好文推薦 | 土壤修復產業碳達峰碳中和路徑研究

碳達峰(peak carbon dioxide emissions)是指碳排放進入平臺期后，進入平穩下降階段，實現二氧化碳的收支平衡。碳中和(carbon neutrality)，主要是指企業、團體或個人測算在一定時間內，直接或間接產生的溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，抵消自身產生的二氧化碳排放，實現二氧化碳的“零排放”。

我國長久以來堅持減少碳排放，支持低碳生活，控制溫室氣體。中國城市溫室氣體工作組已經建立中國全口徑城市2005,2010,2015,2018年CO2排放清單，包括工業、交通、間接排放、服務業、農業、城鎮生活和農村生活等部門。20世紀以來，我國參與的部分改善世界氣候、減排路線的相關文件見表1。

表1 我國碳排放重要事件一覽表

根據BP數據，2019年我國二氧化碳排放量為98.26億噸，占世界的28.8%。從我國與歐盟、美國等歷史碳排放量和預期增長趨勢看（圖1），歐盟、美國、日本在1979年、2007年、2008年已實現碳達峰。我國十八大報告指出，要大力推進生態文明建設，堅持節約資源和保護環境的基本國策，堅持節約優先、保護優先、自然恢復為主的方針，著力推進綠色發展、循環發展、低碳發展，形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式，從源頭上扭轉生態環境惡化趨勢，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻。

圖1 世界碳排放量及增長趨勢示意圖

生態文明與碳中和、碳達峰的意義相同，就是要保護環境，恢復自然生態。土壤是自然生態的重要部分，是人類活動的主要場所，是連接大氣圈、水圈、生物圈的重要途徑，是地球大氣碳庫、海洋碳庫、巖石圈碳庫、陸地生態系統碳庫的主要組成之一。土壤碳庫和植被碳庫是陸地生態系統碳庫的主要組成，土壤碳庫占90%以上，是大氣碳庫的2~3倍。這要求我們加大自然生態系統和環境保護力度，具體到土壤修復產業中，體現為恢復土壤碳庫容量，減少土壤修復過程中的能源消耗、碳排放等?？深A見的，土壤修復可以恢復破壞土壤原有的容碳能力，植被恢復后提高土壤碳容量。

2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上首次宣布，我國二氧化碳排放在2030年前力爭達到峰值，2060年前努力爭取實現碳中和。土壤碳匯是削減碳排放、緩解全球氣候變化的重要途徑。聚焦土地可持續利用和管理，對土壤修復產業的碳排放進行分析，對土壤修復產業碳達峰碳中和路徑分析，對實現土壤修復提高土壤容碳能力、降低修復工程等過程中的碳排放具有重要意義。

土壤修復產業迎來爆發式增長，未來即將突破萬億市場，是環保產業中最具發展潛力的行業。二氧化碳排放影響世界氣候變化，關乎人類生存。我國提出在2030年實現碳排放達到峰值，2060年達到碳中和這一目標，旨在優化能源結構，維護全球二氧化碳平衡，保護地球家園。土壤修復產業中碳排放量隨土壤修復市場發展逐漸增加，若不采取碳減排措施，勢必會增加實現“雙碳”目標的壓力。土壤修復產業碳達峰碳中和路徑研究對土壤修復產業中“雙碳”時間節點進行了預測，分析了土壤修復產業中的碳排放量，并提出土壤修復產業中實現“雙碳”目標的路徑。

近年來，國家戰略層面的生態文明建設，城市的發展擴張使土地資源變得尤為緊缺，用地污染問題逐漸暴露。為實現污染地塊的安全利用，土壤修復產業迅猛發展。尤其是2016年《土壤污染防治行動計劃》的發布，拉開了土壤修復產業飛躍式發展的序幕。2018年《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》與2019年《中華人民共和國土壤污染防治法》的實施，標志行業有法可依、有標準限制的階段。通過這幾年的政策導向，近一年土壤修復企業增加了近16%。同時，碳排放將會更加嚴格控制，碳交易也將成為重要的二氧化碳控制手段。由于我國碳交易市場剛剛建立起來，土壤修復企業的碳排放基本沒有進行過碳核算、碳排放校核，但從國外相關行業可以由經驗分析其碳排放量。

何長全等人在人口、國內生產總值、人均能耗、第二產業占GDP比重、第三產業占GDP比重、城鎮居民人均可支配收入、城鎮新建住宅面積、能源強度8個指標與碳排放的關系，發現GDP與碳排放的相關性指數在0.815以上。李國志認為碳排放隨經濟增長呈現出先增加后降低的變化趨勢，當經濟增長到達一定水平后，將有利于實現碳減排，中國碳排放與經濟增長之間的關系可以分為2個明顯階段：1989年以前為U型曲線關系，而1990年后則表現出典型的倒U型EKC關系。根據近年來我國GDP的變化，可以粗略算出單位產值所產生的二氧化碳。美國2019年GDP為21.43萬億美元，二氧化碳排放量為4964.69億噸，折合二氧化碳排放系數為3.5887 kg/萬元GDP。預測未來我國的二氧化碳排放系數會下降至3 kg/萬元GDP左右，2030年前后保持在9 kg/萬元GDP左右，2060年會下降到0.2 kg/萬元GDP左右（圖2）。鑒于目前土壤修復主要為政府引導的政策導向性產業，土壤修復產業的資金來源主要為政府撥款，而二氧化碳排放與資金投入有直接關系，資金投入又與政府的GDP息息相關，因此土壤修復行業的二氧化碳在目前沒有較好的數學模型預測情況下，我們可以根據單位GDP產值排放二氧化碳數預測土壤修復產業的二氧化碳排放量。

圖2 我國二氧化碳排放量與二氧化碳排放系數

土壤修復包括建設用地修復、農田修復以及礦山修復，其中農田修復與礦山修復主要恢復土地植被，對污染土壤的修復產生的二氧化碳，在修復后的植被光合作用下中和，因此土壤修復中碳排放主要考慮建設用地的碳排放。

建設用地土壤污染主體為焦化、石化、醫藥、金屬冶煉等企業，污染物主要為多環芳烴、鹵代烴、石油烴、鎘、砷等重金屬。建設用地土壤修復中常用的技術有熱脫附技術、氣相抽提技術、固化/穩定化技術、化學淋洗技術、化學氧化/還原技術、水泥窯協同處置技術等物理化學方法。通過對環境修復工程企業調研，針對有機物污染土壤的修復常用技術為熱脫附、化學氧化/還原、水泥窯協同處置、化學淋洗等，對重金屬污染土壤的修復技術主要有固化/穩定化、植物修復等。根據各修復工程的修復費用或能源消耗，可以計算出所產生的二氧化碳排放量。

熱脫附技術通過直接或間接加熱土壤，使土壤中有機污染物受熱從土壤介質中揮發或分離后，進入氣體處理系統的過程。熱脫附技術由于要加熱受污染的土壤，其帶來的能源消耗必然是巨大的。由國內某焦化廠土壤修復案例分析，熱脫附每噸土壤消耗天然氣45~48 m3，電34.1~40.8 kW?h，由此可大致估算每噸土壤修復排放了124.1~136.8 kg二氧化碳。但熱脫附修復土壤總工程量還包括土壤挖掘、運輸、回填等其他方面的能源消耗，其最終產生的二氧化碳排放可能超過200 kg/t土。

氣相抽提技術是利用負壓風機形成負壓，在污染土壤區域的抽氣井將有機污染物抽提后，經過活性炭或催化氧化后降低土壤中污染物濃度的方法。國內某地塊被苯和C10~C12脂肪烴污染約200 m3，采用氣相抽提技術實現了87.4%的修復率。項目歷時7個月，使用了55 kw風機和總功率為72 kw的催化燃燒室，還包括離心式引風機、泵、尾氣處理裝置等。按每天8小時工作，每月20個修復工作日核算，該修復工程耗電量約為14萬kW?h。按中國電網電力（各種電力混合后的平均值）1度電的CO2排放是960 g左右，該修復工程折合碳排放量約136噸，平均修復每噸污染土壤排放二氧化碳約500 kg。通常氣相抽提會與熱處理相結合，產生的碳排放進一步增加。

水泥窯協同處置是進行危險廢物處置的一種方法，可以處置污泥、重污染土壤等，可以完全消除有害氣體，最終轉化為水泥熟料，無廢棄物遺留。根據某地水泥窯協同處置建設項目環評報告，該項目總裝機容量約1000 kw，計算負荷900 kw，處理能力約15~30 t/d。核算后平均處理每噸重污染土壤約耗電240~480 kW?h，折合排放二氧化碳230~460 kg。此二氧化碳排放不包含加熱過程中有機物燃燒后排放的二氧化碳。

化學淋洗技術通過表面活性劑的加入，使銅、鉛、鎘等重金屬或與表面活性劑性質相近的有機污染物遷移到化學溶劑中，并進一步分離、處理的技術。該過程的能源消耗遠低于熱脫附技術、氣相抽提、水泥窯協同處置等需要高溫的高能耗技術?；瘜W淋洗中主要應用設備淋洗篩分機、攪拌反應泵、清水輸送泵等低能耗設備。上海市某修復項目修復總工程土方量為36768.4 m3，清水輸送泵功率3 kw，淋洗液攪拌機功率1.5 kw，兩臺淋洗液輸送泵1 kw，篩分設備13 kw，總工程設備計算負荷約153.8 kw。最終淋洗修復108.6 m3重金屬污染土壤，消耗9500 kW?h，折合修復每噸土壤排放64.5 kg二氧化碳。

固化/穩定化技術利用添加劑，通過添加劑與土壤中的有害成分結合使其轉化為其他物理或化學形式，消除或減小其危險性質。固化/穩定化工程中主要用到的設備包括挖機、破碎篩分機、攪拌機等。國內某化工廠汞污染土壤經固化/穩定化處理后，土壤中重金屬汞硫酸硝酸浸出濃度未檢出。該工程修復約4000 kg汞污染土壤，采用了PC 60挖機、Allu破碎篩分設備等。PC 60挖機功率約為40.7 kw，Allu破碎篩分設備可以連接在挖機上，沒有額外能源消耗，攪拌機功率約5.5 kw。修復每噸污染土壤耗能約46.8 kW?h，折合修復每噸土壤排放44.9 kg二氧化碳。

化學氧化/還原技術是指向污染土壤添加氧化劑或還原劑，通過氧化或還原作用使土壤中的污染物轉化為無毒或相對毒性較小物質的過程。根據處置地點不同，化學氧化/還原技術可分為原位和異位兩種工藝。原位化學氧化/還原系統主要包括注射井、氧化劑/還原劑輸送管道和監測井三部分?；瘜W氧化/還原中用到的設備以挖掘機，攪拌機為主，其修復土壤能耗與固化/穩定化技術相似，估算其修復每噸土壤排放50 kg二氧化碳左右。

生物修復技術主要分為：植物修復技術、動物修復技術、微生物修復技術三大類。但目前實現技術應用的有植物修復和微生物修復技術，其中植物修復技術通過特定植物的生物富集作用，將土壤中重金屬元素富集到植株體內，再對收獲植株進行處理，降低二次污染。整個修復過程包括植物幼苗的培育、植株移栽養護、植株回收、植株遺體處置（焚燒）。植物本身可以固炭養地，因此基本可以中和修復過程中的二氧化碳排放，估算其修復每噸土壤排放-10~30 kg二氧化碳左右。

表2 土壤修復部分技術案例碳排放對比

隨著《土壤法》的落地，目前全國建設用地土壤修復市場迎來爆發增長，建設用地土壤修復地塊達到2.5萬塊，修復面積達到1000萬畝，如果采用熱脫附、水泥窯協同處置、氣相抽提等技術，勢必會對碳達峰碳中和的目標形成一定壓力。2016年我國土壤修復市場規模為42.09億元，2017年增長至151.45億元，漲幅高達259.98%，2018~2020年土壤修復市場規?？傆嫵|，同時2021~2024年我國土壤修復市場規模將會超過2500億元。若不采取任何碳減排措施，土壤修復產業中碳排放會隨土壤修復市場規模持續增加，在2030年達到113152.2噸，在2060年達到483856.5噸。在巨大的土壤修復市場，使用碳排放量高的修復技術，大大增加了碳中和壓力。固化/穩定化技術、化學淋洗技術、化學氧化/還原技術等雖然修復效率略低，但是其碳排放量少，投入小。選用此類技術可以有效降低土壤修復產業中碳排放量，使得更多的土壤得到修復，同時提高了土壤碳庫容量。采取了必要的碳減排方式后其二氧化碳排放會在2030年前后達到頂峰，在2060年之后達到碳中和。

圖3 國內土壤修復產業訂單及二氧化碳排放量測算

從當前主流場地土壤修復工程對比，熱脫附技術、氣相抽提技術、水泥窯協同處置技術等技術是高能耗、高效率、高投入的修復技術，同時也是高碳排放技術。國內土壤修復產業訂單（圖3），顯示我國土壤修復行業近年來異軍突起，成交額增長迅速。如果按現在土壤修復技術對土壤進行修復，其預估的二氧化碳排放采用土壤修復產值規模進行估算，到2024年將會排放近8萬噸二氧化碳。這么多的二氧化碳排放勢必對我國2030年碳達峰，2060年碳中和目標的實現造成一定困難，所以有必要調整土壤修復產業中的主流土壤修復技術，對土壤修復產業中碳達峰碳中和路線進行預測。

當前國內外土壤修復發展現狀，土壤修復在技術上從單一的物理、化學、生物修復方法到兩種修復技術的聯用；從有機污染物、重金屬單一污染發展到多種有機物、多種重金屬甚至有機物與重金屬復合污染物；從異位物理化學修復到原位低風險污染修復發展。面對復雜的土壤污染狀況，修復技術也在不斷改進。根據“雙碳”目標的要求，土壤修復技術的發展也需要向低碳排放，低能源消耗方向發展。

土壤修復可以恢復污染土壤原本的功能，土壤修復后其表面生長的植被，對于二氧化碳的固定，以及土壤二氧化碳排放都有積極的作用。土壤修復技術中物理修復、化學修復難免用到能源與化學藥劑，能源的消耗，化學藥劑的使用，都不同程度地增加了二氧化碳的排放。生物修復，在污染土壤上種植高積累植株，其本身就能不同程度的固定二氧化碳，同時恢復了土壤的植被，是一種增加土壤碳匯的修復技術。

對于污染地塊，不同區域的土壤污染程度一般是不同的，針對不同污染程度的土壤，采用不同修復技術聯合使用可以降低二氧化碳的排放。在重污染區域先采用物理修復技術，如熱脫附修復、氣象抽提修復等。污染程度降低到一定風險后，物理化學修復的二氧化碳排放更多，低濃度污染往往消耗的能源更多，采用生物修復技術，種植修復植物，施用微生物修復試劑等低二氧化碳排放技術，使得修復工程中綜合碳排放達到最優。

化學修復與物理修復對環境造成二次污染或者改變土壤的原始性質，當前急需研究新的化學試劑或是物理方法，使在土壤修復過程中盡量減少對土壤功能的破壞。當前有潛力的修復材料有零價鐵、生物炭、固化穩定材料，這些修復試劑的研究對土壤修復中二氧化碳碳減排具有積極作用。當然，利用生物或者植物修復污染的土壤環境是一種更為綠色更加環境友好的方法，這種方法在農田土壤污染與礦山修復中較為常用。在滿足地塊環境功能、使用功能和風險控制的基礎上，減少修復本身所帶來的負面影響，最大化降低土壤修復中二氧化碳的排放，全面發展綠色可持續修復技術，是土壤修復發展的唯一方向。

土壤修復產業的組成主要包括了環境咨詢服務類公司、環境修復類公司、修復設備類公司、修復藥劑類公司、環境監測類公司以及環境修復研究院等主要6類企事業單位。其中環境修復企業在資金、企業規模、企業數量方面成為土壤修復產業引領者（圖4）。環境咨詢服務、環境修復藥劑生產、環境監測以及環境修復技術研究主要為咨詢服務類和環境檢測類企業，能源消耗較少，相對產生的二氧化碳量少。同時土壤調查項目、土壤環境狀況評估、環境采樣檢測項目相比土壤修復項目數量大致相同。環境修復、環境修復設備制造主要為高能耗、高投入類產業，能源消耗高、產生的二氧化碳多。其中又以土壤修復項目遠多于土壤修復設備制造企業，從而土壤修復產業中碳排放以土壤修復工程為主。目前土壤修復項目以建設用地修復為主，近兩年，無論是項目金額或項目數量，建設用地修復都遙遙領先。農用地修復項目較少，但其正醞釀等待爆發。根據北極星環境修復網資料，建設用地修復成本為20~50萬/畝，其中包含土壤調查、工程實施、風險評估等諸多環節。這些環節產生的二氧化碳數基本為凈碳排放量，只有少數土地修復后被建設為公園、濕地等綠化用地。

圖4 土壤修復產業各類公司占比

環境咨詢類公司可為地方各級政府、社會企事業單位、工業園區提供預評估、環境影響評價、環境監理、竣工環保驗收咨詢、清潔生產審核、上市核查、區域規劃、風險評估、應急方案、污染源調查與評估、區域和企業環保綜合整治方案等，也可以結合環保實踐和環境管理需要，參與研制環境標準、環境管理政策等，積極為政府社會經濟發展和企業立項、建設、運營等提供全過程的環境咨詢服務。其服務過程主要會使用辦公設備以及現場考察、溝通企業與政府信息等?？赏ㄟ^減少與政府、企業三方奔波頻次，通過視頻會議溝通事件進展，減少現場考察次數、通過無人機等實現遠程5G考察，無紙化辦公，減少紙質材料的使用等方面減少碳排放。

土壤環境修復企業通過熱脫附技術、氣相抽提技術、固化/穩定化技術、化學淋洗技術、化學氧化/還原技術、水泥窯協同處置技術等技術對污染地塊進行修復達到環境改善、生態修復、地塊利用的目的。企業在技術選型過程中應盡量避免高能耗、高二氧化碳排放的熱脫附、水泥窯協同技術，采用低能耗、低碳排放的植物修復技術和微生物修復技術等綠色可持續修復技術。針對污染程度不同區域，選擇聯合修復技術，對重污染區域可以選擇必要的熱脫附技術、化學氧化還原技術，對中污染、輕污染區域選擇生物修復技術。同時土壤環境修復工程是土壤修復產業中最重要的環節，也是碳排放量最多的環節，如果不加以政策干擾，其碳排放量會逐年上升（圖5）。

綠色可持續修復是指在滿足地塊環境功能、使用功能和風險控制的基礎上，為了減少修復本身所帶來的負面影響，綜合考慮修復全生命周期內的環境、社會、經濟因素，采取使修復凈效益最大化的方案和措施。土壤修復工程使用技術類型向低碳排放技術和綠色可持續技術轉變，降低異位修復技術的使用率，提高原位修復技術的使用率，可以最大程度、最有效的降低土壤修復產業中碳排放量，對我國碳達峰、碳中和的“雙碳”目標的早日達成做出貢獻。

圖5 土壤修復產業各行業碳排放預測

根據土壤修復行業中各產業分布情況，對土壤修復行業碳排放預測按比例分配，預測出土壤修復行業中各產業碳排放量，如圖5。

環境修復設備制造企業涉及鋼鐵冶煉、車床加工、精密制造、計算機輔助、控制系統開發等方面，其主要企業為傳統制造業與部分設計公司。其生產設備過程的碳排放不容忽視，生產的設備在使用過程中也有一定碳排放，通過技術升級或控制系統的改進，進一步提高其智能化，小型化，低能耗化，降低生產過程以及使用中的碳排放。

環境檢測是指通過對人類和環境有影響的各種物質的排放量的檢測，跟蹤環境質量變化，確定環境質量水平，為環境污染治理等工作提供基礎和保障。環境監測工作通常包括背景調查、確定方案、優化布點、現場采樣、樣品運送、實驗分析、數據收集、分析綜合等過程。環境監測服務公司在以上各個環節產生的二氧化碳可以通過調查方案的整體優化，通過數據共享減少現場采樣調查的頻次，與環境咨詢類公司的共享合作，有利于整體碳排放的減量，檢測分析過程一次性完成，減少大型儀器的頻繁啟動，檢測報告減少紙質版的輸出等降低碳排放。

環境修復研究機構圍繞污染監測與評估、土壤污染治理與修復等領域開展環境保護與污染控制應用技術研究，已在環境土壤修復領域形成了系列關鍵技術、成套處置裝備、修復藥劑、修復檢測等核心技術體系。在技術研究過程中，試驗過程的碳排放可以有效通過優化試驗方案，改進修復技術，提高修復過程中效率，進而降低碳排放。

作為土壤修復產業鏈中核心環節，土壤修復工程應放在土壤修復產業碳排放控制的首位，應對修復工程中修復技術擇優選擇，選擇低碳排放或負碳排放修復技術。調整后，土壤修復工程的碳排放量會減少90%以上，其變化趨勢由實線曲線增加轉變為先增加后減少至穩定趨勢（圖5，虛線曲線）。其次，對于土壤修復產業鏈中上游環節，應對于碳排放量第二的環境監測類企業與第三的環境咨詢類企業進行碳減排控制，應用5G新技術、視頻會議、數據共享等可以降低碳排放。對于環境修復工程、環境監測項目、咨詢服務項目這三項的碳排放控制，使土壤修復產業中“雙碳”目標的實現可以快速實現。最后，對土壤修復產業鏈中下游行業，對于修復設備制造公司、修復藥劑制備公司以及研究中心等的碳排放進行監測，技術升級等，減少二氧化碳的釋放。通過對土壤修復產業鏈的三個環節的綜合控制，針對環境修復類企業的技術導向，同時加強對環境檢測與咨詢服務類行業數據共享等使碳排放量可以在2030年前后達到峰值，2060年前達到碳中和。

圖6 土壤修復產業碳達峰碳中和路徑選擇

我國土壤修復行業與發達國家相比，發展較晚，修復技術本土化差。發達國家碳達峰是經濟社會發展的自然過程，進入了后工業化階段或信息化階段，土壤修復發展對碳排放的增長貢獻穩定。我國目前尚未完成工業化進程，GDP增長仍依賴能源消費的增長，因此短時間內我國土壤修復產業中碳中和要減少二氧化碳排放，同時要滿足土壤修復的社會需求。我國“雙碳”目標的提出，使得我國環境修復工程需要及時改進與選擇符合低碳發展的土壤修復技術，如生物技術、化學氧化技術、固化穩定化等技術。保留部分熱脫附技術、氣相抽提技術等可以保證重污染土壤的修復。針對咨詢服務行業與環境檢測行業，推進數據共享、5G技術、視頻會議，無紙化等措施可減少碳排放。針對我國土壤修復產業碳達峰碳中和路徑選擇可參考圖6。

碳達峰碳中和目標的提出，勢必對我國土壤修復產業產生不小的影響。從原來20世紀初引進國外高效、快速的土壤修復技術、設備等，逐步發展適用于我國土壤特征的修復技術，采用碳排放少的土壤修復技術。2008~2016年，我國土壤修復項目以68%占比的污染介質治理技術為主，污染介質治理技術主要包括了熱脫附、氣相抽提、熱解、電滲析等高能耗技術，增加了“雙碳”目標的壓力。為實現碳中和目標，我國土壤修復產業將會從開始的高效率、高能耗修復技術轉向低碳排放、低能耗、綠色可持續修復技術。同時，隨著納米技術、零價鐵技術、生物修復技術等其他綠色可持續修復技術發展，土壤修復產業通過結合大數據、云計算、5G物聯網、數據共享等跨學科、跨領域技術，實現我國土壤修復行業的高效率，低成本、低碳排放，早日實現“雙碳”目標。