广西钟山县非正规垃圾填埋场地下水污染调查评价与治理

杨康康，蓝俊康

(桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004)

近年来，国内外垃圾填埋场渗滤液污染地下水事件层出不穷[1-2]。迄今国内处理垃圾的方式仍主要为填埋，这种处理方式会产生大量的垃圾渗滤液[3-7]。于大潞等人(2015)对济南南部2个较大型的垃圾填埋场调查发现，垃圾淋滤液中无论是有机物、无机物还是重金属污染物，其含量均较高，其中COD高达1 850.67 mg/L，Cl-高达1 830.00 mg/L，NO2高达 95.00 mg/L，NO3高达2 090.00 mg/L，As高达0.194 mg/L；Cu高达0.15 mg/L；此外，Pb、Zn、Se、Fe、酚等也严重超标[8]。除了这些可检测到的常规指标外，垃圾渗滤液往往还含有一些难以被检测到的对人类致癌、致崎的微量污染物[9]。可以想象，那些无覆盖、无防渗、无排气等防控措施的非正规垃圾填埋场，其渗滤液入渗到下覆含水层后将会对当地的地下水环境的造成极其严重的污染。金沁等人(2016)对安徽省某个才运行2年的生活垃圾填埋场周边的地下水污染调查发现，该填埋场周边地下水中重金属物质多数尚未被检出，但总硬度、溶解性总固体和无机盐等物质含量较高，部分监测的氨氮、硝酸盐已出现超标[10]。

钟山县鲤鱼塘非正规垃圾填埋场于上世纪70年代开始堆放垃圾，运行初期为无组织倾倒堆放模式，未采取任何覆盖与防渗、填埋气收集与导排、渗滤液收集与导排、雨污分流系统等防污措施，其垃圾成分以生活垃圾及建筑垃圾为主，不仅滋生大量的蚊虫，其垃圾渗滤液也已经对当地地下水环境和周边的土壤已产生了严重的污染。为了周边居民的身体健康，同时也为了该场地的土地流转，通过现场水文地质和工程地质测绘、水文地质试验和水位水质监测，对场地地下水污染现状进行进行评价，并根据垃圾填埋场的特点，探寻其最佳的治理方案。

1 区域地质环境特征

钟山县鲤鱼塘非正规垃圾填埋场评价区位于钟山县城的西南的一处岩溶溶蚀盆地内，县城的东侧为富江，县城的北、西及南部三面环山，整个区域大部分为低山丘陵地形，区域地势由北西向东南倾斜。

研究区的东部边界为富江，以北门江为北部边界，以祯祥溪为南部边界，西部边界以分水岭为界(思勤江与富江之间的分水岭)，总面积为35.07 km2。

在地质构造上，本研究区位于广西山字型构造东冀反射弧的内侧与湘南经向构造(湘南弧)末端交汇处，由于经历了加里东、印支、燕山等多次强烈的构造运动，地层产生了诸多的褶皱及断裂，构造线方向错综复杂。向斜的核部地层北翼倾角15°～16°，南翼30°。受断裂带F1、F2的影响，一些地层缺失，出现了侏罗系地层和泥盆系地层接触(见图1所示)。

图1 钟山垃圾填埋场区域水文地质图

研究区的基岩地层主要有泥盆系中统的东岗岭阶(下段D2d1、上段D2d2)、泥盆系上统桂林组(D3g)和融县组(D3r)，石炭系下统岩关阶(C1y)和大塘阶(C1d)、石炭系中上统(C2+3)，侏罗系下统天堂组(J1t)、大岭组(J1d)和石梯组(J1s)，其岩性有粉砂岩、砂岩、角砾岩、白云岩、灰岩、页岩等。

第四系地层主要有更新统(Qp)的残积黏土和全新统地层(Q4)的砂、粉土及填土。

评价区内地下水的方向较为复杂，总体上为自西向东，局部上又自中间局域分水岭向南北两侧分流，即北部区域地下水向北门江排泄，局域分水岭南部的地下水向东南方向的祯祥溪汇聚，最后由2条河流再向东汇入富江。

2 勘探与测试

2.1 工程地质钻探

为了解垃圾填埋场中垃圾的填埋厚度以及取得第四系残积层的土力学参数，在垃圾填埋场内布置工程勘探孔27个。经勘察得知，垃圾填埋厚度即杂填土厚度为3.5～8.7 m，平均5.21 m，属于高压缩性土，由此计算出垃圾填埋场的体积约为108 258.59 m3。在残积黏土层中取Ⅱ级原状土样6组，结果显示天然含水率平均为29.6%，液限平均为42.4%，天然孔隙比平均为0.869，液性指数平均为0.35，压缩系数平均为0.294 MPa-1，压缩模量平均为6.43 MPa，属中压缩性土。

2.2 水文地质钻探

因为研究区的民井数量分布不均，垃圾场四周的水井数量不足，故增加了水文地质钻探孔5个，钻孔深度56～61 m(钻至枯水期水位下10 m)，其位置如图1。利用钻探得知：(1)该填埋场底部第四系残积黏土层的厚度约为16.8 m；(2)地下水位低于黏土层底板，为无压(即潜水)含水层。(3)下覆的基岩地层为大塘组罗城段(C1d3)，其岩性为灰白色灰岩、白云岩；(4)所有钻孔均未遇见溶洞，岩芯较为完整，裂隙率为1.0%～3.0%(平均2.39%)，仅见有少量细小的裂隙。可见本场地下覆基岩的岩溶管道不发育，含水层的渗透性较差，地下水类型为裂隙溶隙水和裂隙水。

2.3 岩土渗透性测试

在ZK1和ZK4号孔中进行降水头注水试验(土层)和压水试验(基岩中)测试[11]，结果显示：基岩地层的渗透系数约为0.105～0.321 m/d，(平均值为0.0915 m/d，属于弱透水性岩体)，而残积黏土层的渗透系数的平均值约为2.01×10-4m/d。

3 地下水水质现状

在垃圾填埋场中部及周边的5个钻孔和2口井中取水样进行监测，结果显示：除了离垃圾场较远的废弃水井(W08)没有总大肠杆菌群超标外，填埋场四周的果园水井和钻孔的岩溶水均发现总大肠杆菌群严重超标，而且发现，垃圾场四周的总大肠杆菌群数还比垃圾场中部ZK4孔的还高，这说明，垃圾场周边的地下水环境中的大肠杆菌不是来自垃圾渗滤液，这个现象与国外学者通过示踪试验所得结论一致[12]。

监测结果还显示：尽管本场地包气带的防污性能很好(垃圾场底部黏土层厚约17 m)，但填埋场中部钻孔ZK4中的地下水水质已较差，其中NH4-N超过《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)标准的4.12倍，挥发酚超标0.05倍，Hg超标2倍，Fe超标0.35倍，这说明垃圾渗滤液中的污染组分已穿透了巨厚的黏土防渗层，污染到下覆岩溶含水层。且受地下水流动的影响，下游的ZK5、ZK2已出现有个别指标超标。幸运的是，由于垃圾场靠近县城，下游及周边居民的生活用水均以自来水为水源(源自远处河水)。

4 污染物的运移速度

研究区的地下水类型主要是裂隙溶洞水和裂隙孔隙水，由于下覆基岩含水层的岩溶管道不发育，地下水运动基本符合达西定律，故可采用解析法进行预测。

4.1 渗滤液穿透包气带的时间

据注水试验结果，包气带残积黏土层的入渗系数约为2.01×10-4m/d。由于渗滤液基本是垂直入渗的，其水力坡度为1，土层的有效孔隙率ne 取经验值0.05，则实际的渗流速度u为：

u=V/ne=KI/ne=2.01×10-4×1/0.05=4.02×10-3m/d

那么，垃圾场渗滤液穿透包气带土层达岩溶含水层所需时间约为：

t=H/u=16.8/4.02×10-3=4179.1(d)=11.58(年)

本垃圾场于上世纪 70 年代开始堆放垃圾，距今已有40多年了，显然垃圾渗滤液已穿透了该保护层。垃圾渗滤液污染物中，大肠杆菌、病菌等微生物污染物不仅被包气带黏土层微小的孔隙所筛留，且也受限于其本身的生命期限(它们的存活期一般不超过2个月)，在经过土层11.58年的渗透时间早已死亡，不足为虑。虽然垃圾渗滤液中COD的浓度很高，但有机污染物在包气带渗透过程中受到微生物漫长的分解作用下以及下覆含水层的稀释作用下，也基本消耗殆尽，故下覆含水层中的COD浓度已不高，这也就是ZK4孔中的COD监测值已不超标的原因所在。

4.2 基岩裂隙水中溶质的运移速度

以Hg为例，计算污染物从垃圾场下覆基岩含水层ZK4中迁移至下游W08迁移的速度。

据水质监测数据，垃圾场中部钻孔ZK4孔地下水Hg的实测浓度为3 μg/L。假设：(1)地下水从ZK4向W08的运动为一维运动；(2)污染物在迁移过程中没有被岩土介质所吸附或沉淀；(3)地下水的流速、流量和水位不随时间变化；(4)垃圾渗滤液中的污染物浓度恒定，不随时间改变。则可根据《环境影响评价技术导则 地下水环境》HJ610-2016附录的D.2式，此处的污染物运移可以“半无限长多孔介质柱体，一端为定浓度边界”问题考虑，计算模型如下式所示：

(1)

式中：C为t时刻x处的地下水污染物浓度(mg/L)；C0为地下水污染源强浓度(mg/L)；DL为弥散系数(m2/d)，按地下水实际流速和纵向弥散度取经验值1.0 m算出[13]；t为预测时段(d)；u为地下水实际流速(m/d)，可根据实际水力坡度及压水试验得到的渗透系数值算出；x为预测点至污染源强距离(m)；erfc( )为余补误差函数。

模型的计算参数如下表1所示，计算结果如表2和表3所示。

表1 计算参数表

根据表2、表3结果显示，在地下水流的携带作用及弥散作用的共同影响下，Hg从ZK4迁移至W08井大约需要30多年，W08井中汞的浓度自第32年后将逐渐升高，大约至第38.5年时，W08中的汞开始超标(≥1.0 μg/L)，至第50年，W08中的汞将达到最高值3 μg/L。考虑到污染物在含水层中会发生沉淀、被岩土层吸附(尤其是Hg2+)以及被侧向来水稀释等情况，实际到达的时间还要长一些，到达W08时的浓度也会更少一些。现如今该垃圾填埋场已经使用40余年，预计不久的将来，在W08井内就会监测到有从本垃圾填埋场迁移而来的污染物。

表2 污染物从ZK4至W08迁移过程的计算结果表

表3 W08中汞的浓度随时间变化预测表

5 治理方案

非正规垃圾填埋场的地下水污染的控制技术主要包括2个方面：一是源头控制，二是切断污染途径[14]。考虑到本垃圾填埋场的周边及其下游均无采用地下水源的民用水井，不需要对已污染的含水层进行修复。此外，还考虑到此处的土地需要转为商业用地，因此选择源头控制方案，即对垃圾就地进行无害化处理，切断地下水的污染源。

对于生活垃圾的无害化处理，目前主要采取[15]：一是好氧快速稳定化；二是开挖筛分和转运技术。结合本场地特点，建议采用的具体工艺路线如下：

(1)局部采用原位好氧稳定化技术：在填埋堆体中埋设注气井、注液井和排气井，使用高压风机，通过管道和注气井，将新鲜空气加压后注入垃圾堆体深处，同时把垃圾中的二氧化碳等气体抽出，同时将收集的渗滤液和其他液体回注至垃圾堆体，激活垃圾中的微生物再生，创造出一个比较理想的有氧反应环境，使反应达到最佳状态，从而加速垃圾场堆体稳定。

(2)开挖筛分技术：将垃圾逐层开挖并在现场进行机械分选、破碎。经分选后将得到砖石无机类、废旧金属类、有机可燃类、废旧塑料类、渣土类等各类别废弃物。其中的腐殖土类剩余渣土，大约约占垃圾总量的55% 约合9.2万 m3，可先暂时堆放在附近待施工结束时用于原地填埋；而有机可燃类、废旧塑料类这些可燃类可运送至焚烧系统发电或者运至附近正规的卫生填埋场填埋进行卫生填埋；对于可回收的废旧金属、玻璃瓶类经简单处理将回收利用。

(3)垃圾渗滤液的处置：在基坑底部通过集水井和管道收集后先通过好氧抽气降解，再利用污水泵和开孔导流管回喷到垃圾堆体中，以起到调节降解环境和加快生物发酵的作用，同时，通过生活垃圾好氧发酵为放热反应，渗滤液被蒸发处理掉，基本无剩余。对于少量剩余的渗滤液，经现场收集后密闭槽车外运处理到至附近的污水处理厂处理。

(4)场地恢复：将暂时堆放在附近的腐殖土类剩余渣土与附近运来的新鲜黏土混合回填施工基坑，并作必要的压实和平整，最终确保场区无凹陷、无超出地面堆体，达到场地平整的基本要求。

经过上述的“好氧降解+原位开采+机械分选 +分类处置+场地恢复”综合治理后，该垃圾填埋场对当地大气、土壤、地下水体及民居环境的污染因素将完全消除。

6 结语

(1)根据工程钻探，探查到该非正规垃圾填埋的厚度为3.5～8.7 m，平均5.21 m，由此可估算出填埋场的垃圾总体积约为208 258.59 m3。利用水文地质钻探，探明了本场地的地下水类型为裂隙溶洞潜水和裂隙潜水，垃圾场底部的包气带黏土层厚度约为17 m。

(2)地下水水质现状评价结果结果显示，垃圾填埋场中部钻孔ZK4水质极差，氨氮、汞、铁挥发酚等超标严重；下游钻孔ZK5、ZK2孔的水质也较差，有个别指标超标。

(3)根据本场地地下含水层的特点及开采利用情况，建议采用“好氧降解+原位开采+机械分选 +分类处置+场地恢复”的源头控制方案，在治理期间需要对地下水水质进行监测。