過程在水相、固相、氣相、自由相等多個相態之間相互轉化。蒸氣入侵傳質過程涉及擴散、對流和彌散等遷移機制，在遷移過程中污染物還會通過好氧生物降解、厭氧生物降解、非生物降解等機制發生化學結構的轉化。污染物進入室內并與室內空氣混合稀釋的過程受到建筑結構和特征、室內暖通空調系統運行工況、居民活動、室外的風、降水、氣壓波動、氣溫波動等多種室內外環境和人為因素的影響，非常復雜。
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（VOCs 在地層中的遷移、轉化、歸趨）
最新研究還發現 VOCs 還可以通過多種非傳統傳質途徑侵入室內，例如：地下管線、濕地下室情形等。越來越多的實際場地調查發現在很多揮發性有機物場地，非傳統途徑可能是蒸氣入侵的主要傳質方式。不過，這些非傳統途徑很難借助常規的場地調查手段被發現，學術界和工業界對這些非傳統蒸氣入侵途徑的認識目前還存在很多知識短板。
3. 監測數據的空間和時間異質性
由于 VOCs 的揮發性和遷移性較強，VOCs 在飽水帶、包氣帶、室內空氣中的濃度分布受到場地污染狀況、場地地質和水文地質特征、地表天氣狀況（風、氣壓、降水、溫度）、建筑結構、建筑內暖通空調系統運行情況等多種因素的影響，其濃度分布具有非常大的時間和空間異質性。3.10 節列舉了三個場地案例，部分監測數據可能存在 3 ～ 4 個數量級的波動，這為準確評估 VOCs 的長期平均人體暴露帶來了很多困難。但場地調查數據的時間和空間異質性問題尚未引起國內同行足夠的重視（Ma et al.，2018）。
常見的導致 VOCs 濃度時間分布異質性的原因包括：
①土壤含水率的波動；②室內空氣交換率的波動；③非平衡吸附解析；④室內外氣壓差的波動；⑤場地水文地質狀況的時間波動；⑥污染源隨時間的變化，其中對 VOCs 室內空氣濃度的短期波動影響較大的是室內空氣交換率和室內外氣壓差的波動。
常見的導致 VOCs 濃度時間分布異質性的原因包括：
①土壤含水率的波動；②室內空氣交換率的波動；③非平衡吸附解析；④室內外氣壓差的波動；⑤場地水文地質狀況的時間波動；⑥污染源隨時間的變化，其中對 VOCs 室內空氣濃度的短期波動影響較大的是室內空氣交換率和室內外氣壓差的波動。
常見的導致 VOCs 濃度空間分布異質性的原因包括：
①地層地質狀況的空間異質性；②場地水文地質狀況的空間異質性；③不同建筑物或同一棟建筑不同區域的建筑結構的差異；④不同建筑物或同一棟建筑不同區域的建筑運行工況的差異；⑤優先通道。
①地層地質狀況的空間異質性；②場地水文地質狀況的空間異質性；③不同建筑物或同一棟建筑不同區域的建筑結構的差異；④不同建筑物或同一棟建筑不同區域的建筑運行工況的差異；⑤優先通道。
4. 多證據調查方法
由于蒸氣入侵的復雜性以及數據的時間和空間異質性，任何一項單一證據都無法單獨確證蒸氣入侵的風險，必須搜集不同種類的證據，綜合在一起才能得出可靠的結論，這就是“多證據調查方法”（Ma et al.，2018）。在蒸氣入侵調查評估中，多證據方法一般包括地下水、土壤、深層土壤氣、淺層土壤氣、底板下土壤氣、室內空氣、室外空氣中污染物的監測數據，也包括地表污染物通量監測、單體穩定同位素分析、分子指紋分析、示蹤劑監測、室內氣壓調節監測等新興調查技術得到的數據。其中，地下水、土壤氣、室內空氣中的 VOCs 濃度一般構成多證據方法中的核心證據鏈。
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（蒸氣入侵詳細調查的工作步驟和路線圖）
在我國目前的場地調查實踐中，污染物土壤濃度的監測數據占據著最核心的地位，是進行場地風險評估的核心依據。不過揮發性有機物 VOCs 與半揮發性有機物 SVOCs 以及重金屬在理化特征以及環境行為等方面差異較大，VOCs 的污染特征及其適用的調查手段具有其特殊性。大量研究表明土壤中的VOCs 濃度和土壤氣中 VOCs 濃度并沒有顯著的相關性，基于土壤 VOCs 濃度數據，利用三相平衡模型計算出的土壤氣VOCs 濃度往往與其實際濃度差異較大。因此，僅依賴土壤濃度進行 VOCs 場地的風險評估特別是 VOCs 呼吸暴露途徑的評估存在明顯的不足，這一點應引起國內環保管理部門以及調查評估同行更多的重視（Ma et al.，2018）。
5. 層次化的調查評估流程
由于蒸氣入侵的復雜性，為了更合理地分配調查資源（時間、經濟、人力），蒸氣入侵調查評估一般采用層次化的方法，通常包括初步篩查和詳細調查兩個階段。初步篩查的目的就是通過簡單的篩選將風險較低的建筑或區塊排除，以便在詳細調查階段的將工作重點聚焦在高風險的建筑或區塊。無論是初步篩查還是詳細調查，都包括若干工作步驟，既需要進行采樣監測，又需要進行數據分析評估。第 8 ～ 10 章分別對初步篩查、詳細調查、風險評估進行了介紹。
6. 采樣監測數據的質量
環境監測數據是客觀評價環境質量狀況、反映污染治理成效、實施環境管理與決策的基本依據，高質量的采樣監測數據是進行場地風險評估的基礎。由于揮發性強、化學性質活潑，VOCs 采樣監測技術難度較大，不規范操作會導致樣品中VOCs 的揮發、吸附、反應損失。國內第三方監測實驗室的技術能力參差不齊，有可能導致采樣監測數據不可靠。第 3 章和第 4 章分別針對 VOCs 的檢測技術和采樣技術進行了詳細的介紹。
7. 數學模型的不確定性
除了采樣監測以外，數學模型也是一類常用的風險評估工具。經過幾十年的發展，目前共開發出了超過 30 個蒸氣入侵模型。這些模型種類繁多、功能各異，既有簡單的一維解析模型，也有復雜的三維數值模型。不同模型有著不同的模型假設、邊界條件和控制方程，但大部分模型在核心計算步驟上采用了相似的數學原理，甚至完全相同的數學公式。需要指出的是任何數學模型都是對所模擬過程的簡化和數學抽象，在這一過程中會伴隨著一定程度的失真（即產生誤差）。因此，雖然數學模型是風險評估的重要工具，其結果也可以作為多證據鏈中的一條，但是模型使用者應該對模型的誤差有更為深刻的理解，這一點尚未引起國內同行足夠的重視。
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GW-VAP3D 模型的概念 模型示意圖（Mustafa et al.，2014）
8. 蒸氣入侵的風險處置
如果目標地塊或建筑可能因 VOCs 蒸氣入侵導致不可接受的健康風險，那么就必須進行風險處置，常見風險處置技術包括：場地修復、制度控制、風險管控。污染修復是通過將污染物從被污染土壤或地下水中直接清除以達到減少或徹底消除蒸氣入侵人體暴露的目的。制度控制是通過法律、行政、規章制度的控制，以最大限度地減少人體暴露。風險管控是通過阻斷暴露途徑來降低污染物的暴露風險，蒸氣入侵的風險管控通常是通過阻斷 VOCs 進入建筑物的途徑來實現的。風險管控可以快速實施并在較短時間內起到降低人體暴露的目的，而污染修復則需要在較長的時間內才能實現降低風險的目的。因此通常會將風險管控與污染修復結合使用。在進行場地修復和風險管控時往往還需要制度控制措施相配合。如果需要進行應急處理或者在選定最終風險管控方案之前，還可以利用風險管控以達到立即降低暴露風險的目的。
如果目標地塊或建筑可能因 VOCs 蒸氣入侵導致不可接受的健康風險，那么就必須進行風險處置，常見風險處置技術包括：場地修復、制度控制、風險管控。污染修復是通過將污染物從被污染土壤或地下水中直接清除以達到減少或徹底消除蒸氣入侵人體暴露的目的。制度控制是通過法律、行政、規章制度的控制，以最大限度地減少人體暴露。風險管控是通過阻斷暴露途徑來降低污染物的暴露風險，蒸氣入侵的風險管控通常是通過阻斷 VOCs 進入建筑物的途徑來實現的。風險管控可以快速實施并在較短時間內起到降低人體暴露的目的，而污染修復則需要在較長的時間內才能實現降低風險的目的。因此通常會將風險管控與污染修復結合使用。在進行場地修復和風險管控時往往還需要制度控制措施相配合。如果需要進行應急處理或者在選定最終風險管控方案之前，還可以利用風險管控以達到立即降低暴露風險的目的。
在國外風險管控工程措施被廣泛用于蒸氣入侵的風險管理，取得了非常好的管控效果。蒸氣入侵常見的風險管控措施包括：被動阻隔、被動通風、底板下降壓、膜下降壓、底板下增壓、室內增壓、室內空氣凈化、充氣地板等（10.3 節）。對于VOCs 沿優先通道侵入室內的特殊情形，也有其相應的風險管控方法（10.4 節）。蒸氣入侵風險管控系統的安裝運行包括：系統設計和施工、運行效果的評價指標、運行維護與監測、系統關閉等環節（10.5 ～ 10.9 節）。
9. 需要專門制定針對蒸氣入侵的技術指南
蒸氣入侵的復雜性導致其調查評估的技術難度較大，但由于其重要性日漸被業內認知，很多國家都專門制定了針對VOCs 蒸氣入侵的場地調查評估和風險管控技術指南。隨著科學研究的深入和實踐經驗的積累，很多技術指南還經過了多次修訂。目前，我國已經建立起了土壤環境管理的基本的制度框架，但是專門針對蒸氣入侵的風險的技術指南仍然較為欠缺，應盡快補齊這方面的制度短板。
蒸氣入侵的復雜性導致其調查評估的技術難度較大，但由于其重要性日漸被業內認知，很多國家都專門制定了針對VOCs 蒸氣入侵的場地調查評估和風險管控技術指南。隨著科學研究的深入和實踐經驗的積累，很多技術指南還經過了多次修訂。目前，我國已經建立起了土壤環境管理的基本的制度框架，但是專門針對蒸氣入侵的風險的技術指南仍然較為欠缺，應盡快補齊這方面的制度短板。
作者簡介
馬杰，副教授，博士生導師，現就職于中國石油大學（北京）化學工程與環境學院環境科學與工程系、重質油國家重點實驗室。本科畢業于北京大學環境科學專業，碩士和博士均畢業于美國萊斯大學（Rice University）環境工程專業，導師 Pedro Alvarez 教授是國際知名環境工程專家、美國工程院院士。馬杰長期致力于“有機污染場地風險評估與修復”方面的研究，在北京大學本科學習期間參與了我國場地修復領域的第一個大型研究項目“北京焦化廠修復示范工程”，在 VOCs 蒸氣入侵、受控自然衰減與生物修復、原位化學氧化等方面均取得一定的研究成果，在 Environment Science & Technology、Water Research 等環境領域高水平期刊上發表第一作者 / 通訊作者 SCI 論文 28 篇，獨立撰寫學術專著 1 部，合作編寫本科生教材 1 部以及英文學術專著 1 章。2014 年入選校青年拔尖人才，2017 年入選北京市科技新星。
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