土壤是人类赖以生存的主要资源之一，随着我国经济社会的快速发展和城镇化建设的不断推动，土壤污染问题日益凸显并成为当前我国重要的环境问题之一. 自20世纪90年代以来，中国大中城市出现了大规模的工业企业搬迁情况，这些企业遗留的场地大多位于城市中心，场地可能存在土壤和地下水污染问题. 根据我国2005年开展的首次全国土壤污染状况调查结果，目前我国工矿业废弃地土壤环境问题突出，在调查的690家重污染企业用地及周边的5 846个土壤点位中，超标点位占36.3%，主要涉及黑色金属、 有色金属、 皮革制品、 造纸、 石油煤炭、 化工医药、 化纤橡塑、 矿物制品、 金属制品、 电力等行业^[1].

污染场地修复的费用是阻碍场地修复的关键因素，因此，在场地修复中采取的措施是将污染场地的风险降至合适水平而不是清除全部污染^[2]. 土壤修复可采用的技术种类较多，仅美国超级基金在1 468个污染场地修复中就应用了近30种修复技术^[3]，其中固化/稳定化技术和土壤气提技术在30年的场地修复中一直占有较高的应用比例(图 1). 美国超级基金在场地修复实践中，重点考虑修复费用、 效果和修复时间等多种因素，在修复技术筛选过程中借助不同的决策方法. 数值评分法是修复技术筛选中最常用的评分方法，如SAW(加权加和法)和AHP(层次分析法)^[4]. SAW与AHP方法通过主观赋值进行修复技术筛选，有时难以区分修复技术之间的细微差别^[5]. 成本效益分析法、 问卷调查统计、 生命周期法以及风险评估等定量赋值方法^{[6, 7, 8, 9]}可用于替代数值赋值方法，使其客观反映各修复技术之间的差异. 也有研究者采用较为复杂的定量决策方法如PROMETHEE(preference ranking organization method for enrichment evaluation)、 ELECTRE(elimination and choice expressing reality)和TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)方法筛选修复技术^[10,11]. 目前我国在污染场地修复技术筛选中多采用SAW和AHP方法^{[12, 13, 14]}，也有研究中用到Topsis和PROMETHEE法^[15,16]. 在修复技术筛选过程中多依靠于专家赋值评分，据此得出的筛选结果具有一定的主观性.

图 1

Fig. 1

图 1 美国超级基金场地修复技术应用情况 Fig. 1 Application status of remediation technologies in CERCLA

场地修复技术筛选是污染场地监管中的重要环节，修复技术的适用性也是影响场地修复效果的关键因素. 当前我国并未建立成熟完善的污染场地修复技术筛选方法与技术体系. 本研究考虑我国污染场地监管工作需求、 修复技术现状及决策方法研究状况，提出包含修复技术初筛及详细评价的技术方法，构建了包含定量和定性指标的污染场地修复技术筛选指标体系，利用可拓理论进行修复技术详细评价；并将构建的修复技术筛选体系应用于我国某铬渣污染场地，提出适用于该场地的土壤修复技术，以期为我国污染场地监管提供参考.

修复技术筛选包括初筛和详细评价两个部分，初筛是指根据目标污染物确定潜在可用的修复技术，详细评价则是根据筛选指标体系进行评价，对待选修复技术进行排序，确定各种修复技术的适用性.

修复技术初筛是从大量的备选修复技术中选出潜在可用的修复技术，为修复技术详细评价提供比较对象. 修复技术初筛一般根据目标污染物适用性及修复介质来确定备选的修复技术，常见污染物适用的主要修复技术见表 1^[17].

表 1(Table 1)

表 1 常见污染物适用的修复技术统计 Table 1 Statistical table of the remediation technology for common pollutants 修复技术 修复 介质 有机物 无机物 挥发性 有机物 卤代烃 非卤 代烃 多环 芳烃 多氯 联苯 二英 和呋喃 农药和 除草剂 重金属 非金属 石棉 氰化物 爆炸物 挖掘处置 土壤 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 自然衰减 水 √ √ √ √ × × √ √ √ × × √ 生物堆 土壤 √ × √ √ × × √ × × × × √ 生物通风 土壤 √ √ √ √ × × × × × × × × 生物曝气 土壤/水 √ √ √ √ × × √ × × × × × 土耕法 土壤 √ × √ √ × × √ × × × × √ 泥浆相生物处理 土壤 √ √ √ √ × ? √ × × × √ √ 化学氧化 土壤/水 √ √ √ √ × × √ × √ × × × 土壤冲洗 土壤 √ √ √ √ × × × √ × × × × 溶剂萃取 土壤 √ √ √ √ √ √ √ × × × × √ 空气注入 水 √ √ √ × × × × × × × × × 焚烧 土壤 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 热解吸 土壤 √ √ √ √ √ × √ √ × × √ × 土壤气相抽提 土壤 √ √ √ × × × × × × × × × 可渗透反应墙 水 √ √ √ √ √ √ √ √ √ × √ √ 土壤清洗 土壤 × √ √ √ √ × √ √ √ × √ × 水力黏合(如水泥) 土壤 × × ? √ √ √ ? √ √ √ ? × 玻璃化 土壤 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 1)√表示该修复技术适用，×表示不适用，?表示尚不确定

表 1 常见污染物适用的修复技术统计 Table 1 Statistical table of the remediation technology for common pollutants

选取修复技术筛选指标时应尽量采用能反映修复技术应用状况、 易于赋值的指标，以提高决策过程的客观性. 本研究选取技术、 环境和经济这3类因素构建修复技术筛选指标体系(图 2)，根据相应信息对各项评价指标赋值(表 2)^{[18, 19, 20]}. 各项评价指标中，修复时间和修复费用主要参考国内外已完成的修复案例. 利益方偏好主要考虑场地周边居民对修复过程产生干扰的可接受性、 政府及业主对技术实施的态度，该指标的赋值通过问卷调查方式确定. 环境扰动考虑修复时对水环境、 大气、 声环境和生态环境等方面产生的不利影响，通过理想最小扰动(待选修复技术各方面扰动最小情景)与待选技术之间的对比确定； 技术可行性主要考虑技术适用的场地特征，包括土壤理化特性、 污染介质特征和地质条件因素及其他限制条件^[19]； 技术成熟度主要依据美国超级基金1982~2011年间完成修复的场地中各种技术的应用数量进行赋值^[3]； 资源负担主要考虑能耗和原材料价格^[8].

图 2

Fig. 2

图 2 修复技术筛选指标体系 Fig. 2 Screening index of remediation technologies

表 2(Table 2)

表 2 修复技术筛选指标评分表 Table 2 Scoring results of remediation technology screening index 指标 5 4 3 2 1 技术成熟度(个数) >100 50~99 20~49 10~19 1~9 技术可行性 非常高 高 中等 低 非常低 修复时间 3~6月 6~12月 1~2年 2~5年 大于5年 总费用/·m-3 0~50 50~100 100~200 200~300 >300 资源负担 非常低 低 中等 高 非常高 环境扰动 非常小 小 中等 较大 非常大 利益方偏好 非常高 高 中等 低 非常低

表 2 修复技术筛选指标评分表 Table 2 Scoring results of remediation technology screening index

采用层次分析法确定技术成熟度、 技术可行性、 修复时间、 总费用、 资源需求、 环境扰动和利益方偏好指标的权重分别为0.08、 0.08、 0.24、 0.36、 0.04、 0.1、 0.1^[19]，层次分析法计算结果见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 各指标权重计算结果 Table 3 Computation results of the screening index 第一层 第二层 指标 权重 指标 相对权重 总排序 技术指标 0.4 技术成熟度 0.2 0.08 技术可行性 0.2 0.08 修复时间 0.6 0.24 经济指标 0.4 总费用 0.9 0.36 资源需求 0.1 0.04 环境指标 0.2 环境扰动 0.5 0.1 利益方偏好 0.5 0.1

表 3 各指标权重计算结果 Table 3 Computation results of the screening index

在污染场地土壤及地下水修复技术评价中考虑了7项因子，修复技术筛选指标中各指标的赋值分为五级. 在修复技术评价中一般依据评价值按等间距划分评价等级，在该过程中存在一定程度的人为因素干扰. 对于某一种特定的修复技术而言，需要判断7项因子与不同等级修复技术的相关性，修复技术筛选评价时需判断某个修复技术属于多个集合(五级)的程度，在该过程中存在一定的模糊性. 根据国内外文献调研，以物元理论、 可拓集合、 关联函数为基础的可拓理论是解决该问题的有效方法，在前期研究基础上，本研究利用可拓理论来进行修复技术筛选评价.

与定量赋值方法(如加权加和法、 层次分析法)相比，基于可拓理论的评价方法既可得出待评价修复技术中各项因子与标准物元模型中各等级修复技术中相应因子的相关性，也可评价待评价修复技术与各等级修复技术的相关性. 依据可拓学理论^[21,22]，建立标准物元模型为:

式中，X₁,X₂,…,X₇分别表示修复技术筛选指标体系中的7项评价参数； x₁,x₂,…,x₇为参数X₁,X₂,…,X₇的取值； H_j(j=1,2,…,n)表示修复技术评价等级.

计算各参与评价的修复技术中7项评价因子与标准物元模型各等级中对应因子的关联度，即K₁～K₇，关联度的计算公式为:

关联函数中把实变函数中距离的概念扩展为“距”，规定实轴上点x与区间X₀=〈a,b〉之距为:

由式(2)、 (3)可分别计算出任一待选的修复技术R中各评价因素与标准物元模型中任一等级中相应因素的关联度K_j，再根据各因素的关联度与权重来判定备选修复技术R所属的修复技术评价等级. R关于H_j的关联度为:

式中，n表示选取的参数个数，m为修复技术等级数. 修复技术筛选评价中，取K_j中的最大值相对应的B_j为修复技术评价等级.

选择我国北方地区某铬渣填埋场作为研究对象，铬渣填埋场中铬渣堆存了数十年，因该渣场修建时未能采取有效的污染防护措施，导致该区包气带土壤和地下水受到严重污染. 目前研究区内填埋的铬渣已被清除，但对于受到污染的包气带土壤及含水层仍需采取有效的治理措施. 该场地土壤以砂土为主，砂粒含量占50%左右； 土壤天然密度为1.91 g ·cm^-3，天然含水率为13.2%，孔隙度37.78%，渗透系数为0.18 m ·d^-1，pH为7～8.

目前修复土壤重金属污染主要有两种方法，一是从土壤中去除重金属； 二是改变重金属在土壤中的存在状态，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性^[23,24]. 根据修复技术初筛结果(表 1)，针对铬污染土壤常用修复技术包括挖掘处置、 土壤冲洗、 土壤清洗、 固化/稳定化技术(水力黏合、 玻璃化)，各修复技术的评分见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 土壤修复技术评分结果 Table 4 Scoring results of soil remediation technologies 技术名称 技术成熟度 技术可行性 修复时间 总费用 资源负担 环境扰动 利益方偏好 挖掘处理 5 5 5 5 3 2 5 土壤冲洗 3 4 3 4 4 3 4 土壤清洗 1 4 4 3 2 2 4 固化/稳定化 4 3 3 4 4 3 3

表 4 土壤修复技术评分结果 Table 4 Scoring results of soil remediation technologies

(1)挖掘处理

用机械挖掘的方式将污染土壤挖出并转移至其他场所进行处理，处理达标后进行安全填埋. 该方法简单易行，所需的工期较短，在早期的污染场地修复中应用广泛. 在场地修复过程中，污染介质的埋藏深度及地上构筑物的建设将影响处理费用.

(2)土壤冲洗

通过表面喷洒或注射井注射等方式，将水或冲洗液注入到地下，冲洗液流经污染介质后通过抽提井进行收集. 该技术不需挖出土壤，对砂质土壤处理效果较显著，但在处理过程中易造成污染物的迁移. 土壤冲洗的费用估计为60～170 ·t^-1，处理时间一般在2年以上^[25]. 土壤冲洗技术的适用性主要受场地特征参数(如渗透系数、 阳离子交换量、 黏土及有机质含量等)的影响^{[25, 26, 27]}.

(3)土壤清洗

将污染土壤挖出，经过破碎、 筛分后将其放入处理容器中，用水或溶液对土壤进行洗涤，使土壤中的污染物进入液相中，从而去除土壤中的污染物，处理后的溶液可回收利用. 经过30余年的发展，土壤清洗技术已较为成熟，对砂质土壤的处理效果显著，该方法的处理费用估计为130～220·t^{-1 [25]}.

(4)固化/稳定化技术

水力黏合技术是在污染介质中加入固化剂，土壤中的污染物与固化剂发生反应后，其迁移性或毒性可被大大减弱，从而降低污染风险^[28]. 该技术适用于含水量低于20%、 黏性低于10%的污染土壤处理，处理费用估计为30～250 ·t^{-1 [29].}

玻璃化技术是通过高温(1 600～2 000℃)将污染土壤转变为稳定的玻璃态，使重金属固定于其中. 该技术较为复杂，耗费较高，多用于复合污染严重且其它方法无法有效处理的场地^[29]. 因此，本场地土壤修复不推荐采用玻璃化技术. 固化/稳定化技术尤其适用于金属与有机物复合污染场地^[26]，相对于原位玻璃化技术，水力黏合技术更为适用.

本研究中初筛得出的可用于该铬渣场地土壤修复的技术为挖掘处置、 土壤冲洗、 土壤清洗、固化/稳定化，因此，修复技术评价中可划分为4个等级，按等级由低到高分别用1、2、3、4来表示.根据各参数的评分范围(表 4)，按不同修复技术等级构建标准物元模型为:

各因素的节域为:

由式(2)、(3)可计算得出各修复技术中评价因子与标准物元模型中各因子的关联度，根据各因子的关联度计算结果，由式(4)可计算得出各修复技术与标准物元模型的关联度，据此进行修复技术等级划分(表 5).

表 5(Table 5)

表 5 土壤修复技术筛选结果 Table 5 Screening results of soil remediation technologies 项目 关联度 修复技术等级 SI4 SI3 SI2 SI1 挖掘处理 -0.12 -0.98 -0.96 -0.88 4 土壤冲洗 -0.55 -0.2664 -0.31 -0.45 3 土壤清洗 -0.79 -0.58 -0.43 -0.21 1 固化/稳定化 -0.64 -0.42 -0.26 -0.38 2

表 5 土壤修复技术筛选结果 Table 5 Screening results of soil remediation technologies

依据可拓理论得出的修复技术筛选结果，修复技术优先排序为: 挖掘处理、 土壤冲洗、 固化/稳定化、土壤清洗.推荐挖掘处理和土壤冲洗技术作为该铬渣污染场地备选土壤修复技术，在场地修复工程设计中可结合场地规划用途、 修复工期及经费等因素选取最佳的修复技术. 该场地规划作为住宅类敏感用地，当地政府及居民均倾向于采用修复时间最短、 总费用最低、 环境扰动最小、 资源需求最低的修复技术. 本场地土壤修复备选的挖掘处理及土壤冲洗技术中，挖掘异位处理技术较为成熟，所需时间相对较短，总费用相对较低，但环境扰动大； 土壤冲洗技术成熟度相对较低，修复工期较长，总费用相对较高，环境扰动较小. 因此，若本场地急于开发，可采用挖掘异位处理方式； 若不急于开发，则可采用原位土壤冲洗处理方式.

(1)建立了土壤修复技术筛选方法及指标体系，包括修复技术初筛和详细评价两个部分，筛选指标包括技术成熟度、 技术可行性、 修复时间、 总费用、 资源需求、 环境扰动和利益方偏好7项因素.

(2)利用可拓理论进行修复技术详细筛选评价，通过建立标准物元模型，根据任一待选修复技术与标准物元模型中各因素的关联度与权重来确定修复技术评价等级.

(3)将构建的修复技术筛选方法应用于我国北方某铬渣污染场地，初筛得出可用的土壤修复技术为挖掘处置、 土壤清洗、 土壤清洗、 固化/稳定化，利用可拓理论计算得出修复技术优先排序为挖掘处理、 土壤冲洗、 固化/稳定化、 土壤清洗，推荐挖掘处理和土壤冲洗技术作为该场地备选土壤修复技术.