長(zhǎng)沙市固體廢棄物處理場(chǎng)水文地質(zhì)及環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)

賀 勇 ，李冰冰 ，朱考飛 ，李方志 ，張可能

（1.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中南大學(xué)），湖南長(zhǎng)沙410083；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；3.湖南軍信環(huán)保股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007）

0 引言

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張和人民生活水平的不斷提高，人類所產(chǎn)生的生活垃圾數(shù)量逐年增加。隨著填埋場(chǎng)庫(kù)容逐漸飽和，生活垃圾從之前的填埋處理逐漸轉(zhuǎn)向焚燒處理。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量已達(dá)2.42 億t，而生活垃圾焚燒處理量約占清運(yùn)量的50%，其高達(dá)1.21 億t（中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2020）。垃圾填埋及焚燒飛灰的不合理處置加劇了環(huán)境的污染，如焚燒飛灰和垃圾填埋場(chǎng)中產(chǎn)生的滲瀝液有可能擴(kuò)散到地下水系統(tǒng)中造成區(qū)域地下水污染。重金屬污染評(píng)價(jià)是對(duì)研究區(qū)環(huán)境中發(fā)生污染的可能性進(jìn)行定性或定量評(píng)價(jià)。隨著環(huán)境保護(hù)理念由先污染后治理轉(zhuǎn)向污染前的預(yù)測(cè)和有效管理，垃圾填埋場(chǎng)周邊地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要的研究?jī)r(jià)值［1］。

生活垃圾焚燒飛灰含大量重金屬元素，經(jīng)雨水或酸性滲瀝液淋濾后重金屬離子大量釋放，對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染進(jìn)而威脅周邊人民身體健康［2-3］；同時(shí)，垃圾填埋過(guò)程中產(chǎn)生的滲瀝液是具有復(fù)雜成分的高濃度污染物，其易導(dǎo)致周邊地表水惡化、土壤功能失調(diào)等嚴(yán)重問(wèn)題。因此，有學(xué)者對(duì)填埋場(chǎng)及周邊地區(qū)環(huán)境狀況進(jìn)行了研究，如王凌青等［4］研究發(fā)現(xiàn)，寶雞燃煤電廠周?chē)寥乐蠬g 具有很強(qiáng)的生態(tài)危害，Hg 含量隨著距電廠距離的增大表現(xiàn)為先增加，后減少，再增加。錢(qián)麗萍等［5］對(duì)哈爾濱柳樹(shù)林垃圾填埋場(chǎng)周邊土壤進(jìn)行調(diào)查，研究表明滲瀝液導(dǎo)致填埋場(chǎng)周?chē)?00 m 范圍內(nèi)的表層土壤嚴(yán)重污染。洪梅等［6］對(duì)北京23 個(gè)非正規(guī)生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別很高，多數(shù)填埋場(chǎng)5.51 km2范圍內(nèi)的地下水已不能飲用。由此可見(jiàn)，垃圾填埋場(chǎng)中的滲瀝液對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境以及人體健康產(chǎn)生的危害不容忽視。垃圾填埋場(chǎng)中產(chǎn)生的垃圾滲瀝液極易進(jìn)入周邊土壤和地下水并造成污染［7］，尤其是滲瀝液中的重金屬，其污染擴(kuò)散易對(duì)周邊居民帶來(lái)潛在的健康威脅。重金屬具有毒性大、潛伏期長(zhǎng)且難降解的特點(diǎn)，伴隨滲瀝液進(jìn)入地下水系統(tǒng)，通過(guò)食物鏈的生物放大作用富集到人體內(nèi)，從而對(duì)人體產(chǎn)生直接或間接的危害［8-9］。隨著垃圾填埋問(wèn)題的突出，填埋場(chǎng)污染物帶來(lái)的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)逐漸引起人們的關(guān)注，因此有必要對(duì)垃圾填埋場(chǎng)周邊的污染狀況以及居民的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估［10］。

本文以長(zhǎng)沙市某固體廢棄物處理場(chǎng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)垃圾填埋場(chǎng)周邊土壤、地下水及下游水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行分析，探討了 6 種重金屬（As、Cr（Ⅵ）、Ni、Pb、Zn、Cu）元素的總量及分布規(guī)律，并采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅（Nemrow）污染綜合指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)填埋場(chǎng)土壤污染狀況［11-15］，以期為垃圾填埋場(chǎng)周邊地下水重金屬污染防控與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省長(zhǎng)沙市北部，地貌單元屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地勢(shì)總體是南西高，北東低。填埋作業(yè)區(qū)屬于山谷型填埋場(chǎng)，占地約2600 畝（1 畝=666.7 m2）。固體廢棄物處理場(chǎng)西側(cè)為望湘巖基，以侵蝕構(gòu)造地貌為主，主要表現(xiàn)為低山—丘陵與沖溝形態(tài)。山脈脈絡(luò)清晰，山頂一般較圓滑，個(gè)別較尖。山脊大多數(shù)開(kāi)闊舒緩，局部地段狹窄，而形成窄陡山脊。山脊線走向受斷裂影響大多呈北東向展布。地勢(shì)總體東、南、西三面高，中間溝谷及北側(cè)低。地形起伏大，場(chǎng)地范圍內(nèi)地面標(biāo)高介于110.35～165.49 m 之間?；鶐r裸露，沖溝低洼地段表層有少量種植土及坡洪積成因的砂質(zhì)粘性土，下伏基巖為花崗巖。本區(qū)屬溫暖濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，具有四季分明、溫暖潮濕、雨量充沛、嚴(yán)寒期短等特點(diǎn)。自2019 年以來(lái)，年平均氣溫17.4 ℃，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)；年平均降雨量1394.6 mm，每年5?9 月為雨季，其降雨量約占全年的80%。研究區(qū)地表水系及分水嶺示意如圖1 所示。

1.2 樣品的采集與保存

為了分析研究區(qū)土壤和地下水的重金屬污染狀況，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)共布設(shè)4 個(gè)地下水鉆孔采樣點(diǎn)，沿垃圾填埋場(chǎng)西南方向分布，分別距填埋場(chǎng)551、744、775 和1312 m 處，鉆孔位置采樣點(diǎn)如圖2 所示。取樣時(shí)每次取5 件水樣與土樣，采樣深度分別在井水位以下 1.0、1.5、2.0、2.5 和 3 m 處，使用貝勒管取足量體積的水樣裝于附有相應(yīng)標(biāo)簽的樣品瓶中，并滴加1～2 滴1%硝酸溶液后用聚乙烯瓶保存待測(cè)。本次共采集20 個(gè)地下水混合樣品與土樣，按照鉆孔位置依次編號(hào)為G1～G20 和A1～A20（如表1 所示）。采用上述取樣方法對(duì)距填埋場(chǎng)水平距離為1500 m的下游水庫(kù)再進(jìn)行水樣采集，其中流入水庫(kù)口處樣品編號(hào)記為R1～R3，水庫(kù)水面下0.5 m 處樣品編號(hào)記為S1～S3，水庫(kù)出水口處樣品編號(hào)記為C1～C3。

圖1 地表水系及分水嶺示意Fig.1 Surface water system and watershed

圖2 研究區(qū)及鉆孔采樣點(diǎn)位置Fig.2 Location of study area and sampling point of borehole

表1 鉆孔取樣詳細(xì)工作量Table 1 Detailed workload of borehole sa mpling

1.3 樣品分析

垃圾滲瀝液是高濃度高污染水樣，在測(cè)定前需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。所有水樣都經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后加優(yōu)級(jí)純硝酸酸化至pH 值＜2，置于聚乙烯塑料瓶中密封保存。記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的信息，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，所有采樣點(diǎn)樣品均進(jìn)行平行采樣、測(cè)試。測(cè)試工作在中南大學(xué)化學(xué)成分分析中心實(shí)驗(yàn)室完成，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICPOES 型，Optima 5300DV 型）測(cè)定水樣中As、Cr（Ⅵ）、Ni、Pb、Zn、Cu的濃度，檢測(cè)結(jié)果差異均小于10%。

1.4 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

填埋場(chǎng)中重金屬元素常富集在周邊土壤中，對(duì)土壤中重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要意義。目前，常用的重金屬污染評(píng)價(jià)方法主要有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、富集因子法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法，其中單因子污染指數(shù)法可以清晰地判斷出評(píng)價(jià)樣本與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值關(guān)系，易判斷研究區(qū)主要污染因子及污染狀況，常用于重金屬污染區(qū)域評(píng)價(jià)中。本文采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅（Nemrow）污染綜合指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)填埋場(chǎng)土壤污染狀況。單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式如下［16］：

式中：Pi——i污染物指數(shù)；Ci——i污染物實(shí)測(cè)值；Si——i污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)梅羅（Nemrow）污染綜合指數(shù)法是一種兼顧極值的綜合方法，既考慮了單元的作用而又突出了某些污染最嚴(yán)重的元素的貢獻(xiàn)值，其計(jì)算公式如下［17-18］：

式中：P——土壤污染綜合指數(shù)；n——評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)元素污染指數(shù)的平均值；max（Pi）——元素污染指數(shù)的最大值。

根據(jù)內(nèi)梅羅（Nemrow）污染綜合指數(shù)法可以得到各重金屬污染物的污染指數(shù)。因此，本文中用綜合污染指數(shù)代表 As、Cr（Ⅵ）、Ni、Pb、Zn、Cu 等 6 種重金屬對(duì)填埋場(chǎng)場(chǎng)區(qū)的綜合污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可將土壤污染等級(jí)如表2 進(jìn)行劃分。

表2 土壤污染指數(shù)分級(jí)Table 2 Grading of soil pollution indices

2 結(jié)果與討論

2.1 填埋場(chǎng)地下水重金屬污染特征

通過(guò)測(cè)定，該垃圾填埋場(chǎng)周邊土壤pH 值為6.9～8.0，其平均值為7.32，因此土壤中的重金屬污染狀況采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)—農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（6.5＜pH 值≤7.5），《生活飲用水采用地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷（表3）。圖3、圖4 分別表示鉆孔 ZK1～ZK4 中樣品（即G1～G20）重金屬元素的平均含量，其結(jié)果表明：重金屬含量隨著樣品與填埋場(chǎng)距離的增加而降低；個(gè)別元素呈波動(dòng)性差異；場(chǎng)地中重金屬元素As、Ni、Pb、Zn、Cu 含量均低于標(biāo)準(zhǔn)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，而G1～G5 中Cr（Ⅵ）元素的平均含量高于標(biāo)準(zhǔn)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。其原因可能為金屬加工廢棄物、廢棄電池和皮革制品等垃圾隨意堆放，滲瀝液隨著大氣降水流向地下，導(dǎo)致ZK1 中地下水Cr（Ⅵ）元素含量過(guò)高。

表3 地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值Table 3 Ⅲclass standards of groundwater pollution risk screening value

圖3 ZK1～ZK4 中致癌重金屬元素平均含量Fig.3 Average content of carcinogenic heavy metal elements in ZK1～ZK4

圖4 ZK1～ZK4 中非致癌重金屬元素平均含量Fig.4 Average content of non-carcinogenic heavy metal elements in ZK1～ZK4

2.2 下游水庫(kù)重金屬污染特征

樣品編號(hào) R1～R3、S1～S3 和 C1～C3 分別代表水庫(kù)入口處、水庫(kù)水面下0.5 m 處及水庫(kù)出水口處樣品，分別對(duì)它們進(jìn)行重金屬含量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。As、Cr（Ⅵ）、Ni、Pb、Zn、Cu 的濃度分別為 1.33～23.06、7.01～12.36、3.02～30.68、1.66～7.13、7.91～254.56、1.56～63.21 μg/L，平均值分別為 7.67、8.95、8.81、4.13、57.95、13.55 μg/L，其 中 樣 品 R1 中 Cr（Ⅵ）的濃度值是地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的1.236 倍。R1 和 R3 均存在 Cr（Ⅵ）超標(biāo)現(xiàn)象，As、Ni、Cu、Zn、Pb 未存在超標(biāo)現(xiàn)象，說(shuō)明研究區(qū)有受 Cr（Ⅵ）元素污染的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 下游水庫(kù)周邊水樣重金屬含量Table 4 Heavy metal content of water around reservoir μg/L

2.3 研究區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

長(zhǎng)沙市土壤重金屬含量背景值見(jiàn)表5。從表5 中可知長(zhǎng)沙市中Zn、Pb重金屬元素背景值普遍較高。

表5 長(zhǎng)沙市土壤重金屬含量背景值Table 5 The contents of soil pollutants in Changsha city mg/kg

根據(jù)鉆孔ZK1～ZK4 所取的20 個(gè)土壤樣本測(cè)定結(jié)果，計(jì)算6 種重金屬元素單項(xiàng)污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)見(jiàn)表6。從表6 中可以看出，Pb、Cr（Ⅵ）為ZK1、ZK3 中主要重金屬污染物，已達(dá)中度污染程度，As、Ni、Zn、Cu 屬于輕度污染；Pb、Cr（Ⅵ）污染物在ZK2 中已超長(zhǎng)沙市土壤背景值，是ZK2 中主要的重金屬污染物，已經(jīng)開(kāi)始受到污染；ZK4 重金屬污染普遍較少，只有Ni 元素超過(guò)背景值處于中度污染，As、Cr（Ⅵ）、Pb、Zn 與 Cu 元素均處于警戒線水平，有污染風(fēng)險(xiǎn)。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以看出 ，ZK1 和 ZK3 污 染 水 平 較 ZK2 和 ZK4 處 高 ，ZK1和ZK3 已達(dá)中度污染。

表6 鉆孔點(diǎn)土壤重金屬污染指數(shù)Table 6 Pollution indices of soil in Changsha city

ZK1～ZK4 鉆孔位置距填埋區(qū)距離逐漸增大，而污染程度卻不成正相關(guān)，表現(xiàn)為ZK1、ZK3 為重金屬污染主要聚集地，ZK2 與ZK4 污染水平較低，這可能與ZK1 與ZK3 鉆孔水平位置處于同一地層有關(guān)，使得ZK1 中污染物更多的富集在ZK3 中，導(dǎo)致ZK3 中重金屬污染水平高于ZK2 處。黑壩水庫(kù)中Ni 元素含量較高，ZK4 與黑壩水庫(kù)可能存在水力聯(lián)系，導(dǎo)致了ZK4 中Ni 元素污染指數(shù)較高。總之，填埋場(chǎng)區(qū)中只有As、Zn、Cu 處于輕度污染或清潔區(qū)，Cr（Ⅵ）、Pb、Ni 重金屬均有中等程度污染風(fēng)險(xiǎn)，其中Cr（Ⅵ）、Pb 污染較為嚴(yán)重，應(yīng)該引起注意。

3 結(jié)論

（1）對(duì)該填埋場(chǎng)周邊地下水樣品分析，針對(duì)As、Cr（Ⅵ）、Ni、Pb、Zn、Cu 六種重金屬元素，發(fā)現(xiàn)其含量均值均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618?2018）中風(fēng)險(xiǎn)篩選值。下游水庫(kù)入水庫(kù)口處R1 與R2 樣品中Cr（Ⅵ）含量略高于地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類，其它元素含量均低于Ⅲ類。場(chǎng)區(qū)所有采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)平均值低于地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類，說(shuō)明填埋場(chǎng)地下水總體處于警戒線等級(jí)以下。

（2）鉆孔采樣位置ZK1～ZK4 中元素含量逐漸降低趨勢(shì)，與取樣點(diǎn)至填埋場(chǎng)中心距離有關(guān)：距離越遠(yuǎn)，元素含量越低；其中ZK1（G1～G5）樣品中Cr（Ⅵ）元素均值高于地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類，可能與填埋過(guò)多皮革制品、塑料制品及過(guò)期藥品有關(guān)。

（3）ZK1～ZK4 重金屬元素單項(xiàng)污染指數(shù)得出Pb、Cr（Ⅵ）為場(chǎng)區(qū)污染主要重金屬污染物，在ZK1與ZK3 中富集，達(dá)中度污染程度。

（4）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)果表明，ZK1 和ZK3污染水平較ZK2 和ZK4 處高，污染程度與鉆孔位置距填埋區(qū)距離不成正相關(guān)，這可能和ZK1 與ZK3 存在直接的水力聯(lián)系有關(guān)。

（5）為降低填埋場(chǎng)中重金屬元素對(duì)周邊及下游環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，可采取以下工程防治措施：增加垃圾堆體中導(dǎo)排管，加強(qiáng)滲瀝液的收集與管控；對(duì)于近場(chǎng)環(huán)境污染明顯、重金屬含量較高的填埋場(chǎng)，可在下游布設(shè)粘土類豎向工程屏障。