天津市某生活垃圾填埋場地下水水質自動監測研究

戴 昕，李欽欽，郭 燕

(南京萬德斯環保科技股份有限公司，江蘇 南京 211100)

地下水作為人類自然資源的一部分，為全球的絕大部分人口提供著寶貴的水源，而且支持著農業種植和工業生產活動。但是當前我國地下水污染形式嚴峻，局部地下水污染問題十分突出，其中生活垃圾填埋場已成為公認的地下水重點污染源之一[1-2]。垃圾填埋場滲濾液通常含有高濃度有機物、無機物、金屬和重金屬離子等污染物，這些污染物一旦釋放到環境中，會引起極大的環境風險，有毒物質可能隨食物鏈進入人體。地下水污染有別于地表水，具有隱蔽性、滯后性、累積效應、不可逆轉、循環周期極長等特點，極難治理。因此針對垃圾填埋場這種典型污染場地，對地下水進行自動化在線監測，是控制污染源擴散，保護土壤和地下水不受污染或少受污染的積極有效的方法。然而長期以來，由于對地下水污染防治的重要性和緊迫性認識不足，部分地區地下水污染監測網布設密度不夠，缺乏針對典型污染源(如垃圾填埋場等)的監測網絡；地下水環境監測指標不足，不能準確的反映地下水污染問題；地下水水位、水量基本實現自動化監測，但水質監測手段相對落后，地下水環境相對復雜，很多地區仍采用人工檢測的方式進行監測，自動化程度低[3-5]。

國內目前對于垃圾填埋場特征污染在線監測指標篩選已經開展了一些研究。董悅安等[6]通過垃圾填埋場滲濾液和地下水污染指標因子分析，確定新建大口徑監測井地下水自動監測指標為總硬度、氯化物、氨氮、硝酸鹽氮、錳和鐵；而對于原有的監測井建議選擇特征指標為氯化物、氨氮、硝酸鹽氮。張云龍[7]研究典型污染源地下水污染全過程確定生活垃圾填埋場特征污染物為COD、Cl-、氨氮和總磷。雷抗[8]等研究某簡易垃圾填埋場地下水污染指標，通過相關分析確定電導率作為地下水在線監測指標。一方面，如果地下水自動監測指標不足，不能準確的反映地下水污染問題[4]；另一方面，一些地下水指標的自動監測設備還不能實現在線監測或監測成本過高，再加上新型監測井(如Waterloo多層監測系統、CMT監測系統[9-10]、多層位采樣監測井系統[11])的井管管徑限制及地下水復雜的環境使得地下水水質監測相較地表水困難。因此，篩選出具有代表性的特征污染物指標和設計自動監測系統來實現地下水污染狀況的實時自動在線監測是問題的關鍵。本研究通過對垃圾填埋場周邊地下水進行采樣分析，根據SPSS因子分析結果篩選出地下水自動監測指標；并通過設計井外自動采樣監測系統實現地下水自動化監測，為垃圾填埋場自動監測預警提供技術支持。

1 研究區概況及研究方法

本研究中的垃圾填埋場位于天津市東麗區，占地約240畝，填埋期為2013-2015年，填埋深度約11 m，垃圾填埋量約60～70萬 m3，滲濾液總量約70～80萬 m3。該區域地處華北平原東部濱海平原區，主要由新生代沖積、湖積和海積形成，根據工程勘探和水文地質勘探結果顯示，天津海積平原區50 m以淺地下水系統為潛水、第一層微承壓水和第二層承壓水組成的復式含水層系統，其中潛水多屬松散巖類孔隙水，主要補給來源是大氣降水補給、地表水體入滲補給及越流補給，主要排泄途徑為蒸發，在約15～21 m深度范圍內，以隔水性良好的黏土或粉質黏土為主，土樣垂向滲透系數數量級幾乎都在10-8～10-7cm/s左右。微承壓含水層補給主要靠上游的側向徑流，潛水越流補給微承壓含水層的水量非常小，該層地下水現狀基本無人類開采，主要排泄方式為徑流排泄，部分越流補給下部含水層。潛水含水層地下水流向由西北向東南，流速較慢約為0.043 cm/s。該區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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%，導致地下水潛水的水位變化較為顯著。

為了解垃圾填埋場地下水污染狀況，在垃圾填埋場周圍布設8個地下水采樣點位，分別位于填埋場地下水水流向的上游、下游和兩側，其位置見圖1，其中1號點為場地背景監測點。每個點位布設3眼不同深度監測井(15 m、30 m、45 m)，分別代表潛水、第一承壓水和第二承壓含水層，每個監測井采集3個平行水樣，共采集樣品72個。檢測指標參考《地下水環境質量標準》(GB/T14848-2017)包括：pH、色度、濁度、鎘Cd、鉻Cr、鉛Pb、汞Hg、砷As、鈣Ca、鎂Mg、耗氧量CODMn、氨氮NH4+-N、硝酸鹽氮NO3--N、化學需氧量CODcr、生化需氧量BOD5、溶解性總固體TDS、總有機碳TOC、氯化物、懸浮物SS、大腸菌群等。場地背景監測點的地下水水質如表1所示。

圖1 天津某簡易生活垃圾填埋場地下水水質監測井布設示意圖

表1 場地地下水背景監測點水質狀況

2 結果與討論

2.1 生活垃圾填埋場地下水水質特征

垃圾填埋場地下水污染檢測結果表明，場地地下水中鉛、鎘、鉻濃度均在檢測限以下，汞在填埋區周邊2#、5#和7#點位潛水和第一承壓含水層有檢出，濃度在0.02～0.10 μg/L，砷在填埋區周邊2#第一承壓含水層、5#和8#潛水含水層有檢出，濃度在0.007～0.010 mg/L，場地地下水重金屬檢出量均為痕量，均優于地下水環境質量Ⅲ類標準；微生物指標大腸菌群指數未檢出。地下水不同含水層不同監測點的其他水質指標特征如圖2所示。從圖中可以看出，地下水pH最小值為7.27，最大值為8.35，為中性-偏弱堿性，符合地下水標準，各層之間差異不明顯。色度在潛水、第一和第二承壓含水層平均值分別為17.33、6.10和4.76，表現出了由上層到下層逐漸減小的趨勢，其中潛水含水層色度大于地下水三級標準15；濁度在潛水、第一和第二承壓含水層平均值分別為110.29、7.43和10.33，其中潛水含水層超出背景監測值的2倍多；懸浮物濃度表現為隨深度增加而減小，第一、第二承壓含水層與背景監測點差異不大，潛水含水層受地面的影響最大；生化需氧量隨深度的增加而較小，濃度水平與背景監測點的差異不明顯；鈣、鎂除個別點位外，表現出了隨深度增加濃度變大的總體趨勢，主要與該地區受到海水的影響有關；毒理學指標硝酸鹽濃度較低，在地下水中的濃度均低于2.0 mg/L，優于地下水Ⅰ類標準，很可能是土壤中高濃度的氨氮抑制了硝化反應的進行，導致地下水中硝酸鹽濃度總體不高。除5#和6#點位外電導率、耗氧量、總有機碳、氨氮、氯化物、溶解性總固體、化學需氧量表現出第一承壓含水層>第二承壓含水層>潛水含水層的趨勢，與背景監測井的趨勢相似，但是處于垃圾填埋場下游的5#和6#潛水含水層污染物濃度表現出了潛水含水層潛>第一承壓含水層>第二承壓含水層的趨勢，這很可能是受到了垃圾填埋場的影響。如潛水含水層中場地背景監測點1#氨氮濃度為0.35 mg/L，而填埋區下游5#點氨氮濃度9.83 mg/L，是地下水Ⅲ類標準的18倍，6號點氨氮1.49 mg/L，低于5#，說明垃圾填埋場滲濾液中的高濃度氨氮經過土壤的吸附，到達地下水中的濃度已經降低了很多，同時氨氮在水中的遷移能力較弱。由以上分析可知，地下水潛水含水層最易受到垃圾填埋場的影響，承壓含水層受影響較小，這可能是因為垃圾填埋場滲濾液下滲或地下水運移過程中，發生了一些物理、化學及生物化學作用，去除了大部分的污染物，對其影響較敏感的水質指標包括：電導率、耗氧量、總有機碳、氨氮、氯化物、溶解性總固體、化學需氧量等。

圖2 地下水污染指標的變化情況

2.2 地下水自動監測指標因子分析

由上面分析可知，多種敏感指標都能反映地下水污染狀況，通過因此分析從變量群中提取共性因子，找出隱藏的具有代表性的因子，將相同本質的變量歸入一個因子，可減少變量的數目。因此，將垃圾填埋場地下水中篩選出來的敏感指標作為候選指標，利用SPSS軟件進行因子分析。經巴特利球形檢驗，Bartlett值為229.93(P<0.001)，表示各指標相關系數矩陣與單位陣顯著差異；同時，KMO值越接近1，表明變量因子分析的效果越好，該統計中KMO值為0.706，大于閾值0.5，說明變量之間存在相關性，符合因子分析的要求。

因子變量的方差貢獻(特征值)是衡量因子重要程度的指標，變量的共同度則反映了全部公共因子變量對原有變量的總方差解釋說明比例，是衡量因子分析效果的一個指標，通過該值可以掌握變量信息的丟失情況。地下水水質指標特征值及其方差貢獻率如表2所示。由因子分析可知，地下水敏感水質指標的主成分的累積貢獻率為88.30%，說明可以反映原始數據的基本信息，主因子有3個，其貢獻率分別為42.0%、26.9%和19.4%。

表2 地下水各水質指標因子特征值與貢獻率

因子載荷是因子和變量之間的相關系數。從表3旋轉后的因子載荷可以看出，第一主因子中，電導率、化學需氧量、耗氧量、溶解性總固體、氯化物的載荷較高，分別為0.964、0.877、0.767、0.979、0.930，主要表現為溶解在水中的溶解組分的總量；第二因子中，懸浮物、色度和濁度的載荷較高，分別為0.881、0.847和0.903，表現為不溶于水中的懸浮類物質的量；第三因子中，氨氮和總有機碳的載荷較高，表現為氮和有機營養物質的污染。根據上述分析，三種主因子從不同方面分別反映了地下水污染情況，因此，可以通過這三種類型污染物的監測來指示地下水污染現狀。

表3 因子提取計算結果(旋轉因子矩陣)

但是目前有些指標還不能實現自動在線監測或自動監測設備復雜、成本太高，通過因子分析可知，同一主因子中指標之間的相關系極高，而相關系數能反映變量間線性相關程度，回歸分析可以預測相關系數顯著的離子濃度區間[12]，可以在每個主因子中選擇1個易于實現在線監測的指標作為指示指標，通過回歸分析得出其他指標濃度。根據以上分析，選擇第一主因子中電導率、第二主因子中濁度和第三主因子中氨氮作為自動監測指示指標，指標與其他污染物濃度的回歸方程見表4。

表4 指示指標與地下水污染物其他敏感指標的回歸分析

2.3 地下水自動監測洗井系統

研究區地下水流速慢，監測井內的水質易變質，需要定期洗井更新監測井內的地下水。常規的監測井洗井水量大，可設置多層位采樣監測井進行自動化監測，這種監測井井管體積僅為5.56 L，洗井體積為國標監測井的1/54[7]。同時，考慮到研究區地下水硬度大，長期放置在監測井內容易對水質監測設備產生影響，因此，本研究中設置了自動監測洗井系統來實現對地下水水質進行自動監測(圖3)。首先，打開泵和4/5/6號取樣閥抽水監測水質指標，設置時間間隔，定時啟閉閥門，實現對地下水水質的在線監測；當需要洗井時，打開泵和4/5/6號取樣閥抽水洗井，通過設置在管路上的在線監測指標數據及洗井水量的變化來判斷洗井完成情況；當監測指標發生異常時，可以關閉4/5/6號取樣閥，打開1/2/3號取樣閥來采集水樣進行實驗室檢測。

圖3 地下水自動監測洗井工藝流程圖

3 結語

根據生活垃圾填埋場地下水水質特征分析顯示，地下水潛水含水層最易受到垃圾填埋場的影響，承壓含水層受影響相對較小；通過水質指標的因子分析結果選擇電導率、濁度和氨氮作為垃圾填埋場地下水污染自動監測指標的首選。此外，考慮到研究區地下水硬度大，容易對在線監測設備產生腐蝕影響，設計了井外自動監測洗井系統來實現對地下水抽樣監測，延長了監測設備的使用壽命，同時也能實現洗井功能解決了地下水水質易變質的問題。