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土地资源紧张已成为制约城市经济可持续发展的主要因素[1]。近年来,随着我国城市化进程和产业升级转移步伐的加快,全国大中城市纷纷实施了“退二进三”、“退城进园”和“产业转移”等政策,致使大批高污染化工企业搬迁或关闭[2-4]。这些高污染化工企业旧址土壤中含有多环芳烃(PAHs)、总石油烃(TPH)和有机氯农药(OCPs)等有机污染物,若不经妥善管理和处置,将对生态环境和人体健康造成严重危害,从而制约城市土地资源的高效流转与利用[5-8]。
目前,针对有机污染土壤有多种修复技术,包括气相抽提、化学氧化、化学淋洗、热脱附、阻隔填埋等[9-10]。相较而言,热脱附技术具有适用性广、处理效率高、修复彻底、二次污染可控等显著优势,已被广泛应用于有机污染土壤修复工程中[11-13]。根据污染土壤修复地点的差异,将热脱附技术分为原位和异位2类[14]。相比原位修复过程在地下的“黑箱”状态,异位修复过程的温度和停留时间可由异位热脱附设备中控端直接调控,整个修复过程更加直观和可控[15]。经过30余年的探索研发,欧美等发达国家已将异位热脱附技术广泛应用于工程实践当中[16]。2009年,我国首次引入异位热脱附设备。2020年底,北京2家企业自主研发的异位热脱附设备入选工业和信息化部颁发的《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录(2020年版)》[17]。经过十余载的不断研发和创新,异位热脱附技术已成为我国污染场地治理修复的主要选择。
现有对异位热脱附技术的研究,主要集中在设备工艺参数、土壤特性和污染物特性对处理能力的影响[18-21]、尾气处理系统优化[22-23]、系统能耗优化[24-25]等方面,鲜有涉及技术应用过程的碳排放分析。2021年,国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出:将碳达峰贯穿于经济社会发展全过程和各方面,明确各地区、各领域、各行业目标任务[26]。“十四五”时期,“绿色、低碳、可持续”将成为土壤修复工程技术发展的主要方向,绿色可持续修复工程评价体系和碳排放核算技术体系亟待完善[27]。绿色可持续修复强调修复工程的整个生命周期可能对环境产生的影响,生命周期评价方法被逐步应用和拓展[28-29]。已有异位热脱附修复技术的生命周期评价多侧重于技术比较和筛选过程的决策分析,用于评估不同技术的修复性能与环境影响的关系[30-31],较少涉及技术应用过程碳排放核算及其影响因素的分析。本研究基于生命周期思想,拟建立污染土壤异位热脱附过程碳排放核算系统边界和清单,核算污染土壤异位热脱附修复各过程碳排放水平,并分析主要碳排放过程和影响因素,最终针对性地提出异位热脱附修复过程碳减策略及建议,以为异位热脱附技术的低碳可持续应用提供参考。
我国华东地区污染土壤异位热脱附修复碳排放及减排策略
Carbon emissions and emission reduction strategy for remediation of contaminated soil by ex-situ thermal desorption in East China
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摘要: 为探索我国污染土壤异位热脱附修复的碳减排路径,采用生命周期评价方法理论,确定污染土壤异位热脱附修复碳排放核算系统边界和清单。将异位热脱附修复划分为土壤开挖、运输、预处理、主处理、尾气处理、最终处置6个过程,基于华东区域5个典型工程的能源及物料调研数据,核算了异位热脱附修复过程碳排放水平,识别出碳排放的主要影响因素,提出针对性的减排策略。结果表明,异位热脱附修复1 m3污染土壤全过程碳排放为212.22 kgCO2eq,碳排放集中在预处理、主处理和尾气处理3个过程,尾气处理过程最高,占比为54%。从碳排放源上看,主要为间接碳排放,占比达62%。生石灰、天然气、NaOH碱性溶液等物料投入量是碳排放的主要影响因素。同时,修复后土壤外运距离超过300 km后,将会对全过程碳排放产生较大影响,应提高物料使用率、控制土壤外运距离,以实现修复过程碳减排。本研究结果可为污染土壤异位热脱附修复技术的低碳应用提供参考。Abstract: To explore the carbon emission reduction path of ex-situ thermal desorption remediation of contaminated soil in China, the boundary and list of carbon emission accounting system of the process were determined based on the life cycle assessment theory. Ex-situ thermal desorption was divided into six processes: soil excavation, transportation, pretreatment, main treatment, tail gas treatment and final disposal. Based on the energy and material research data of five typical projects in East China, the carbon emission levels in the process of ex-situ thermal desorption were calculated. The main influencing factors of carbon emissions were analyzed and identified. Based on the analysis above, emission reduction strategies were put forward directing at the key processes and factors of carbon emission. The results showed that the carbon emission of 1 m3 contaminated soil remediation by ex-situ thermal desorption was 212.22 kgCO2eq. Carbon emissions were concentrated in three processes: pretreatment, main treatment and tail gas treatment. The carbon emission of tail gas treatment was the highest, accounting for 54%. From the perspective of carbon emission sources, it was mainly indirect carbon emissions, accounting for 62%. The input of quicklime, natural gas, alkaline solution prepared by NaOH and other materials was the main influencing factor of carbon emission. Meanwhile, the transportation distance of post-remediation soil beyond 300 kilometers will have a great impact on the whole process of carbon emissions. The utilization rate of materials should be improved and the outward transportation distance of soil should be controlled to achieve carbon emission reduction in the remediation process. The research results provide a theoretical reference for the low-carbon application of ex-situ thermal desorption technology.
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表 1 异位热脱附修复污染土壤过程碳排放源清单
Table 1. Inventory of carbon emission source during remediation process of contaminated soil by ex-situ thermal desorption
修复过程 直接排放源 间接碳排放源 土壤开挖 柴油 柴油 运输 柴油 柴油 预处理 柴油 柴油、电力、生石灰、钢材、PVDF膜、混凝土、一般固废 主处理 柴油、天然气 柴油、电力、天然气、钢材 尾气处理 — 电力、活性炭、NaOH、自来水、废水 最终处置 柴油 柴油 表 2 异位热脱附修复1 m3 污染土物料清单
Table 2. Material list of 1 m3 contaminated soil remedied by ex-situ thermal desorption
修复过程 设备名称 材料/能源 投入/产出量 土壤开挖 挖掘机 柴油 0.11 L 运输 卡车 柴油 0.13 L 预处理 筛分机 柴油 0.60 L 破碎机 柴油 0.15 L — 生石灰 6.00 kg 负压大棚骨架 钢材 0.13 kg 负压大棚覆膜 PVDF膜 0.0012 m2 负压大棚地面 混凝土 0.0054 m³ 负压大棚引风机 电力 9.07×103 kJ — 一般固废 50.00 kg 主处理 上料机 柴油 0.20 L 热脱附设备 钢材 0.08 kg — 天然气 35.00 m³ — 电力 5.40×103 kJ 尾气处理 — 电力 9.00×103 kJ — 活性炭 0.98 kg — NaOH 50.00 kg — 自来水 0.20 t — 废水 5.00 t 最终处置 回填设备 柴油 0.21 L 表 3 异位热脱附修复污染土过程涉及物料碳排放因子及说明
Table 3. Carbon emission factors and descriptions of materials involved in contaminated soil remedied by ex-situ thermal desorption
物料名称 碳排放因子 数据来源 假设及说明 柴油 2.68 kgCO2eq·L−1(直接) 省级温室气体清单编制指南(试行)[38] 处理过程所有车辆或设备消耗的柴油型号
一致,本地采购0.54 kgCO2eq·L−1(间接) 省级温室气体清单编制指南(试行)[38] 天然气 2.17 kgCO2eq·m−3(直接) 省级温室气体清单编制指南(试行)[38] 来自本地市政燃气管道 0.07 kgCO2eq·m−3(间接) 省级温室气体清单编制指南(试行)[38] 电力 2.19×10−4kgCO2eq·kJ−1(间接) 2019年中国区域电网基准线排放因子[39] 处理过程所有电力消耗均自华东电网 自来水 0.17 kgCO2eq·t−1(间接) 中国生命周期基础数据库CLCD[40] 处理过程用水均来自本地市政管网供水 生石灰 1.34 kgCO2eq·kg−1(间接) 中国生命周期基础数据库CLCD[40] 不考虑预处理过程投入的其他药剂 混凝土 321.30 kgCO2eq·m−3(间接) 中国生命周期基础数据库CLCD[40] 现场采用的混凝土型号均为C30混凝土 活性炭 9.97 kgCO2eq·kg−1(间接) 煤基活性炭单位产品能源消耗限额
(GB 29994>-2013)[41]、省级温室
气体清单编制指南(试行)[38]本地采购及处置,不考虑处置过程的碳排放 钢材 1.97 kgCO2eq·kg−1(间接) 高春艳等[42] 单位消耗由设备使用寿命内的污染土总处理量均摊,现场采用的型号一致,且本地采购 PVDF膜 — 黄欢等[43] 本地采购,PVDF膜产品寿命长达25年,可多次重复利用,其碳排放忽略不计 NaOH 1.97 kgCO2eq·kg−1(间接) 李容等[44] 不考虑碱性溶液中投入的其他微量药剂,
本地采购废水 1.06 kgCO2eq·t−1(间接) 余娇等[45] 现场达标处理后排放到市政污水管道 -
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