填埋场的年龄和水文地质条件对控制地下水污染具有重要作用

《Waste Management》：Age and hydrogeological conditions of landfill site control groundwater pollution in landfill site

垃圾填埋场渗滤液与地下水污染特征研究基于128个典型填埋场样本，分析发现污染物类型随填埋年龄呈现阶段性变化：＜5年以重金属（Fe、Mn）为主，5-10年以氨氮（NH??-N）为主，＞10年以难降解有机物为主。迁移受水文地质条件显著影响，浅层地下水（＜10m）污染最严重，超标率达85.8%，而深层地下水受吸附作用影响浓度较低。研究揭示填埋场污染具有多源复合特征，主要来源为重金属工业废渣（PC1）、生活污水（PC2）和电镀废液（PC3）。提出需加强全周期监测、完善多介质耦合模型及优化政策法规协同机制。

　　随着全球城市化进程的加快，城市固体废物的产生量持续增长，预计到2050年将达到34亿吨或人均每日1.42公斤。填埋作为一项低成本、操作简便的固体废物处理技术，仍然是全球最广泛使用的处理方式之一。然而，随着填埋场的运行时间延长，防渗层老化导致渗滤液对周围地下水环境造成长期而隐匿的污染威胁。因此，准确识别渗滤液的污染特征及其迁移过程，对于地下水保护至关重要。本研究通过分析区域内的129个典型填埋场，探讨了渗滤液和地下水在雨季的化学演变特征、污染物来源及影响机制。研究发现，该区域渗滤液和地下水的主要污染物包括高浓度的氯离子（Cl?）、氨氮（NH??-N）、重金属以及难降解有机化合物，其组成随填埋场的年龄呈现出系统性变化。年轻填埋场（<5年）主要表现为重金属（如铁、锰）污染，而中年填埋场（5–10年）以氨氮为主要污染物，老年填埋场（>10年）虽然污染物浓度总体下降，但难降解有机化合物的比例显著增加。地下水污染物的迁移和分布受水文地质条件的显著影响，山区填埋场的地下水污染物超标率（26.8%）明显低于平原地区（85.8%）。此外，填埋场地下水污染物超标率与埋深呈高度显著的负相关（r = -0.98，p < 0.01），表明浅层地下水（<10米）是污染物的主要聚集区。具有非饱和带（包括粉砂-黏土层）的填埋场地下水污染物超标率（约38.4%）显著低于含有砾石层的地区（约81.6%），而孔隙水含水层表现出最广泛的污染，超过70%的样本超出监管标准。

填埋场地下水污染具有显著的时空复杂性。Ya Xu等人使用动态多相流传输模型（DMFU）对危险废物填埋场的渗滤液长期环境行为进行了高分辨率模拟，结果表明填埋场地下水污染物的释放和迁移表现出明显的阶段性特征和非线性趋势。Toheeb Lekan Jolaosho等人利用高精度地理空间映射与健康风险模型相结合的方法，绘制了填埋场地下水污染高风险区域的分布图，结果显示在填埋场100米半径范围内，高风险区域的分布表现出显著的异质性。此外，填埋场地下水污染还受到多种环境因素的影响，如处理的废物类型、填埋技术与设计以及当地气候和水文地质条件。Mojtaba Nouri Goukeh的综述指出，填埋场中新兴污染物（如全氟烷基物质、微塑料、药品和个人护理产品）的浓度受废物成分、填埋场年龄、废物降解阶段及环境条件的多重因素控制。

为了实现填埋场地下水的环境安全，全球研究人员对水质动态监测、溶质迁移模拟、污染物来源分析、污染物迁移转化实验及生态健康风险评估等进行了广泛而深入的研究。然而，以往的研究主要集中在单个填埋场或小范围区域，样本量有限，数据结构单一，往往仅考虑填埋场的年龄和水文地质条件。本研究选取了中国某一人口密集省份的区域作为研究对象，该地区环境介质丰富且密集分布，同时由于区域经济发展水平的限制，周边工业和采矿企业较少，从而降低了填埋场地下水污染研究中的“场地效应”，为本研究提供了有利条件。

本研究对128个填埋场的渗滤液和地下水进行了采样分析，共采集了127个渗滤液样本和764个地下水样本。所有采样集中在雨季（7月至9月），每个填埋场下游设有地下水监测井，同时在填埋场上游设置水质控制点。渗滤液样本从调节池中采集，具体采样方法详见补充材料。地下水监测依据《地下水质量标准》（GB14848-2022）对31项常规指标和20项非常规指标进行检测。为了更好地理解地下水的水化学类型及其与污染水平之间的关系，研究还对K?、Ca2?、Mg2?、CO?2?和HCO??等离子进行了检测。所有采样和分析测试由河北省地质环境监测院负责，质量控制则由河北省生态环境保护技术服务中心和河北科技大学共同承担。分析测试方法和检测限详见补充材料。对于更多关于采样和质量控制的细节，可参考相关机构的官方网站。该地区的填埋场分布如图1(c)所示。

地下水质量评估是系统理解填埋场污染现状的重要方法。本研究采用标准指数法（PI）和综合污染指数（LPI）对填埋场地下水质量进行评估。评估阈值采用了《地下水质量标准》（GB14848-2022）中的IV类标准（详见补充材料）。研究结果表明，该地区填埋场地下水污染表现出显著的空间差异性和多源复合特征。常规化学指标（如pH、总硬度、TDS、SO?2?、Cl?、NH??、DO、NO??、I?、F?、S2?、挥发性酚类、阴离子表面活性剂、NO??、B等）和重金属指标（如Fe、Mn、Cu、Zn、Al、Na?、As、Se、Sb、Pb、Ni、Co、Ti）均表现出不同程度的超标。综合污染指数（LPI > 5）评估结果显示，保定市的超标率最高（35%），而石家庄市和保定市的超标率最低（29%和35%）。沧州、衡水、邢台、唐山和邯郸等平原及农业发达地区的填埋场氮污染尤为突出，反映出农业非点源污染的影响。在东部沿海地区，由于人口密度和经济发展水平较高，挥发性有机化合物（VOCs）和半挥发性有机化合物（SVOCs）的浓度相对较高。总体来看，该地区填埋场地下水污染模式受到区域水文地球化学背景和人类活动强度的共同调控。

填埋场渗滤液和地下水的水化学类型分析是研究其化学组成和形成机制的重要方法。通过Piper三线图模型对填埋场渗滤液和地下水的水化学类型进行分析，结果显示该地区地下水和渗滤液的水化学类型主要为CI?-Na?型，具有高盐度的特征。地下水的化学类型受到区域含水层中水-岩相互作用的显著影响，表现出多样性。值得注意的是，高TDS的渗滤液和地下水离子组成显示出显著的相似性，表明渗滤液的高盐度特性对地下水化学组成具有重要影响。调查发现，该影响在填埋场内部呈现出明显的空间梯度模式，不同位置的地下水样本显示出连续的水化学演变轨迹。水化学类型与渗滤液高度相似的点（Na?含量超过80%、Cl?含量超过70%、TDS > 50 g/L）主要分布在填埋场下游和调节池周边，这些区域通常是填埋泄漏的核心区域。

在地下水污染源分析方面，主成分分析（PCA）结果显示，该地区填埋场地下水污染主要来源于填埋废物。共识别出11个主成分，其中PC1（贡献率26.59%）主要由Fe、Mn、Cu、Zn、F?、As、Cr(VI)和Pb组成，这些污染物与重工业废物（如钢渣和水泥窑灰）密切相关。由于该地区是中国重要的工业基地，主要涉及钢铁、水泥和化工等行业，这些行业每年大量排放工业废物，导致填埋场污染的主要来源之一。PC2（贡献率15.65%）主要由NH??、Hg、Cd、苯、甲苯、Ni、Co、乙苯和二甲苯组成，其中NH??是有机废物（如厨房垃圾和粪便）厌氧降解的典型产物。芳香族化合物（如苯、甲苯、乙苯和二甲苯）与石油化学品日常用品废物（如溶剂、燃料和塑料降解产物）相关。Hg、Cd、Ni和Co广泛存在于电子废物（如电池、电路板和含汞照明设备）中。PC3（贡献率11.07%）主要由SO?2?、Cl?、Na和Se组成，其污染标志与电镀行业密切相关。电镀层中的主要材料包括这些污染物，SO?2?和Cl?主要来源于电镀酸洗废液（如硫酸和盐酸），而I?和B则常见于特殊电镀工艺中的添加剂。PC1、PC2和PC3的方差贡献率显著高于其他成分，累计方差贡献率达到48.78%。因此，该地区填埋场渗滤液的污染主要由三个主导来源：重工业废物（PC1）、生活废物（PC2）和电镀废物（PC3）。然而，值得注意的是，尽管其他污染源的方差贡献率相对较低（<8%），但其累计贡献率却相当高（>45%）。相应地，调查发现该地区填埋场中医疗废物、建筑垃圾、粉煤灰等废物的处置普遍存在。总体来看，填埋场渗滤液的污染物来源表现出明显的多源复合特征。因此，在填埋场管理中，建议尽可能实施分类填埋措施，这不仅有助于减少渗滤液的污染负荷，还能降低高风险污染物的生成，从而降低后续处理成本。

地下水污染物的浓度和类型随填埋场年龄的变化呈现出显著的差异。在年轻填埋场（<5年），废物降解主要发生在初始好氧阶段和厌氧酸化阶段。在初始好氧阶段（0–2年），渗滤液中的有机污染物（如芳香烃、酚类和氯代烃）由于微生物活动的广泛作用而被大量降解，导致其浓度呈指数级下降。在此过程中，残余氧气逐渐被消耗，废物的降解模式从好氧向兼性厌氧转变。在厌氧酸化阶段（2–5年），渗滤液的pH通常降至6以下，由于酸产生菌的活动，原本不溶于水的有机和无机复合重金属变为可溶性。在此阶段，渗滤液中Fe和Mn的浓度显著高于其他重金属，达到数百毫克/升。其他重金属如Cu、Zn、Al、Na?、Hg、As、Cr(VI)、Pb和Ba的浓度也达到峰值（0.5–2毫克/升）。在厌氧还原环境中，硝酸盐和硫酸盐被还原为N?和H?S，导致S2?（<1毫克/升）和NO??（<5毫克/升）的浓度达到峰值，但总体仍较低，而NO??（200–500毫克/升）、SO?2?（200–1500毫克/升）和NH??（200–500毫克/升）则由于厌氧反应而受到抑制。在年轻填埋场中，地下水中的污染物浓度和频率通常较低，只有少数存在管理问题的填埋场显示出地下水重金属指标的异常升高。

在中年填埋场（5–10年），废物降解进入稳定的甲烷生成阶段。在此阶段，产甲烷菌将有机酸和氢气转化为甲烷，导致渗滤液的生物可降解性下降，pH值升高至弱碱性至碱性范围（6.5–8.5），渗滤液中的重金属浓度显著降低（0.01–0.1毫克/升）。SO?2?（3000–10000毫克/升）和NH??（1000–3000毫克/升）的浓度逐渐增加至峰值，而S2?、NO??和NO??的浓度则下降。本研究中，各种污染物的浓度迅速增加至峰值，与渗滤液的峰值浓度相比，表现出明显的滞后和稀释效应。Xiao-chen Sun研究了HDPE防渗膜在填埋场中的使用寿命，研究结果表明，在本研究的填埋场中，地下水污染的概率在填埋场运行几年后急剧增加。防渗层的老化和泄漏导致污染物逐渐向下迁移，进而造成地下水污染。因此，在中年填埋场中实施控制HDPE防渗膜老化的措施是预防地下水污染的有效手段。

在老年填埋场（10–15年），随着填埋场的成熟，废物的渗滤污染率下降，渗滤液中的污染物浓度也显著降低。pH值稳定在中性至弱碱性（7–7.5），渗滤液中各种污染物的浓度均低于0.1毫克/升（如重金属）或低于1毫克/升（其他污染物）。相应地，地下水中的污染物浓度也呈现出波动和下降的趋势。在超过15年的填埋场中，废物降解进入腐殖质降解阶段，可生物降解的组分已被大量降解和消耗，大部分污染物通过渗滤液排出，pH值维持在弱碱性水平（7.5–8.0）。然而，在实际调查中发现，一些填埋场长期使用反渗透膜技术进行渗滤液处理，导致大量浓缩液被重新注入填埋场，进而使得某些老年填埋场的渗滤液中NH??（1500毫克/升）、NO??（400毫克/升）及某些重金属和难降解有机化合物的浓度异常升高。此外，许多老年填埋场的防渗层已经失效，导致这些污染物在地下水中的浓度升高。

某些常规污染指标在渗滤液和地下水中的浓度随填埋场年龄的变化呈现出独特的模式。例如，氰化物（CN?）、氟化物（F?）和碘化物（I?）的浓度受吸附、络合和沉淀作用的影响较小，在酸性生成阶段和甲烷生成阶段，其在渗滤液中的浓度保持稳定。然而，在地下水中的浓度随时间显著上升，这是由于长期污染负荷的累积效应所致。TDS和DO的浓度受酸化影响，其在中年填埋场地下水中的浓度达到峰值，与大多数重金属的浓度变化模式相似。阴离子表面活性剂在年轻和中年填埋场的渗滤液中浓度较高，但在地下水中的检测率较低，这可能与它们的高挥发性和降解性有关，从而防止它们进入地下水。

在水文地质条件对填埋场地下水污染物的影响方面，不同水文地质条件下的填埋场地下水污染物超标率存在显著差异。总体而言，填埋场地下水污染物的超标率随着地形条件从坝上高原、燕山和太行山区以及华北平原逐渐向沿海平原增加。这可能是由于地形主导了填埋场污染物的迁移过程，通过控制水动力条件来实现。同时，某些污染物在不同地形条件下的富集程度也存在差异，这可能与不同的地球化学环境和污染源有关。其中，氧化还原环境显著影响填埋场地下水中的氮形态和重金属活性。坝上高原和燕山、太行山区地形较高，氧化条件良好，地下水埋深较大，因此NH??在该区域被大量转化为NO??。相比之下，华北平原地形逐渐平坦，地下水流动缓慢，溶解氧不足，系统转变为还原环境，硝化作用受阻，导致NO??在该区域积累。而在沿海平原，由于海洋有机物的降解消耗了大量氧气，NH??和S2?在该区域的还原环境中大量积累，同时海水盐度对沉积重金属的吸附-解吸平衡产生影响，导致As和Fe在潮间带被激活。

关于地下水储层类型，填埋场地下水污染物的超标率在孔隙水储层中最高，这在平原、山间盆地和沿海沉积黏土层中广泛分布，填埋场渗滤液在孔隙空间中均匀扩散，常形成扇形污染羽。基岩裂隙水主要分布在山区，其地下水径流路径较短（<15公里），水化学循环强烈交替，地下水子流域大多与地表水子流域重合，因此整体上对填埋场渗滤液污染的敏感性较低。地下水和地表水流域大多重叠，填埋场通常为封闭或半封闭的独立水文地质单元。因此，这些流域不易受到填埋场渗滤液污染的影响，因为污染区往往呈分支状分布，且NH??和某些重金属的含量较高，这可能与大量高渗透性的基岩裂隙水裂隙通道的存在有关，这些通道容易导致污染物的局部迁移，形成高浓度点。喀斯特水中的高NO??含量可能与硝酸盐（KNO?）或富含氮的沉积层有关。

尽管本研究在深入了解填埋场渗滤液和地下水的化学特性、污染物来源及年龄和水文地质条件对污染特征的影响方面取得了一定进展，但仍存在一些局限性，需要进一步研究。首先，本研究基于单一采样结果，采样集中在雨季，缺乏地下水位较低时的监测数据，以及在雨季受到稀释干扰的数据，这可能导致对填埋场渗滤液和地下水污染程度的低估。因此，有必要对高风险区域进行补充调查，应包括至少一个完整的水文年数据（包括干季和雨季的样本）。其次，本研究主要关注常规监测指标，而对新兴污染物（如PFAS和药物残留）、微塑料（粒径<5微米）、微生物指标（如抗生素耐药基因和致病菌）以及持久性有机污染物（POPs）和二噁英的系统监测严重不足。这种监测空白可能导致对填埋场复合污染的理解出现偏差。未来的研究可以利用高分辨率质谱、微拉曼光谱（μ-Raman）和宏基因组测序技术，建立连接填埋场宏观污染特征与微观分子级污染的跨尺度机制框架。第三，本研究缺乏对填埋场周边环境基线值的详细调查，使得区分填埋场本身污染与周边人类活动污染变得困难。未来研究可以采用同位素混合模型、接收源分析模型、污染物示踪等技术，以增强多源数据融合的分析能力。第四，本研究的当前填埋场监测系统缺乏系统性建设，对经济政策与环境效应之间的协同机制理解不足。因此，未来有必要结合政策目标、环境成本核算和多源数据耦合分析模型的构建，进一步优化监测系统的布局，解决当前环境监管与风险管理之间的结构性矛盾。