第四節 跨介質環境污染控制與管理方法創新

污染物往往會在大氣、水、土壤各環境介質之間發生遷移轉化引起復合污染，多介質綜合的環境污染控制是使環境獲得全局性改善，實現生態系統健康的必要途徑。本節介紹了典型污染物在環境介質間的遷移轉化現象，并以關鍵元素跨介質代謝為著眼點，分析了污染控制技術的跨介質污染及其造成元素代謝紊亂可能引起的環境問題，提出2025“生態系統健康”環境管理目標和跨介質環境管理的新理念。

一、污染物跨介質遷移轉化引起復合污染

（一）污染物跨介質遷移

在環境污染控制和環境風險評價的研究中，污染物在多介質環境中的遷移轉化是不可忽視的重要部分。大氣、水、土壤、生物可分別看作是單一介質，具有其中兩個及以上的體系稱為多介質環境。污染物會以各種形態存在于大氣、水、土壤等環境中，并可通過物理、化學、生物等作用不斷在介質間發生遷移轉化，擴大污染范圍，加劇污染程度，使得潛在的環境壓力在不同環境屬性內發生轉移，引發更多次生的、潛在的環境影響，使我國環境問題處于空前復雜的局面。

作為一種全球性的環境污染物，多環芳烴（PAHs）因其分布廣、穩定性強、生物富集率高、致癌性強的特性，對環境和人類健康構成了極大的威脅。已有大量研究表明，化石燃料的不完全燃燒是環境中PAHs的主要來源，絕大部分PAHs先以氣體和顆粒物形態進入大氣，然后通過遷移、沉降等作用進入水體、土壤等介質形成跨介質污染，直接危害人體健康。同樣，對于河流中降解周期長的有機污染物，吸附于底泥系統是其遷移轉化的主要機制，去除水體中污染物的同時為河湖水質的安全埋下了嚴重的隱患。

重金屬在環境介質間的遷移同樣會產生嚴重的環境與健康影響。研究發現，城市環境中汽車輪胎中的鎘含量就可高達17.9mg/kg，這些高鎘物質的磨損、工業廢棄物堆放、垃圾焚燒等將直接導致鎘粉塵與街道塵埃混合并形成高鎘街塵，當雨水等地表徑流淋濾地表污物或街道塵埃時，其中的鎘等有害物質即會發生遷移，流經土壤并與土壤中的物質組分進行物理化學交換，最終在土壤中沉淀積累，或是直接流向河流并在水體中沉積，然后通過一系列介質的鏈式傳導及相互影響，最終會有一部分鎘通過手口等途徑直接被人體吸收或通過食物鏈在人體體內積累富集，進而危害人體健康。生活垃圾焚燒過程中產生的飛灰常含有高濃度的易被水浸出的重金屬，如汞、鉛、鎘、銅、鉻等，如不經妥善處理處置，易通過污染土壤、水體進而危害動植物與人體健康。

（二）關鍵元素跨介質代謝引發環境問題

自工業革命以來，碳、氮、磷等關鍵元素代謝越來越多地參與到城市生態系統代謝過程中。物質代謝行為可以視為一個生物體，其代謝路徑復雜、代謝產物種類豐富、化學價態多樣，加上人類活動對元素遷移代謝的干擾，使原本復雜的代謝過程變得更加難以估測。輸入的物質、元素經過各種生化反應和代謝過程，在大氣、水體、土壤等環境介質之間進行遷移代謝，最終向環境排放各種代謝產物，這些代謝產物是大氣、水體和土壤環境污染的主要原因。例如，輸入氮元素以NOx等大氣污染物形式進入大氣圈，以滲濾液形式進入水體，以煤渣等固體形式進入填埋場或廢物管理部門。不合理的代謝途徑將降低氮元素的代謝效率，增加城市的整體氮污染負荷。

研究顯示，我國農田化肥氮通過各種途徑所損失的總氮量約占施用總量的52%，對環境質量有影響的各種形態的氮素總量約為其施用量的19.1%。這些氮素向地表水、地下水和大氣遷移的過程中，成為地表水體富營養化、地下水硝酸鹽富集和大氣N2O的重要來源。早期觀點認為，大氣氮沉降通常是一種有利且有限的養分來源；然而在許多地區，隨著大氣污染而不斷增加的大氣氮沉降量超過了森林生態系統的氮需求，過剩的氮沉降將增加NH+4的硝化和NO－3的淋失，加速土壤酸化，進而危害森林生態系統。

磷礦石開采和加工過程中伴隨著巨大的資源環境問題，磷礦開采后在礦場留下的“浮土”以及“尾礦”對當地的生物和水體都造成嚴重影響。磷元素被廣泛運用于飼料、肥料、洗滌劑的生產和消費中，其過量排放導致磷元素大量向水體、土壤遷移，經一系列生化反應，成為我國很多地區水體富營養化、土壤酸化板結等現象的重要根源。由糞便堆積、牲畜養殖等排放的氮磷污染物遷移到湖泊和水流，導致藻類瘋長、水質惡化，嚴重時甚至導致水生生物的死亡，使區域內生態系統紊亂和崩潰。而自然界中的磷循環主要由生物驅動完成，通過微生物有機磷的降解、無機磷的離子交換以及解析作用，促進了磷素的釋放。土地通過微生物過程釋放的有機磷，將加重水體富營養化程度。

（三）農村跨介質污染嚴重

跨介質污染現象在農村表現得尤為嚴重，主要體現在：

（1）工業生產方面，農村小企業布局分散、經營粗放、監管不力，相當一部分屬于效益較差、能耗較大、環境污染嚴重的企業，有大量生產垃圾和工業污水未經處理直接排入河流或溝渠，嚴重污染周邊地區的水環境。無序堆放的固體廢物會對地表水和地下水產生二次污染。

（2）農業生產方面，肥料廣泛施用且利用率低，一部分在灌水和降水等淋溶作用下進入地下，污染地下水，另一部分則通過徑流污染地表水，產生土壤板結、土質下降、地表水體富營養化程度加劇、地下水硝酸鹽含量超標等問題。殘留在土壤中的農用薄膜在降解過程中，一些有害物質隨土壤中地下水的滲透也會對水體造成一定的影響。

（3）生活廢棄物和污水污染方面，不少農村垃圾收集基礎設施建設嚴重滯后，生活垃圾填埋場尚未建設或不符合相關衛生規范。垃圾簡單露天堆放在土地、溝渠、池塘中，成為二次污染源。經發酵、雨水淋浴、沖刷以及地表水的浸泡，其中的有機污染物與重金屬會對周圍的土壤和水體產生嚴重污染。一些地區垃圾露天焚燒現象屢禁不止，焚燒過程中會向大氣排放二英、多環芳烴、苯等多種污染物，對周邊居民健康構成了嚴重的威脅。農村生活污水處理率很低，居民的生活污水大都是直接倒在房前屋后，污水滲入地下，造成農村地下水水質惡化。許多農村使用手壓機井直接取用不經任何處理的地下水作為生活用水，水體的健康風險進一步升高。

（4）畜禽養殖污染方面，畜禽養殖場污水的主要來源為牲畜糞尿及其淋溶液和場地的清洗廢水，含有大量懸浮物和氨氮，是造成水體富營養化的重要原因之一。若排泄物長期堆放于土壤，其中含氮化合物會在微生物的作用下通過氨化、硝化、反硝化等生物化學反應過程轉變為硝酸鹽，大量施用可能造成土壤鹽漬化、土壤孔隙堵塞、透氣和透水性下降，土壤板結甚至直接危及土壤功能。畜禽飼料中60%左右的氨會轉移到糞便中，畜禽糞尿在微生物作用下發生降解，向大氣排放大量惡臭氣體，包括NH3、H2S等。故未經處理的畜禽養殖污水易產生嚴重的跨介質污染。然而畜禽養殖污水排泄量大，污染物含量高，欲達到排放標準，常常需要高昂的處理費用，在一些農村地區難以實現妥善處理。

這些因素相互疊加耦合，使我國農村環境問題更加嚴峻，生態風險升高，亟須建立跨介質污染控制的管理思想。

二、污染控制技術中的跨介質污染轉移

當前，各種環境污染控制手段大多沒有從根本上控制和削減污染物，只是將其從一種形態遷移到另一種形態。僅著眼于單介質環境質量的改變不能實現整個生態系統的健康發展。多數污染物防治技術一是只關注某種形態的污染物，在治理污染的過程中缺少環境介質、部門或環節中的整體性和協同性，污染物容易發生轉移；二是仍以污染物防治為主，忽視資源回收利用環節。例如，煙氣脫硝技術雖然實現了含氮污染物向大氣圈的達標排放，但大量氮元素通過廢煙氣脫硝催化劑轉移、再生和利用過程，以液態和固態形式轉移到廢酸、廢水、污泥和廢渣中，若不經處理直接排入環境水體和土壤，將會造成嚴重的二次污染。

因此，污染控制目標需要從單一介質的污染物去除轉向多介質綜合環境污染控制，從整體性、系統性的角度出發，考慮污染控制技術應用全過程中發生的物質跨介質遷移轉化。下文將重點介紹生活垃圾處理和生活污水處理中發生的污染物跨介質遷移轉化過程。

（一）生活垃圾處理技術

人類生產生活中對碳、氮等元素的消費，會產生大量垃圾，一部分排入環境進行代謝過程，另一部分則進入城市生活垃圾處理系統，通過填埋、堆肥、焚燒和厭氧發酵等工藝進行處理處置，從而改變了元素原本的代謝途徑。在垃圾分解和處理的不同階段，會產生各種形態、多種介質的代謝產物。人為對這些物質進行后續處理，又可能通過硝化、反硝化、氧化還原等物化過程產生新的污染物。

生活垃圾處理系統作為城市生態系統中不可或缺的一部分，對碳、氮等元素遷移代謝的優化和污染控制具有重要作用。目前，國內外對生活垃圾的處理工藝包括填埋、堆肥、焚燒和厭氧發酵，這四類工藝對垃圾進行處理處置，通過有機物的分解而產生各類代謝產物，例如，垃圾填埋產生填埋氣和滲濾液，垃圾焚燒產生煙氣等。因此，四類垃圾處理工藝常與污染物處理技術搭配使用，例如，垃圾填埋氣發電、滲濾液處理、焚燒煙氣處理等。這些工藝、技術是構成城市生活垃圾處理系統的主要元素，是垃圾處理產生的含碳、含氮污染物進行跨介質遷移代謝的重要環節。

圖3-15描述了生活垃圾處理系統中含碳、含氮污染物的跨介質遷移代謝過程。

（1）垃圾填埋過程。垃圾會逐年產生填埋氣，此環節產生CO2、CH4、CO、NOx、NH3等污染物。同時由于降水和地下水的滲流作用，還會產生含有COD、NH+4的滲濾液。滲濾液是一種高濃度的有機廢水，流動緩慢，滲漏持續時間長。如缺乏有效隔離收集裝置，滲濾液中的氮素化合物和重金屬會通過長時間的滲瀝進入垃圾填埋場坑部和側部土壤，然后經過土層下滲，污染地下水。在滲濾液處理環節，一部分COD、NH+4通過生化作用而被氧化成環境毒性較小的物質，另一部分COD、NH+4則進入污水處理剩余污泥中，可能發生液-固界面之間的跨介質遷移。研究表明，利用污水處理設施對滲濾液進行處理，在去除的污染物中，有50%以上隨污泥又再次進入環境中。對于滲濾液處理產生的污泥，目前已有一些減量化處理技術，包括污泥干化焚燒技術、污泥填埋、水泥窯制水泥等。在污泥處理環節，污泥得到減量化，但又會產生CO2、CH4、N2O、NOx、CO、HC等氣態污染物和COD、NH+4等液態污染物，繼續發生固—氣、固—液等界面之間的跨介質遷移。

（2）垃圾焚燒過程。垃圾通過氧化反應產生大量煙氣和熱量，其中的NOx、CH4、CO等氣體是全球變暖或光化學臭氧生成的主要物質。為凈化煙氣、回收能源，通常將垃圾焚燒與余熱發電、SCR（選擇性催化還原法）、SNCR（選擇性非催化還原法）等技術相結合，將氣態污染物固定于液態吸收劑中，減少了排放到大氣中的含碳、含氮污染物。然而，液態吸收劑的使用以及余熱發電運作需要耗水，導致大量含COD、NH+4污水的產生，若不進行后續處理，將會造成水體富營養化。這部分污水的處理與上文垃圾填埋滲濾液處理相似，污染物在污水處理、污泥處理等環節中多次發生介質之間的遷移。

（3）垃圾堆肥過程。堆肥過程中會產生CO2、CH4、NH3、NOx等污染氣體，同時也會產生含有COD、NH+4的滲濾液，發生固—氣、固—液等界面之間的跨介質遷移。滲濾液處理過程中的跨介質污染遷移過程與上文填埋過程產生的滲濾液相似。

（4）垃圾厭氧消化過程。在我國厭氧發酵示范工程中，生活垃圾經過篩選、破碎、淋濾等過程后，固渣進行焚燒或填埋，沼氣進行再利用，而滲濾液和淋濾液含有大量NH+4、COD，需要利用污水處理設施進行凈化后才能排放。涉及的污染物跨介質遷移過程與上文類似。

隨著環保標準的提高，我國城市對生活垃圾的處理要求也越來越高。然而，目前城市生活垃圾處理卻存在“顧此失彼”的做法，“重水輕泥”“忽視垃圾滲濾液收集”等現象時常發生，并未系統地考慮系統內與環境之間污染物跨介質遷移問題，使得整體環境質量的改善更加困難。在城市生活垃圾處理系統中，如何通過工程技術手段，優化污染物跨介質遷移路徑，實現多介質的環境污染控制，改善整體城市環境，成為目前城市生活垃圾處理研究中尤為關注的問題。

（二）污水處理技術

污水處理是關系到水環境優劣的重要影響因素。污泥作為污水的副產物也嚴重制約著污水處理效果和效率。同時，污泥也是一種潛在的環境二次污染源。活性污泥法實現了污染物向水體的達標排放，但大量污染物從水體轉移到固體介質污泥中。污泥中含二英和多氯聯苯等難降解的有機物、多種致病菌和重金屬，如果不能得到妥善的處理，污染物質將會通過滲濾液進入土壤環境，擴大污染范圍并造成嚴重影響。因此，對污泥進行合理處置是控制多介質環境污染的必要手段。

污泥干化焚燒、水泥窯摻燒等處理技術還會產生氣態、液態污染物，發生固—氣、固—液界面間的污染遷移。選擇污泥處置技術時要統籌考慮各介質中的污染變化量，還應注意針對污泥中的污染物質組成和技術條件進行綜合考慮，因地制宜，達到較好的處置效果。

三、環境管理目標與思想的轉變

（一）2025“生態健康改善”管理目標

當前，在我國嚴峻的環境保護形勢下，完善環境管理的思路，建立與經濟社會發展、環境形勢需求相協調的環境管理模式是十分必要的。從環境管理的目標導向來看，隨著新修訂的《環境空氣質量標準》以及“大氣十條”“水十條”的發布，我國環境管理正在由以環境污染控制為目標導向，向以環境質量改善為目標導向轉變。這一轉變以更嚴格的環境質量目標“倒逼”經濟結構調整，緊緊抓住影響環境質量的關鍵污染因素，從而有針對性地采取控制措施，改善突出環境問題。然而，氣、水、土各個環境介質是緊密聯系的，污染物在介質之間會發生遷移和轉化，某項污染控制措施也可能僅僅改善了單一介質中的污染狀況，卻給另一介質帶來更加嚴重甚至不可逆的有害影響。為了確保整體環境獲得高水平保護，把環境保護與提高人民群眾生活質量和身心健康有機聯系起來，建立以整體生態系統健康為目標的環境管理模式，可為我國的環境管理工作提供有益參考。據此，本書提出2025“生態健康改善”環境管理目標，即我國環境管理的目標實現由“達標排放”到“總量控制”到“環境質量改善”到“生態健康改善”的轉變。這一轉變表明我國對經濟發展與環境保護之間的協調性有了更充分的認識，更加強調以人為本，環境管理由被動應對、先污染后治理轉為主動防控、源頭減排，體現了人類可持續發展的核心理念。

生態系統健康理論為環境管理提供了新的手段、技術支撐和管理方式。健康的生態系統是穩定的和可持續的，在時間和空間上能夠維持其組織結構和系統內部的調節。以生態健康改善為目標的環境管理強調各個子系統間的和諧性、互促互利性，追求整個系統最佳的綜合效益（包括生態效益、經濟效益、社會效益和有機耦合的綜合效益），追求環境資源、環境效益的可持續性等。

（二）跨介質環境管理理念

大氣、水、土壤介質之間存在污染物的遷移與轉化，導致環境控制目標的轉移。目前的控制手段大多沒有從根本上控制和削減污染物，只是將其從一種形態遷移到另一種形態。僅僅著眼于單一介質中某種污染物的削減難以實現環境保護整體質量的提高，甚至污染遷移到另一介質后對生態環境和人體健康有更大的不利影響，即發生了環境目標的“隱性”轉移。為了真正實現污染全局控制，追求資源和社會經濟的可持續發展，實現自然與人類的和諧，必須將環境作為一個整體來保護，實現從“單一目標、單介質控制”向“多污染物、跨介質控制”的環境管理理念變革。這也是使環境獲得全局性改善，實現生態系統健康的有效途徑。

（三）跨介質污染防治建議

1．完善環境污染跨介質研究

完善對不同條件下污染物跨介質傳輸、遷移、轉化的模型和機理研究，明確元素跨介質污染遷移轉化機制。元素跨介質代謝過程的模擬和優化為綜合提高各介質環境質量提供了有力支持，是建立以生態健康改善為目標的環境管理模式的有效手段。

2．對污染物控制技術進行跨介質遷移轉化分析，避免僅考慮其在單一介質中的去除率

研究不同技術路徑對環境的影響及污染物跨介質遷移規律，進行污染綜合防治技術的經濟效益與跨介質影響評估。逐漸淘汰跨介質風險較高、易產生二次污染的技術，并在技術應用過程中對污染轉移狀況進行嚴格監測。針對特定的污染問題，應選擇合適的優化技術組合對其進行處理，從政策、資金、技術創新、管理體系建設等多個方面出發，對涉及多介質環境污染的區域實行長周期、大范圍的監測、治理，并在實際運行的過程中不斷發現問題、解決問題。不僅要考慮技術原理的可行性，更要結合實際情況進行選擇和改進，不可“千污一治”。

3．規范污染治理，提高污染物處理率

完善農村污染物的收集、處理處置基礎設施建設，減少污水直排和固體廢棄物露天堆積。農村污水處理技術的選擇要量力而行，選擇運行操作簡便、日常維護管理簡單、運行成本低廉、利用當地技術和管理力量能夠滿足正常運行需要的污水處理方式。加強危險廢物管理，嚴防污泥、焚燒飛灰等危險廢物未經妥善處理便流入環境。加強環境執法監督，嚴厲打擊違法行為。

4．從源頭減少污染

對于一些可能在環境中發生遷移的污染物質提前做好限制處理，減少其流入環境的量，尤其是持久性有機物和重金屬類物質。對于可能發生跨介質污染的污染源應積極削弱其遷移過程，如通過在垃圾填埋場鋪設防滲層或覆蓋膜等方式削弱滲濾液向土壤介質的遷移過程。