《Waste Management》：Heavy metal distribution in MSW-derived soils and migration within the subjacent soil strata of landfills
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本研究对比了未覆盖与覆盖填埋场的重金属迁移特征，发现未覆盖场土壤中Pb和As分别超标4.15倍和44倍。通过六孔钻探采样结合汞浸入孔隙度、XRD等分析，揭示了防渗层拦截效应及深层土壤污染衰减机制（66-97%），为填埋场再利用方案选择提供环境风险评估依据。
韩可|闵良飞|陈胜张|梁同战|桂宝张|季武兰|宣琪张|舒宁郑|云敏陈
中国浙江大学岩土工程研究所软土与地质环境工程教育部重点实验室，杭州310058
摘要
垃圾填埋场是环境污染的重要来源，然而，关于填埋场基质中的重金属向下方土壤层迁移及其后续向下渗透的过程尚未得到充分研究。从六个钻孔（深度≤65米）中收集了城市固体废物（MSW）、下方土壤、渗滤液和地下水样本，这些样本分别来自未加衬里和加衬里的垃圾填埋场。与加衬里的垃圾填埋场相比，未加衬里的垃圾填埋场中MSW衍生土壤的污染程度更高，其中铅（Pb）和砷（As）的浓度分别超过了美国环保署（EPA）的区域筛选水平（RSLs）4.15倍和44倍。在未加衬里的垃圾填埋场中，重金属在衬里上方3米处积累，这反映了重金属的向下迁移趋势以及衬里的污染拦截效果。在未加衬里垃圾填埋场下方的土壤层（深度30–53米）中，不同重金属的迁移速度减缓了66–97%。高电导率的渗滤液改变了土壤的吸附能力和孔隙结构，从而显著影响了土壤中重金属的迁移和富集。风险评估表明，铬（Cr）和锌（Zn）是MSW衍生土壤污染指数（PI）的主要贡献因素，而镉（Cd）则主导了基于中国风险筛选值（RSVs）计算出的潜在生态风险指数（RI）。关于是选择原位封闭、挖掘和资源回收还是完全焚烧的处理方式，应基于经济可行性和环境风险的全面评估来决定。
引言
垃圾填埋场是重金属污染的重要来源，由于其复杂的污染物迁移路径，对环境构成了严重威胁（Rehman等人，2023年）。在垃圾填埋场基础设施建立相对较晚的发展中国家，早期的填埋场普遍缺乏必要的防护系统，如不透水的衬里（He等人，2024年）。Prakash等人（2024年）进一步指出，大多数发展中国家的垃圾填埋场仍然作为非卫生的露天堆放场运行。因此，未受控制的污染物会通过填埋场基质渗入相邻土壤，这一过程受到降水渗透和渗滤液渗出的驱动（Zhang等人，2023年）。这种不受控制的迁移不仅污染了周围土壤，还引发了连锁的生态影响（Jiang等人，2024年；Adeleye等人，2022年）。在“零废物城市”等环境政策的推动下（Lin等人，2022年），决策者会优先考虑对已完成的垃圾填埋场采取挖掘、资源回收或完全焚烧等处理方式。
为了防止和控制重金属向深层土壤迁移，以及避免MSW衍生土壤被重新利用（如用于农业、建筑和绿化）时带来的风险，有必要明确这些重金属在垃圾填埋场及其相邻土壤中的分布特征。例如，Singh和Chandel（2022年）在孟买垃圾填埋场上层3米深度的五个不同年龄区域采集了样本，揭示了重金属随时间的迁移模式。Liang等人（2023年）在未加衬里的垃圾填埋场进行了最大深度为11米的钻探，观察到深层废物中水溶性重金属的浓度相对较高。de Souza等人（2023年）报告称，在巴西一个垃圾填埋场附近的废弃矿层中仍能检测到重金属的渗出，表明即使在填埋场关闭后，这些污染物仍可能持续对环境产生影响。这些研究主要关注了相对较浅的废物层，而关于城市固体废物深层和天然粘土衬里的研究尚未得到充分探索。
污染物的迁移主要受介质内部的吸附、扩散和渗透过程控制，这些过程取决于介质的矿物组成和孔隙结构（Maity等人，2023年；Qin等人，2023年；Guo等人，2024年）。然而，在未加衬里的垃圾填埋场中，长期渗滤液的渗透会在土壤界面引发多相相互作用，包括有机物质与无机物质对吸附位的竞争（Lei等人，2023年；Nguyen等人，2024年）、pH值驱动的矿物重新沉淀（Su等人，2014年；Shi等人，2021年）以及孔隙结构的重组。柱状渗滤实验表明，竞争性阳离子可以占据重金属的吸附位，从而促进污染物的迁移（Wang等人，2023年；Kong等人，2024年）。此外，实验证据表明，渗滤液成分会改变孔隙网络，从均匀的微孔主导系统转变为裂缝控制结构，从而提高渗透性（Falamaki等人，2023年）。然而，在实际的垃圾填埋场中，这些相互作用的完整表现仍有待进一步揭示。
本研究调查了中国东南部一个未加衬里和一个加衬里的垃圾填埋场。通过六个钻孔（深度≤65米）连续采集了MSW、下方土壤、渗滤液和地下水的样本。结合使用汞侵入孔隙度测量（MIP）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等表征技术以及地球化学分析，全面了解了这些物质的分布情况。因此，本研究比较了MSW衍生土壤和下方土壤中的重金属分布及环境风险，并为垃圾填埋场下方土壤的劣化机制提供了现场证据，有助于制定垃圾填埋场的再利用方案。
部分摘录
场地描述
作为中国第一代卫生垃圾填埋场的代表，该研究场地位于中国东南部（120°12′E，30°16′N），包括两个按时间顺序建造的阶段（图1）。垃圾填埋场I（未加衬里）从1991年运营到2007年，在48公顷的区域内接收了超过900万吨的MSW。关闭后，垃圾填埋场I被封顶，坡度为1:3.5，并被改造成生态公园。垃圾填埋场I的底部特征为
含水量
根据对垃圾填埋场I和II不同深度的废物含水量测量结果（图S1），两者之间存在明显差异。在垃圾填埋场II（钻孔W5和W6）中，由于渗滤液的存在，形成了明显的含水量分层：在渗滤液以上深度（W5 < 15米，W6 < 15米），含水量处于37.75–48.43%的不饱和范围内；而在渗滤液以下深度（W5 > 30米，W6 > 35米），含水量始终超过75.1%。值得注意的是
下方土壤的劣化机制
W1剖面中重金属（镍（Ni）、铜（Cu）、砷（As）、镉（Cd）和铅（Pb）的垂直分布显示，这些重金属从填埋场基质（0–30米）长期迁移到了下方土壤层（30–53米）（图6(a)）。值得注意的是，在32米处重金属浓度有所降低，而在42米处则出现了富集现象。XRD分析（图7(a)）显示，32米和42米处的下方土壤含有石英、白云母和粘土矿物迪基石（dickite），这些矿物是主要的吸附介质
结论
本研究调查了两个垃圾填埋场中MSW衍生土壤和下方土壤中的重金属分布及环境风险。与加衬里的垃圾填埋场相比，未加衬里的垃圾填埋场中MSW衍生土壤的污染程度更高，其中铅（Pb）和砷（As）的浓度分别超过了美国环保署的区域筛选水平4.15倍和44倍。由于不透水衬里的拦截作用，加衬里垃圾填埋场中重金属主要在衬里上方3米处积累。
CRediT作者贡献声明
韩可：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、数据整理。闵良飞：撰写 – 初稿撰写、可视化、调查、正式分析。陈胜张：撰写 – 审稿与编辑。梁同战：调查。桂宝张：调查。季武兰：监督。宣琪张：方法论。舒宁郑：可视化。云敏陈：资源管理、项目协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3810300）、国家自然科学基金（项目编号：52588202）以及国家自然科学基金（项目编号：52370152、42372303和52108348）的支持。
