非正规垃圾填埋场土壤重金属分布特征与污染评价.pdf

第42 卷第4期2023年8 月土壤与重金属非正规垃圾填埋场土壤重金属分布特征与污染评价郑吉，王丽晓，陈胤再，傅瑜（宁波市生态环境科学研究院，浙江宁波3 150 12）摘要：非正规垃圾填埋场由于缺乏有效的污染防治措施，更容易受到重金属污染。以某非正规垃圾填埋场为例，对停运后第1年和第4年土壤9 项重金属含量进行检测，并通过单因子污染指数、综合污染指数、内梅罗污染指数和地积累指数等指标对其进行污染评价。结果表明，场地内底部土壤受到渗滤液下渗影响，重金属含量高于场地周边土壤样品，且与垃圾直接接触的表层土壤锑、镍含量最高。停运第4年场地内底部原状土锑、镍两种重金属含量是停运第1年的3.59 和2.55倍。仅场地中央点位在停运后第4年存在污染，早期填埋及填埋量较大区域随着填埋时间的变化，土壤污染程度加剧最为明显。该研究结论可为非正规垃圾填埋场环境管理和后期整治工作提供技术参考。关键词：非正规填埋场；重金属；土壤；分布特征；污染评价中图分类号：X53Distribution Characteristics and Pollution Assessment of Soil Heavy Metals in Informal Landfill(Ningbo Research Institute of Ecological&Environmental Sciences,Ningbo,Zhejiang 315012,China)Abstract:Due to the lack of effective pollution control measures,soil in informal landfill sites is threaten by heavy metalpollution.Taking an informal landfill site as an example,this paper detected the contents of 9 heavy metals in soil of an informallandfill site in the Ist and 4th year after the closure of operation,and evaluated by single factor pollution index,comprehensivepollution index,Nemero pollution index and geo-accumulation index.The results showed that the botom soil of the site wasaffected by the infiltration of leachate,the heavy metal content was higher than that of the soil samples around the site,and thesurface soil in direct contact with the garbage had the highest content of antimony and nickel.In the 4th year after the closure ofoperation,the concentrations of antimony and nickel in the undisturbed soil at the botom of the site was 3.59 and 2.55 times ofthat in the first year of closure,respectively.Only the central site was polluted in the 4th year after the closure of operation.andthe soil pollution in the early landfill and the area with a large amount of landfill increased most obviously with the change oflandfill time.Overall,the results can provide technical reference for environmental management and later remediation of informallandfill sites.Keywords:Informal Landfill;heavy metals;soil;distribution characteristics;pollution assessment四川环境SICHUAN ENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.04.032文献标识码：A文章编号：10 0 1-3 6 44(2 0 2 3)0 4-0 2 3 9-0 5ZHENG Ji,WANG Li-xiao,CHEN Yin-zai,FU YuVol.42,No.4August 2023引言生活垃圾在堆放和填埋过程中，垃圾中重金属会通过渗滤液等方式进入填埋场底部和周围土壤中 1-2 。非正规垃圾填埋场为未按照国家相关政策法规和规范标准建设和运行的垃圾填埋场，一般缺乏防渗、渗滤液收集及处置等污染防治相关措施，且运行管理不规范、垃圾前端分类不到位，生活垃圾中铜、铅、锌和汞等重金属会污染填埋场土壤 3-4。研究表明 5，非正规垃圾填埋场中的重金收稿日期2 0 2 2-0 6-2 0作者简介：郑吉（19 9 2-），男，浙江慈溪人，2 0 18 年毕业于浙江大学环境工程专业，硕士，工程师，主要从事环境污染防治研究。属污染情况要高于正规填埋场。填埋场土壤产生重金属污染后，会引起生态环境破坏。此外，污染土壤中的重金属可能会经地下水及地表水饮用途径或农作物食用途径进人人体，从而产生人体健康风险 6-7 。因此，非正规垃圾填埋整治已成为生态文明建设的迫切需要。目前已有研究对垃圾填埋场土壤及地下水污染特征评价开展相关工作，常采用的方法包括单因子污染指数法（StandardIndex）、综合污染指数法240（Co m p r e h e n s i v e I n d e x）、内梅罗污染指数法（Nem-ero Pollution Index）、地积累指数法（Geoaccumula-tion Index）等 8=-12 。上述研究对象往往只针对垃圾填埋场某一时期的污染情况进行评价，未进行长时期比较研究。本文对某非正规垃圾填埋场底部及周边土壤中重金属含量开展监测分析，采用上述评价方法，对比分析停运后第1年和第4年垃圾填埋对土壤环境的污染情况，为非正规垃圾填埋场污染管控及治理方案选择提供数据基础，为环境管理工作提供技术参考。1材料与方法1.1研究对象以某非正规垃圾填埋场为研究对象，该填埋场位于浙江省宁波市，占地面积约450 0 0 m。该填埋场非正规设计施工，所在场地历史上为填海围塘用地，仅底部采用铺设黏土进行防渗后即开展填埋作业。19 9 6 年起用于垃圾填埋，主要以生活垃圾为四川环境主，后期以建筑垃圾等含水率较低的垃圾为主。2017年9 月，该填埋场停止运营，未采取封场措施。经估算，该填埋场填埋及堆放垃圾总量约46.95万m。1.2样品采集考虑到该填埋场未进行分区填埋，污染分布较为均匀，因此在填埋场内部按照系统随机布点法布设5个点位（A1A 5）。为了解填埋场污染是否向周边土壤环境扩散，在填埋场边界四至外侧10 m处布设4个点位（B1B 4）。该填埋场范围及调查点位如图1所示，其中垃圾填埋深度根据相关地质勘察数据模拟。2 0 18 年底（停运后第1年）和2021年底（停运后第4年）对上述9 个点位进行了两次样品采集。场地内调查点位采用XY10 0型岩芯钻机进行采样，场地周边调查点位采用Geoprobe直推式土壤钻机进行采样，钻机钻至原状土层下6 m，对原状土每2 m取一个样，每个点位共计3 个土壤样品42卷&B4B1-10m-8m-6m-4m100m图1填埋深度及采样点位示意图Fig.1 Sampling sites and landfill depth of the informal landfill1.3样品处理与分析土壤样品自然风干后用木锤破碎，抹出杂质、混匀，过10 0 目筛后四分为2 份，一份测砷、汞的样品装人带有内塞的聚乙烯塑料瓶中，另一份直接装人牛皮纸袋供检测用。每个土壤样品分析铜、铅、镍、锌、锑、铍、镉、汞、砷等9 项重金属指标，其中铜、铅、镍、锌、锑、铍采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICPA ES）测定，镉采用石墨炉原子吸收分光光度法（GFA A S）测定，汞、砷采用原子荧光法（AFS）测定。1.4评价方法1.4.1单因子污染指数法单因子污染评价法是对单个污染物进行评价的方法，此方法是最常见的污染评价方法，也是最基础的评价方法，其公式见式（1）。P.S,式中：P，为污染物i的单因子污染指数，无量纲；S为污染物i的检测浓度，mg/kg；Ss i为污染物i的标准值或相关背景值，mg/kg。污染程度分(1)4期级情况见表1。指数无污染PP;1PIPI1P,P,0.7郑吉等：非正规垃圾填埋场土壤重金属分布特征与污染评价表1各评价方法污染程度分级情况Tab.1Grading standard of different evaluation methods轻微污染轻度污染1P;22 P;31PI22PI30.7P,1.01.0 P,2.00lgoi11 Igeoi2241中度污染偏重污染3P;5/3PI52.0P,3.025PI5/P,3.03 Igeoi4严重污染/4Igeoi51.4.2综合污染指数法综合污染指数法是对多个污染物单因子污染指数的平均值进行计算，从而进行综合评价，其公式见式(2)。PI=名Pni台式中：PI为综合污染指数，无量纲；n为污染物数，个。1.4.3内梅罗污染指数法内梅罗污染指数法对单因子污染指数最大值和平均值均进行考虑，综合反映污染状况 13-14。其公式见式（3）。P,=Pi+Piiag2式中：P,为内梅罗污染指数，无量纲；Pimax为单因子污染指数最大值，无量纲；Piag为单因子污染指数平均值，无量纲。1.4.4地积累指数法地积累指数法考虑岩石运动引起的背景值变化，采用了岩石修正系数以扣除自然成岩作用的影响 8.15。考虑到垃圾填埋场底部及周边土壤受到垃圾填埋影响，采用地积累指数法进行同类分析。其公式见式（4）。Igoi=log2式中：Igeoi为地积累指数，无量纲；k为岩石修正系数，取1.5。Tab.2 The concentrations of heavy metal in and around informal landfill soil场地内浓度范围检测指标2018年铜10.2 69.8铅10.2 17.0镍17.4 33.60.636 2.011.4.5数据统计方法土壤重金属检测数据采用Excel2020软件进行整理统计，统计分析采用SPSS22.0软件完成，绘图采用Origin9.0软件完成。(2)2纟结果与讨论2.1土壤重金属空间分布特征对场地内外不同点位土壤重金属含量进行对比分析，结果见表2 所示。由表2 可知，除铍、汞外，场地内底部土壤中铜、铅、镍、锌、锑、镉、砷7 种重金属的检出浓度高于场地周边土壤。其中，镍含量差别最大，场地内土壤镍含量平均值为P2(3)(4)表2 场地内外土壤重金属检测结果场地周边浓度范围2021年2018年14.0 21412.2 27.313.6 11610.4 17.3 23.0 59118.1 31.2 0.220 40.30.709 1.8249.4mg/L，场地周边土壤镍含量平均值为2 2.4mg/L，相差2.2 0 倍。锑、铜、铅的相差倍数为1.581.73倍，镉、砷、锌的相差倍数为1.2 8 1.30倍。有研究认为 16 ，垃圾降解产生的渗滤液可能会下渗进人垃圾填埋场底部地下水从而产生污染，污染的底部地下水经流动引起周边污染。垃圾填埋过程中，填埋场底部土壤比周边土壤更容易受到重金属污染。在场地内点位不同深度土壤样品的比较中，重金属含量差异较大，与垃圾直接接触的表层土壤重金属含量往往高于底层土壤。锑、镍两种重金属在表层土壤样品与深层土壤样品中相差倍数最大，分别为3.49 倍和2.6 0 倍，这与上述场地内外差别情况类似，说明锑、镍两种重金属更容易在填埋场土壤环境中扩散。(mg/L)标准值标准值来源2021年12.3 23.710.3 14.7 18.3 25.11.10 2.07200040015020GB 36600-2018第一类用地筛选值242续表2检测指标铍汞锌四川环境场地内浓度范围场地周边浓度范围2018年2021年1.51 2.531.24 3.42 0.055 0.3240.040 1.0600.031 0.0680.036 0.2634.4 7.83.7 91.747.2 91.445.0 133042卷标准值标准值来源2018年2021年1.66 2.61 1.91 2.620.063 0.7760.074 0.1270.057 0.0910.036 0.0765.3 9.33.5 9.049.0 90.550.7 71.315208203500DB 33/T 892 2013住宅及公共用地筛选值2.2不同年份土壤重金属含量比较垃圾填埋场停运后第1年和第4年的检测结果进行比较，场地内底部土壤重金属含量均有不同程度地增加。镍含量由17.4 3 3.6 mg/L增加至23.0591mg/L，平均增加了3.59 倍，锑含量由0.636 2.01 mg/L 增加至 0.2 2 0 40.3 mg/L，平均增加了2.55倍。镍、锑污染随着时间的扩散最为明显，结合前文研究结果显示，镍、锑在时空变化过程中污染扩散最为明显。早期生活垃圾中含有电池、电表等电子垃圾 17 ，这类电子垃圾中可能含有镍、锑，导致这两种重金属逐步污染土壤。2021年土壤的铅、镉、砷、铜平均含量也均为2018年土壤含量的2 倍以上。随着时间的推移，填埋场底部土壤重金属污染情况将进一步加剧。但是，不同年份填埋场周边土壤中，重金属含量除锑含量增加1.3 5倍外，其余无明显变化，基本保持同一水平，表明填埋场底部土壤比周边土壤更容易受到重金属污染。2.3土壤污染评价结果2.3.1单因子污染指数法采用GB36600一2 0 18 中重金属第一类用地筛选值作为评价标准，对其中未规定的锌，采用场地所在浙江省的地标DB33/T8922 0 13 住宅及公共用地筛选值。对各点位重金属数据进行单因子污染指数分析，仅2 0 2 1年A3点位与垃圾直接接触的表层土壤样品存在污染情况，其余点位各指标均为未污染。该点位表层土壤砷、镍、锑存在污染，其中，砷和镍P，值分别为4.59 和3.9 4，属于中度污染，锑P，值为2.0 2，属于轻度污染。A3点位位于填埋场中央，填埋深度为10.5m，为各点位最深，填埋垃圾基本为最早期填埋的生活垃圾。A3点位2018年均为未污染，2 0 2 1年表层土壤却产生了污染，这表明随着填埋时间的加长，与垃圾直接接触的土壤污染程度会进一步加剧。2.3.2综合污染指数法综合污染指数法在单因子污染指数法评价结果基础上进行，对同一点位不同土壤深度的各重金属含量进行综合评价，结果见图2 所示。由图2 可知，所有点位PI值均小于1，属于未污染，这与单因子污染指数法评价结果存在差异。A3点位在2021年的单因子污染指数存在砷、镍、锑属于中度污染或轻度污染，而该点位在综合污染指数法中属于未污染。这表明综合污染指数法会在多因子的分析中稀释单独因子的污染情况，从而降低污染评价，在仅有几个指标超标的多指标评价中，综合污染指数法可能会存在对污染程度的轻判。在各点位的比较中，A1、A 3、A 4三个点位的2 0 2 1年综合污染指数明显高于2 0 18 年情况，A2、A 5及周边土壤点位2 0 2 1年与2 0 18 年情况基本相同。这三个点位主要集中于填埋场北部区域，综合污染指数明显增高可能与北部区域为早期填埋区域、填埋深度较深有关，早期填埋的区域以及填埋量较大的区域中，土壤污染程度可能会加剧。0.60.50.10A1A2A3A4A5B1B2B3B4采样点位图2 土壤综合污染指数法评价结果Fig.2 Evaluation results of heavy metal in soil usingcomprehensive pollution index method2.3.3内梅罗污染指数法内梅罗污染指数与综合污染指数均在单因子污染指数的基础上进行，但两者的评价结果存在明显差异。A3点位在2 0 2 1年内梅罗污染指数为3.2 7，2018年一0 2 0 2 1年14期属于重度污染。内梅罗污染指数法同步考虑各污染因子的平均值和最大值，且两者的权重相同，因此，会在综合污染指数法基础上放大最大污染因子的评价，在仅有几个指标超标的多指标评价中更为适用（图3）。对于单因子污染指数法认为未污染的点位，内梅罗污染指数评价结果与综合污染指数法基本相同。3.373.210.40.30.20.10A1A2A3A4A5B1B2B3B4采样点位图3 土壤内梅罗污染指数法评价结果Fig.3Evaluation results of heavy metal in soilusing Nemero pollution index method2.3.4地积累指数法地积累指数法评价结果与单因子污染指数法评价结果较为相似，仅2 0 2 1年A3点位与垃圾直接接触的表层土壤样品存在污染情况，其余点位各指标均为清洁土壤。但两者在污染程度上的描述略有差异，砷和镍Igeoi值分别为1.6 1和1.3 9，属于轻度污染，锑Igeoi值为0.43，属于轻微污染。总体而言，相比单因子污染指数法而言，地积累指数法描述等级更为细致，但是对污染的描述可能会减轻3 结 论（1）场地内底部原状土土壤受到渗滤液下渗影响，重金属含量高于场地周边土壤，且与垃圾直接接触的表层土壤样品重金属含量高于深层样品。在早期填埋的区域以及填埋量较大的区域中，土壤重金属污染可能会加剧。（2）对填埋场停运后第1年和第4年土壤的检测结果表明，场地内底部土壤锑、镍两种重金属更容易在填埋场土壤环境中扩散，这可能与垃圾填埋成分相关。相较场地周边土壤，重金属污染扩散更容易在底部土壤中发生。（3）单因子污染指数、内梅罗污染指数和地积累指数评价结果表明，仅2 0 2 1年A3点位土壤郑吉等：非正规垃圾填埋场土壤重金属分布特征与污染评价治工作提供技术参考。2018年一0-2 0 2 1年243存在污染，但污染程度描述存在差异。而综合污染指数法认为未污染，在仅有几个指标超标的多指标评价中，该方法会降低污染评价。（4）以某非正规垃圾填埋场为例，对比分析填埋场停运后第1年和第4年土壤重金属的污染扩散特征，可为非正规垃圾填埋场环境管理和后期整参考文献：【1白丽荣，龚航远，徐敏，等.太原市某垃圾填埋场渗滤液及周边环境重金属污染及健康风险评估 J.生态毒理学报，2021,16(4):313-322.2 Xia Y A,Qian S,Sla D,et al.Do high levels of PPCPs in landillleachates influence the water environment in the vicinity of land-fills?A case study of the largest landfill in ChinaJ.Environ-ment International,2020,135:105-404.3巧张亚会，填埋场周边土壤的重金属污染特性研究及评价D.成都：西南交通大学,2 0 15：48-49.4刘娟，黄美菱，杨静，等.垃圾填埋场及周边土壤重金属污染研究 J.四川环境，2 0 15153（3）：2 5-3 0.5胡馨然，杨斌，韩智勇，等.中国正规、非正规生活垃圾填埋场地下水中典型污染指标特性比较分析 J.环境科学学报，2019,39(9):3025-3038.6李鹏辉，邹晓燕，楼婕，等.不同季节垃圾填埋场周围重金属污染特征及评价 J.环境化学,2 0 18,3 7（1）：41-50.7董晓丹.某大型垃圾填埋场环境调查分析 J.环境卫生工程,2 0 19,2 7(6):2 5-2 9.8叶舒帆，郭永生，潘霞，等.某非正规垃圾填埋场场地调查与污染评价 J.环境工程,2 0 2 1,3 9（3）：2 14-2 19.9李亚静，黄庭，谢哲宇，等.非正规垃圾填埋场土壤和地下水重金属污染特征与评价 J.地球与环境，2 0 19,47（3）：361-369.10赵小健.基于Hakanson潜在生态风险指数的某垃圾填埋场土壤重金属污染评价 J.环境监控与预警,2 0 13,5（4）：43 44.11姚建刚，龙伟，李清毅，等.四川红层地区简易垃圾填埋场地下水污染现状调查及防治对策 J.四川环境,2 0 18，（3）：79-84.12张维，岳波，张志彬.陈腐垃圾的重金属污染特征及其潜在风险评价 J.陕西师范大学学报（自然科学版），2 0 13,41(3):89-92.13邓凯文.垃圾填埋场土壤重金属污染特征及生态风险分析J.中国资源综合利用,2 0 2 1,3 9（9）：12 5-12 8.14郭笑笑，刘丛强，朱兆洲，等.土壤重金属污染评价方法 J.生态学杂志,2 0 11,3 0（5）：8 8 9-8 9 6.15Muller G.Index of geoaccumulation in sediments of the RhineRiver J.Journal of Geology,1979,2(3):108-118.16徐颖,马艺铭,张溪，等.某生活垃圾填埋场周边地下水饮水途径健康风险评价J.生态环境学报，2 0 2 1,3 0（3）：558-568.17穷达卓玛，汪晶，周文武，等.拉萨垃圾填埋场渗滤液处理站周边土壤重金属含量分析及评价 J.环境化学，2 0 2 0,3 9(5):1404-1409.