天津市某生活垃圾填埋场地下水水质自动监测研究

戴 昕，李钦钦，郭 燕

(南京万德斯环保科技股份有限公司，江苏 南京 211100)

地下水作为人类自然资源的一部分，为全球的绝大部分人口提供着宝贵的水源，而且支持着农业种植和工业生产活动。但是当前我国地下水污染形式严峻，局部地下水污染问题十分突出，其中生活垃圾填埋场已成为公认的地下水重点污染源之一[1-2]。垃圾填埋场渗滤液通常含有高浓度有机物、无机物、金属和重金属离子等污染物，这些污染物一旦释放到环境中，会引起极大的环境风险，有毒物质可能随食物链进入人体。地下水污染有别于地表水，具有隐蔽性、滞后性、累积效应、不可逆转、循环周期极长等特点，极难治理。因此针对垃圾填埋场这种典型污染场地，对地下水进行自动化在线监测，是控制污染源扩散，保护土壤和地下水不受污染或少受污染的积极有效的方法。然而长期以来，由于对地下水污染防治的重要性和紧迫性认识不足，部分地区地下水污染监测网布设密度不够，缺乏针对典型污染源(如垃圾填埋场等)的监测网络；地下水环境监测指标不足，不能准确的反映地下水污染问题；地下水水位、水量基本实现自动化监测，但水质监测手段相对落后，地下水环境相对复杂，很多地区仍采用人工检测的方式进行监测，自动化程度低[3-5]。

国内目前对于垃圾填埋场特征污染在线监测指标筛选已经开展了一些研究。董悦安等[6]通过垃圾填埋场渗滤液和地下水污染指标因子分析，确定新建大口径监测井地下水自动监测指标为总硬度、氯化物、氨氮、硝酸盐氮、锰和铁；而对于原有的监测井建议选择特征指标为氯化物、氨氮、硝酸盐氮。张云龙[7]研究典型污染源地下水污染全过程确定生活垃圾填埋场特征污染物为COD、Cl-、氨氮和总磷。雷抗[8]等研究某简易垃圾填埋场地下水污染指标，通过相关分析确定电导率作为地下水在线监测指标。一方面，如果地下水自动监测指标不足，不能准确的反映地下水污染问题[4]；另一方面，一些地下水指标的自动监测设备还不能实现在线监测或监测成本过高，再加上新型监测井(如Waterloo多层监测系统、CMT监测系统[9-10]、多层位采样监测井系统[11])的井管管径限制及地下水复杂的环境使得地下水水质监测相较地表水困难。因此，筛选出具有代表性的特征污染物指标和设计自动监测系统来实现地下水污染状况的实时自动在线监测是问题的关键。本研究通过对垃圾填埋场周边地下水进行采样分析，根据SPSS因子分析结果筛选出地下水自动监测指标；并通过设计井外自动采样监测系统实现地下水自动化监测，为垃圾填埋场自动监测预警提供技术支持。

1 研究区概况及研究方法

本研究中的垃圾填埋场位于天津市东丽区，占地约240亩，填埋期为2013-2015年，填埋深度约11 m，垃圾填埋量约60～70万 m3，渗滤液总量约70～80万 m3。该区域地处华北平原东部滨海平原区，主要由新生代冲积、湖积和海积形成，根据工程勘探和水文地质勘探结果显示，天津海积平原区50 m以浅地下水系统为潜水、第一层微承压水和第二层承压水组成的复式含水层系统，其中潜水多属松散岩类孔隙水，主要补给来源是大气降水补给、地表水体入渗补给及越流补给，主要排泄途径为蒸发，在约15～21 m深度范围内，以隔水性良好的黏土或粉质黏土为主，土样垂向渗透系数数量级几乎都在10-8～10-7cm/s左右。微承压含水层补给主要靠上游的侧向径流，潜水越流补给微承压含水层的水量非常小，该层地下水现状基本无人类开采，主要排泄方式为径流排泄，部分越流补给下部含水层。潜水含水层地下水流向由西北向东南，流速较慢约为0.043 cm/s。该区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年降水量598.5 mm，降雨多集中在6-8月份，占全年降雨量的75%，导致地下水潜水的水位变化较为显著。

为了解垃圾填埋场地下水污染状况，在垃圾填埋场周围布设8个地下水采样点位，分别位于填埋场地下水水流向的上游、下游和两侧，其位置见图1，其中1号点为场地背景监测点。每个点位布设3眼不同深度监测井(15 m、30 m、45 m)，分别代表潜水、第一承压水和第二承压含水层，每个监测井采集3个平行水样，共采集样品72个。检测指标参考《地下水环境质量标准》(GB/T14848-2017)包括：pH、色度、浊度、镉Cd、铬Cr、铅Pb、汞Hg、砷As、钙Ca、镁Mg、耗氧量CODMn、氨氮NH4+-N、硝酸盐氮NO3--N、化学需氧量CODcr、生化需氧量BOD5、溶解性总固体TDS、总有机碳TOC、氯化物、悬浮物SS、大肠菌群等。场地背景监测点的地下水水质如表1所示。

图1 天津某简易生活垃圾填埋场地下水水质监测井布设示意图

表1 场地地下水背景监测点水质状况

2 结果与讨论

2.1 生活垃圾填埋场地下水水质特征

垃圾填埋场地下水污染检测结果表明，场地地下水中铅、镉、铬浓度均在检测限以下，汞在填埋区周边2#、5#和7#点位潜水和第一承压含水层有检出，浓度在0.02～0.10 μg/L，砷在填埋区周边2#第一承压含水层、5#和8#潜水含水层有检出，浓度在0.007～0.010 mg/L，场地地下水重金属检出量均为痕量，均优于地下水环境质量Ⅲ类标准；微生物指标大肠菌群指数未检出。地下水不同含水层不同监测点的其他水质指标特征如图2所示。从图中可以看出，地下水pH最小值为7.27，最大值为8.35，为中性-偏弱碱性，符合地下水标准，各层之间差异不明显。色度在潜水、第一和第二承压含水层平均值分别为17.33、6.10和4.76，表现出了由上层到下层逐渐减小的趋势，其中潜水含水层色度大于地下水三级标准15；浊度在潜水、第一和第二承压含水层平均值分别为110.29、7.43和10.33，其中潜水含水层超出背景监测值的2倍多；悬浮物浓度表现为随深度增加而减小，第一、第二承压含水层与背景监测点差异不大，潜水含水层受地面的影响最大；生化需氧量随深度的增加而较小，浓度水平与背景监测点的差异不明显；钙、镁除个别点位外，表现出了随深度增加浓度变大的总体趋势，主要与该地区受到海水的影响有关；毒理学指标硝酸盐浓度较低，在地下水中的浓度均低于2.0 mg/L，优于地下水Ⅰ类标准，很可能是土壤中高浓度的氨氮抑制了硝化反应的进行，导致地下水中硝酸盐浓度总体不高。除5#和6#点位外电导率、耗氧量、总有机碳、氨氮、氯化物、溶解性总固体、化学需氧量表现出第一承压含水层>第二承压含水层>潜水含水层的趋势，与背景监测井的趋势相似，但是处于垃圾填埋场下游的5#和6#潜水含水层污染物浓度表现出了潜水含水层潜>第一承压含水层>第二承压含水层的趋势，这很可能是受到了垃圾填埋场的影响。如潜水含水层中场地背景监测点1#氨氮浓度为0.35 mg/L，而填埋区下游5#点氨氮浓度9.83 mg/L，是地下水Ⅲ类标准的18倍，6号点氨氮1.49 mg/L，低于5#，说明垃圾填埋场渗滤液中的高浓度氨氮经过土壤的吸附，到达地下水中的浓度已经降低了很多，同时氨氮在水中的迁移能力较弱。由以上分析可知，地下水潜水含水层最易受到垃圾填埋场的影响，承压含水层受影响较小，这可能是因为垃圾填埋场渗滤液下渗或地下水运移过程中，发生了一些物理、化学及生物化学作用，去除了大部分的污染物，对其影响较敏感的水质指标包括：电导率、耗氧量、总有机碳、氨氮、氯化物、溶解性总固体、化学需氧量等。

图2 地下水污染指标的变化情况

2.2 地下水自动监测指标因子分析

由上面分析可知，多种敏感指标都能反映地下水污染状况，通过因此分析从变量群中提取共性因子，找出隐藏的具有代表性的因子，将相同本质的变量归入一个因子，可减少变量的数目。因此，将垃圾填埋场地下水中筛选出来的敏感指标作为候选指标，利用SPSS软件进行因子分析。经巴特利球形检验，Bartlett值为229.93(P<0.001)，表示各指标相关系数矩阵与单位阵显著差异；同时，KMO值越接近1，表明变量因子分析的效果越好，该统计中KMO值为0.706，大于阈值0.5，说明变量之间存在相关性，符合因子分析的要求。

因子变量的方差贡献(特征值)是衡量因子重要程度的指标，变量的共同度则反映了全部公共因子变量对原有变量的总方差解释说明比例，是衡量因子分析效果的一个指标，通过该值可以掌握变量信息的丢失情况。地下水水质指标特征值及其方差贡献率如表2所示。由因子分析可知，地下水敏感水质指标的主成分的累积贡献率为88.30%，说明可以反映原始数据的基本信息，主因子有3个，其贡献率分别为42.0%、26.9%和19.4%。

表2 地下水各水质指标因子特征值与贡献率

因子载荷是因子和变量之间的相关系数。从表3旋转后的因子载荷可以看出，第一主因子中，电导率、化学需氧量、耗氧量、溶解性总固体、氯化物的载荷较高，分别为0.964、0.877、0.767、0.979、0.930，主要表现为溶解在水中的溶解组分的总量；第二因子中，悬浮物、色度和浊度的载荷较高，分别为0.881、0.847和0.903，表现为不溶于水中的悬浮类物质的量；第三因子中，氨氮和总有机碳的载荷较高，表现为氮和有机营养物质的污染。根据上述分析，三种主因子从不同方面分别反映了地下水污染情况，因此，可以通过这三种类型污染物的监测来指示地下水污染现状。

表3 因子提取计算结果(旋转因子矩阵)

但是目前有些指标还不能实现自动在线监测或自动监测设备复杂、成本太高，通过因子分析可知，同一主因子中指标之间的相关系极高，而相关系数能反映变量间线性相关程度，回归分析可以预测相关系数显著的离子浓度区间[12]，可以在每个主因子中选择1个易于实现在线监测的指标作为指示指标，通过回归分析得出其他指标浓度。根据以上分析，选择第一主因子中电导率、第二主因子中浊度和第三主因子中氨氮作为自动监测指示指标，指标与其他污染物浓度的回归方程见表4。

表4 指示指标与地下水污染物其他敏感指标的回归分析

2.3 地下水自动监测洗井系统

研究区地下水流速慢，监测井内的水质易变质，需要定期洗井更新监测井内的地下水。常规的监测井洗井水量大，可设置多层位采样监测井进行自动化监测，这种监测井井管体积仅为5.56 L，洗井体积为国标监测井的1/54[7]。同时，考虑到研究区地下水硬度大，长期放置在监测井内容易对水质监测设备产生影响，因此，本研究中设置了自动监测洗井系统来实现对地下水水质进行自动监测(图3)。首先，打开泵和4/5/6号取样阀抽水监测水质指标，设置时间间隔，定时启闭阀门，实现对地下水水质的在线监测；当需要洗井时，打开泵和4/5/6号取样阀抽水洗井，通过设置在管路上的在线监测指标数据及洗井水量的变化来判断洗井完成情况；当监测指标发生异常时，可以关闭4/5/6号取样阀，打开1/2/3号取样阀来采集水样进行实验室检测。

图3 地下水自动监测洗井工艺流程图

3 结语

根据生活垃圾填埋场地下水水质特征分析显示，地下水潜水含水层最易受到垃圾填埋场的影响，承压含水层受影响相对较小；通过水质指标的因子分析结果选择电导率、浊度和氨氮作为垃圾填埋场地下水污染自动监测指标的首选。此外，考虑到研究区地下水硬度大，容易对在线监测设备产生腐蚀影响，设计了井外自动监测洗井系统来实现对地下水抽样监测，延长了监测设备的使用寿命，同时也能实现洗井功能解决了地下水水质易变质的问题。