危险物质泄漏场地污染应急响应与清理制度及关键技术
危险物质泄漏场地污染应急响应与清理制度及关键技术
姜林， 张文毓， 钟茂生， 李晓宇， 王世杰， 周友亚， 赵莹
北京市生态环境保护科学研究院；国家城市环境污染控制工程技术研究中心；污染场地风险模拟与修复北京市重点实验室；生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心
摘要：危险物质泄漏是导致场地土壤和地下水污染的常见原因，泄漏场地的应急响应与清理制度是污染场地风险管理制度的重要组成部分，及时开展危险物质泄漏场地的土壤和地下水污染应急响应与清理工作，可降低污染导致的健康与环境危害以及后期土壤和地下水修复成本.目前，许多国家已构建了应急响应、紧急清理和非紧急清理等基于场地污染事件严重性和紧迫性的差异化应对机制，对泄漏场地土壤和地下水污染控制发挥了重要作用，但我国尚未建立泄漏场地土壤和地下水污染应急响应与清理技术体系.该文通过梳理国外场地土壤和地下水污染应急响应与清理体系框架及关键技术，分析总结了国外泄漏场地污染应急响应与清理体系中以现场协调员为核心的多层级多部门协同机制、工作程序、调查评估方法、应急响应与清理模式、措施选择与行动备忘录制定原则等，从技术层面探讨了泄漏场地中污染的移除清理、阻控、封闭隔离与应急修复等关键技术.结合国内外典型案例分析，提出以下建议：①建立涵盖多层级、多部门的泄漏场地污染应急响应与清理协同机制；②制定和完善污染场地应急响应与清理的决策机制和技术标准体系；③建立高素质专业化的应急响应与清理协调指挥队伍；④鼓励开展快速高效应急响应与清理关键技术研发.
危险物质泄漏事件通常可分为突发性事件和非突发性事件. 突发性事件可直接导致场地污染[1]，继而引发一系列严重的环境问题，如近年来引起较大社会反响的吉林化工厂爆炸事件、天津“8 ·12”港口特大爆炸事件、江苏响水化工企业爆炸事件等. 据统计，我国2009—2015年突发危险品泄漏事件从106起/a升至914起/a，此后略有下降，2018年为700起[2]. 尽管目前我国缺乏非突发性事件相关数据的统计，但国外经验表明，因其导致的危险物质泄漏场地(简称“泄漏场地”)土壤和地下水污染非常普遍，Jenkins等[1]对美国环境保护局(US EPA)第三区(EPA Region 3)的76个泄漏场地污染状况统计结果发现，其中51个场地存在土壤污染，10个场地存在地下水污染. 由于泄漏场地的土壤和地下水污染治理难度大、成本高[3-4]，故其早期应急响应极其重要. US EPA建立了泄漏场地污染“应急响应与清理” (Superfund Emergency Response and Removal Program)制度，并与“场地修复”(Superfund Remedial Program)制度形成了美国“超级基金”(the Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act of 1980, CERCLA或Superfund) 污染场地管理的两大重要制度[5]，其中场地修复制度的目的是保障污染场地通过修复治理达到安全再利用，泄漏场地污染应急响应与清理制度的重点是消除紧急和严重的环境健康风险. 我国现已建立了污染场地修复管理制度及技术标准体系[6-11]，但尚未建立泄漏场地污染应急响应与清理制度. 鉴于此，该文重点对美国泄漏场地污染应急响应与清理制度进行梳理与总结，结合国内外典型案例分析，从技术层面探讨泄漏场地污染移除清理、阻控、封闭隔离与应急修复等关键技术，以期为我国建立泄漏场地土壤和地下水污染应急响应与清理制度提供借鉴.
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1 场地污染应急响应与清理制度
1.1 应急响应与清理机制
依据《国家石油和有害物质污染应急计划》(National Oil and Hazardous Substances Pollution Contingency Plan，NCP)[12]，美国建立了涉及联邦、州、地方、原住民部落、相关专业机构等多层级的国家应急响应体系(the National Response System，NRS). US EPA和地方环境部门分别成立了国家和地方应急响应队伍，包括涉及化学、生物和放射性等不同专业的应对小组. NCP详细规定了各层级内机构及人员的职责并授权现场协调员(On-Scene Coordinator)负责应急响应与清理全过程. 1980年颁布的“超级基金法”(CERCLA)还增加了针对泄漏场地土壤污染应急响应与清理的相关要求. 根据上述法规，美国国家响应中心(National Response Center)接到泄漏事件报告后，应立即通知所在区域的现场协调员. 由现场协调员判定泄漏危害的严重性和处理的紧迫性，并与地方环境部门协商确定应急响应与清理模式. 当超出地方政府应对能力时，可以请求联邦环境机构参与；当超出联邦环境机构的应对能力时，可联合不同联邦机构建立综合指挥部；当出现重大灾难性泄漏事件时，由总统宣布紧急状态并成立统一指挥机构应对.
1.2 应急响应与清理启动条件
CERCLA中§104(a)(1)规定启动应急响应与清理的条件是：①实际或可能存在危险物质(hazardous substance)泄漏到环境中；或者②任何可对公众健康与财产造成危急和严重影响的污染物(pollutant or contaminant)泄漏到环境中. “危险物质”是指美国清洁水法和清洁空气法等中规定的危险物质，“污染物”为进入环境后可通过经口摄入、呼吸和皮肤接触等产生健康风险的污染物. NCP中§300AI5(b)(2)明确“危急和严重影响”包括：①对周边人群、动植物和食品供应等产生实际或潜在的重大影响；②对供水和敏感生态系统产生实际或潜在的重大影响；③装有危险化学品或有毒有害物质的储罐等容器存在泄漏风险；④表层土壤存在高浓度的有毒有害污染物并存在迁移风险；⑤可能发生极端不利天气导致危险物质或污染物的释放和迁移；⑥存在可能引起火灾或爆炸的风险；⑦存在其他联邦机构应急体系无法应对的污染释放；⑧其他需紧急清理的情景.
1.3 应急响应与清理1.3.1 决策程序
应急响应与清理行动分为应急响应(emergency action)、紧急清理(time critical removal action)、非紧急清理(non-time critical removal action). 非紧急清理也称为应急修复(emergency remediation)[1, 13-17]. 应急响应与清理行动一般不超过12个月，资金不超过2 000 000美元[18]. 各部分决策程序见图 1. 总体而言，污染事件越紧急，其决策程序越简短，对于处理时间较为充裕的污染事件，会经过更加周密的论证才能实施行动.
图 1 场地污染应急响应与清理决策程序
应急响应：针对危险物质泄漏导致的突发性事件，需要在数小时内实施[18]，其目的是及时关闭泄漏源和切断污染物的扩散，保障后续清理作业和周围人居与环境安全[19]. 应急响应主要包括[20]：①快速确定安全距离或进行人员疏散；②关闭泄漏源；③快速收集泄漏污染物，并因地制宜采取措施遏制污染物的快速扩散. 应急响应结束后，场地根据具体情况可能转入紧急清理、非紧急清理，甚至场地修复程序[5].
紧急清理：针对危害性较大且时间相对较为紧迫的污染情景[18]. 应在事件发生后6个月内启动，否则可能对环境造成重大影响. 紧急清理应采用简单、快速、有效的技术手段清理泄漏污染物或阻控其扩散，包括但不仅限于[21]：①限制公众进出场地；②清空拆除装有或曾装有危险物质的废弃储罐；③清挖污染严重的土壤；④清除瓦砾堆等受到污染的固体废弃物；⑤通过吸附剂或安全屏障(如地上护堤、拦截坝、沟渠以及地表水体的拦障和水坝等)对自由相物质进行阻隔；⑥采用防渗材料临时覆盖污染土壤，降低污染物随雨水淋滤下渗污染地下水的风险；⑦修建竖向防渗屏障阻止污染物横向扩散；⑧当周边有敏感水体或取水井时，可通过地下水抽提井水力控制地下水中污染物的扩散[1].
非紧急清理或应急修复：针对有足够时间开展调查评估并制定清理工程措施[22]的情景，如场地土壤和地下水中存在可移动的自由相，持续对下游地下水造成污染，但自由相流动缓慢，一般至少有6个月时间准备和论证调查评估方案、工程措施及成本分析、公众参与计划和清理行动备忘录[18]. 非紧急清理行动可参照已有的相关技术导则[6-11]实施. 技术手段以消源技术为主，如多相抽提技术[23]、原位化学氧化技术[24]、原位热脱附[25]等场地修复常用技术，因此非紧急清理行动的实施也可纳入到场地修复计划中[5].
1.3.2 关键环节
a) 场地清理评估. 在非突发性事件中，场地清理评估应由现场协调员根据“危害的严重性和处理的急迫性”确定清理需求和清理模式，可分为场地清理初步评估(removal preliminary assessment)和场地清理调查评估(removal site inspection). 清理初步评估主要基于已有数据及大量的快速监测数据确定；当初步评估数据无法得出有效结论以确定是否需要开展清理时，应开展清理调查评估，即进一步通过场地采样和实验室获取数据确定场地后续工作程序. 在突发性事件中，由于危险品泄漏可能直接影响居民健康，故场地清理评估只需进行初步评估，且无需等待危险废物采样及鉴定结果，可先将废物移除至安全存放区，待应急响应完成后再开展危险废物鉴定.
b) 行动备忘录. 行动备忘录是授权启动紧急或非紧急清理或解释应急响应的重要文件，由现场协调员提出，内容一般包括：①说明泄漏事件的危害严重性和处理急迫性；②说明应急响应的必要性或确定清理模式；③说明应满足的相关法律法规要求并确定清理目标；④推荐清理措施或方案；⑤进行成本分析等. 应急响应情景下，应在响应行动实施后于行动备忘录中说明其必要性. 紧急清理情况下，应在行动备忘录获批后开始实施清理. 非紧急清理情况下，应在充分论证清理工程措施与成本后制定行动备忘录并实施[12].
c) 公众意见征询. 紧急清理应在实施后60天内对行动备忘录及相关文件开展不少于30天的公众意见征询. 非紧急清理应对工程措施评估与成本分析报告进行公示30天后制定行动备忘录，经批准后方可实施[16, 18].
2 关键技术2.1 污染源移除清理技术
污染源移除清理技术是指清理储罐内具有危险性的原辅材料、中间产品或废弃物以及移除用于储存危险物质的容器. 一般采用轻便泵或配备有泵系统的罐车清空容器. 清除出的污染物必须根据其性质和危险性的不同，采用相适应的贮存容器存储在具有防渗漏措施的区域，并及时移交至具有资质的单位进行安全处置[26].
2.2 泄漏物阻控技术
泄漏的液相危险物质在土壤中会随重力及雨水淋滤作用向下迁移，从而造成污染，在渗透性强的土质中，迁移过程会更加迅速，进而影响到地下水. 当地表存在较大坡度时，污染物还会迁移至临近的地表水体. 另外，在城区/工业区，泄漏污染物可通过流入雨水管等城市管线，其扩散范围扩大，如天津某爆炸场地对管网的破坏不仅加速了污染物扩散，还增加了污染物分布的不确定性. 地表泄漏物阻控技术主要包括：①天然或人工集水坑. 污染物顺坡道或通过人工开挖沟渠引流入已存在或新开挖的凹坑中，如时间允许，还应对沟渠、凹坑等采取防渗措施. ②堤坝. 通过快速修建简易土堤或沙袋阻止泄漏物的流动，可与集水坑配合使用. 因土坝和沙袋易吸附泄漏液体，使用后需要进行处理，一般只用于紧急情况的阻控措施. ③在时间许可下，可采用快速凝固的聚氨酯泡沫喷雾、耐化学腐蚀胶泥、PE/HDPE膜板、吸油毡或吸油垫等材料进行阻控.
若自由相危险物质的泄漏发生或迁移至水中，还可根据其与水的相对密度选取相应的阻控技术以防止其随水体迁移，进而造成更大范围的土壤或地下水污染. 漂浮污染物阻控技术包括：①机械撇油器(mechanical skimmer)[27-28]不仅收集污染物，同时收集水体中所有的漂浮物，需对大量沾染污染物的废弃物进行处理处置；机械撇油器的布设需要较多人力，也需要有足够功率的船只来拖动. ②吸收式栅栏(boom)[29-30]采用织网材料和吸收剂沿污染物迁移路径布设. 一般吸收剂放置在织网上游侧或两个织网之间，吸附剂位于两个织网之间有助于形成一个较厚的吸附剂层. ③“气泡”屏障(bubble boom). 河床底部布设横跨河道的多孔管道，压缩空气通过管道产生气泡并上升形成“气泡”幕阻控泄漏物[31]. ④潜流坝(underflow)[32]采用一系列穿过一个土坝的溢流管道组成〔见图 2(a)〕，管道上游端的高度低于下游端，水可以通过管道，浮在水面的泄漏物可被土坝截留. 下沉污染物阻控技术包括：①在有闸门控制或泵站的河道水体中，关闭闸门和泵站控制溢出物的扩散. ②溢流坝(overflow)可以让上层水溢流通过〔见图 2(b)〕，而下沉的污染物可被截留，也可采用泵或虹吸管将水移过大坝.
图 2 地表水自由相污染物控制技术示意
3 污染介质封闭隔离技术
封顶或覆盖[33]是限制污染物垂向迁移的一种简便方法，可通过阻隔雨水下渗、降低污染物向下迁移至深层土壤及地下水或限制挥发性气体向上迁移. 材料可采用混凝土或沥青，施工方便且成本低，但易风化开裂. 含黏土和高密度聚乙烯(HDPE)膜的覆盖成本较高，但效果较好. 封顶或覆盖的缺点是会限制场地的未来用途，也可能使挥发性有机物在底部集聚并通过裂缝等侵入室内空间产生危害，甚至可能在地下密闭空间聚集造成爆炸，因此，应根据实际考虑是否需要安装气体收集和排放系统.
竖向防渗屏障[34]用于防止污染物在土壤和地下水中的横向迁移，一般有钢板桩、灌浆止水帷幕和泥浆墙等. 钢板桩是将可联锁钢板通过振动嵌入土壤，形成污染物迁移阻隔屏障，可用于阻隔突发泄漏事故场地地下水污染羽向下游或邻近地表水体的迁移. 止水帷幕是将水泥浆通过钻孔加压灌注到地下形成阻隔墙，多用于临时性阻隔. 泥浆墙包含一个填充有土壤(或水泥)和膨润土泥浆的防渗墙，其防渗效果较好，可用于长期性的阻隔. 当地下水底板埋深较浅时，采用竖向屏障比较经济有效，但对场地未来用途有一定限制.
2.4 土壤与地下水污染应急修复技术
清挖[28]是最常用的污染土壤清理技术，2001—2006年US EPA第三区约36%的超级基金清理行动采用了清挖处置[1]，该技术适用于清除所有类型的土壤污染，优点是简单快速，缺点是清挖过程及清挖后的污染土壤易造成二次污染. 土壤和地下水的应急修复技术还包括多相抽提技术[23]、原位化学氧化技术[24]、原位热脱附[25]等常用修复技术，其主要目的是消除或降低土壤和地下水中高浓度的污染物，如土壤或地下水中的自由相，以防止污染进一步扩散.
3 案例分析3.1 意大利某溢油突发事故场地的应急响应、清理与修复
笔者曾考察意大利某溢油场地，该场地临近灌渠，溢油事件发生后的应急工作可分为3个阶段.
第一阶段为48小时应急响应. 切断污染源和清除地表溢出浮油，主要措施：①停止输油作业，修补管道溢油口；②场内挖沟将地表浮油汇集至沟底，并从沟底抽取浮油〔见图 3(a)〕；③清挖表层含高度自由相的污染土壤；④在灌渠内设置浮油吸附性拦油浮坝〔见图 3(b)〕.
图 3 意大利某溢油场地主要应急响应措施
第二阶段是为期30天的紧急清理. 主要措施：①建设现场指挥部；②设置铁丝围栏，防止无关人员和动物等进入；③在场地内侧四周边挖沟，阻止污染雨水等流出场外〔见图 3(c)〕；④在场地灌渠一侧安装钢板桩，防止场内污染物通过地下水流入灌渠污染地表水〔见图 3(d)〕；⑤设置和维护浮油吸附性拦油浮坝，并进一步清挖和处置包气带污染土壤；⑥启动场地应急调查.
第三阶段为30天后应急修复. 采用两相抽提和抽出处理技术应急处理和修复地下水污染.
3.2 国内某危化品爆炸场地应急清理调查评估与修复
2015年，天津某港口发生特大爆炸，爆炸核心区面积达18.8×104 m2，南侧外扩区为16.5×104 m2，北侧外扩区为10.8×104 m2，周边绿化带及东排明渠为10.9×104 m2，总面积约为57×104 m2. 笔者团队参与事故场地应急清理和修复，负责了应急调查、风险评估和修复方案的制定. 整个应急响应与清理行动同国外基本相似，但将第三阶段分为应急调查评估与应急修复，共4个阶段：
第一阶段为应急响应，主要为残留高危险化学品的清除以及高污染区域的洗销，以保证下一阶段污染阻断和清除工作的安全，该阶段的行动由消防部门和专业化部队实施.
第二阶段为紧急清理，针对爆炸后地层结构的变化所导致污染物扩散路径的不确定性，应用基于地下爆炸裂缝和管渠的物探分析、地层渗透系数测试、污染物空间分布模拟等方法，识别地下污染物扩散优先通道，采用幕墙、管道封堵、抽出处理等阻断技术，包括：①灌注水泥浆截断6处雨污管网外排口；②构筑黏土坝截断2处明渠，向外排放；③在南扩区低洼带建立长约551 m、深约1.5 m的地表污水截留沟；④将爆炸渗坑、地下管线、截污沟、地表积水等污水抽出外运处置；⑤在爆炸渗坑周边采用长1 240 m、深15 m的拉森钢板桩帷幕墙阻隔，从“源”和“途径”两方面切断了地下水污染向周边区域和渤海湾扩散的风险(见图 4).
图 4 天津某爆炸场地污染物主要扩散途径及阻断行动
第三阶段为应急调查与风险评估，针对爆炸燃烧和高温反应等特殊条件下衍生化学物质的组成和毒性效应不明的特点，采用不同环境介质中全扫描污染物定性指纹谱图交叉检索、QSAR结构毒性分析及生物毒性测试等未明污染物识别和综合毒性分析方法，确定了危险化学品爆炸场地精准调查关注污染物清单，建立了基于氰化物在土壤与地下水中的赋存形态、分布与扩散的三维可视化表征技术，为精准评估事故场地风险、开展后续应急修复提供了基础.
第四阶段为应急修复，基于应急调查及风险评估结果，对场地污染土壤进行清挖，利用水泥窑尾气热脱附完成了重度氰化物污染土壤处理，采用化学氧化-土壤淋洗等技术完成了中轻度污染土壤的处理.
4 经验与启示4.1 建立多层级多部门的场地污染综合应急响应与清理协同机制
建立多层级多部门的高效场地污染应急响应与清理综合协调机制非常重要. NCP§300.135(a)和§300.135(d)授权现场协调员直接协调指挥联邦、州、地方环境部门以及责任方开展污染事件应对，并建立以现场协调员为核心的统一的指挥机制，在保证应急响应与清理体系的高效运转过程中起着极其重要的作用. 美国目前共有250多名现场协调员[5]负责决定泄漏场地污染事件带来的环境和健康风险的紧迫性和严重性，确定相关责任方、决定是否需要开展应急响应与清理以及应急响应与清理的行动方式，应急与清理行动的目标和需要满足的国家及地方政策法规与标准要求，决定是否需要联邦机构参与、应急响应与清理的责任方等[15-17, 19, 35-36]. 现场协调员处理事件的经验和能力也直接影响应急响应和清理的效果及其成本，因此，建立高素质专业化的泄漏场地污染应急响应与清理行动指挥队伍极其关键.
4.2 完善污染场地应急响应与清理的技术体系
完善场地污染应急响应与清理的技术体系，首先，应明确响应条件和清理方式及其程序要求，可以提高应对效率，同时避免过多的随意性；其次，应明确不同情况下应急响应与清理的技术政策要求，如场地存在溶剂罐的泄漏并造成场地土壤和地下水污染，应急响应与清理重点应安全移除泄漏罐，挖掘高于土壤清除标准(soil removal management level, RML)[37]的污染土壤，清理目标无需达到可再开发利用的要求；再次，简化和豁免一些繁琐的审批程序，如清理场地中危险物质前无需获得许可即可实施，但对清除出的泄漏物等进行异地处理前，必须按照国家相关处置相关程序与要求进行. 另外，对于完成应急响应、紧急清理和非紧急清理的污染场地，其环境和健康风险并不一定能够完全消除，如需开发利用，应开展常规的场地调查、评估与修复[6-11]，因此，在建立场地污染应急响应与清理制度时应考虑和现有场地调查修复制度的衔接，如场地清理调查评估和后续场地调查评估的衔接，应急响应与清理行动和后续修复措施的结合等，避免重复造成资源和成本浪费[5]. US EPA建立了较为完善的技术标准体系，包括决策程序、备忘录制定、应急响应与清理报告制度、公众参与及土壤清理标准值等技术标准，这些经验值得我国学习与借鉴.
4.3 开展应急响应与清理关键技术的研发
研发可现场快速使用的各种拦截材料和装置，新型吸附材料、气泡屏障和一些生物降解材料等新技术[27-31]，以及适合现场快速实时监测的分析方法是及时有效应对场地泄漏事件的关键. 对US EPA第三区37个应急响应与清理场地的统计表明，采用移除污染源、土壤清挖处置的地块占36%，采用封闭阻隔技术的占17%，采用现场修复技术的仅占1%，现场修复技术应用较少，这与其技术使用的复杂性相关，因此，研发简单、高效的应急响应与清理技术是未来技术研发的主要方向.
5 结论与建议
a) 场地污染应急响应与清理制度是污染场地风险管理制度的重要组成部分，可有效控制危险物质泄漏所导致的场地土壤和地下水环境污染和健康风险，并大幅降低后期场地土壤和地下水的修复成本.
b) 发达国家针对场地土壤和地下水污染事件的严重性和紧迫性，建立了应急响应、紧急清理和非紧急清理等基于场地污染事件严重性和紧迫性的差异化应对机制，以及移除清理、阻控、封闭隔离与应急修复等技术方法体系，对泄漏场地土壤和地下水污染控制发挥了重要作用.
c) 借鉴国际经验，建议我国尽快建立涵盖多层级、多部门的场地污染综合应急响应与清理协同机制，完善污染场地应急响应与清理的决策机制和标准体系的制定，建立高素质专业化的场地污染应急响应与清理协调指挥队伍，鼓励开展应急响应与清理关键技术的研发.
致谢: 感谢Ruggero Passaro提供关于意大利溢油场地的影像资料.
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