浏览次
从20世纪80年代开始，我国城镇化发展迅速，城市生活垃圾（MSW）产量快速增加，据统计，其中超过90%的清运垃圾采取简易填埋的方式进行处理[1]。如今，这些简易垃圾填埋场有些已经封场，有些还在继续运营。这些简易填埋场底部一般没有铺设人工防渗衬垫，也很少设置渗滤液收集和导排系统，垃圾渗滤液易对其周边土壤及地下水造成污染，特别是渗滤液中重金属，其污染扩散易对周边居民带来潜在的健康威胁[2]。国内已有研究者关注这个问题，并开展调查研究工作。夏立江等[3]调查发现北京西郊某简易垃圾填埋场在运行十多年后周边土壤中重金属含量明显高于对照土壤中的含量。刘可卿等[4]研究也发现，南京某垃圾填埋场的周边土壤中Cu，Zn，As三种重金属含量分别高出天然土壤背景值86%，250%，300%，对周边动植物存在较高的潜在生态风险。上海老港填埋场渗滤液已经污染了该处地下水系统，地下水中重金属Pb和Cd含量较高[5]。此外，也有填埋场重金属对周边土壤污染程度不高或者相关联程度不明显的报道，如Kasassi等[6]对希腊某已封场的简易填埋场研究时发现，约一半的取样点重金属最大值出现在2.5m深度，无法确定与填埋场渗滤液中重金属污染一定相关。何品晶等[7]对杭州天子岭填埋场中垃圾重金属含量时发现，渗滤液中重金属含量较低，并且各种垃圾中重金属的多以结合态形式存在，释放率也很低。上述调查研究结果的差异，除了与不同填埋场渗滤液中污染负荷不同有关外，还与不同填埋场底工程地质及水文地质条件的差异有关，特别是场底天然岩土层渗透及扩散性能。因此，必须针对典型场地条件的填埋场开展调查和研究，才能对简易填埋场污染状况获得有代表性、客观的评价结果。
本文所调查研究的淮南某垃圾填埋场是20世纪90年代初投入使用的简易填埋场，场底没有设置人工防渗衬垫和渗滤液导排系统。该填埋场地属于中国华北陆块区，场底具有较厚的天然黏性土层，是中国东部平原地区较为典型的简易填埋场场地。为了掌握该简易填埋场底部及周边土壤的污染状况，笔者开展现场勘查和室内测试研究，现场调查工作包括在填埋场内外钻孔勘探、取土样和水样、水位测试等，室内测试工作主要包括土样和水样中重金属含量及其存在形态的测试分析。本文的研究结果不仅能为这类场地上的简易填埋场重金属污染程度和范围评价提供数据资料，而且还可为类似场地上新建或扩建填埋场污染控制系统设计提供依据。
1场地工程地质与水文地质条件
该垃圾填埋场位于淮南市的东南方向，离市区约5km。填埋场南面有舜耕山、大通山，北面6km外为淮河，地形为南高北低，地表及地下水由南向北流入淮河。填埋场分东西两块紧邻区域，西侧填埋区面积约为30000m2，已填埋了17a，当前垃圾堆体平均高度为15m，东侧填埋区域面积约50000m2，5a前投入使用，当前垃圾堆体平均高度为5m。本次调查研究选取填埋年限较长的西部区域，如图1所示。图1中也显示了现场勘探取样的7个钻孔位置（#1～#7）。该区域为大通煤矿的塌陷区，场底土层主要为第四系冲积土层[8]，由上至下依次为：1～2m厚耕植土层、2～4m厚为粉质黏土层、5～8m厚老黏土层、基岩。土层颜色由浅至深从黄色、黄褐色转变为青灰色，黏土层含铁锰结石较多，5m深处土层有膨胀性。根据钻孔勘探及土性室内测试结果：浅层耕植土含水率较高（±30%），下卧的粉质黏土含水率较低（＜25%＝，室内采用变水头法[9]测得其渗透系数5.0×10-6～8.0×10-6cm/s，测得深部的老黏土层的渗透系数约为3.0×10-7cm/s。填埋场底及周边土壤均呈弱酸性（pH=6.3～6.8）。该场地地下水位在填埋场上游#7钻孔处埋深为0.5m，下游#3～#6处埋深为1～1.5m，填埋场内渗滤液水位高出场底8.7m（图2）。
图1填埋场平面布孔示意图
图2填埋场钻孔布置剖面图
2取样和测试方法
2.1取样
（1）土样
如前所述，钻孔取样点设置在填埋历时17a的西部区域，沿地下水流向布置了7个钻孔，其中填埋场内部2个，场外5个，如图1，2所示。场内钻孔#1，#2间距10m，各自距离填埋场边缘的渗滤液沟65m，场外钻孔#3，#4，#5，#6距填埋场边渗滤液沟的距离分别为18，35，65，105m；#7位于填埋场上游，距离渗滤液沟100m。钻孔勘探、取样工作从2007年7月开始，历时3d。填埋场内部钻孔取样时，需首先钻穿15m厚的垃圾层，这2个孔钻探采用套管护壁，以防止塌孔并避免钻孔中积累过多水分，当钻至场底土层时抽取渗滤液样品，然后抽掉孔内残余的渗滤液，采用岩芯管一次性钻取2m长土样（图3），直至风化基岩，按“上密下疏”的原则本次共取土样110个，每个土样长度为20cm。用于本次室内测试分析的土样共48个。
图3一次性钻取的2m长土样
（2）水样
填埋场内钻孔完成后待24h后测量渗滤液水位并采集渗滤液样4个，将不能马上分析的水样加入数滴稀硝酸后放入冰箱4℃保存。
2.2测试项目
本次土样测试项目包括重金属Cu，Pb，Zn，Cr及有机质含量，对部分土样中重金属各化学形态含量进行了测试，渗滤液的测试项目包括上述4种重金属，COD、NH4+-N等污染指标。
2.3样品处理与测试分析方法
现场运回不能马上处理的土样，应先置于冰柜冷冻室（<-18℃）保存。土样预处理前，按计划先选出待测试土样，然后从每段待分析土样中切取约400g土，置于塑料盘中自然晾干，再剔除沙石等粗颗粒异物，拌匀后细磨过60目筛，用四分法取其中二份置于广口玻璃瓶中，一份做重金属含量和有机质含量分析，另一份留样。重金属全量分析时，先采用微波消解法对土样进行全消解：精确称取0.2000g上述土样置于聚四氟乙烯消解罐中，用少量水将土湿润，再依次加入5mL浓硝酸、3mL浓盐酸、2mL氢氟酸，采用WX-4000型微波炉分步消解，消解液冷却后移入聚四氟乙烯坩埚，加入少量高氯酸并加热直至近干，再加入稀硝酸定容待测[10]。土样中重金属各化学形态的分析按Tessier等[11]的五步连续提取法进行：①可交换态：在1.000g土样中加入8mLMgCl2溶液（1mol/LMgCl2，pH7.0），室温下振荡1h离心分离出上层清液。②碳酸盐结合态：上步处理后的残余物在室温下用8ml1mol/LNaAc振荡浸提8h（HAc调节pH=5.0），离心分离上层清液。③铁锰结合态：上步处理后的残余物中，加入16mL0.04mol/LNH2OH•HCl在20%（V/V）乙酸中浸提3h（浸提温度为96℃±3℃），冷却后离心分离。④有机结合态：上步处理后的残余物中，加入3mL的0.02mol/LHNO3，5mL的30%H2O2（HNO3调节pH=2），加热至85℃±2℃反应1.5h，中间可搅拌几次。再加入3mL的30%H2O2（HNO3调至pH=2），再将混合物在85℃±2℃加热3h，偶尔搅拌，冷却后，加入5mL3.2mol/L的NH4AC20%(V/V)HNO3溶液，稀释至20mL，再振荡30min离心分离。⑤残渣态消解方法同全消解法，需要注意的是要用少量多次的方法尽量将附着在离心管壁上的土都转移至聚四氟乙烯罐中，减少人为误差的影响，提取过程中所用振荡器和离心机分别为培英THZ-C-1恒温振荡器和TDZ5多管自动平衡离心机（5000rpm），满足样品处理要求。
3测试结果分析与讨论
3.1渗滤液化学性质
表1显示了填埋场渗滤液基本污染指标测试结果，可见该填埋场渗滤液呈弱酸性，从#1与#2两个钻孔获得的渗滤液各指标测试结果差别不大，据文献报道[12-14]，不同填埋场和同一填埋场不同填埋龄期的渗滤液中COD浓度差异很大，笔者从苏州七子山垃圾填埋获取的新鲜渗滤液COD值超过10000mg/L，与上述文献报道比较，本填埋场渗滤液COD，BOD等项目含量属较低水平，可能是淮南地区生活垃圾中煤渣类无机废物所占比例较高，且取样时间处于雨季的原因。
表1填埋场渗滤液基本污染指标
3.2重金属在土层中分布
在渗滤液水头和浓度梯度作用下，填埋场渗滤液中重金属会向下卧及周边土层运移，运移的深度及范围与多种因素有关，包括渗滤液水头、重金属含量及存在形态、土层渗透、吸附及扩散特性、土壤pH值、地下水位及其流动情况等。如前所述，该填埋场已运行了17a。通过分析重金属在填埋场下卧及周边土层中含量及分布情况，可以确定渗滤液中重金属的运移深度及水平距离，为该填埋场污染评价及控制提供依据，还可为土层中污染物运移参数反分析提供数据。图4显示了4种重金属（Cu，Pb，Zn，Cr）在填埋场下卧土层及场外土层中总含量及其沿深度分布图。#7在填埋场上游，且远离填埋场，其深部土层的重金属含量测试结果可作为本研究的背景值。与该背景值相比，其它从各钻孔（#1～#6）土样测得的重金属含量均比较大，特别是从填埋场内两个钻孔（#1和#2）浅层土样获得的测试结果中，Cu，Pb最大值是背景值的3.2倍和5.1倍，Zn，Cr最大值分别是各自背景值的2.6倍和2.2倍。与国家土壤质量标准（GB15618—1995）相比，场内外土层中Cu，Pb，Cr含量都未超过二级标准（pH=6.5～7.5），Zn在#1～#5部分深度土层含量超过二级标准，但未超过三级标准。
（1）沿深度方向重金属含量及分布规律
在填埋场内两个钻孔（#1和#2），重金属Cu、Pb、Cr在0～2m深度范围内含量较高，2m以下逐渐降低并接近背景值。不同重金属在不同深度处累积达到峰值：Pb在1m深度出现峰值，Cr则出现在1～2m深度处，而Cu的峰值则出现在表层。相比之下，#1与#2钻孔中Zn在不同深度土层中的含量起伏比较大，#1钻孔中Zn含量峰值出现在2m深度土层，#2钻孔中Zn含量峰值出现在表层和6m深度处。Zn含量沿深度方向起伏较大表明它在该土层中表现出一定的活泼性[15]，与Cu，Pb相比，在土壤吸附的竞争中易落于下风而解吸附和发生扩散[14]。在填埋场外（#3～#6），Cu，Pb沿深度方向含量变化幅度较小，距填埋场较近的#3，#4钻孔呈上高下低的规律；而Zn，Cr含量变化幅度较大，但随着深度的增加，总体逐渐趋于背景值左右。
图4从各钻孔土样测得的重金属总含量沿深度分布
（2）重金属沿水平方向分布规律
将各钻孔、各深度土样测试结果在钻孔沿线的剖面上进行散点插值处理绘制成重金属含量分布云图如图5所示。（填埋场中心处取#1的测试结果为代表）。由图5（a）可见，Cu在#1，#3，#4浅层土中含量比较高，分别为36.55，27.58，26.63mg/kg，随着水平距离的增加（#3至#6），重金属Cu含量呈降低趋势，重金属Cu含量峰值出现的深度也逐步变深，这与地下水位逐渐降低的趋势类似。由图5（b）可见，Pb在#1钻孔深度0.5m的含量明显高于场外其余钻孔对应深度的含量，这表明在填埋场内该深度Pb有一定程度的累积，从填埋场边缘的#3测得的Pb含量稍高于#4，#5，#6和#7处的含量。由图5（c）可见，在#1～#5五个钻孔中深度3m以内Zn含量比较高，而在#6钻孔处，同深度处Zn含量比较低，接近背景值。在#4钻孔6m深度附近Zn含量明显高于周边区域，相反，在#5钻孔同样深度附近Zn含量明显低于周边区域。由图5（d）可见，Cr对氧化还原的环境比较敏感[10]，其在土层中含量变化幅度仅次于Zn，#1在深度2m处含量最高，达166.56mg/kg，场外各孔位除#3，#4浅层土中Cr含量略高，其余各测试点Cr含量均接近背景值。在#3，#4钻孔底部Cr含量略有升高，可能由于深部土层pH值升高，有部分三价Cr转化为扩散能力更强的六价Cr而扩散至底层并累积的结果[17-18]。
从各云图的颜色变化可以对各重金属在土层中的扩散范围做简单判断：在深度方向，Cu，Pb，Cr至少扩散至深度处2m，即击穿了浅部渗透系数较大的耕植土层。Zn扩散深度更大一些，至少达深度处3m，虽然Zn在#4钻孔深度6m处有累积，目前的测试数据还不能完全证明其与渗滤液运移和扩散一定相关。
测试结果表明：该填埋场深部的低渗透性的粉质黏土和老黏土层具有良好防扩散性能。在水平方向上，垃圾渗滤液中Cu，Pb，Cr似乎迁移至距填埋场边缘35m的#4钻孔处，从云图上看，Cu甚至迁移得更远一些，而Zn似乎已迁移至65m外的#5钻孔处。这些较大距离的水平迁移很可能是由于垃圾渗滤液在雨季沿地表溢流造成的，而不是通过土层渗流和扩散造成的。重金属在该填埋场水平扩散范围及途径仍有待于更深入调查、研究和验证。
（3）土层中重金属形态分析
土层中重金属总含量高低能在一定程度上表征土壤污染程度，重金属在土层中的形态分布则能反映土壤重金属的活性和扩散能力[19]。笔者对填埋场内#1孔位埋深为d=0，2，9m处及场外#7埋深d=8m处获得的土样中各重金属形态进行了测试，测试主要目的是要研究与垃圾渗滤液充分接触的表层、浅层及深部土层中重金属形态的差别，同时可与填埋场外洁净土层进行对比分析，测试结果如图6所示。从图6（a）可见，场外背景点（#7孔d=8m处）Cu的存在形态包括残渣态（92.2%）、有机态（0.41%）、铁锰结合态（3.8%）、碳酸盐态（3.2%）和可交换态（0.37%），可交换态和有机态Cu所占百分比均低于1%。与背景点相比，场内与渗滤液充分接触的土层（#1孔d=0m处）有机态含量达17.8%，碳酸盐态含量也有所增加，铁锰结合态含量有所降低，而可交换态Cu仍保持在很低百分比（约0.38%）。随着埋深的增加，有机态Cu含量明显降低，各形态比例趋向于背景点的测试结果。上述测试结果表明场底土层中有机物对Cu的吸附量是比较高的。图6（b）显示，场外背景点Pb的化学形态包括残渣态（65.5%）、有机态（2.3%）、铁锰结合态（20.6%）、碳酸盐态（11.4%）和可交换态（0.08%），除残渣态外，铁锰结合态和碳酸盐态占了较大比重。与背景点相比，场内表层土层（#1/d=0m）铁锰结合态Pb所占比例显著下降，仅为9.5%，碳酸盐态也有所下降，而有机态含量则大幅上升，含量达9.1%，随着埋深增加，有机态逐渐减少，铁锰结合态逐渐增加，形态比例趋近于背景点测试结果。这表明与渗滤液充分接触的场地土层中有机物对Pb也有较高的吸附量。图6（c）表明，场外背景点Zn的化学形态有残渣态（89.4%）、铁锰结合态（8.4%）、碳酸盐态（2.2%），可交换态与有机态未检出。场内表层土层（#1/d=0m）处残渣态Zn降至59.3%，其余各形态Zn含量均有不同程度的增加，并且出现有机态（8.9%）和可交换态Zn（0.85%），随着深度增加各形态比例趋于背景值。图6（d）显示，Cr在背景点各形态比例分别为残渣态（83.1%）、有机态（5.1%）、铁锰结合态（5.9%）、碳酸盐态（4.9%）和可交换态（1.1%），有机态比例高于Cu，Pb，Cr有机态所占比例。场内土层（#1/d=0m）处除有机态Cr增加至12.9%，残渣态减少至74.7%，其余形态所占比例变化不大，随着深度增加，有机态含量逐渐减少，各形态趋于背景值的形态比例。
图5各重金属含量在下伏土层中拟合分布图
图6不同埋深土样中各重金属各形态占总量百分数
上述研究结果表明，填埋场下卧各深度天然黏土层中可交换态重金属所占比例普遍较低，一般低于1%，这表明即使在弱酸性（pH=6.3～6.8）条件下，土层中能溶于地下水中的重金属所占比例极低，大部分重金属以其它难溶形态存在于土层中，这限制了重金属随地下水的运移和扩散。土层中有机态重金属含量所占百分比在与渗滤液接触的浅层土中要明显高于其它位置，这表明土壤中有机质对重金属有吸附和累积的作用，国内对此也有相关文献报道[20-21]。图7显示了填埋场内外各土层有机质含量沿深度分布图，图中#1，#2埋深d=0m处土样有机质含量分别为3.89%和4.64%，#3也达到了2.31%，随深度增加。显著下降，到深度1m处已降至1%以下，到深度2m以下基本维持较低水平并趋于背景值（即#7的测试结果）。填埋场外部#4，#5，#6表层土有机质在1%附近，随深度增加也呈下降趋势，到2m深度后有机质含量趋于背景值。上述结果也进一步印证了土壤中有机质对重金属的吸附作用；而土层有机质含量的垂直分布规律，可进一步验证渗滤液中除重金属外有机污染物对下卧土层的污染状况。
