深圳簡易垃圾填埋場水土環境污染指標識別

周 睿,吳 玲,簿 絲,李婷婷,劉方圓,任何軍

深圳簡易垃圾填埋場水土環境污染指標識別

周 睿,吳 玲,簿 絲,李婷婷,劉方圓,任何軍*

(吉林大學,石油化工污染場地控制與修復技術國家地方聯合工程實驗室,地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 130021)

基于現場踏勘、人員訪談和資料收集,采用內梅羅指數法對深圳市現存24座簡易垃圾填埋場土壤和地下水環境質量進行了評價,對其特征污染指標進行了識別,結果表明,土壤超標污染指標5種,包括鎘和砷2種中度污染指標,污染指數分別為2.970和2.141,釩、鎳和鉛3種輕度污染指標,污染指數在1.348～1.777之間;地下水超標污染指標22種,包括總大腸菌群、氨氮、錳、鐵、鉛、鋁、高錳酸鹽指數、鉈、總溶解性固體、碘化物、鎳、硫酸鹽和鈹13種重度污染指標,污染指數在3.860～832.581之間,砷、總硬度、硝酸鹽、氟化物、氯化物和硒6種中度污染指標,污染指數在2.039～2.993之間,銻、鈉和汞3種輕度污染指標,污染指數在1.084～1.147之間.地下水污染程度遠比土壤污染嚴重.深圳市簡易垃圾填埋場土壤特征污染物為氟化物、砷、鎳、鉛、釩和鎘,共6種;地下水特征污染指標為總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、氨氮、鐵、錳、砷、鉛、鎳、鋁、鉈、高錳酸鹽指數和總大腸菌群,共16種.氟化物、鉛、鎳、鉈和鋁5種污染物呈現了典型地區特征.本研究結果可為深圳市簡易垃圾填埋場環境質量管理提供數據支撐.

簡易垃圾填埋場；土壤；地下水；特征污染指標

改革開放以來,深圳市經濟迅猛發展,城市快速擴張,致使人類活動場所緊鄰垃圾填埋場,防范垃圾填埋場環境風險的壓力持續增加.簡易垃圾填埋場通常缺乏長期有效的環境監測體系和完善的污染防范措施,所產生的污染物極易進入周邊環境,污染土壤和地下水.我國在污染場地環境管理方面出臺了《場地環境調查技術導則》[1](HJ 25.1-2014)、《污染場地風險評估技術導則》[2](HJ 25.3-2014)等一系列技術標準,但相關非正規垃圾填埋場調查和修復的環境標準和技術規范并不健全.

關于垃圾填埋場滲濾液對周邊水土環境的特征污染指標,國內外學者開展了大量研究.生活垃圾滲濾液的主要污染指標[3]分為4類:溶解性有機物、無機宏量組分、重金屬離子和異型生物質有機物.國外有報道[4]采用專家打分法從50個常見污染指標中挑選出pH值、總溶解性固體、BOD5、COD、凱氏氮、氨氮、總鐵、銅、鎳、鋅、鉛、總鉻、汞、砷、酚類化合物、氯化物、氰化物、總大腸桿菌群共18項指標,作為評價垃圾填埋場污染風險的指標[5-6].基于現場調研和1991～2014年相關報道,我國生活垃圾填埋場地下水[7]普遍性污染指標包括:氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、高錳酸鹽指數、COD、總硬度、氯化物、鐵、錳、總大腸菌群、揮發酚,共11項指標.正規、非正規生活垃圾填埋場地下水主要污染指標略有差異,非正規生活垃圾填埋場代表性污染指標主要包括:高錳酸鹽指數、COD、氨氮、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、錳、鐵、汞、砷、總硬度,共11種指標[8].深圳市降水充沛[9]且伴有酸雨[10],地表水與地下水頻繁交互,地下水水位變幅較大,增加了簡易垃圾填埋場污染物泄露的環境風險,容易造成非飽和區深部土壤污染和飽和區地下水污染問題.隨著深圳市簡易垃圾填埋場環境問題逐漸突出,識別簡易垃圾填埋場的特征污染指標,加強垃圾填埋場環境管控迫在眉睫.

本文以深圳市現存24座簡易垃圾填埋場為研究對象,通過現場踏勘、人員訪談和資料收集,采用內梅羅污染指數法評估其周邊土壤和地下水環境質量狀況,總結污染特征,識別特征污染指標,以期為深圳市簡易垃圾填埋場環境管理提供技術支持.

1 研究方法

1.1 簡易垃圾填埋場概況

改革開放初期,城市垃圾處理規范和標準并不健全,建設了24座簡易垃圾填埋場.這些垃圾填埋場投入使用時間為1983～2009年,封場時間為2002年～2016年,包括21座老齡垃圾填埋場(場齡10a以上),3座中齡垃圾填埋場(場齡5～10a);從運行狀態看,22座為已封場垃圾填埋場,2座已挖走或計劃挖走另作他用;從填埋垃圾類型看,20座為生活垃圾填埋場,4座為生活垃圾建筑垃圾混填型填埋場;從填埋規模看,22座為小型垃圾填埋場(200萬m3以下),2座為中型垃圾填埋場(200～500萬m3);從地質條件看,19座為山谷型垃圾填埋場,5座為溝塘型填埋場.這些垃圾場以生活垃圾為主,填埋規模較小,填埋時間長,山谷型填埋場居多,且處于已封場狀態.深圳市簡易垃圾填埋場信息見表1.

1.2 評價方法

采取內梅羅污染指數法評價深圳市簡易垃圾填埋場周邊土壤及地下水環境質量.數據來源于深圳市簡易垃圾填埋場水土環境質量調查報告,具體監測污染指標見表2.

內梅羅污染指數法[11-13]是在單因子污染指數法和綜合污染指數法的基礎上進行的綜合評價方法,既能體現污染整體情況,又能突出污染指數最大指標對污染程度的影響.評價公式:

式中:p為內梅羅污染指數;p,avg為污染因子污染指數平均值;p,max為污染因子污染指數最大值;污染指數p為監測數據與相應標準值的比值.根據p值可對污染因子污染程度進行分級,p￡0.7,安全;0.7<p￡1,警戒線;1<p￡2,輕度污染;2<p￡3,中度污染;p>3,重度污染.

1.3 評價標準

采用《土壤環境質量標準建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600-2018)[14]和《建設用地土壤污染風險篩選值和管制值》(DB4403/T 67- 2020)[15]第一類用地風險篩選值對土壤環境質量進行評價;采用《地下水質量標準》(GB/T 14848- 2017)[16]Ⅲ類水體質量標準對地下水環境質量進行評價.

1.4 特征污染指標識別原則

1.4.1 土壤特征污染指標 為滿足數理統計要求,確保統計結果的可信度,選取污染指數統計表中樣品量大于20[7],且內梅羅污染指數p大于1,污染程度為輕度污染及以上的指標作為土壤環境特征污染指標.

1.4.2 地下水特征污染指標 為滿足數理統計要求,確保統計結果的可信度,選取污染指數統計表中樣品量大于20[7],且內梅羅污染指數p大于2,污染程度為中度污染及以上的指標作為地下水環境特征污染指標.

表1 深圳市簡易填埋場基礎信息

表2 深圳市簡易垃圾填埋場水土環境質量監測指標

2 結果與討論

2.1 土壤評價結果

對收集到的簡易垃圾填埋場水土環境質量調查報告檢測結果進行統計,所檢出污染指標包括pH值、氰化物、氟化物、砷、鎘、銅、鉛、汞、鎳、錳、鋅、銻、鈹、鈷、釩、總鉻、苯、2,4-二甲基苯酚、2-硝基苯酚、茚并(1,2,3-cd)芘、鄰苯二甲酸二正丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、鄰苯二甲酸二正辛酯、石油烴,共計24種,其中綜合性污染指標1種,無機鹽2種,重金屬13種,有機物8種.與《土壤環境質量標準建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600-2018)[14]和《建設用地土壤污染風險篩選值和管制值》(DB4403/T 67-2020)[15]第一類用地風險篩選值對比,氟化物、鎘、砷、釩、鎳和鉛共6項指標存在超標情況.

如表3所示,鎘和砷2項指標污染程度為中度污染,污染指數分別為2.970和2.141,釩、鎳和鉛3項指標污染程度為輕度污染,污染指數在1.348～1.777之間.污染指數標準差在0.0002～0.522,說明樣品監測數據離散程度小.當污染指數最大值大于最小值的5倍時,其對評價結果貢獻度更大[17],本研究中砷、鎘、銅、鉛、汞、鎳、鋅、銻、釩、總鉻、鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯和石油烴12項指標對污染程度較重的樣品關注度更高.

表3 土壤環境檢出污染指標污染指數

注: pH值最小值為4.82,最大值為10.27,其中4.82～7.00占比17.9%,7.00～10.27占比82.1%;污染指數為污染因子實測數據與相應評價標準值的比值.

2.2 地下水評價結果

根據收集到的簡易垃圾填埋場水土環境質量調查報告統計,31個地下水樣品監測結果顯示,檢出的污染物共計35種,其中綜合性污染指標2種,無機鹽9種,金屬離子2種,重金屬18種,有機物3種,微生物指標1種.與《地下水質量標準》(GB/T 14848- 2017)[16]Ⅲ類水體質量標準對比,其中除了氰化物、亞硝酸鹽、硫化物、銅、鋅、鉬、鎘、六價鉻、鋇、鈷、銀、苯和揮發酚13項指標未超標,其余22項指標均有不同程度超標.

如表4所示,總大腸菌群、氨氮、錳、鐵、鉛、鋁、高錳酸鹽指數、鉈、總溶解性固體、碘化物、鎳、硫酸鹽和鈹13項指標污染程度為重度污染,污染指數在3.860～832.581之間,砷、總硬度、硝酸鹽、氟化物、氯化物和硒6項指標污染程度為中度污染,污染指數在2.039～2.993之間,銻、鈉和汞3項指標污染程度為輕度污染,污染指數在1.084～1.147之間.污染指數標準差在0～313.302,樣品監測數據離散程度比土壤的更大.本研究中總硬度、總溶解性固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銻、釩、總鉻、鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯和石油烴21項指標對污染程度較重的樣品關注度更高[17].

表4 地下水環境檢出污染指標污染指數表

注: pH值最小值為5.60,最大值為8.91,篩選值為6.5～8.5,超標率為35.5%,其中5.60～7.00占比71.0%,7.00～8.91占比29.0%;污染指數為污染因子實測數據與相應評價標準值的比值.

2.3 特征污染物

根據識別原則,土壤環境特征污染指標為砷、鎳、鉛、釩和鎘;地下水環境特征污染指標為總硬度、溶解性固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、氨氮、鐵、錳、砷、鉛、鎳、高錳酸鹽指數和總大腸菌群.此外,土壤中氟化物最大污染指數為1.2,內梅羅指數0.871,接近標準線,且在土壤環境中遷移能力強[18],納入土壤環境特征污染物.地下水中鋁最大污染指數為34.0,超標率為77.8%,污染程度為重度污染;鉈最大污染指數為19.5,超標率為85.7%,污染程度為重度污染.雖然鋁和鉈的樣本數量不足,不符合識別原則中樣品量大于20的標準,但是其超標率較大、污染程度較重,綜合考慮深圳市土壤鉈背景值[15]較高(1.59～2.70mg/kg),在酸性降雨頻率高且地下水偏酸性的環境背景條件下,容易出現污染問題且毒性較強,納入地下水環境特征污染物.綜上,深圳市簡易垃圾填埋場土壤環境特征污染物為氟化物、砷、鎳、鉛、釩和鎘;地下水環境特征污染指標為總硬度、溶解性固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、氨氮、鐵、錳、砷、鉛、鎳、鉈、鋁、高錳酸鹽指數和總大腸菌群.深圳市簡易垃圾填埋場特征污染指標如表5所示.

表5 深圳市簡易垃圾填埋場特征污染指標

2.4 特征污染指標分析

氟化物、砷、鎳、鉛4種污染物在土壤和地下水中均為特征污染指標.氟化物在土壤中整體污染情況評價結果為未超標,在地下水中呈中度污染.結果與垃圾填埋場的污染途徑有關,簡易垃圾填埋場滲濾液的滲漏點通常位于填埋場內部及下部土壤中,地下水首先受到污染而后土壤再受到污染,而土壤樣品中氟化物超標率為3.2%,這與氟化物在紅黏土中有較好的吸附能力有關[19].砷在土壤和地下水中污染程度均為中度污染.一方面土壤中硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸鹽的存在,可使部分砷轉化成可溶性砷遷移,另一方面,深圳市土壤砷背景值較高,在偏酸性強降雨情況下容易溶出并遷移[20].鉛在土壤中為輕度污染,地下水中為重度污染.2011～2020年深圳市降水pH值年平均值在4.59～5.48之間,酸雨頻率為26.60%～59.50%[10],在這種條件下土壤中鉛的遷移能力較強[21],環境風險較高.深圳市歷史上分布有大量鉛排放行業企業,包括電子真空器件制造業和金屬表面處理及熱處理加工業[22],產生的廢品、廢液以及產品廢棄后由于當時簡易垃圾填埋場粗放式管理流入填埋場,且有報告[23]表明深圳市生活垃圾組分中金屬類含量最大能達到2.26%.鎳在土壤中為輕度污染,地下水中為重度污染.土壤pH值大于9時,Ni的氧化物、氫氧化物才能比較穩定存在,而酸性降雨造成填埋場垃圾土壤呈酸性,Ni主要以自由的Ni2+、NiSO4和NiHPO4存在[24],容易向地下水中遷移.

土壤中鎘污染程度為中度污染,而在地下水中未超標,且整體清潔程度較土壤中高,表明鎘在地下遷移過程中容易被土壤吸附,遷移距離短.有淹水稻田試驗[25]結果顯示,在pH>6時,土壤中的鎘主要以難溶態的氫氧化物、碳酸鹽及磷酸鹽的形式存在,而深圳pH值呈堿性的土壤使鎘滯留.土壤中釩為輕度污染.研究[26]表明釩主要以+5價態穩定存在,而釩的毒性隨價態升高而變強,并且日常垃圾焚燒后填埋會顯著提升土壤中釩的含量[27].

地下水中硫酸鹽污染程度為重度污染,微生物可降解垃圾中含硫化合物為可溶性硫酸鹽.氯化物污染程度為中度污染,氯離子主要來源于廚余垃圾,且在地下環境中遷移性很好[28].硝酸鹽污染程度為中度污染,高錳酸鹽指數污染程度為重度污染,總大腸菌群污染程度為重度污染,硝酸鹽、高錳酸鹽指數和總大腸菌群是簡易垃圾填埋場的普遍性污染指標[7-8,29].氨氮污染程度為重度污染,垃圾填埋過程中,含氮有機物在微生物降解作用下釋放出大量氨氮,且地下環境中溶氧量隨填埋時間降低,在這種還原環境中氨氮可以長期穩定存在[30].總溶解性固體污染程度為重度污染,地下水總溶解性固體與SO42-、Cl-、Mg2+、Ca2+等具有顯著相關性[31],而硫酸鹽、氯化物和總硬度在簡易垃圾填埋場周邊環境中污染嚴重.鐵錳污染程度為重度污染,鐵錳在地下環境存在形式主要與氧化還原條件和酸堿平衡有關[32],鐵錳的濃度隨著監測點位與填埋場距離的增加及取樣位置深度的增加而明顯下降,表明鐵錳的濃度與垃圾滲濾液的滲漏有關[33],而簡易垃圾填埋場防滲措施不完善甚至缺失,鐵錳可作為其下游水土特征污染指標.總硬度污染程度為中度污染,總硬度是衡量環境中鈣鎂離子總量的污染指標.室內浸泡試驗表明[34],Na+、H+、NH4+3種陽離子可與土壤中的Ca2+、Mg2+發生離子交換作用.地下水中總硬度超標情況嚴重,可能與填埋場滲濾液泄露有關.鋁污染程度為重度污染,這可能與深圳早期電鍍行業有關.并且深圳市生活垃圾組分中金屬類的含量比例較高[23],pH值呈酸性的地下水將其溶出并隨流場遷移.鉈污染程度為重度污染,由于深圳土壤環境鉈的背景值[15]較大,酸雨頻繁,地下水pH值呈酸性,在這種條件下鉈易于溶出且在地下遷移[35].

2.5 特征污染指標地區性分析

與18項垃圾填埋場污染風險指標[4]相比,本文選取的共同指標為總溶解性固體、高錳酸鹽指數、總大腸菌群、氨氮、氯化物、鐵、鎳和砷,不同指標主要在于重金屬污染指標和無機鹽指標.這與城市污染源類型有明顯相關性,深圳市經濟發達,以輕工業和服務業為主,重金屬污染來源相對較少,同時密集型人口產生的大量生活垃圾導致無機鹽類污染問題較多.與韓志勇[7]和胡馨然[8]等人選取的我國地下水普遍性特征污染指標對比,不同的指標有氟化物、鉛、鎳、鉈和鋁.氟化物的來源[19]可能與早期深圳電鍍加工產業發達有關,所產生的廢品和廢液容易引發此類問題,鉛、鎳、鋁也與電鍍加工行業顯著相關.鉈主要來源于原生環境,地下水中鉈主要為TI(Ⅰ),溶解性強,可與硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽和有機物形成穩定配合物[35],需要給予關注.

3 結論

3.1 深圳市現存的24座簡易垃圾填埋場,土壤超標污染指標5種,包括鎘和砷2種中度污染指標,污染指數分別為2.970和2.141,釩、鎳和鉛3種輕度污染指標,污染指數在1.348～1.777之間;地下水超標污染指標22種,包括總大腸菌群、氨氮、錳、鐵、鉛、鋁、高錳酸鹽指數、鉈、總溶解性固體、碘化物、鎳、硫酸鹽和鈹13種重度污染指標,污染指數在3.860～832.581之間,砷、總硬度、硝酸鹽、氟化物、氯化物和硒6種中度污染指標,污染指數在2.039～2.993之間,銻、鈉和汞3種輕度污染指標,污染指數在1.084～1.147之間.地下水污染程度遠比土壤污染嚴重.

3.2 深圳市簡易垃圾填埋場土壤特征污染物為氟化物、砷、鎳、鎘、鉛和釩,共6種特征污染物;地下水特征污染物為總硬度、總溶解性固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、氨氮、鐵、錳、砷、鉛、鎳、鋁、鉈、高錳酸鹽指數和總大腸菌群,共16種特征污染物.

3.3 與國內垃圾填埋場普遍地下水特征污染指標相比,氟化物、鉛、鎳、鉈和鋁5種污染指標在深圳市地區性污染特征明顯.

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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 文章標號：1000-6923(2022)03-1287-08

周 睿(1980-),女,遼寧撫順人,教授,博士,主要從事水土污染調查?評價與修復治理.發表論文50余篇.

2021-07-24

深圳市生態環境局項目(2019-01-0310-B1)

*責任作者, 教授, renhejun@jlu.edu.cn.