豫中平原區(qū)某城市生活垃圾填埋場地下水水質(zhì)評價

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(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.河南省焦作市城市垃圾處置管理站，河南 焦作 454000；4.康達(dá)環(huán)保水務(wù)有限公司，河南 焦作 454000)

目前，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市生活垃圾產(chǎn)生量逐年增多，其產(chǎn)生的滲濾液對地下水水質(zhì)造成了不同程度的影響。根據(jù)2017年《中國統(tǒng)計年鑒》[1]，全國已建成城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場657座，衛(wèi)生填埋處理生活垃圾11 866.4萬 t，占城市生活垃圾無害化處理量的60.3%。目前，國內(nèi)研究多是應(yīng)用軟件對地下水進(jìn)行數(shù)值模擬和污染評價研究[2-3]以及對簡易垃圾填埋場周圍環(huán)境的污染風(fēng)險分析[4-6]，主要側(cè)重于垃圾填埋場選址的適宜性以及地下水、周圍土壤某一事故分析[7-9]，然而規(guī)范建設(shè)的垃圾填埋場究竟是否還會對周圍地下水環(huán)境造成影響，相關(guān)報道較少。

本研究采用模糊綜合評價法對上述城市生活垃圾填埋場的地下水進(jìn)行水質(zhì)評價，以便為城市生活垃圾場的科學(xué)管理提供理論基礎(chǔ)，并為預(yù)防地下水污染、保護(hù)水資源提供重要依據(jù)，研究結(jié)果對于評價國內(nèi)目前較為規(guī)范建設(shè)運(yùn)行的城市生活垃圾填埋場的環(huán)境風(fēng)險及地下水環(huán)境影響具有重要意義。

1 區(qū)域概況

1.1 地下水水質(zhì)監(jiān)控

豫中平原某城市生活垃圾填埋場距市區(qū)東南邊界15 km，主要利用廢棄的磚瓦場坑地建設(shè)，日處理生活垃圾約1 000萬 t，從2008年開始運(yùn)行至今，已填埋垃圾約355.13萬 t。該垃圾填埋場庫區(qū)占地20.4 hm2，選用高密度聚乙烯(1.5 mmHDPE膜)土工膜(單糙面)與粘土復(fù)合襯里系統(tǒng)作為填埋庫區(qū)與調(diào)蓄池的主要防滲層。在垃圾填埋場場址周圍900 m內(nèi)沒有村莊，廠界外即為農(nóng)田。

該項目所在地地下水流向為西北—東南，根據(jù)《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)中地下水水質(zhì)監(jiān)測井的布置要求，在垃圾填埋場四周布置5個水質(zhì)監(jiān)控井，分別為填埋場上游30 m的1號本底監(jiān)控井，滲濾液調(diào)節(jié)池下游30 m、50 m處的3號、4號污染監(jiān)視井，填埋場東、西兩側(cè)各50 m處的2號、5號污染擴(kuò)散井。

1.2 樣品采集及測試

2016年12月6日在該垃圾填埋場5個地下水井進(jìn)行分別取樣，每個采樣點(diǎn)采集1L水樣，水樣采集后，立即將水樣容器蓋緊、密封、貼上標(biāo)簽，委托河南思源監(jiān)測有限公司進(jìn)行指標(biāo)監(jiān)測，監(jiān)測分析方法按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164—2004)中的相關(guān)要求。

2 水質(zhì)現(xiàn)狀評價

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

本研究采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14818—2017)進(jìn)行評價。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可知，地下水水質(zhì)分為5類，其中，Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，Ⅳ-Ⅴ類屬于不易于直接飲用水水質(zhì)。

2.2 評價因子

根據(jù)《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)中地下水檢測要求，結(jié)合垃圾滲濾液的水質(zhì)特征，本研究確定的評價因子有pH、耗氧量(CODMn法)、揮發(fā)性酚類、氨氮、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、砷、汞、鉛、六價鉻、鎘等15項。

2.3 結(jié)果分析

各指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示，由表1中可知5個監(jiān)測井的一般化學(xué)指標(biāo)(pH、溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物等)和毒理學(xué)指標(biāo)(硝酸鹽、亞硝酸鹽、鉛、汞、六價鉻、鎘等)均達(dá)到了《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14818—2017)Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)，3號井的耗氧量、揮發(fā)性酚類、氨氮以及砷均達(dá)到了(GB/T14818—2017)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，4號井的耗氧量達(dá)到了(GB/T14818—2017)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，2號監(jiān)測井的氨氮超過了(GB/T14818—2017)Ⅴ類，超標(biāo)嚴(yán)重，經(jīng)實地調(diào)研，可能與周圍環(huán)境有一定的影響關(guān)系，而其他監(jiān)測井的氨氮均達(dá)到了Ⅲ類。各監(jiān)測井的其他因子如硝酸鹽、亞硝酸鹽氮、以及重金屬(汞、鉛、六價鉻、鎘)均都達(dá)到(GB/T14818—2017)Ⅱ類水體標(biāo)準(zhǔn)。

表1 某垃圾填埋場地下水監(jiān)測結(jié)果一覽表

2.4 評價方法

目前，模糊數(shù)學(xué)是在水質(zhì)評價中應(yīng)用較多的一種數(shù)學(xué)方法，具有減少人為因素，使各污染因子在總體污染中定量化、清晰化，評價結(jié)果更為清晰、客觀、合理等優(yōu)點(diǎn)[10]。

(1) 建立因素集

選擇對水質(zhì)影響較大的因子建立評價指標(biāo)因素集合，如f個評價因子，即因素集U={U1，U2，…，Uf}。

(2) 確定評價集

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，把地下水水質(zhì)分為5類評價等級，即評價集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，分別為優(yōu)良、良好、較好、較差、極差。

(3) 確定隸屬函數(shù)，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

隸屬函數(shù)是模糊評價中的一項重要內(nèi)容，是單項指標(biāo)進(jìn)行評價的依據(jù)，直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用比較成熟的降半梯形分布圖來確定隸屬函數(shù)[10]。進(jìn)而得到每個評價因子的隸屬度，隸屬度是指該因子在指定論域中的隸屬程度[11]，根據(jù)評價因子的個數(shù)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級以及各級的隸屬度確定模糊矩陣。

當(dāng)Ci屬于第一級水質(zhì)的隸屬函數(shù)為：

(1)

當(dāng)Ci屬于第j級水質(zhì)的隸屬函數(shù)為

(2)

當(dāng)Ci屬于最后一級水質(zhì)的隸屬函數(shù)為

(3)

式中：Uij為評價因子i對j級水質(zhì)的隸屬度，Ci為第i個評價因子的實測濃度，Sij為第i評價因子的j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。若有n個評價因子，m級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可得模糊矩陣R。

(4)

(4) 確定指標(biāo)權(quán)重集

一般權(quán)重采用加權(quán)法，反映評價因子在決定水質(zhì)上所起的作用的度量[12]，計算公式如下：

(5)

式中：Wi為第i個評價因子的權(quán)重值。

(5) 確定模糊綜合矩陣

利用模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算法則，模糊綜合評價向量B=W·R=(BⅠ,BⅡ,BⅢ,BⅣ,BⅤ)，對模糊綜合評價向量B進(jìn)行比較，根據(jù)最大隸屬度原則，選擇其中最大值作為水質(zhì)評價等級的評判依據(jù)[10]。

3 評價結(jié)果與分析

3.1 模糊綜合評價法

根據(jù)降半梯形對監(jiān)測井評價因子的隸屬度進(jìn)行計算分析，以1號監(jiān)測井為例，采用隸屬函數(shù)公式，求得各級隸屬度并構(gòu)建模糊矩陣R1：

則1號監(jiān)測井的權(quán)矢量為：

W1=(0.287 3，0.118 33，0，0.076 83，0.094 2，0.074 9，0.039 8，0.003 28，0.006 0，0.173 5，0.015 9，0，0.037 0，0.033 5，0.039 7)

則模糊綜合評價向量B1=W1×R1=(0.366 2，0.616 6，0.017 3，0，0，)

根據(jù)最大隸屬度原則，選擇最大值作為水質(zhì)評判等級的依據(jù)。可以確定1號監(jiān)測井的評價結(jié)果為Ⅱ類，其他監(jiān)測井的各級隸屬度和最終水質(zhì)評價結(jié)果可用上述方法求得，評價結(jié)果匯總于表2。

表2 地下水模糊綜合評價結(jié)果一覽表

3.2 評價結(jié)果分析

由表2可知，1號井、5號井評價結(jié)果均為良好(Ⅱ類)，2號井評價結(jié)果為極差(Ⅴ類)，3號井評價結(jié)果為較好(Ⅲ類)，4號井評價為優(yōu)良(Ⅰ類)。其中，3號井的耗氧量、揮發(fā)性酚類、氨氮和砷以及4號井的耗氧量均在地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中屬于Ⅳ類，屬于單項因子超標(biāo)，而其模糊綜合評價法結(jié)果得出水質(zhì)較好，這種差別主要是模糊評價法用隸屬函數(shù)來表述水質(zhì)分級界限更為精細(xì)，且模糊評價法是對15個檢測指標(biāo)均賦予不同的權(quán)重，權(quán)重考慮了監(jiān)測指標(biāo)對環(huán)境因子以及對環(huán)境的降解難易等因素[13-14]。2號監(jiān)測井的模糊綜合評價結(jié)果為Ⅴ類，屬于極差水質(zhì)，這與2號井的氨氮的含量超標(biāo)有關(guān)，且2號監(jiān)測井位于滲濾液調(diào)節(jié)池地下水下游，而滲濾液有氨氮含量高等特點(diǎn)，考慮需要對滲濾液調(diào)節(jié)池的防滲層進(jìn)行檢測。

3.3 討論與建議

該場區(qū)的填埋庫區(qū)與滲濾液調(diào)節(jié)池的地下防滲系統(tǒng)均采用土工膜防滲結(jié)構(gòu)。在場地平整和鋪設(shè)完地下水導(dǎo)排系統(tǒng)以后，先鋪設(shè)一層GCL膨潤土墊，代替《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》要求的厚度不小于1 m的粘土膜下保護(hù)層，在 GCL 膨潤土墊上鋪設(shè)1.5 mm HDPE光面土工膜，再鋪設(shè)一層300 g/m2土工布用作為隔離層，土工布上回填300 mm粘土層作為膜上保護(hù)層。根據(jù)模糊綜合評價結(jié)論，可知2號監(jiān)測井(污染擴(kuò)散井)的水質(zhì)較差主要是由于水中氨氮超標(biāo)引起。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，2號監(jiān)測井距垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池東南方向約3 m，距垃圾填埋場污水處理站東南約23 m，距廠界外東邊養(yǎng)牛畜牧場約100 m，且500 m外即為農(nóng)田。因此2號監(jiān)測井水質(zhì)差與廠區(qū)附近養(yǎng)殖場的糞便排污、農(nóng)田施肥、垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池及污水處理站構(gòu)筑物的滲漏均有關(guān)系，建議該垃圾填埋場可使用電學(xué)法[15]對調(diào)節(jié)池的防滲系統(tǒng)進(jìn)行檢測。而其他監(jiān)測井的水質(zhì)較好，說明填埋場區(qū)防滲系統(tǒng)使用完好。

為了進(jìn)一步避免垃圾填埋場的建設(shè)及運(yùn)行對地下水的環(huán)境風(fēng)險，建議加強(qiáng)生活垃圾分類收集，提高固體廢物的利用率，并定時對填埋場的地下水井進(jìn)行監(jiān)測，實時了解防滲系統(tǒng)的使用狀況，減少對地下水的污染。還需對填埋場場區(qū)的地下水導(dǎo)排系統(tǒng)出水口的水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測，以便了解場區(qū)是否出現(xiàn)滲濾液滲漏現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，應(yīng)立即進(jìn)行處理，找出滲漏點(diǎn)采用注漿等措施，并對周圍受污染土壤進(jìn)行改良[16]。對于目前擬新建的城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場，建議要加強(qiáng)污水處理站相關(guān)水處理構(gòu)筑物的防滲措施，從源頭避免垃圾滲濾液滲漏對地下水的影響。

4 結(jié)語

(1)某規(guī)范建設(shè)的垃圾填埋場設(shè)置的5眼水質(zhì)監(jiān)控井，符合技術(shù)規(guī)范要求。監(jiān)測結(jié)果顯示，5個監(jiān)測井的pH、溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽、亞硝酸鹽、鉛、汞、六價鉻、鎘等均達(dá)到了《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14818-2017)Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)，2號監(jiān)測井的氨氮超標(biāo)嚴(yán)重，超過了Ⅴ類。3號井的耗氧量、揮發(fā)性酚類、氨氮以及砷達(dá)到了Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，4號井的耗氧量達(dá)到了Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)。

(2)模糊綜合評價法的評價結(jié)果為，2號井的水質(zhì)為Ⅴ類，而其他監(jiān)測井的水質(zhì)均達(dá)到了Ⅲ類。通過現(xiàn)場調(diào)研分析，2號監(jiān)測井的水質(zhì)差與廠區(qū)附近養(yǎng)殖場糞便排污、農(nóng)田施肥、垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池及污水處理站構(gòu)筑物的滲漏均有關(guān)系，可用電學(xué)法對垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池的防滲層進(jìn)行檢測。其他監(jiān)測井水質(zhì)良好，說明填埋場區(qū)防滲系統(tǒng)使用完好，垃圾填埋場的運(yùn)行對場地附近地下水影響較小。

(3)為降低垃圾填埋場運(yùn)行對地下水的環(huán)境風(fēng)險，建議加強(qiáng)生活垃圾分類收集，且要定期對垃圾場地下水進(jìn)行監(jiān)測以及加強(qiáng)對滲濾液調(diào)節(jié)池的管理，及時了解防滲系統(tǒng)的使用狀況。并定期監(jiān)測填埋場區(qū)地下水導(dǎo)排系統(tǒng)出水口水質(zhì)，防止出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。若出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，可采用注漿等措施對其進(jìn)行處理。通過對垃圾填埋場定期進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測與評價，實時監(jiān)控地下水水質(zhì)的變化情況，加強(qiáng)防滲系統(tǒng)的建設(shè)，減少對周圍環(huán)境造成危害，為防治地下水污染做出重要依據(jù)。