Hierarchical technology system for the risk control of mercury contaminated sites

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.8.23

Abstract

Abstract:

With the rapid industrialization and urbanization, the number of mercury contaminated sites (MCS) is increasing. These sites are primarily concentrated in multiple industries including primary mercury mining, non-ferrous metal smelting, polyvinyl chloride production using the chlor-alkali process, and mercury catalyst. It is crucial to establish a risk-based mercury contamination prevention and management system. This article analyzes the fundamental characteristics and causes of the MCS, and summarizes the sound experiences in developed countries in terms of policies, regulation, standard, and institutional development. An integrated technical system is proposed for the environmental risk quantification and multi-dimensional risk control, which considers contamination remediation, risk management, institutional control, public participation, etc. Firstly, key factors, including the distribution and bioavailability of mercury forms specific exposure pathways and sensitive receptors, as well as migration and fate within MCS, are carefully considered to precisely quantify the environmental risk. Subsequently, tailored risk management and control measures are selected for the target MCS with different risk levels, encompassing criteria thresholds, remediation technologies, and management systems. Guided by risk management, supported by quantitative assessment, systematic remediation, and overall management, this technology system establishes a comprehensive, three-dimensional, and precise model for the risk management of MCS. It complies with the general requirements of the State Council’s Soil Pollution Prevention and Control Action Plan, also known as “Soil Ten Measures”. This system provides technical support for the remediation of mercury contamination at site scale in China and also enhances the country’s compliance with the Minamata Convention on Mercury.

Key words: mercury, contaminated sites, risk management, institutional control, technical system

CLC Number:

ZHAO Bin, YANG Yang, ZHANG Hao, JIN Yuanliang, HOU Deyi. Hierarchical technology system for the risk control of mercury contaminated sites[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(2): 1-12.

Figures/Tables 9

References 50

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分类	名称	发布主体	年份	适用范围
国际协定	《关于汞的水俣公约》	联合国环境署UNEP	2013年	保护人类和环境免受汞和汞化合物排放和释放危害的国际性公约;包括汞矿开采、国际贸易、含汞产品处置、含汞工业生产、汞的排放和释放以及汞废物管控
国际协定	亚太汞监测网 (APMMN)	亚太地区环境部门和联邦政府机构、学术机构以及科学研究和监测组织	2012年	借助亚洲和西北太平洋地区运营的站点网络合作监测降雨中的汞;涵盖菲律宾、斯里兰卡、泰国、印度尼西亚等国家站点
国际协定	《重金属议定书》	联合国经济委员会 UNECE	1998年	控制铅、镉、汞等具有远距离跨境空气污染重金属及其化合物排放的最佳可行技术
国际协定	北美汞区域行动计划(NARAP)	北美环境工作委员会CEC	2000年	加拿大、墨西哥和美国政府之间的《北美环境合作协定》中产生的区域间承诺
发达国家/ 组织法律	《清洁空气法案》 CAA	美国国会	1963年	一部综合性联邦空气质量法律,用于规范固定和移动来源的大气污染物排放;第112条对汞等有毒空气污染物的排放进行监管
发达国家/ 组织法律	《清洁水法案》 CWA	美国国会	1972年	美国管理水污染的主要联邦法律,由美国环境保护署(EPA)与各州政府协调实施
发达国家/ 组织法律	《安全饮用水法案》 SDWA	美国国会	1974年	保护美国的饮用水环境质量
发达国家/ 组织法律	《资源保护和恢复法》 RCRA	美国国会	1976年	城市和工业废物以及地下储罐管理
发达国家/ 组织法律	《土壤保护法案》 SPA	荷兰政府	1987年	土壤污染预防与控制有关的责任及义务,界定国家、省或地区和市政府的职责
发达国家/ 组织法律	供人类消费的水质的理事会指令,Council Directive 98/83/EC	欧盟	1998年	保护人类免受任何供人类消费的水污染的不利影响
国内法律	《中华人民共和国土壤污染防治法》	全国人民代表大会常务委员会	2018年	防治土壤污染,保障公众健康,推动土壤资源永续利用
国内法律	《固体废物污染环境防治法》	全国人民代表大会常务委员会	1995年	防止固体废物污染环境,保障公众健康,维护生态安全
国内政策	《土壤污染防治行动计划》	国务院	2016年	加强土壤污染防治,改善土壤环境质量,土壤污染防治行动纲领

分类	名称	发布主体	年份	适用范围
国际协定	《关于汞的水俣公约》	联合国环境署UNEP	2013年	保护人类和环境免受汞和汞化合物排放和释放危害的国际性公约;包括汞矿开采、国际贸易、含汞产品处置、含汞工业生产、汞的排放和释放以及汞废物管控
国际协定	亚太汞监测网 (APMMN)	亚太地区环境部门和联邦政府机构、学术机构以及科学研究和监测组织	2012年	借助亚洲和西北太平洋地区运营的站点网络合作监测降雨中的汞;涵盖菲律宾、斯里兰卡、泰国、印度尼西亚等国家站点
国际协定	《重金属议定书》	联合国经济委员会 UNECE	1998年	控制铅、镉、汞等具有远距离跨境空气污染重金属及其化合物排放的最佳可行技术
国际协定	北美汞区域行动计划(NARAP)	北美环境工作委员会CEC	2000年	加拿大、墨西哥和美国政府之间的《北美环境合作协定》中产生的区域间承诺
发达国家/ 组织法律	《清洁空气法案》 CAA	美国国会	1963年	一部综合性联邦空气质量法律,用于规范固定和移动来源的大气污染物排放;第112条对汞等有毒空气污染物的排放进行监管
发达国家/ 组织法律	《清洁水法案》 CWA	美国国会	1972年	美国管理水污染的主要联邦法律,由美国环境保护署(EPA)与各州政府协调实施
发达国家/ 组织法律	《安全饮用水法案》 SDWA	美国国会	1974年	保护美国的饮用水环境质量
发达国家/ 组织法律	《资源保护和恢复法》 RCRA	美国国会	1976年	城市和工业废物以及地下储罐管理
发达国家/ 组织法律	《土壤保护法案》 SPA	荷兰政府	1987年	土壤污染预防与控制有关的责任及义务,界定国家、省或地区和市政府的职责
发达国家/ 组织法律	供人类消费的水质的理事会指令,Council Directive 98/83/EC	欧盟	1998年	保护人类免受任何供人类消费的水污染的不利影响
国内法律	《中华人民共和国土壤污染防治法》	全国人民代表大会常务委员会	2018年	防治土壤污染,保障公众健康,推动土壤资源永续利用
国内法律	《固体废物污染环境防治法》	全国人民代表大会常务委员会	1995年	防止固体废物污染环境,保障公众健康,维护生态安全
国内政策	《土壤污染防治行动计划》	国务院	2016年	加强土壤污染防治,改善土壤环境质量,土壤污染防治行动纲领

类别	管控技术	基本原理	技术类型与特征	适用情景及成本概算
物理技术	挖掘-填埋	对表层污染土壤进行深挖,彻底清除污染或以洁净土壤覆盖	技术成本不确定性较大,受清挖范围、污染程度、深度和距离等因素影响	适用于污染程度轻、污染范围小的地块
	物理阻隔	设置物理阻隔材料与装备,切断环境介质中污染物与人体之间的暴露途径	分为水平阻隔和垂直阻隔两大类,阻隔方式有挖掘、取代、注射和其他	不适用于地质活动频繁和地下水水位较高的地区;成本1 500~3 000元/m^2[45]
	玻璃化	将汞污染土壤置于高温高压条件下,形成玻璃化固态结构熔融物,固定汞污染物	玻璃化技术受到场地环境、技术条件和高昂成本的多重局限性	应用于污染严重小规模汞污染地块;移动化玻璃化设备运行成本为2 500~3 500元/t^[46]
	热脱附	将污染土壤加热至不同类型汞污染物沸点以上,通过控制物料停留时间使污染物挥发	系统设计需考虑汞的形态、累积密度、渗透性、含水量、均质性和粒径等因子	适用于土壤中具有挥发性的汞、石油烃、其他挥发及半挥发性污染物;成本为600~2 000元/t^[47]
化学技术	土壤淋洗	利用淋洗剂将汞污染物从固相到液相转移的技术	土质、成分、粒径等影响因素;改变土壤结构与生物多样性	用于汞污染土壤的修复;处理成本为500~1 500元/t^[45]
	固化/稳定化	向污染土壤中添加固化剂/稳定化剂,将汞污染土壤固封在低渗透性固化体内或改变污染物形态与移动性	明显降低有毒有害金属成分的迁移性、浸出性;需考虑污染形态、浓度、土壤质地、渗透系数等因素	适用于金属类、放射性物质、腐蚀性无机物、氰化物、不具挥发性有机物;应用于浅层污染介质,修复成本约为350元/t^[45]
	抽出-处理	将含汞污染地下水通过抽提系统提升至地面,并借助地面处理系统去除	处理的时间与污染程度、地下水污染羽范围和含水层地质状况有关	适用于污染物浓度较高、污染范围大的地块的应急处置措施;不适用于含有非水相流体介质的地下水(NAPL);处理成本200~1 000元/m^3[45]
	沉淀/吸附/ 离子交换	通过添加絮凝剂、吸附剂或固体离子交换剂,将水相中的汞污染物通过沉淀、吸附或离子交换等原理去除	工艺简单、处理效果好、水质缓冲能力强	絮凝沉淀法会产生污泥二次污染物;吸附法可用于处理低浓度含汞地下水;运行成本视地块情况而异
	氧化-还原	向污染地块地下水中注入氧化还原剂,通过氧化还原作用将地下水中的汞污染物转化为无毒或者低毒物质	氧化有机汞和金属汞为离子态汞,亦可还原汞为零价汞	氧化技术适用于低价态毒性高,而高价态毒性小的金属元素;还原技术则相反;化学氧化技术成本为500~2 000元/m³,化学还原成本为500~1 500元/m^3[48]
生物技术	微生物/ 植物修复	利用生物的代谢活动及其代谢产物富集、降解或固定土壤中的汞;利用植物提取、植物吸收、植物挥发等机制	二次影响小、修复效率高、成本低;通过生物吸附、吸收、生物聚集与浓缩效应与汞发生物化反应	适用于修复周期长、成本低地块;大规模地块生物修复技术实施成本为700元/m^3[48]

类别	管控技术	基本原理	技术类型与特征	适用情景及成本概算
物理技术	挖掘-填埋	对表层污染土壤进行深挖,彻底清除污染或以洁净土壤覆盖	技术成本不确定性较大,受清挖范围、污染程度、深度和距离等因素影响	适用于污染程度轻、污染范围小的地块
	物理阻隔	设置物理阻隔材料与装备,切断环境介质中污染物与人体之间的暴露途径	分为水平阻隔和垂直阻隔两大类,阻隔方式有挖掘、取代、注射和其他	不适用于地质活动频繁和地下水水位较高的地区;成本1 500~3 000元/m^2[45]
	玻璃化	将汞污染土壤置于高温高压条件下,形成玻璃化固态结构熔融物,固定汞污染物	玻璃化技术受到场地环境、技术条件和高昂成本的多重局限性	应用于污染严重小规模汞污染地块;移动化玻璃化设备运行成本为2 500~3 500元/t^[46]
	热脱附	将污染土壤加热至不同类型汞污染物沸点以上,通过控制物料停留时间使污染物挥发	系统设计需考虑汞的形态、累积密度、渗透性、含水量、均质性和粒径等因子	适用于土壤中具有挥发性的汞、石油烃、其他挥发及半挥发性污染物;成本为600~2 000元/t^[47]
化学技术	土壤淋洗	利用淋洗剂将汞污染物从固相到液相转移的技术	土质、成分、粒径等影响因素;改变土壤结构与生物多样性	用于汞污染土壤的修复;处理成本为500~1 500元/t^[45]
	固化/稳定化	向污染土壤中添加固化剂/稳定化剂,将汞污染土壤固封在低渗透性固化体内或改变污染物形态与移动性	明显降低有毒有害金属成分的迁移性、浸出性;需考虑污染形态、浓度、土壤质地、渗透系数等因素	适用于金属类、放射性物质、腐蚀性无机物、氰化物、不具挥发性有机物;应用于浅层污染介质,修复成本约为350元/t^[45]
	抽出-处理	将含汞污染地下水通过抽提系统提升至地面,并借助地面处理系统去除	处理的时间与污染程度、地下水污染羽范围和含水层地质状况有关	适用于污染物浓度较高、污染范围大的地块的应急处置措施;不适用于含有非水相流体介质的地下水(NAPL);处理成本200~1 000元/m^3[45]
	沉淀/吸附/ 离子交换	通过添加絮凝剂、吸附剂或固体离子交换剂,将水相中的汞污染物通过沉淀、吸附或离子交换等原理去除	工艺简单、处理效果好、水质缓冲能力强	絮凝沉淀法会产生污泥二次污染物;吸附法可用于处理低浓度含汞地下水;运行成本视地块情况而异
	氧化-还原	向污染地块地下水中注入氧化还原剂,通过氧化还原作用将地下水中的汞污染物转化为无毒或者低毒物质	氧化有机汞和金属汞为离子态汞,亦可还原汞为零价汞	氧化技术适用于低价态毒性高,而高价态毒性小的金属元素;还原技术则相反;化学氧化技术成本为500~2 000元/m³,化学还原成本为500~1 500元/m^3[48]
生物技术	微生物/ 植物修复	利用生物的代谢活动及其代谢产物富集、降解或固定土壤中的汞;利用植物提取、植物吸收、植物挥发等机制	二次影响小、修复效率高、成本低;通过生物吸附、吸收、生物聚集与浓缩效应与汞发生物化反应	适用于修复周期长、成本低地块;大规模地块生物修复技术实施成本为700元/m^3[48]