农田污染土壤的绿色可持续修复:分析框架与相

点击次数:   更新时间:2020-12-28 10:37     来源:老哥论坛

  农田污染土壤修复可能导致直接或间接的社会经济环境影响,比如环境二次污染、食品安全、农作物产量等。在推动农田污染土壤绿色可持续修复的过程中,最重要的目的之一便是统筹这些影响因素,使修复获得的环境、社会、经济效益最大化。本文介绍了我国农田污染土壤修复现状,可持续性评价在绿色可持续修复中的作用以及在我国实施所面临的挑战,并基于此提出了农田污染土壤的绿色可持续修复分析框架。最后,从可持续性评价应用、鼓励公众参与、加强污染预防、采取经济鼓励政策等方面为我国农田污染土壤的绿色可持续修复提出了建议。

  随着我国社会经济的快速发展,工业和农业活动带来了严重的土壤污染问题,对生态环境和人体健康带来了巨大风险。根据环保部发布的《全国土壤污染状况调查公报》,在实际调查的约630万平方公里面积的土壤中,总的点位超标率达16.1%。在不同类型土地中,农田土壤环境质量堪忧,耕地点位超标率达19.4%。面对严峻的土壤污染状况,国务院于2016年颁布了《土壤污染防治行动计划》(以下简称“土十条”),为我国土壤污染防治工作提供了行动纲领。对于农田污染土壤修复,“土十条”要求:2018年底前,完成农用地土壤污染状况详查;到2020年,完成1000万亩受污染耕地的治理与修复;到2030年,受污染耕地安全利用率达到95%以上。

  我国农田土壤污染来源多样,包括农药、化肥的过度施用,污水灌溉,地膜弃置,大气沉降,工业三废的排放等。各类污染物中,镉、镍、铜、砷、汞、铅等重金属污染最为突出,其次是滴滴涕(DDT)、多环芳烃(PAHs)等有机污染。我国近年来农药的年生产量约370万吨,我国单位面积农药使用量是世界平均水平的2.5倍。与自然成土过程摄入的重金属相比,由于人类活动迁移至土壤的重金属的生物活性更高。目前,针对重金属污染农田土壤的修复技术包括:采用生物炭、堆肥、沸石、黏土、石灰等作为稳定剂对重金属污染物原位稳定化;植物修复,利用高富集植物吸收去除土壤中的重金属污染物;原位电动修复,利用电化学的原理去除污染;采用硅素营养作为土壤改良剂限制重金属向植物根系的迁移;采用氯化钙、氯化铁等化学药剂进行原位土壤淋洗;对耕作过程中的灌溉进行优化管理。对于PAHs等有机物污染农田,修复技术包括生物修复和植物修复等。

  通过修复受污染的农田土壤,不仅可抑制土壤中污染物向植物迁移,保障农产品安全,还能降低生态环境风险和土地使用者的健康风险,带来巨大的环境和社会经济效益。然而,近年来修复从业者发现,修复行为本身也会造成严重的环境二次影响,尤其是当采用不恰当的修复方式时,修复所带来的环境负面影响可能会超过土壤中污染物暴露的影响,从而使修复的“净环境效益”为负值。另一方面,采用诸如土壤淋洗、稳定化等技术进行污染土壤修复时,还需要考虑修复技术对土壤理化和生物性质的影响。因此,为了实现可持续的农用地管理,修复受污染农田前需要进行综合全面的考虑。

  近十年来,绿色可持续修复运动引起了各国政府环保部门、修复从业者、以及学术界的广泛关注。绿色可持续修复旨在避免“过度修复”,减少二次影响。近两年,绿色可持续修复在我国得到了快速发展。2016年3月,环保产业协会启动了《污染场地绿色可持续修复通则》的标准制定工作,旨在为绿色可持续修复的实施提供指导框架;2017年6月,“中国可持续环境修复大会”在北京召开并签署《推动绿色可持续性修复的倡议书》;2017年10月,中国可持续修复论坛(Su RF-China)成立。与此同时,我国科研工作者在包括绿色可持续修复的框架研究、全生命周期的环境二次影响评估、不同修复技术的可持续性比较等多个方面开展了相关研究,并在国际学术期刊上发表多篇研究成果。随着修复行业在国内的发展,未来绿色可持续修复相关的科学研究以及应用会持续增长。

  然而,绿色可持续修复的实施还存在很多挑战,可持续性评价是其中最重要的挑战之一。可持续性评价是实施绿色可持续修复的核心环节,可持续性评价分为两种:前瞻性的可持续性评价以及回顾性的可持续性评价。前瞻性的可持续性评价可以为修复的规划、设计、实施和场地管理提供决策依据;回顾性的可持续性评价可以界定修复工程是否“绿色与可持续”。修复的可持续性是具体和相对的。比如,我们无法脱离具体的场地条件、修复目标等前提来比较两种修复技术哪种更具有可持续性,同时,也只有当存在多种可行的修复方案时,我们才能判断哪种修复方案更加可持续。

  不同于风险评价,修复的可持续性评价是多目标性的,即具有“三重底线”原则:环境、社会、经济效益得到平衡。可持续性评价的方法很多,包括指标评价法、过程评价法、以及综合评价法。多标准分析评价(Multi-criteria analysis, MCA)是典型的指标评价方法,可以通过对环境、社会、经济各项指标的分析,对修复的总体可持续性及其趋势做出判断。生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)是典型的过程评价方法,注重于一个产品或者服务的生命周期内的输入和输出,即从原材料的获取到最终废弃物的处置过程中所产生的各类影响(主要是环境方面)。在美国,LCA是修复领域研究者们使用最广的可持续性评价工具。而在英国,人们更倾向于使用MCA。过去十多年,各国有关政府部门和机构都陆续发布了各种污染场地修复的可持续性评价导则、技术指南以及工具软件,为修复决策提供支撑。下表列出了各国现有的污染场地修复可持续性评价指南中典型的可持续性评价指标。可以看出,这些指标涵盖了污染场地修复的各个方面。

  尽管农田土壤污染造成了巨大的环境和社会风险,但通过现有的工业场地修复可持续性评价体系难以对污染农田修复进行全面的分析评价,使我国污染农田土壤修复受阻。因此,亟需建立一套污染农田土壤修复可持续性评价体系,以采取最佳的修复方法和模式,提高修复的环境、社会、经济效益,推进我国污染农田土壤的绿色可持续修复。

  农田土壤污染具有污染来源多样、污染面积大、污染深度浅(大部分污染在土壤表层30cm以内)、修复周期长等特征。相比于工业污染场地修复,农田污染土壤修复的目标也不同。比如,工业污染场地修复是为了将场地使用者和环境敏感受体的健康风险控制在可接受的水平,而农田污染土壤修复的主要目的是为了提升土壤生长能力,恢复农业生产,保障农产品安全。基于这些特点,农田污染土壤修复可持续性分析框架如图1所示。由于农田污染土壤修复周期往往较长,需要同时考虑农田污染土壤修复的一次、二次、三次影响。一次影响指场地污染物对社会生产和人们的生活造成的影响,二次影响指修复行为所导致的影响,三次影响指修复后场地条件变化对社会生产和人们的生活造成的影响。在农田污染土壤绿色可持续修复分析框架的应用上,需要整合不同方面的考量因素。如可以通过MCA的方法,即通过赋分和加权将不同类型的影响评价结果进行整合,分析农田污染土壤修复的总体可持续性。

  与工业污染场地修复类似,农田修复的环境可持续性考虑分为两部分。第一部分是土壤中污染物的迁移、暴露对人体健康造成的危害,通常通过健康风险评估(Health Risk Assessment, HRA)进行量化分析。第二部分为修复本身所造成的各类影响,如资源的消耗、污染物的释放、废弃物的产生等,目前LCA被广泛用于修复二次影响的定量分析。LCA分为中点指标法(point indicator)和端点指标法(endpoint indicator)。其中,中点指标法可以阐述修复所导致的各个方面的影响,如温室气体排放、大气颗粒物排放、水体富营养化、土地酸化等;而端点指标法可以将各类环境影响高度整合,归为人体健康、生态环境以及资源消耗三大类。端点指示法便于人们决策分析,因此在这个分析框架中引入了LCA端点指标法的评价指标作为考量因素,以全面涵盖各类环境二次影响。目前,已经有研究成功将HRA与LCA相结合,用于优化制定污染场地修复目标。

  农田污染土壤修复的社会可持续性考虑包括修复工人与农民的健康与安全、公众参与及满意度、修复有效期和修复弹性。一项针对世界范围内200多名修复从业者的问卷调查显示,降低场地修复工人以及场地周边社区居民的健康与安全风险被认为是提升修复可持续性最重要的手段。因此,需要考虑修复方式是否能够有效防止污染物的释放,以及修复操作的安全性。公众参与及满意度主要取决于修复的规划和决策过程中,农民的参与程度以及对修复实施的反馈。修复弹性是一个相对较新的概念,主要指修复的长期有效性以及修复效果对外界环境变化的敏感性。很多农田土壤修复手段通过改变土壤的理化性质以降低污染物的生物有效性,但无法将污染物从土壤中去除。另一方面,由诸如酸雨导致土壤酸化等原因,可能会使土壤中的重金属再次活化。因此,对污染农田土壤修复的修复弹性评估尤为重要。

  修复的经济可持续性包括修复的成本和效益。修复的生命周期花费以及因修复占用农田给予农民的补贴是主要的经济可持续性考虑因素,这些指标可通过工程经济的方法加以量化。从区域性角度来看,农田修复后对农民的生活影响以及对当地的经济影响也需要被考虑,这些指标可以通过当地人民生活水平和地方税收等方面反映。

  农业可持续性是农田污染土壤修复可持续性考虑中的重要环节,也是其区别于工业污染场地可持续性分析的主要因素,主要包括土壤肥力提升、农产品安全以及农产品增产三个方面。土壤肥力作为耕地功能的基本保障,可以从土壤pH、理化和生物等指标反映。美国农业部自然资源保护局基于这些指标,已经建立了成熟的土壤质量评价方法。纵然农田污染土壤修复对于农业的影响与当地社会经济影响密切相关,但是农业可持续性是对农田污染土壤修复从更大区域尺度、更加长远角度的考虑。

  我国不同地区的气候条件、土壤性质以及农田污染来源不同,导致不同地区最佳的污染农田修复方式可能也不同,可以通过可持续性评价来选择最佳的修复技术。同时,针对某一特定技术设计修复方案时,也要有各方面的可持续性考虑。比如,当采取固化/稳定化技术时,需要防止使用对土壤肥力造成破坏的钝化剂,影响农作物的生长。当使用植物修复时,需要妥善处置重金属富集植物,防止二次污染。另一方面,其他地区或国家的农田修复经验也值得我们借鉴。比如,日本作为最早开展农田污染土壤修复的国家之一,客土法、化学修复、植物萃取、耕地轮作等都是常用的修复手段。

  可以通过雇佣当地农民参与农田污染土壤修复工作来实现,同时可以节省修复开支,具有巨大的社会经济效益。植物修复是我国应用较多的农田污染土壤修复技术,目前已有农民参与修复的成功案例,并且实现了污染修复目标和农民创收。有项目专门调查了农民的生活方式和种植农作物类型的倾向,以设计契合农民习惯的修复方案。此外,还可以通过经济补贴或者将能源植物种植与修复相结合的方式,鼓励农民积极参与修复。

  1997—2014年,我国耕地污染比例从7.3%增至了19.4%。历史经验表明,污染预防是可持续环境管理的重中之重。不对污染源采取控制措施将会使农田污染防治工作在先污染再治理的道路上不断循环,甚至无法使修复达标。“土十条”提出了关于加强污染源监管、做好土壤污染预防工作的要求,但是,完善农田污染监管体系还需多部门的共同努力。比如,为了推广高效低毒低残留农药,需要农业部颁布相关的标准和鼓励政策。

  我国农田污染大多发生在经济欠发达的农业地区,以恢复土壤肥力、保障农作物生产为目的的污染农田土壤修复不影响土地的商业价值,而土地升值是污染场地修复的主要商业驱动力,导致资金更多流向工业污染场地修复,使污染农田土壤修复经济受阻。有案例研究表明农田污染土壤修复的成本可以超过在同等面积农田种植农作物30年收益的总和。然而,修复大面积受污染农田的重要性不言而喻。我国是人口大国,国家层面上保证充足的粮食供应以及食品安全是极其重要的。然而随着城市化发展,我国的粮食进口依赖性越来越强,有研究显示,到2020年我国粮食缺口可能达1亿吨。从食品安全、粮食增产、农民创收等方面来看,农田污染土壤修复的间接效益远大于直接效益。因此,通过更多经济政策上的激励为农田污染土壤修复提供驱动力是必要的。比如,由于土壤修复对于城市减排的贡献巨大,有学者建议将碳减排纳入修复目标,以获得有关部门的资金支持。

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