垃圾填埋场地下水污染修复技术优选研究

张士宽，王月，安达*，张伯强，周炼，赖健，涂婷

1.中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012 2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083



垃圾填埋场地下水污染修复技术优选研究

张士宽1,2，王月1，安达1*，张伯强1，周炼1，赖健1，涂婷1

1.中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012 2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083

结合国内外地下水污染场地的修复经验，综合考虑当地社会经济条件、地下水脆弱性、污染物特征等因素，采用层次分析法建立了修复技术优化指标体系；在此基础上运用多准则决策分析模型(MCDA)进行地下水污染修复技术优选排序，构建垃圾填埋场地下水污染修复技术筛选模型；并以湖北省某简易垃圾填埋场为例进行应用研究。结果表明：在备选的5种场地地下水修复技术(监测自然衰减技术、渗透反应格栅、多相抽提技术、抽出-处理技术、原位微生物修复技术)中，抽出-处理技术、原位微生物修复技术较为理想。综合考虑该污染场地条件、地下水污染治理要求及附近受体分布情况，得到最佳修复方案为：高污染风险区域采用抽出-处理技术和原位微生物修复技术组合；低污染风险区域采用监测自然衰减技术。

垃圾填埋场；地下水污染；修复技术；多准则决策分析(MCDA)

近年来，垃圾填埋场渗滤液污染地下水的事件屡见不鲜[1-2]，且渗滤液对地下水的污染是一个长期的过程，填埋场封场后生物分解过程还会持续10～20 a，在封场后的70～100 a仍然可能有渗滤液渗出[3-6]，垃圾填埋场已成为我国地下水最主要的污染源之一，地下水污染修复工作迫在眉睫。如何科学地开展生活垃圾填埋场地下水污染修复工作是我国“十三五”期间研究热点之一，目前在垃圾填埋场地下水污染修复技术的选取方面主要靠专业技术人员的主观判断，仍存在一定的盲目性和随意性。因此，针对不同地区垃圾填埋场的场地条件及污染状况，在综合考虑经济、技术、社会等因素条件下，制定出适合当地实际情况的、科学客观的地下水修复方案显得尤为重要。

多准则决策分析(multiple criteria decision analysis, MCDA)模型是一种可将具有相互冲突、不可共度的有限(无限)方案集中进行选择的决策方法，该方法能够将主观定性评价转化为定量表达，使之更加科学化，克服了决策者的个人偏好，提高了决策的有效性[7-9]。笔者将MCDA模型应用于垃圾填埋场地下水污染修复技术优化研究，并以湖北某垃圾填埋场为例开展应用研究，制定适用于该场地的地下水污染修复技术优化方案，以期为科学开展地下水污染修复工作提供参考。

1 研究方法

1.1 地下水污染修复技术优化指标体系的建立

参考《美国超级基金项目修改报告》[10]、《污染场地修复技术报告(目录)》[11]，并结合我国地下水修复技术的发展情况，采用层次分析法构建地下水修复技术优化指标体系，构建修复技术优化指标体系时应综合考虑当地社会经济因素、场地水文地质特征及资源环境因素等[12]。指标体系包括准则层〔经济效益指标(B1)、技术指标(B2)及社会环境指标(B3)〕和指标层〔设备投资(C1)、运行费用(C2)、后期处理费用(C3)、修复周期(C4)、污染物去除效率(C5)、技术成熟度(C6)、场地适用性(C7)、资源消耗(C8)、周围影响(C9)和公众认可度(C10)〕等(图1)。

图1 地下水修复技术优选指标体系Fig.1 Index system of groundwater remediation technology optimization

1.2 基于MCDA的地下水污染修复技术优化方法

利用MCDA模型中的消去和选择转化法，并结合改进的ELECTERⅡ处理地下水修复技术优选中的离散型决策问题[13-14]，对初筛的地下水修复技术进行比选，提出修复技术优选顺序，并确定最优修复方案。

(1)构建地下水污染修复技术筛选指标初始矩阵，并进行规范化处理。通过收集资料、查阅文献和征询专家意见构建各方案属性值的初始矩阵，利用线性变换进行属性值的规范化。

(2)进行地下水污染修复技术筛选指标体系的相关性分析。为了确保指标体系的有效性，计算指标体系中各指标的协方差及标准差，并对各项指标进行两两比较，计算指标之间的相关系数，从而根据相关系数得出各项指标之间的相关性，排除高度相关的指标体系。

(3)确定指标体系中各指标的权重。利用层次分析模块建立层次结构模型，构造两两判断矩阵，求得各指标权重值。

(4)计算正规化多准则决策矩阵。假设有m个方案，n个评价指标，正规化多准则决策矩阵(Vij)可由下式求得：

(1)

式中：rij为规范化的第i个方案对应第j个评价指标的属性值；ωj为指标的权重。

(5)计算一致矩阵与非一致矩阵。利用MCDA模型中改进的ELECTREⅡ建立一致与非一致矩阵。

首先对正规化多准则决策矩阵中任意2行进行比较，若第k列中第i行的属性值(vik)比第j行的属性值(vjk)偏好程度高(vik≥vjk)，则k归类于一致性集合(Cij)，否则归类于非一致性集合(Dij)，其中k=1,2,…,n。一致性集合与非一致性集合可用下式表达：

(2)

将每个一致性和非一致性集合中各元素代表的指标的权重分别相加，得到一致性矩阵(C)和非一致性矩阵(D)：

(3)

(4)

式中：cij表示方案ai比方案aj的相对优势指数；dij表示方案ai比方案aj的相对劣势指数。

考虑指标的权重信息，式(4)中分子为劣势集中标号所对应2个方案的加权属性值之差中的最大值，分母为各目标中对应2个方案的加权属性值之差的最大值。最后计算修正非一致性矩阵(D′)：

(5)

(6)计算修正型加权合计矩阵：

(6)

(7)计算净优势值并进行排序。根据所求得修正非一致矩阵及修正型加权合计矩阵，计算出净优势值，根据净优势值的大小进行优劣排序。

(7)

式中Cy为方案ay对其他方案的加权合计优势之和减去其他方案相对方案ai的加权合计优势之和，反映了方案的加权合计净优势。Cy越大，表示方案ay越优。

2 案例研究

2.1 研究区概况

研究所选垃圾填埋场位于湖北省东南部，经调研发现该场地为简易生活垃圾填埋场，无人工防渗膜以及任何带有渗滤液处理或预处理设施。该填埋场自1999年开始投入运行，占地80 000 m2，库容量150万m3，日处理垃圾350 t，已填埋垃圾约120万t，于2010年封场绿化。

该场地三面环山，且地处低洼处，场内海拔高度约50 m，周围东、西、北面山体顶海拔高度80～120 m，南面地势逐渐降低。地下水主要有上层滞水、垃圾渗滤液及潜水。上层滞水赋存于人工填土覆盖层中，主要受大气降水的入渗补给，地下水位埋深0.8～5.6 m。垃圾渗滤液赋存于覆盖层下的填埋垃圾层中，与上层滞水互通成为一个含水层。潜水含水层主要赋存于场地底部的中粗砂层中，主要接受侧向地下水的补给，地下水埋深24.6～33.2 m。

研究区域现有4个居民区(D、E、F和G)。通过现场踏勘，确定该区域地下水总体流向为由北到南。在场地及附近区域共设置8处地下水采样点(图2)。为进一步了解污染场地地下水污染状况，划分重点治理区域，根据场地水文地质条件以及污染物分布特点，利用地下水脆弱性和污染源综合评价耦合模型，并运用GIS平台建立各因素的空间图层，将图层叠加进行构图表征，进行污染区域地下水污染风险等级划分，最终把该区域分为5个等级：Ⅰ、Ⅱ级分区为低污染风险区；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级分区为高污染风险区(图3)。

图2 研究区采样点分布Fig.2 Sampling points in the study site

图3 研究区地下水污染风险等级分区Fig.3 Groundwater pollution risk mapping of the study site

由图3可知，地下水高污染风险区集中分布在垃圾填埋场附近区域，由垃圾填埋场向周边污染物风险指数逐渐变小；场地下游居民区D和E的地下水存在较大的污染风险。

对研究区渗滤液各项指标进行了现场监测，主要常规污染物检测结果如表1所示。根据GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》[15]的排放限值可知，研究区渗滤液中氨氮浓度超标，为排放限值的31.76倍。主要有机污染物中，苯浓度为3.1 μg/L，其他有机项目未检出，有机污染物检测结果均未超标。另对研究区地下水质进行了检测，依据GB/T 14848—93《地下水质量标准》[16]的分类排放限值可知，仅在D区域附近检测到氨氮浓度略超Ⅲ类标准限值。综上结果，表明该场地的主要特征污染物为氨氮。

表1 研究区渗滤液主要常规污染物检测结果

Table 1 Detection result of major pollutants in leachate of the study site mgL

表1 研究区渗滤液主要常规污染物检测结果

污染物氨氮浓度六价铬浓度砷浓度镉浓度铅浓度汞浓度检测值794<0.0040.034<0.0001<0.001<0.0005排放限值1)250.050.10.010.10.001

1)执行GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》。

2.2 修复技术初筛

根据调研及地下水污染分区评价结果，该垃圾填埋场及其附近区域受到地下水污染，下游居民区D和E有较高的污染风险，需采用主动修复技术进行污染地下水修复。鉴于该垃圾填埋场地下水中的特征污染物为氨氮，且属于简易垃圾填埋场，无人工防渗膜及任何带有渗滤液处理或预处理的设施设备，由此确定修复治理的整体思路为设置隔水帷幕切断源污染对下游可能造成的环境影响，同时对已污染的地下水开展修复工作。

根据修复技术的修复能力、施工场地要求、能耗需求、适用浓度范围、适用地下水埋深等，对地下水污染修复技术进行初筛。作为备选方案筛选出5种修复技术：监测自然衰减技术(X1)、渗透反应格栅(X2)、多相抽提技术(X3)、抽出-处理技术(X4)和原位微生物修复技术(X5)[17-20]。

2.3 修复技术优化指标评分

依据相关文献及现场经验数据[21-25]，对各技术的成熟性、时间条件及资金条件进行综合对比，分析各技术的适应性，邀请专家采用九标度评分法[26]对筛选的5种修复技术方案(X1～X5)中的各指标(C1～C10)属性进行评分及归一化处理，将所有指标值转化为[0,1]区间(表2)。

表2 地下水污染修复技术优选指标评分

注：括号内为归一化处理的转化值。

2.4 修复技术优化指标权重的确定

根据地下水修复技术优选指标体系(图1)，通过组织相关领域的专家召开研讨会，获得各因素的相对权重。专家根据自身专业背景的经验判断，对同一层次的限制因素或评价因素进行两两比较，根据重要性做出标度判断，然后构成两两比较矩阵，计算得出各因素的平均相对权重(表3和表4)。

表3 目标层(A)与制约层(B)判断矩阵

表4 各制约层判断矩阵

注：Wij为指标层各指标分别在其制约层内的权重。

由表3可知，B1、B2和B3的权重分别为0.258 3，0.637 0，0.104 7，一致性检验(CR)为0.033 2，小于0.10，具有满意的一致性。将目标层与制约层及各制约层的判断矩阵结果进行层次总排序，得到总排序的一致性检验为0.004 7(表5)，小于0.10，表明具有满意的一致性，层次总排序结果有效。权重分析结果表明，在地下水修复技术优化中，设备投资、运行费用、后期处理费用、修复周期、污染物去除效率、技术成熟度、场地适用性、资源消耗、周围影响及公众认可度10项指标所占的权重依次为0.110 7,0.110 7,0.036 9,0.034 4,0.255 8,0.255 8,0.091 0,0.027 0,0.011 0,0.066 7(表6)。

表5 总排序一致性检验

注：CR=∑WiCI(i)∑WiRI(i)。Wi分别为B1、B2、B3的权重,∑Wi=1(i=1,2,3)。

表6 各指标权重

注：Wij为指标层各指标分别在其制约层内所占权重。

2.5 修复技术优化

2.5.1 正规化多准则决策矩阵计算

研究对象为具有5个方案(X1～X5)和10项指标(C1～C10)的决策问题，其正规化多准则决策矩阵见表7。

表7 正规化多准则决策矩阵

2.5.2 一致性矩阵和非一致性矩阵计算

由式(3)和式(4)分别求得一致矩阵C与非一致矩阵D：

由式(5)求得修正非一致性矩阵D′：

2.5.3 修正型加权合计矩阵计算

根据式(6)利用一致性矩阵和修正型非一致性矩阵中对应位置的元素相乘便可得到以下的修正型加权合计矩阵E：

2.5.4 净优势值及排序

根据式(7)得到：C1=-0.609 5，C2=-1.458 6，C3=0.104 6，C4=1.565 8，C5=0.397 7。

各方案的加权合计净优势值排序为C4>C5>C3>C1>C2，最终得到各方案由优到劣的排序为X4>X5>X3>X1>X2(图4)。

X1—监测自然衰减技术；X2—渗透反应格栅技术；X3—多相抽提技术；X4—抽出-处理技术；X5—原位微生物修复技术。图4 地下水污染修复技术净优势值排序Fig.4 Sorting results based on the net value of the advantages worth of remediation technologies

2.6 修复方案确定

从图4可以看出，多相抽提技术、抽出-处理技术、原位微生物修复技术的净优势值均为正值，均可作为该场地的修复方案，其中，抽出-处理技术优势最明显，为最优选择。每种修复技术都存在其优势及局限性，而该场地污染源类型并非单一物质，且污染状况受气象水文等条件影响也使得仅采用单一修复技术难以达到要求。目前该区域地下水主要污染物是氨氮，且高污染风险区集中分布，低污染风险区修复区域较大，应针对不同风险区域采取相应的修复措施。综合考虑当地经济发展水平、该垃圾填埋场污染特征及地下水治理要求，结合多准则决策分析结果，得出最佳方案：对于高污染风险区域采用抽出-处理技术+原位微生物修复技术；对于低污染风险区域采用监测自然衰减技术(图5)。

图5 地下水修复治理技术路线Fig.5 Technical route for remediation of groundwater

该垃圾填埋场场地含水层渗透性较好，对于地下水抽出处理较为有利，在高风险污染区，通过不断地抽出被氨氮污染的地下水，使氨氮污染晕的范围减小，降低氨氮污染程度，促使含水层介质中的氨氮通过向水中转化而得到去除。在抽出处理后期，随着污染物去除效果降低，可采用原位生物修复，实现硝化菌对氨氮的生物去除，进一步提高污染场地的修复效果。抽出的污染地下水处理达标后回灌至原含水层。

对于低风险污染区域采用监测自然衰减技术，根据场地地质结构、水文地质特点等信息，结合历史数据分析地下水中污染物的变化规律，掌握污染物降解进程。

3 结论

(1)结合案例垃圾填埋场场地污染特征以及地下水治理要求，运用MCDA模型对5种地下水修复技术进行优选排序，其净优势值最优排序为X4(抽出-处理技术)>X5(原位微生物修复技术)>X3(多相抽提技术)>X1(监测自然衰减技术)>X2(渗透反应格栅技术)。

(2)适合该垃圾填埋场地下水修复的方案为：高污染风险区域采用抽出-处理技术+原位微生物修复技术；低污染风险区域采用监测自然衰减技术，并对该区域进行长期的地下水水质动态监测。

[1] 赵勇胜.地下水污染场地风险管理与修复技术筛选[J].吉林大学学报(地球科学版),2012,42(5):1426-1433. ZHAO Y S.Risk management and screening of remediation technologies for contaminated groundwater site[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2012,42(5):1426-1433.

[2] 罗兰.我国地下水污染现状与防治对策研究[J].中国地质大学学报(社会科学版),2008(2):72-75. LUO L.Research on groundwater pollution and its prevention-control policy in China[J].Journal of China University of Geosciences(Social Sciences Edition),2008(2):72-75.

[3] 薛红琴,速宝玉,盛金昌,等.垃圾填埋场渗滤液的防渗措施和地下水的污染防护[J].安全与环境学报,2002(4):18-22. XUE H Q,SU B Y,SHENG J C,et al.Anti-seeping measures for landfill leachate and groundwater pollution control[J].Journal of Safety and Environment,2002(4):18-22.

[4] 刘增超,何连生,董军,等.简易垃圾填埋场地下水污染风险评价[J].环境科学研究,2012,35(7):833-839. LIU Z C,HE L S,DONG J,et al.Risk assessment of groundwater pollution for simple waste landfill[J].Research of Environmental Sciences,2012,35(7):833-839.

[5] 李玲,喻晓,王颋军,等.武汉金口垃圾填埋场对地下水环境的影响分析[J].环境污染与防治,2016(2):7-12. LI L,YU X,WANG T J,et al.The influence analysis of Jinkou landfill on the groundwater quality in Wuhan City[J].Environmental Pollution & Control,2016(2):7-12.

[6] 谢佳婕,李忆雯,丁桑岚.简易生活垃圾填埋场封场环境风险评价综述[J].绿色科技,2014(10):210-212.

[7] GUITOUNI A,MARTEL J M.Tentative guidelines to help choosing an appropriate MCDA method[J].European Journal of Operational Research,1998,109(2):501-521.

[8] 李安婕,全向春,王龑,等.基于PROMETHEEⅡ法的污染场地土壤修复技术筛选及应用[J].环境工程学报,2012,6(10):3767-3773. LI A J,QUAN X C,WANG Y,et al.Selection of contaminated site soil remediation technology based on PROMETHEEⅡ[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2012,6(10):3767-3773.

[9] 张伯强,安达,王月,等.基于MCDA的沙漠地区污染场地地下水修复技术优化方法[J].环境工程学报,2016,10(10):5521-5527. ZHANG B Q,AN D,WANG Y,et al.Optimization methodology of groundwater remediation technologies of contaminated sites in the desert areas by multi-criteria decision analysis[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2016,10(10):5521-5527.

[10] US EPA.Super fund remedy report:542-R-13-016[R].14th ed.Washington DC:US EPA,2013.

[11] 环境保护部.污染场地修复技术报告[R].北京:环境保护部,2014.

[12] 张伯强,席北斗,高柏,等.基于层次分析法的模糊综合评判在危险废物填埋场场址比选中的应用[J].环境工程技术学报,2016,6(3):275-283. ZHANG B Q,XI B D,GAO B,et al.An optimization methodology for hazardous waste landfill sites based on analytic hierarchy process and fuzzy evaluation[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(3):275-283.

[13] 魏建洲.关于ELECTREⅡ方法若干问题的研究[D].兰州:西北师范大学,2009.

[14] 徐克龙.基于ELECTRE法的风险决策方法[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2004,21(1):7-10. XU K L.Risk decision-making method based on ELECTRE[J].Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition),2004,21(1):7-10.

[15] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.生活垃圾填埋场污染控制标准：GB 16889—2008[S].北京:中国环境科学出版社,2008.

[16] 国家技术监督局.地下水质量标准：GB/T 14848—93[S].北京:中国标准出版社,1994.

[17] 张飒,刘芳,苏敏,等.地下水污染生物修复技术研究进展[J].水科学与工程技术,2012(2):29-31. ZHANG S,LIU F,SU M,et al.Research summary on groundwater pollution bioremediation technology[J].Water Sciences and Engineering Technology,2012(2):29-31.

[18] 井柳新,程丽.地下水污染原位修复技术研究进展[J].水处理技术,2010(7):6-9. JING L X,CHENG L.Progress and status of in situ remediation technology of groundwater[J].Technology of Water Treatment,2010(7):6-9.

[19] 李同燕,胡伟武,李文奇,等.地下水污染修复技术研究进展[C]//中国环境科学学会学术年会.成都:中国环境科学学会,2014.

[20] 李玮,王明玉,韩占涛,等.棕地地下水污染修复技术筛选方法研究:以某废弃化工厂污染场地为例[J].水文地质工程地质,2016(3):131-140. LI W,WANG M Y,HAN Z T,et al.Screening process of brownfield site groundwater remedial technologies a case study of an abandoned chemical factory contaminated site[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2016(3):131-140.

[21] AN D,JIANG Y H,XI B D,et al.Analysis for remedial alternatives of unregulated municipal solid waste landfills leachate-contaminated groundwater[J].Frontiers of Earth Science,2013,7(3),310-319.

[22] US EPA.Annual superfund report to congress for fiscal 2004[EB/OL].(2005-08-26).Washington DC:US EPA.http://www.epa.gov/oig/report/2005/20050826-EPA-350-R-05.001.pdf.

[23] 杨彦,于云江,王宗庆,等.区域地下水污染风险评价方法研究[J].环境科学,2013,34(2):653-661. YANG Y,YU Y J,WANG Z Q,et al.Study on the risk assessment of regional groundwater pollution[J].Environmental Science,2013,34(2):653-661.

[24] HUSAIN T,KHAN F I,HEJAZI R.An overview and analysis of site remediation technologies[J].Journal of Environmental Management,2004,71:95-122.

[25] SPIRA Y,HENSTOCK J,NATHANAIL P,et al.A European approach to increase innovative soil and groundwater remediation technology applications[J].Remediation Journal,2006,16(4):81-96.

[26] 钟振宇,柴立元,刘益贵,等.基于层次分析法的洞庭湖生态安全评估[J].中国环境科学,2010,30(增刊):41-45. ZHONG Z Y,CHAI L Y,LIU Y G,et al.Ecological security evaluation based on AHP of Lake Dongting[J].China Environmental Science,2010，30(Suppl 1):41-45. ○

Remediation technology optimization for groundwater contamination of municipal solid waste landfill

ZHANG Shikuan1,2, WANG Yue1, AN Da1, ZHANG Boqiang1, ZHOU Lian1, LAI Jian1, TU Ting1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China

Comprehensively considering local socio-economic conditions, groundwater vulnerability and pollutant characteristics and other factors, and learning from environmental remediation experience of domestic and foreign groundwater pollution sites, the analytic hierarchy process (AHP) method was used to establish the optimization index system of remediation technologies. Then a multi-criteria decision analysis (MCDA) model was adopted to sort the groundwater pollution remediation technologies, and establish a screening model of groundwater pollution remediation technologies. For this purpose, an applied research on a simple landfill site in Hubei Province was carried out. The results show that extraction treatment and in-situ microbial remediation technologies are more practical among the five alternative technologies of groundwater remediation applicable to this landfill site, including technologies of monitored natural attenuation, permeable reactive barriers (PRBs), multi-phase extraction (MPE), pump-and-treat systems (P & T) and in-situ microbial remediation. Based on the specific site conditions, groundwater pollution control requirements and distribution of nearby receptors of this landfill site, the optimal remediation scheme is determined as follows: P&T and in-situ microbial remediation technology should both apply to areas with risk of high pollution while the monitored natural attenuation technology should be adopted for areas with risk of low pollution.

municipal solid waste landfill; groundwater pollution; remediation technology; multi-criteria decision analysis( MCDA)

2016-11-21

2016年全国地下水基础环境状况调查评估(144130012110302)

张士宽(1989—)，男，硕士，主要从事地下水污染风险评估、工程环境物探研究，zsk5965@163.com

*责任作者：安达(1979—)，女，副研究员，博士，主要从事地下水污染风险评估与防控，anda@craes.org.cn

X523

1674-991X(2017)04-0463-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.063

张士宽，王月，安达,等.垃圾填埋场地下水污染修复技术优选研究[J].环境工程技术学报,2017,7(4):463-469.

ZHANG S K, WANG Y, AN D, et al.Remediation technology optimization for groundwater contamination of municipal solid waste landfill[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):463-469.