垃圾填埋場地下水污染修復技術優選研究

張士寬，王月，安達*，張伯強，周煉，賴健，涂婷

1.中國環境科學研究院國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室，北京 100012 2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083

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垃圾填埋場地下水污染修復技術優選研究

張士寬1,2，王月1，安達1*，張伯強1，周煉1，賴健1，涂婷1

1.中國環境科學研究院國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室，北京 100012 2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083

結合國內外地下水污染場地的修復經驗，綜合考慮當地社會經濟條件、地下水脆弱性、污染物特征等因素，采用層次分析法建立了修復技術優化指標體系；在此基礎上運用多準則決策分析模型(MCDA)進行地下水污染修復技術優選排序，構建垃圾填埋場地下水污染修復技術篩選模型；并以湖北省某簡易垃圾填埋場為例進行應用研究。結果表明：在備選的5種場地地下水修復技術(監測自然衰減技術、滲透反應格柵、多相抽提技術、抽出-處理技術、原位微生物修復技術)中，抽出-處理技術、原位微生物修復技術較為理想。綜合考慮該污染場地條件、地下水污染治理要求及附近受體分布情況，得到最佳修復方案為：高污染風險區域采用抽出-處理技術和原位微生物修復技術組合；低污染風險區域采用監測自然衰減技術。

垃圾填埋場；地下水污染；修復技術；多準則決策分析(MCDA)

近年來，垃圾填埋場滲濾液污染地下水的事件屢見不鮮[1-2]，且滲濾液對地下水的污染是一個長期的過程，填埋場封場后生物分解過程還會持續10～20 a，在封場后的70～100 a仍然可能有滲濾液滲出[3-6]，垃圾填埋場已成為我國地下水最主要的污染源之一，地下水污染修復工作迫在眉睫。如何科學地開展生活垃圾填埋場地下水污染修復工作是我國“十三五”期間研究熱點之一，目前在垃圾填埋場地下水污染修復技術的選取方面主要靠專業技術人員的主觀判斷，仍存在一定的盲目性和隨意性。因此，針對不同地區垃圾填埋場的場地條件及污染狀況，在綜合考慮經濟、技術、社會等因素條件下，制定出適合當地實際情況的、科學客觀的地下水修復方案顯得尤為重要。

多準則決策分析(multiple criteria decision analysis, MCDA)模型是一種可將具有相互沖突、不可共度的有限(無限)方案集中進行選擇的決策方法，該方法能夠將主觀定性評價轉化為定量表達，使之更加科學化，克服了決策者的個人偏好，提高了決策的有效性[7-9]。筆者將MCDA模型應用于垃圾填埋場地下水污染修復技術優化研究，并以湖北某垃圾填埋場為例開展應用研究，制定適用于該場地的地下水污染修復技術優化方案，以期為科學開展地下水污染修復工作提供參考。

1 研究方法

1.1 地下水污染修復技術優化指標體系的建立

參考《美國超級基金項目修改報告》[10]、《污染場地修復技術報告(目錄)》[11]，并結合我國地下水修復技術的發展情況，采用層次分析法構建地下水修復技術優化指標體系，構建修復技術優化指標體系時應綜合考慮當地社會經濟因素、場地水文地質特征及資源環境因素等[12]。指標體系包括準則層〔經濟效益指標(B1)、技術指標(B2)及社會環境指標(B3)〕和指標層〔設備投資(C1)、運行費用(C2)、后期處理費用(C3)、修復周期(C4)、污染物去除效率(C5)、技術成熟度(C6)、場地適用性(C7)、資源消耗(C8)、周圍影響(C9)和公眾認可度(C10)〕等(圖1)。

圖1 地下水修復技術優選指標體系Fig.1 Index system of groundwater remediation technology optimization

1.2 基于MCDA的地下水污染修復技術優化方法

利用MCDA模型中的消去和選擇轉化法，并結合改進的ELECTERⅡ處理地下水修復技術優選中的離散型決策問題[13-14]，對初篩的地下水修復技術進行比選，提出修復技術優選順序，并確定最優修復方案。

(1)構建地下水污染修復技術篩選指標初始矩陣，并進行規范化處理。通過收集資料、查閱文獻和征詢專家意見構建各方案屬性值的初始矩陣，利用線性變換進行屬性值的規范化。

(2)進行地下水污染修復技術篩選指標體系的相關性分析。為了確保指標體系的有效性，計算指標體系中各指標的協方差及標準差，并對各項指標進行兩兩比較，計算指標之間的相關系數，從而根據相關系數得出各項指標之間的相關性，排除高度相關的指標體系。

(3)確定指標體系中各指標的權重。利用層次分析模塊建立層次結構模型，構造兩兩判斷矩陣，求得各指標權重值。

(4)計算正規化多準則決策矩陣。假設有m個方案，n個評價指標，正規化多準則決策矩陣(Vij)可由下式求得：

(1)

式中：rij為規范化的第i個方案對應第j個評價指標的屬性值；ωj為指標的權重。

(5)計算一致矩陣與非一致矩陣。利用MCDA模型中改進的ELECTREⅡ建立一致與非一致矩陣。

首先對正規化多準則決策矩陣中任意2行進行比較，若第k列中第i行的屬性值(vik)比第j行的屬性值(vjk)偏好程度高(vik≥vjk)，則k歸類于一致性集合(Cij)，否則歸類于非一致性集合(Dij)，其中k=1,2,…,n。一致性集合與非一致性集合可用下式表達：

(2)

將每個一致性和非一致性集合中各元素代表的指標的權重分別相加，得到一致性矩陣(C)和非一致性矩陣(D)：

(3)

(4)

式中：cij表示方案ai比方案aj的相對優勢指數；dij表示方案ai比方案aj的相對劣勢指數。

考慮指標的權重信息，式(4)中分子為劣勢集中標號所對應2個方案的加權屬性值之差中的最大值，分母為各目標中對應2個方案的加權屬性值之差的最大值。最后計算修正非一致性矩陣(D′)：

(5)

(6)計算修正型加權合計矩陣：

(6)

(7)計算凈優勢值并進行排序。根據所求得修正非一致矩陣及修正型加權合計矩陣，計算出凈優勢值，根據凈優勢值的大小進行優劣排序。

(7)

式中Cy為方案ay對其他方案的加權合計優勢之和減去其他方案相對方案ai的加權合計優勢之和，反映了方案的加權合計凈優勢。Cy越大，表示方案ay越優。

2 案例研究

2.1 研究區概況

研究所選垃圾填埋場位于湖北省東南部，經調研發現該場地為簡易生活垃圾填埋場，無人工防滲膜以及任何帶有滲濾液處理或預處理設施。該填埋場自1999年開始投入運行，占地80 000 m2，庫容量150萬m3，日處理垃圾350 t，已填埋垃圾約120萬t，于2010年封場綠化。

該場地三面環山，且地處低洼處，場內海拔高度約50 m，周圍東、西、北面山體頂海拔高度80～120 m，南面地勢逐漸降低。地下水主要有上層滯水、垃圾滲濾液及潛水。上層滯水賦存于人工填土覆蓋層中，主要受大氣降水的入滲補給，地下水位埋深0.8～5.6 m。垃圾滲濾液賦存于覆蓋層下的填埋垃圾層中，與上層滯水互通成為一個含水層。潛水含水層主要賦存于場地底部的中粗砂層中，主要接受側向地下水的補給，地下水埋深24.6～33.2 m。

研究區域現有4個居民區(D、E、F和G)。通過現場踏勘，確定該區域地下水總體流向為由北到南。在場地及附近區域共設置8處地下水采樣點(圖2)。為進一步了解污染場地地下水污染狀況，劃分重點治理區域，根據場地水文地質條件以及污染物分布特點，利用地下水脆弱性和污染源綜合評價耦合模型，并運用GIS平臺建立各因素的空間圖層，將圖層疊加進行構圖表征，進行污染區域地下水污染風險等級劃分，最終把該區域分為5個等級：Ⅰ、Ⅱ級分區為低污染風險區；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級分區為高污染風險區(圖3)。

圖2 研究區采樣點分布Fig.2 Sampling points in the study site

圖3 研究區地下水污染風險等級分區Fig.3 Groundwater pollution risk mapping of the study site

由圖3可知，地下水高污染風險區集中分布在垃圾填埋場附近區域，由垃圾填埋場向周邊污染物風險指數逐漸變小；場地下游居民區D和E的地下水存在較大的污染風險。

對研究區滲濾液各項指標進行了現場監測，主要常規污染物檢測結果如表1所示。根據GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》[15]的排放限值可知，研究區滲濾液中氨氮濃度超標，為排放限值的31.76倍。主要有機污染物中，苯濃度為3.1 μg/L，其他有機項目未檢出，有機污染物檢測結果均未超標。另對研究區地下水質進行了檢測，依據GB/T 14848—93《地下水質量標準》[16]的分類排放限值可知，僅在D區域附近檢測到氨氮濃度略超Ⅲ類標準限值。綜上結果，表明該場地的主要特征污染物為氨氮。

表1 研究區滲濾液主要常規污染物檢測結果

Table 1 Detection result of major pollutants in leachate of the study site mgL

表1 研究區滲濾液主要常規污染物檢測結果

污染物氨氮濃度六價鉻濃度砷濃度鎘濃度鉛濃度汞濃度檢測值794<0.0040.034<0.0001<0.001<0.0005排放限值1)250.050.10.010.10.001

1)執行GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》。

2.2 修復技術初篩

根據調研及地下水污染分區評價結果，該垃圾填埋場及其附近區域受到地下水污染，下游居民區D和E有較高的污染風險，需采用主動修復技術進行污染地下水修復。鑒于該垃圾填埋場地下水中的特征污染物為氨氮，且屬于簡易垃圾填埋場，無人工防滲膜及任何帶有滲濾液處理或預處理的設施設備，由此確定修復治理的整體思路為設置隔水帷幕切斷源污染對下游可能造成的環境影響，同時對已污染的地下水開展修復工作。

根據修復技術的修復能力、施工場地要求、能耗需求、適用濃度范圍、適用地下水埋深等，對地下水污染修復技術進行初篩。作為備選方案篩選出5種修復技術：監測自然衰減技術(X1)、滲透反應格柵(X2)、多相抽提技術(X3)、抽出-處理技術(X4)和原位微生物修復技術(X5)[17-20]。

2.3 修復技術優化指標評分

依據相關文獻及現場經驗數據[21-25]，對各技術的成熟性、時間條件及資金條件進行綜合對比，分析各技術的適應性，邀請專家采用九標度評分法[26]對篩選的5種修復技術方案(X1～X5)中的各指標(C1～C10)屬性進行評分及歸一化處理，將所有指標值轉化為[0,1]區間(表2)。

表2 地下水污染修復技術優選指標評分

注：括號內為歸一化處理的轉化值。

2.4 修復技術優化指標權重的確定

根據地下水修復技術優選指標體系(圖1)，通過組織相關領域的專家召開研討會，獲得各因素的相對權重。專家根據自身專業背景的經驗判斷，對同一層次的限制因素或評價因素進行兩兩比較，根據重要性做出標度判斷，然后構成兩兩比較矩陣，計算得出各因素的平均相對權重(表3和表4)。

表3 目標層(A)與制約層(B)判斷矩陣

表4 各制約層判斷矩陣

注：Wij為指標層各指標分別在其制約層內的權重。

由表3可知，B1、B2和B3的權重分別為0.258 3，0.637 0，0.104 7，一致性檢驗(CR)為0.033 2，小于0.10，具有滿意的一致性。將目標層與制約層及各制約層的判斷矩陣結果進行層次總排序，得到總排序的一致性檢驗為0.004 7(表5)，小于0.10，表明具有滿意的一致性，層次總排序結果有效。權重分析結果表明，在地下水修復技術優化中，設備投資、運行費用、后期處理費用、修復周期、污染物去除效率、技術成熟度、場地適用性、資源消耗、周圍影響及公眾認可度10項指標所占的權重依次為0.110 7,0.110 7,0.036 9,0.034 4,0.255 8,0.255 8,0.091 0,0.027 0,0.011 0,0.066 7(表6)。

表5 總排序一致性檢驗

注：CR=∑WiCI(i)∑WiRI(i)。Wi分別為B1、B2、B3的權重,∑Wi=1(i=1,2,3)。

表6 各指標權重

注：Wij為指標層各指標分別在其制約層內所占權重。

2.5 修復技術優化

2.5.1 正規化多準則決策矩陣計算

研究對象為具有5個方案(X1～X5)和10項指標(C1～C10)的決策問題，其正規化多準則決策矩陣見表7。

表7 正規化多準則決策矩陣

2.5.2 一致性矩陣和非一致性矩陣計算

由式(3)和式(4)分別求得一致矩陣C與非一致矩陣D：

由式(5)求得修正非一致性矩陣D′：

2.5.3 修正型加權合計矩陣計算

根據式(6)利用一致性矩陣和修正型非一致性矩陣中對應位置的元素相乘便可得到以下的修正型加權合計矩陣E：

2.5.4 凈優勢值及排序

根據式(7)得到：C1=-0.609 5，C2=-1.458 6，C3=0.104 6，C4=1.565 8，C5=0.397 7。

各方案的加權合計凈優勢值排序為C4>C5>C3>C1>C2，最終得到各方案由優到劣的排序為X4>X5>X3>X1>X2(圖4)。

X1—監測自然衰減技術；X2—滲透反應格柵技術；X3—多相抽提技術；X4—抽出-處理技術；X5—原位微生物修復技術。圖4 地下水污染修復技術凈優勢值排序Fig.4 Sorting results based on the net value of the advantages worth of remediation technologies

2.6 修復方案確定

從圖4可以看出，多相抽提技術、抽出-處理技術、原位微生物修復技術的凈優勢值均為正值，均可作為該場地的修復方案，其中，抽出-處理技術優勢最明顯，為最優選擇。每種修復技術都存在其優勢及局限性，而該場地污染源類型并非單一物質，且污染狀況受氣象水文等條件影響也使得僅采用單一修復技術難以達到要求。目前該區域地下水主要污染物是氨氮，且高污染風險區集中分布，低污染風險區修復區域較大，應針對不同風險區域采取相應的修復措施。綜合考慮當地經濟發展水平、該垃圾填埋場污染特征及地下水治理要求，結合多準則決策分析結果，得出最佳方案：對于高污染風險區域采用抽出-處理技術+原位微生物修復技術；對于低污染風險區域采用監測自然衰減技術(圖5)。

圖5 地下水修復治理技術路線Fig.5 Technical route for remediation of groundwater

該垃圾填埋場場地含水層滲透性較好，對于地下水抽出處理較為有利，在高風險污染區，通過不斷地抽出被氨氮污染的地下水，使氨氮污染暈的范圍減小，降低氨氮污染程度，促使含水層介質中的氨氮通過向水中轉化而得到去除。在抽出處理后期，隨著污染物去除效果降低，可采用原位生物修復，實現硝化菌對氨氮的生物去除，進一步提高污染場地的修復效果。抽出的污染地下水處理達標后回灌至原含水層。

對于低風險污染區域采用監測自然衰減技術，根據場地地質結構、水文地質特點等信息，結合歷史數據分析地下水中污染物的變化規律，掌握污染物降解進程。

3 結論

(1)結合案例垃圾填埋場場地污染特征以及地下水治理要求，運用MCDA模型對5種地下水修復技術進行優選排序，其凈優勢值最優排序為X4(抽出-處理技術)>X5(原位微生物修復技術)>X3(多相抽提技術)>X1(監測自然衰減技術)>X2(滲透反應格柵技術)。

(2)適合該垃圾填埋場地下水修復的方案為：高污染風險區域采用抽出-處理技術+原位微生物修復技術；低污染風險區域采用監測自然衰減技術，并對該區域進行長期的地下水水質動態監測。

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Remediation technology optimization for groundwater contamination of municipal solid waste landfill

ZHANG Shikuan1,2, WANG Yue1, AN Da1, ZHANG Boqiang1, ZHOU Lian1, LAI Jian1, TU Ting1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China

Comprehensively considering local socio-economic conditions, groundwater vulnerability and pollutant characteristics and other factors, and learning from environmental remediation experience of domestic and foreign groundwater pollution sites, the analytic hierarchy process (AHP) method was used to establish the optimization index system of remediation technologies. Then a multi-criteria decision analysis (MCDA) model was adopted to sort the groundwater pollution remediation technologies, and establish a screening model of groundwater pollution remediation technologies. For this purpose, an applied research on a simple landfill site in Hubei Province was carried out. The results show that extraction treatment and in-situ microbial remediation technologies are more practical among the five alternative technologies of groundwater remediation applicable to this landfill site, including technologies of monitored natural attenuation, permeable reactive barriers (PRBs), multi-phase extraction (MPE), pump-and-treat systems (P & T) and in-situ microbial remediation. Based on the specific site conditions, groundwater pollution control requirements and distribution of nearby receptors of this landfill site, the optimal remediation scheme is determined as follows: P&T and in-situ microbial remediation technology should both apply to areas with risk of high pollution while the monitored natural attenuation technology should be adopted for areas with risk of low pollution.

municipal solid waste landfill; groundwater pollution; remediation technology; multi-criteria decision analysis( MCDA)

2016-11-21

2016年全國地下水基礎環境狀況調查評估(144130012110302)

張士寬(1989—)，男，碩士，主要從事地下水污染風險評估、工程環境物探研究，zsk5965@163.com

*責任作者：安達(1979—)，女，副研究員，博士，主要從事地下水污染風險評估與防控，anda@craes.org.cn

X523

1674-991X(2017)04-0463-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.063

張士寬，王月，安達,等.垃圾填埋場地下水污染修復技術優選研究[J].環境工程技術學報,2017,7(4):463-469.

ZHANG S K, WANG Y, AN D, et al.Remediation technology optimization for groundwater contamination of municipal solid waste landfill[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):463-469.