典型退役工业场地的重金属分异规律与修复实证研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李浩楠 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 廖晓勇 |
| 关键词 | 大型复杂场地 空间格局 生命周期评价 多目标优化 中试验证 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 随着城市化的快速推进，大量污染的工业设施和企业被迫关闭或搬迁，留下了众多大型复杂污染场地。其中，大型复杂场地因其规模巨大、污染物种类多、环境风险大等问题而备受关注。该类污染场地往往污染源和水文地质条件都复杂，污染物时空分布情况难以辨识，使得这类场地的修复和管控面临巨大挑战。探明大型复杂场地污染物分布规律、构建修复技术筛选体系以及完善大型土壤修复智能化设备的应用是发展经济高效修复模式的关键。 本研究选取了我国山东某典型退役工业场地作为研究对象，采用高精度三维插值、修复技术的生命周期评价、基于多目标优化算法（NSGA-II）的决策分析，并结合工程案例实证，形成了一个综合性的研究框架。首先，通过高精度采样和多尺度分析，从水平、垂直和空间自相关三个维度，精准解析重金属（HMs）和挥发性有机物（VOCs）的污染分布特征；其次，构建生命周期评价模型，对土壤修复技术进行全面的环境影响评估，筛选环境友好型修复技术；同时，通过室内小试和多目标优化决策相结合的方法，权衡药剂种类、浓度和修复成本之间的关系并获得最优解；最后，应用自主研发污染土壤修复集成设备（超级工作站）开展修复实践，系统验证修复效果。本研究得到的主要结果如下： （1）基于场地多源信息数据，科学认识了某典型退役工业场地土壤及地下水污染物的空间分异特征。将土壤中HMs和VOCs的空间分布与相关生产工艺、地层分布及污染物性质等信息结合，明晰且量化了地下不同介质中的污染物三维分布异质性，并表征了场地的风险潜力。砷（As）、铅（Pb）、甲苯和氯仿被确定为主要污染物，最大浓度分别为1130mg/kg、109000mg/kg、8910mg/kg和3.0mg/kg。水平分布结果显示，HMs主要分布在物料储存区和污染处理区（47.36%~84.53%），而VOCs主要集中在生产区（高达92.35%）。垂直分布结果显示，HMs以漏斗状模式向土壤深层迁移，而VOCs则呈现出类似金字塔的扩散趋势；HMs主要分布在土壤表层填土层和砂土层中，而VOCs则主要分布在地下水中。LISA 双变量空间自相关分析表明，HMs主要局限在土壤基质中，而VOCs则有明显的向地下水迁移的趋势。健康风险评估显示了严重的致癌和非致癌风险，平均危害商数分别超过了可接受水平的215倍和2210倍，饮用地下水为主要的风险暴露途径。 （2）基于生命周期评价（LCA）方法，评估了5种修复技术的环境影响、关键贡献因子及不确定性，筛选环境效益最优的修复方案。重点针对土壤中HMs污染问题，量化了场地HMs污染土方量，结合ReCiPe 2016中点与终点评价模型，分析了修复全过程的能源消耗、资源投入及污染物排放。结果表明：修复技术环境影响差异显著，土壤淋洗技术综合环境影响最高（16.72Mpt），固化稳定化（3.50Mpt）及淋洗/固化稳定化联合技术（2.77Mpt）表现最优。电力生产环节是主要环境影响源，贡献率超80%，其碳排放与细颗粒物形成是人体健康损害的主导因素。敏感性分析表明，运输距离延长与长期环境效应显著增加二次影响，而电力结构优化对结果影响有限。蒙特卡洛不确定性分析显示，淋洗/固化稳定化技术兼具低排放与高稳定性，为最优推荐方案。 （3）通过实验室小试结合NSGA-II的方法，探讨了不同粒径土壤中重金属的淋洗效率，并优化了修复药剂的种类和浓度。土壤中As、Pb和Hg的浓度随粒径减小而增加，粒径≤0.075mm土壤中重金属的含量显著高于0.5-5mm粒径土壤。质量负载分析显示，0.5-5mm粒径土壤对总污染物的贡献最高，As、Pb和Hg的贡献率分别为49.65%、56.53%和53.40%，而≤0.075mm的细颗粒土壤虽然质量占比较低，但其重金属负载密度最高，分别为总量的1.32、1.26和1.41倍。优化结果显示，柠檬酸（CA）在0.06~0.11mol/L浓度范围内对As、Pb和Hg的综合去除效率最优，曲拉通100（Tx100）在较低浓度（44.44~88.89 mg/L）下即可实现较高的去除效率与成本平衡，尤其在Pb和Hg的去除中表现出较好的经济性。 （4）参与完成了超级工作站的整体结构设计，阐述了各模块的工作原理及集成模式，并通过中试试验验证了设备针对砂质重金属污染土壤的机械性能与修复效果。超级工作站在不同淋洗模式（不分级淋洗、分级淋洗、超声分级淋洗）和淋洗剂（清水、CA、Tx100）组合下，对As、Pb和Hg的去除效果显著。超声分级淋洗模式结合Tx100表现出最佳的修复效果，As、Pb和Hg的去除率分别达到63.77%、41.88%和91.53%。土壤粒径筛分工艺显著提升了HMs的去除效率，尤其是粒径≤0.075mm土壤的处理效果尤为突出。固化稳定化处理显著降低了As和Pb的浸出浓度并使其达到相关标准的要求。成本核算显示，超级工作站的修复平均成本为220.69元/吨，具有较好的经济性。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 184 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217220]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李浩楠. 典型退役工业场地的重金属分异规律与修复实证研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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