深圳简易垃圾填埋场水土环境污染指标识别

周 睿,吴 玲,簿 丝,李婷婷,刘方圆,任何军

深圳简易垃圾填埋场水土环境污染指标识别

周 睿,吴 玲,簿 丝,李婷婷,刘方圆,任何军*

(吉林大学,石油化工污染场地控制与修复技术国家地方联合工程实验室,地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021)

基于现场踏勘、人员访谈和资料收集,采用内梅罗指数法对深圳市现存24座简易垃圾填埋场土壤和地下水环境质量进行了评价,对其特征污染指标进行了识别,结果表明,土壤超标污染指标5种,包括镉和砷2种中度污染指标,污染指数分别为2.970和2.141,钒、镍和铅3种轻度污染指标,污染指数在1.348～1.777之间;地下水超标污染指标22种,包括总大肠菌群、氨氮、锰、铁、铅、铝、高锰酸盐指数、铊、总溶解性固体、碘化物、镍、硫酸盐和铍13种重度污染指标,污染指数在3.860～832.581之间,砷、总硬度、硝酸盐、氟化物、氯化物和硒6种中度污染指标,污染指数在2.039～2.993之间,锑、钠和汞3种轻度污染指标,污染指数在1.084～1.147之间.地下水污染程度远比土壤污染严重.深圳市简易垃圾填埋场土壤特征污染物为氟化物、砷、镍、铅、钒和镉,共6种;地下水特征污染指标为总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、氨氮、铁、锰、砷、铅、镍、铝、铊、高锰酸盐指数和总大肠菌群,共16种.氟化物、铅、镍、铊和铝5种污染物呈现了典型地区特征.本研究结果可为深圳市简易垃圾填埋场环境质量管理提供数据支撑.

简易垃圾填埋场；土壤；地下水；特征污染指标

改革开放以来,深圳市经济迅猛发展,城市快速扩张,致使人类活动场所紧邻垃圾填埋场,防范垃圾填埋场环境风险的压力持续增加.简易垃圾填埋场通常缺乏长期有效的环境监测体系和完善的污染防范措施,所产生的污染物极易进入周边环境,污染土壤和地下水.我国在污染场地环境管理方面出台了《场地环境调查技术导则》[1](HJ 25.1-2014)、《污染场地风险评估技术导则》[2](HJ 25.3-2014)等一系列技术标准,但相关非正规垃圾填埋场调查和修复的环境标准和技术规范并不健全.

关于垃圾填埋场渗滤液对周边水土环境的特征污染指标,国内外学者开展了大量研究.生活垃圾渗滤液的主要污染指标[3]分为4类:溶解性有机物、无机宏量组分、重金属离子和异型生物质有机物.国外有报道[4]采用专家打分法从50个常见污染指标中挑选出pH值、总溶解性固体、BOD5、COD、凯氏氮、氨氮、总铁、铜、镍、锌、铅、总铬、汞、砷、酚类化合物、氯化物、氰化物、总大肠杆菌群共18项指标,作为评价垃圾填埋场污染风险的指标[5-6].基于现场调研和1991～2014年相关报道,我国生活垃圾填埋场地下水[7]普遍性污染指标包括:氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、高锰酸盐指数、COD、总硬度、氯化物、铁、锰、总大肠菌群、挥发酚,共11项指标.正规、非正规生活垃圾填埋场地下水主要污染指标略有差异,非正规生活垃圾填埋场代表性污染指标主要包括:高锰酸盐指数、COD、氨氮、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、锰、铁、汞、砷、总硬度,共11种指标[8].深圳市降水充沛[9]且伴有酸雨[10],地表水与地下水频繁交互,地下水水位变幅较大,增加了简易垃圾填埋场污染物泄露的环境风险,容易造成非饱和区深部土壤污染和饱和区地下水污染问题.随着深圳市简易垃圾填埋场环境问题逐渐突出,识别简易垃圾填埋场的特征污染指标,加强垃圾填埋场环境管控迫在眉睫.

本文以深圳市现存24座简易垃圾填埋场为研究对象,通过现场踏勘、人员访谈和资料收集,采用内梅罗污染指数法评估其周边土壤和地下水环境质量状况,总结污染特征,识别特征污染指标,以期为深圳市简易垃圾填埋场环境管理提供技术支持.

1 研究方法

1.1 简易垃圾填埋场概况

改革开放初期,城市垃圾处理规范和标准并不健全,建设了24座简易垃圾填埋场.这些垃圾填埋场投入使用时间为1983～2009年,封场时间为2002年～2016年,包括21座老龄垃圾填埋场(场龄10a以上),3座中龄垃圾填埋场(场龄5～10a);从运行状态看,22座为已封场垃圾填埋场,2座已挖走或计划挖走另作他用;从填埋垃圾类型看,20座为生活垃圾填埋场,4座为生活垃圾建筑垃圾混填型填埋场;从填埋规模看,22座为小型垃圾填埋场(200万m3以下),2座为中型垃圾填埋场(200～500万m3);从地质条件看,19座为山谷型垃圾填埋场,5座为沟塘型填埋场.这些垃圾场以生活垃圾为主,填埋规模较小,填埋时间长,山谷型填埋场居多,且处于已封场状态.深圳市简易垃圾填埋场信息见表1.

1.2 评价方法

采取内梅罗污染指数法评价深圳市简易垃圾填埋场周边土壤及地下水环境质量.数据来源于深圳市简易垃圾填埋场水土环境质量调查报告,具体监测污染指标见表2.

内梅罗污染指数法[11-13]是在单因子污染指数法和综合污染指数法的基础上进行的综合评价方法,既能体现污染整体情况,又能突出污染指数最大指标对污染程度的影响.评价公式:

式中:p为内梅罗污染指数;p,avg为污染因子污染指数平均值;p,max为污染因子污染指数最大值;污染指数p为监测数据与相应标准值的比值.根据p值可对污染因子污染程度进行分级,p£0.7,安全;0.7<p£1,警戒线;1<p£2,轻度污染;2<p£3,中度污染;p>3,重度污染.

1.3 评价标准

采用《土壤环境质量标准建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600-2018)[14]和《建设用地土壤污染风险筛选值和管制值》(DB4403/T 67- 2020)[15]第一类用地风险筛选值对土壤环境质量进行评价;采用《地下水质量标准》(GB/T 14848- 2017)[16]Ⅲ类水体质量标准对地下水环境质量进行评价.

1.4 特征污染指标识别原则

1.4.1 土壤特征污染指标 为满足数理统计要求,确保统计结果的可信度,选取污染指数统计表中样品量大于20[7],且内梅罗污染指数p大于1,污染程度为轻度污染及以上的指标作为土壤环境特征污染指标.

1.4.2 地下水特征污染指标 为满足数理统计要求,确保统计结果的可信度,选取污染指数统计表中样品量大于20[7],且内梅罗污染指数p大于2,污染程度为中度污染及以上的指标作为地下水环境特征污染指标.

表1 深圳市简易填埋场基础信息

表2 深圳市简易垃圾填埋场水土环境质量监测指标

2 结果与讨论

2.1 土壤评价结果

对收集到的简易垃圾填埋场水土环境质量调查报告检测结果进行统计,所检出污染指标包括pH值、氰化物、氟化物、砷、镉、铜、铅、汞、镍、锰、锌、锑、铍、钴、钒、总铬、苯、2,4-二甲基苯酚、2-硝基苯酚、茚并(1,2,3-cd)芘、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、邻苯二甲酸二正辛酯、石油烃,共计24种,其中综合性污染指标1种,无机盐2种,重金属13种,有机物8种.与《土壤环境质量标准建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600-2018)[14]和《建设用地土壤污染风险筛选值和管制值》(DB4403/T 67-2020)[15]第一类用地风险筛选值对比,氟化物、镉、砷、钒、镍和铅共6项指标存在超标情况.

如表3所示,镉和砷2项指标污染程度为中度污染,污染指数分别为2.970和2.141,钒、镍和铅3项指标污染程度为轻度污染,污染指数在1.348～1.777之间.污染指数标准差在0.0002～0.522,说明样品监测数据离散程度小.当污染指数最大值大于最小值的5倍时,其对评价结果贡献度更大[17],本研究中砷、镉、铜、铅、汞、镍、锌、锑、钒、总铬、邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯和石油烃12项指标对污染程度较重的样品关注度更高.

表3 土壤环境检出污染指标污染指数

注: pH值最小值为4.82,最大值为10.27,其中4.82～7.00占比17.9%,7.00～10.27占比82.1%;污染指数为污染因子实测数据与相应评价标准值的比值.

2.2 地下水评价结果

根据收集到的简易垃圾填埋场水土环境质量调查报告统计,31个地下水样品监测结果显示,检出的污染物共计35种,其中综合性污染指标2种,无机盐9种,金属离子2种,重金属18种,有机物3种,微生物指标1种.与《地下水质量标准》(GB/T 14848- 2017)[16]Ⅲ类水体质量标准对比,其中除了氰化物、亚硝酸盐、硫化物、铜、锌、钼、镉、六价铬、钡、钴、银、苯和挥发酚13项指标未超标,其余22项指标均有不同程度超标.

如表4所示,总大肠菌群、氨氮、锰、铁、铅、铝、高锰酸盐指数、铊、总溶解性固体、碘化物、镍、硫酸盐和铍13项指标污染程度为重度污染,污染指数在3.860～832.581之间,砷、总硬度、硝酸盐、氟化物、氯化物和硒6项指标污染程度为中度污染,污染指数在2.039～2.993之间,锑、钠和汞3项指标污染程度为轻度污染,污染指数在1.084～1.147之间.污染指数标准差在0～313.302,样品监测数据离散程度比土壤的更大.本研究中总硬度、总溶解性固体、硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、亚硝酸盐、锑、钒、总铬、邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯和石油烃21项指标对污染程度较重的样品关注度更高[17].

表4 地下水环境检出污染指标污染指数表

注: pH值最小值为5.60,最大值为8.91,筛选值为6.5～8.5,超标率为35.5%,其中5.60～7.00占比71.0%,7.00～8.91占比29.0%;污染指数为污染因子实测数据与相应评价标准值的比值.

2.3 特征污染物

根据识别原则,土壤环境特征污染指标为砷、镍、铅、钒和镉;地下水环境特征污染指标为总硬度、溶解性固体、硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、氨氮、铁、锰、砷、铅、镍、高锰酸盐指数和总大肠菌群.此外,土壤中氟化物最大污染指数为1.2,内梅罗指数0.871,接近标准线,且在土壤环境中迁移能力强[18],纳入土壤环境特征污染物.地下水中铝最大污染指数为34.0,超标率为77.8%,污染程度为重度污染;铊最大污染指数为19.5,超标率为85.7%,污染程度为重度污染.虽然铝和铊的样本数量不足,不符合识别原则中样品量大于20的标准,但是其超标率较大、污染程度较重,综合考虑深圳市土壤铊背景值[15]较高(1.59～2.70mg/kg),在酸性降雨频率高且地下水偏酸性的环境背景条件下,容易出现污染问题且毒性较强,纳入地下水环境特征污染物.综上,深圳市简易垃圾填埋场土壤环境特征污染物为氟化物、砷、镍、铅、钒和镉;地下水环境特征污染指标为总硬度、溶解性固体、硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、氨氮、铁、锰、砷、铅、镍、铊、铝、高锰酸盐指数和总大肠菌群.深圳市简易垃圾填埋场特征污染指标如表5所示.

表5 深圳市简易垃圾填埋场特征污染指标

2.4 特征污染指标分析

氟化物、砷、镍、铅4种污染物在土壤和地下水中均为特征污染指标.氟化物在土壤中整体污染情况评价结果为未超标,在地下水中呈中度污染.结果与垃圾填埋场的污染途径有关,简易垃圾填埋场渗滤液的渗漏点通常位于填埋场内部及下部土壤中,地下水首先受到污染而后土壤再受到污染,而土壤样品中氟化物超标率为3.2%,这与氟化物在红黏土中有较好的吸附能力有关[19].砷在土壤和地下水中污染程度均为中度污染.一方面土壤中硫酸盐、硝酸盐和碳酸盐的存在,可使部分砷转化成可溶性砷迁移,另一方面,深圳市土壤砷背景值较高,在偏酸性强降雨情况下容易溶出并迁移[20].铅在土壤中为轻度污染,地下水中为重度污染.2011～2020年深圳市降水pH值年平均值在4.59～5.48之间,酸雨频率为26.60%～59.50%[10],在这种条件下土壤中铅的迁移能力较强[21],环境风险较高.深圳市历史上分布有大量铅排放行业企业,包括电子真空器件制造业和金属表面处理及热处理加工业[22],产生的废品、废液以及产品废弃后由于当时简易垃圾填埋场粗放式管理流入填埋场,且有报告[23]表明深圳市生活垃圾组分中金属类含量最大能达到2.26%.镍在土壤中为轻度污染,地下水中为重度污染.土壤pH值大于9时,Ni的氧化物、氢氧化物才能比较稳定存在,而酸性降雨造成填埋场垃圾土壤呈酸性,Ni主要以自由的Ni2+、NiSO4和NiHPO4存在[24],容易向地下水中迁移.

土壤中镉污染程度为中度污染,而在地下水中未超标,且整体清洁程度较土壤中高,表明镉在地下迁移过程中容易被土壤吸附,迁移距离短.有淹水稻田试验[25]结果显示,在pH>6时,土壤中的镉主要以难溶态的氢氧化物、碳酸盐及磷酸盐的形式存在,而深圳pH值呈碱性的土壤使镉滞留.土壤中钒为轻度污染.研究[26]表明钒主要以+5价态稳定存在,而钒的毒性随价态升高而变强,并且日常垃圾焚烧后填埋会显著提升土壤中钒的含量[27].

地下水中硫酸盐污染程度为重度污染,微生物可降解垃圾中含硫化合物为可溶性硫酸盐.氯化物污染程度为中度污染,氯离子主要来源于厨余垃圾,且在地下环境中迁移性很好[28].硝酸盐污染程度为中度污染,高锰酸盐指数污染程度为重度污染,总大肠菌群污染程度为重度污染,硝酸盐、高锰酸盐指数和总大肠菌群是简易垃圾填埋场的普遍性污染指标[7-8,29].氨氮污染程度为重度污染,垃圾填埋过程中,含氮有机物在微生物降解作用下释放出大量氨氮,且地下环境中溶氧量随填埋时间降低,在这种还原环境中氨氮可以长期稳定存在[30].总溶解性固体污染程度为重度污染,地下水总溶解性固体与SO42-、Cl-、Mg2+、Ca2+等具有显著相关性[31],而硫酸盐、氯化物和总硬度在简易垃圾填埋场周边环境中污染严重.铁锰污染程度为重度污染,铁锰在地下环境存在形式主要与氧化还原条件和酸碱平衡有关[32],铁锰的浓度随着监测点位与填埋场距离的增加及取样位置深度的增加而明显下降,表明铁锰的浓度与垃圾渗滤液的渗漏有关[33],而简易垃圾填埋场防渗措施不完善甚至缺失,铁锰可作为其下游水土特征污染指标.总硬度污染程度为中度污染,总硬度是衡量环境中钙镁离子总量的污染指标.室内浸泡试验表明[34],Na+、H+、NH4+3种阳离子可与土壤中的Ca2+、Mg2+发生离子交换作用.地下水中总硬度超标情况严重,可能与填埋场渗滤液泄露有关.铝污染程度为重度污染,这可能与深圳早期电镀行业有关.并且深圳市生活垃圾组分中金属类的含量比例较高[23],pH值呈酸性的地下水将其溶出并随流场迁移.铊污染程度为重度污染,由于深圳土壤环境铊的背景值[15]较大,酸雨频繁,地下水pH值呈酸性,在这种条件下铊易于溶出且在地下迁移[35].

2.5 特征污染指标地区性分析

与18项垃圾填埋场污染风险指标[4]相比,本文选取的共同指标为总溶解性固体、高锰酸盐指数、总大肠菌群、氨氮、氯化物、铁、镍和砷,不同指标主要在于重金属污染指标和无机盐指标.这与城市污染源类型有明显相关性,深圳市经济发达,以轻工业和服务业为主,重金属污染来源相对较少,同时密集型人口产生的大量生活垃圾导致无机盐类污染问题较多.与韩志勇[7]和胡馨然[8]等人选取的我国地下水普遍性特征污染指标对比,不同的指标有氟化物、铅、镍、铊和铝.氟化物的来源[19]可能与早期深圳电镀加工产业发达有关,所产生的废品和废液容易引发此类问题,铅、镍、铝也与电镀加工行业显著相关.铊主要来源于原生环境,地下水中铊主要为TI(Ⅰ),溶解性强,可与硫酸盐、氯化物、硝酸盐和有机物形成稳定配合物[35],需要给予关注.

3 结论

3.1 深圳市现存的24座简易垃圾填埋场,土壤超标污染指标5种,包括镉和砷2种中度污染指标,污染指数分别为2.970和2.141,钒、镍和铅3种轻度污染指标,污染指数在1.348～1.777之间;地下水超标污染指标22种,包括总大肠菌群、氨氮、锰、铁、铅、铝、高锰酸盐指数、铊、总溶解性固体、碘化物、镍、硫酸盐和铍13种重度污染指标,污染指数在3.860～832.581之间,砷、总硬度、硝酸盐、氟化物、氯化物和硒6种中度污染指标,污染指数在2.039～2.993之间,锑、钠和汞3种轻度污染指标,污染指数在1.084～1.147之间.地下水污染程度远比土壤污染严重.

3.2 深圳市简易垃圾填埋场土壤特征污染物为氟化物、砷、镍、镉、铅和钒,共6种特征污染物;地下水特征污染物为总硬度、总溶解性固体、硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、氨氮、铁、锰、砷、铅、镍、铝、铊、高锰酸盐指数和总大肠菌群,共16种特征污染物.

3.3 与国内垃圾填埋场普遍地下水特征污染指标相比,氟化物、铅、镍、铊和铝5种污染指标在深圳市地区性污染特征明显.

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Pollutant identification of water and soil of uncontrolled landfills in Shenzhen.

ZHOU Rui, WU Ling, BU Si, LI Ting-ting, LIU Fang-yuan, REN Hen-jun*

(National Joint Engineering Laboratory for Petrochemical Pollution Site Control and Restoration Technology, Key Laboratory of Groundwater Resource and Environment of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130021, China)., 2022,42(3)：1287～1294

Based on on-site investigations, personnel interviews and data collections, characteristic pollutants of 24 uncontrolled landfills in Shenzhen were identified, of which the soil and groundwater quality was evaluated by Nemerow index method. The assessment results of soil and groundwater environmental quality showed that: 5 pollutants exceeded the standard in soil, including 2moderate pollutants of cadmium and arsenic, of which pollution indexes were 2.970 and 2.141 respectively, and 3 light pollutants of vanadium, nickel and lead, of which pollution indexes were between 1.348 and 1.777; and 22 pollutants exceeded the standard in groundwater, including 13 heavy pollutants of coliform, ammonia nitrogen, manganese, iron, lead, aluminum, permanganate index, thallium, total dissolved solids, iodide, nickel, sulfate and beryllium, of which pollution indexes were between 3.860 and 832.581, 6 moderate pollutants of arsenic, total hardness, nitrate, fluoride, chloride and selenium, of which pollution indexes were between 2.039 and 2.993, and 3 light pollutants of antimony, sodium and mercury, of which pollution indexes were between 1.804 and 1.147. Groundwater pollution was far more serious than soil pollution. The characteristic pollutants of the uncontrolled landfills in soil were 6pollutants of fluoride, arsenic, nickel, lead, vanadium and cadmium, and those in groundwater were 16 pollutants of total hardness, total dissolved solids, sulfate, chloride, and fluoride, nitrate, ammonia nitrogen, iron, manganese, arsenic, lead, nickel, aluminum, thallium, permanganate index and total coliform. 5 pollutants of fluoride, lead, nickel, thallium and aluminum showed typical regional characteristics. The results of this study can provide data support for the encironment quality management of the uncontrolled landfills in Shenzhen.

uncontrolled waste landfill；soil；groundwater；characteristic pollutants

X502

A 文章标号：1000-6923(2022)03-1287-08

周 睿(1980-),女,辽宁抚顺人,教授,博士,主要从事水土污染调查､评价与修复治理.发表论文50余篇.

2021-07-24

深圳市生态环境局项目(2019-01-0310-B1)

*责任作者, 教授, renhejun@jlu.edu.cn.