城市垃圾填埋场渗滤液的环境污染分析

唐俊红,张秀芝,彭征宇

(1.杭州电子科技大学环境工程与环境科学系,浙江杭州310018;

2.河北省地质调查院,河北 石家庄050081;3.浙江省地质调查院,浙江 杭州 311203)

0 引 言

垃圾填埋法是国内外城市生活垃圾的传统和最终处理方法[1-5],我国大城市填埋处理的生活垃圾约占处理总量的95%左右[4],人口密度较低的美国等发达国家也达67%[5]。填埋场产生的垃圾渗滤液对周围地区的水体、土壤造成了严重的污染,影响着周围的生态系统平衡[6-8]。国外资料报道,目前几乎所有的填埋废弃物隔层都已发生渗漏,不仅污染地下水,而且还渗入到土壤。即使在发达国家,渗漏现象也时有发生,如美国现有约86%的填埋场在污染地下水[9-14]。因此调查和研究垃圾渗滤液对周围环境介质的污染现状、污染机理、迁移转化和沉淀以及生物有效性等地球化学行为,是摆在国内环境地质工作者面前的一个重要课题。

1 垃圾渗滤液特点及其影响因素

垃圾渗滤液是指垃圾在堆放和填埋过程由于发酵和雨水的淋溶、冲刷、以及地表水和地下水的浸泡而滤出来的污水,其形成过程为生物、化学、微生物降解过程[5,9]。渗滤液是一种高浓度的有机废水,由于其浓度高,流动缓慢,渗漏持续时间长,对周围地下水、地表水以及土壤均会造成严重的污染,其污染延续时间可以长达数十年甚至上百年[5,10,11]。影响渗滤液性质和成分的主要因素:垃圾成分、有机物及生物降解、产生的气体和热量、填埋场条件、填埋操作和管理、填埋地点的水文地质条件、气候、填埋年限[14-17]。试验研究显示,城市垃圾填埋场渗滤液有机污染物高达77种,其中芳烃类29种,烯烃类18种,酸类8种,酯类5种,醇、酚类6种,酮、醛类4种,酞胺类 2种,其它5种[15]。另有研究显示,在垃圾渗滤液中鉴定出93种有机化合物[18],其中有22种被列人我国和美国环保局环境优先控制污染物的“黑名单”中。垃圾渗滤液中主要污染物及其浓度范围如表示所示[19,20]。

2 垃圾渗滤液的环境污染

(1)垃圾渗滤液对水体的污染。垃圾填埋场周围地下水、地表水的污染与垃圾渗滤液密切相关,这取决于填埋场底下的岩性和渗滤液收集系统、底层和四周衬层的缺乏[21]。国内外环境工作者就垃圾填埋场渗滤液对周边地下水和地表水的环境污染开展的大量的相关性研究,主要包括:垃圾渗滤液对水环境污染的特点、影响因素、污染机理、迁移转化以及生物有效性等地球化学行为。

表1 城市固体垃圾渗滤液的化学成分(mg/L)

渗滤液对地表水、地下水的污染特点主要表现在:水体混浊,有臭味,COD、三氮含量高,油、酚等有毒有机物污染严重,细菌、大肠菌超标。垃圾渗滤液中含有高浓度氨态氮[22],当渗滤液下渗到地下水中,造成严重的氮污染。由于地下水处于还原状态,故主要以NH3一N污染为主。使用受渗滤液污染的水体灌溉农田会引起富营养化和生态毒理效应,对农作物造成不良影响,如使水稻出现贪青徒长现象,空穗率、批谷率增加,导致产量减少50%一70%[23]。此外,渗滤液往往含有多种金属离子[24],生活垃圾与工业垃圾混埋,金属离子将更高在意大利Ferrara省Sant'Agostino垃圾填埋场监测显示,渗滤液通过水压力作用渗透到地下,造成了周边地下水中重金属Co、Ai、Zn、Pb、Cr、Ni等、阴离子Cl-、SO42-以及含菌量超标[25]。渗滤液对地表水、地下水造成的污染程度与季节性和填埋期限明显相关。千岛湖镇垃圾填埋场渗滤液对环境影响分析发现,公路外侧库湾水质COD、B0D5、TP、金属Mn严重超标,污染程度随季节变化,干旱季节排污量较少,汛期对千岛湖影响最大[26]。由于渗滤液的产量从填埋期一封顶期一封闭后期逐渐下降,因此其对地下水的污染也逐渐减缓,但污染是一个长期的过程。填埋场封场后,生物分解过程还会持续10～20年,即使在封场后70～100年的时间仍可能有渗滤液渗出。如位于广州白云石区太和镇人源村的老虎窿填埋场封场后8年,仍有带褐色的垃圾渗滤液流进附近的水体[15]。

国内外学者就垃圾渗滤液迁移、作用机理及其对污染水体和底泥中金属离子分布规律、生物有效性影响也开展了相关的研究。北京市北人堂垃圾填埋场渗滤液在地下环境中的迁移和作用机理研究结果显示:垃圾在淋滤初、中期降解很快,向环境中释放的污染也较大;在中、后期阶段,渗滤液中Cl-和的浓度仅为初始浓度的0.4%和3.5%,低于该区地下水中的正常浓度,COD和为初始浓度的4.9%和3.6%,但仍高于地下水的正常值和国标地下水Ⅲ类水质标准,即有机物分解缓慢,对地下水的影响时间很长[27]。在丹麦Vejen垃圾填埋场,渗滤液污染的地下水中金属离子以溶解态,有机态和胶体状态迁移、分布[28]。上海老港垃圾填埋场渗滤液、地下水和地表径流水中汞的生物有效性研究显示,渗滤液中的汞主要为以颗粒态汞(S-Hg)形式存在[29]。有机酸是垃圾渗滤液的主要成分,水体底泥中有机酸的含量影响着其对金属的吸附。葡萄牙首都里斯本城市垃圾填埋场周围污染水体中的底泥连续3年的监测结果显示:从垃圾场排出废水中的有机物是底泥吸附重金属的重要媒介,底泥吸附金属的含量与有机物含量密切相关,在污染源附近,金属易于通过有机物吸附在底泥表面;沿着溪流方向,随着底泥有机物含量的下降金属浓度也随之下降[30]。

(2)垃圾渗滤液对土壤和植物的污染。目前,国内外关于渗滤液对周围土壤和植物污染的报道较为少见。主要包括:垃圾渗滤液对周边土壤和植物环境污染特点的研究;垃圾渗滤液对周边土壤中重金属元素生物有效性等地球化学行为影响的研究。城市垃圾填埋场周边土壤的污染特点结果表明[31,32],受垃圾渗滤液的浸蚀影响,垃圾区周围土壤酸性增大,土壤有机质和其它养分含量明显增加。离堆体越近,土壤有机物增加越明显,说明垃圾渗滤液改变了周围土壤的性状;垃圾场周围土壤重金属含量明显高于对照土壤,表明垃圾区周围土壤已受到渗滤液的重金属污染。在北京西郊某垃圾填埋场周围土壤的重金属污染顺序为:铬＞铜＞锌＞锰＞铅[32]。并且当填埋场周边土壤中渗滤液有机物和金属铁锰共存时,大量的有机物质能活化土壤中的铁锰,增加其有效性,在降雨排水作用下,有效态溶解性Fe、Mn随垃圾渗滤液淋溶下渗进人底层土壤和地下水中,造成底层土壤和地下水严重的铁锰污染[32]。广州市李坑生活垃圾填理场周边植被(包括乔木、灌木、草木、果树和蔬菜)Zn、Cr、Pb、As、Cu、Hg 6种污染物的质量指数评价显示,填埋场场区及灌区内有轻度污染,而场外与灌区外则相对较轻或无污染[33]。在上海老港填埋场,垃圾渗滤液里含有大量有机物和重金属,对土壤造成严重污染,致使填埋区内大片芦苇枯萎、死去[34]。

3 现代同位素地球化学示踪技术在垃圾填埋场污染监测中的应用

近年来,国外已应用同位素技术示踪垃圾渗滤液对周围环境的污染。新西兰达尼丁市Kaikorai河口的绿岛垃圾填埋场对环境污染研究显示,垃圾填埋场渗滤液、Kaikorai河口上、下游水样和植物中的C、N 同位素特征明显,在垃圾渗滤液中N-NH4的δ15N 高,而N-NO3的δ15N 低;地下水N-NH4的δ15N同位素低,而N-NO3的δ15N同位素高;渗滤液排污口下游即Kaikorai河口下游C、N同位素特点与渗滤液类似;渗滤液和Kaikorai河口下游水的溶解无机碳的C同位素富13C,而Kaikorai河口上游水贫δ13C。将同位素分析与常规的化学监测项目如氨浓度结合,揭示了渗滤液为Kaikorai河口的污染源。同时,对Kaikorai河口沿岸的植物C、N同位素分析结果表明,渗滤液是下游植物的氮污染源[35]。水体中溶解无机碳的δ13C为示踪垃圾渗滤液对周围环境污染的有效示踪剂[36],渗滤液和下游水的溶解无机碳富13C,δ13C平均值为20‰;而上游水贫13C,其δ13C值在-5‰～-25‰。垃圾渗滤液富13C主要是由于产甲烷菌在生成甲烷时更容易选择12C,从而识别了垃圾场周围的水体受到了垃圾渗滤液的污染。

4 城市垃圾填埋场的环境影响研究发展趋势

综合国内外的城市垃圾填埋场渗滤液对环境污染的地球化学研究现状,其重要的发展趋势是:(1)运用常规化学监测与高精度同位素测试技术相结合,以区分和示踪垃圾填埋场渗滤液对环境的污染,分析其对周围环境的污染现状、迁移转化规律等;(2)研究垃圾渗滤液中的有机物对周边土壤重金属有效性的影响,评价其生物可利用性及生态风险;(3)通过对渗滤液排污口及其下游地表水底泥中的重金属元素和难溶有机物分析,研究有害元素及难溶有机物在水-土环境系统的循环演化过程。

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