非正規垃圾填埋場土壤污染及修復方法探討

付 康，張 涵，廖 鐳

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756)

0 引 言

隨著我國經濟的高速發展和居民生活水平的大幅提高，城市生活垃圾產生量與日俱增，城市生活垃圾的污染問題正在變得日益突出。目前，國內城市生活垃圾的處理方式主要有垃圾填埋、垃圾焚燒和垃圾堆肥3種。其中，垃圾填埋具有適用范圍廣、技術較成熟、操作管理簡單、處理量大、投資和運行費用低等特點，是當前國內主要的垃圾處理方式之一[1-3]。

本文以瀘州市某非正規垃圾填埋場為例，通過對填埋場場地土壤進行調查取樣、土壤污染物檢測分析，確定場地主要土壤污染物、污染程度及污染分布狀況。在此基礎上，結合填埋場場地特征和未來土地規劃，制定出一套場地污染治理修復方案，并為類似的非正規垃圾填埋場土壤修復項目提供參考。

1 場地概況

1.1 場區基本概況

該非正規垃圾填埋場位于四川省瀘州市北部、瀘縣東北部，處于四川和重慶兩地交界地段。場地多年年平均氣溫 17.8 ℃，降水量 1 065.4 mm，日照時數 1 397.8 h，無霜期 343 d，相對濕度 84%。填埋場場區位于長江水系北部支流馬溪河上游區，整體呈南北走向[4]。根據現場調查，該垃圾填埋場場地周邊主要分布有居民、小學、農田等敏感點，并分布有采石場、煤礦場和礦石廠等場地。場地處基巖巖性主要為侏羅系紅色、暗紫色泥巖、砂質泥巖夾中細粒砂巖，上層泥巖風化較嚴重，其發育深度一般為20～50 m，向深部風化裂隙漸行消失。通過場地鉆井發現，場地地下水穩定水位埋深約70 m。

長期以來，當地居民利用其地形條件，將未分類、預處理的生活垃圾就地堆放、填埋于此。2016后開始對該非正規垃圾填埋場開展治理工作，對填埋垃圾進行挖掘焚燒處理。雖然目前填埋場內垃圾已經被清理，但通過調查發現，場地內存在土壤污染現象：1）在低洼填埋區，表層土被挖掘清理后，表層土中仍存在大量滲濾液，顏色發黑、烏臭、濃度較高；2）在坡面填埋區，雖然挖掘清理了地表垃圾層，但部分垃圾已深入土壤層，深處土壤存在垃圾的臭味。

1.2 填埋場垃圾來源及滲濾液水質特征

該地區生活垃圾的主要組分為廚余、包裝紙、衛生紙、橡塑和灰土等（詳見表1）。生活垃圾填埋場污染物主要包括：氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、高錳酸鹽指數、總硬度、氯化物、鐵、錳、揮發酚等；此外還含有重金屬、細菌類污染、苯系物、多環芳烴、多氯聯苯、二惡英等。

垃圾滲濾液水質有機物成分復雜、重金屬、持久性有機物含量高。垃圾中的有機物隨著填埋時間增長，發酵產生的滲濾液中有機物大概有至少九十種，包括較小分子量的脂肪酸，分子量適中的黃霉酸以及較大分子量的碳水化合物等[5]。此外，生活垃圾中的廚余、包裝紙、衛生紙、橡塑等組分含有苯系物、多環芳烴（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）、二噁英等脂溶性有機物，易隨降水進入垃圾滲濾液中。垃圾滲濾液中還含有多種重金屬離子，其濃度與所填埋的垃圾組成成分及填埋時間相關。以往研究表明，顏料、廢電池和廢電器等垃圾中含有汞和鎘，防銹金屬和廢塑料等垃圾中含鎘，廢棄溫度計和報刊雜志中含汞，織物、報紙和雜草等垃圾組分中含鉻，塑料（穩定劑）、顏料、油墨、橡膠、蓄電池等含鉛。

2 研究方法

2.1 土壤采樣

根據對該非正規垃圾填埋場的現場調查，污染場地可劃分為兩個區塊：區塊1（垃圾傾倒區）為海拔約340 m的低洼平臺，現已清除所有垃圾，地表裸露磚紅色泥巖；區塊2在區塊1正南，由一高約10 m的陡崖隔開，垃圾運輸車由區塊2傾倒垃圾至區塊1，故區塊2地表為土壤垃圾混合，地表以下10～20 cm可見紫紅色基巖。此外，在區塊東西方向約146 m處馬尾松林內設置背景采樣區（區塊3）（如圖1所示）。

參照HJT 166—2004《土壤環境監測技術規范》和《重點行業企業用地調查疑似污染地塊布點技術規定》共布設15個采樣點位：區塊1內布設3個采樣點，區塊2布設9個采樣點，區塊3布設3個采樣點（見圖2和表2）。每個采樣點檢測土壤特征理化性質和重金屬（鎘、鉻、汞、砷、鉛、銅、鋅、鎳）。此外，在3個區塊內選取7個代表性混合樣品進行重金屬和有機污染物綜合檢測。樣品的混合方式為區塊1和區塊3內設置3個土壤剖面（深度50 cm），取表層 0～10 cm 和 10～50 cm 樣品，分層混合后各得2個樣品；區塊2按垃圾分布情況進一步劃分為3個亞區，每個亞區內按隨機布點法采集3個表層樣品混合得3個表層樣品。土壤采樣頻率為一次性采樣分析。

表1 該填埋場生活垃圾構成%

圖1 場地土壤分區采樣布設圖

圖2 土壤采樣樣點布設分布圖

2.2 污染物檢測分析

垃圾填埋場污染土壤的重金屬檢測包括：汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）和砷（As）元素。土壤中的砷元素用鹽酸-硝酸在沸水浴上消煮進行消解預處理后采用氫化物-原子熒光光譜法測定。土壤中的汞元素采用冷原子吸收分光光度法進行測定。土壤中的銅、鎘、鉛、鎳元素用王水-高氯酸消解后采用國標法原子吸收分光光度法測定。土壤中的鉻元素用氫氟酸-硝酸-硫酸消解后，采用國標原子吸收分光光度法測定。

表2 土壤采樣點分布情況一覽表

垃圾填埋場污染土壤的石油烴采用氣相色譜法進行檢測；萘、苊和芴、苊烯、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并（a） 蒽、屈、苯并（b） 熒蒽、苯并（k） 熒蒽、苯并（a）芘、苯并（a，h）蒽、苯并（g，h，i）苝、茚并（1，2，3-C，d）芘采用高效液相色譜法檢測；多氯聯苯、苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間對二甲苯、苯乙烯、異丙苯、氯苯、1.4二氯苯、1.2二氯苯、1.3二氯苯采用氣相色譜-質譜法檢測分析。

3 結果與分析

3.1 檢測結果

對采集土樣進行檢測分析，根據分析結果繪制7種重金屬檢測圖（圖3～圖10）。篩選值采用《建設用地土壤污染風險篩選指導值（3次征求意見稿）》標準和《土壤環境質量標準（修訂）（征求意見稿）》（2008）。

由圖4、圖6和圖9可見，土壤樣品中鉻、鎳、銅的含量均遠低于篩選值；由圖5和圖7可見汞與鉛各有一個土壤樣品含量超出篩選值；由圖3和圖8可見，鎘在區塊1和區塊2內超標，砷在區塊1、區塊2和區塊3內均超標。

圖3 不同取樣點土壤鎘含量

圖4 不同取樣點土壤鉻含量

圖5 不同取樣點土壤總汞含量

圖6 不同取樣點土壤鎳含量

圖7 不同取樣點土壤鉛含量

圖8 不同取樣點土壤砷含量

土壤樣品有機物檢測結果顯示，除了石油烴含量全部檢出，其他有機物含量都低于檢出限，其含量忽略不計。石油烴的含量為33.9～48.4 mg/kg，篩選值為4 500（參見《土壤環境質量標準（修訂）（征求意見稿）》（2008）第二級標準居住用地標準）。由此可見，區域內土壤有機污染物污染等級均為清潔，無超標指標。

圖9 不同取樣點土壤銅含量

3.2 結果分析

根據上述檢測結果，確定本次檢測結果中超過評價標準的土壤樣品的數量，計算得出各類污染物樣本的超標率（詳見表3），并繪制超標元素在場區及周邊的濃度平面分布圖（圖11-圖13）。

表3結果顯示，垃圾填埋場內土壤重金屬污染物中鎘、砷元素含量嚴重超標，汞元素有輕微超標，場地內76.7%取樣點位的砷和50 %取樣點位的鎘含量超過《建設用地土壤污染風險篩選指導值（三次征求意見稿）》中二類工業用地篩選值。由內梅羅污染指數法計算得砷污染等級為中度污染，鎘為輕度污染，其他污染物，如銅、鉛、鎳、鋅等均未出現超標現象。根據超標元素濃度平面分布圖11～圖13顯示，砷污染區主要分布在區塊2，鎘污染區主要分布在區塊2與區塊1的結合部，汞污染區在區塊1、2內有零星分布。

4 修復方法探討

當地政府為進一步改善垃圾場及周邊的生態環境，按照該垃圾填埋場場地調查評估確定的土壤污染狀況，結合場地土層巖性、結構及理化性質，推薦在重污染區域采用污染土壤挖掘外運燒磚回用，在輕污染區域采用植物-微生物聯合修復法對土壤進行綜合修復。

圖10 土壤重金屬檢測結果（單位：mg/kg）

4.1 污染土壤燒磚回用

目前，針對污染土壤制磚技術主要為（免）燒磚技術。免燒磚技術，利用分離后的污染土壤，加入一定比例的水泥、粉煤灰等材料后，利用壓磚機使其成型，最后進行晾曬風干、養護后達到國家免燒磚標準。易偉等利用南方某垃圾焚燒廠（爐排爐）垃圾焚燒爐渣為原料，配置一定比例額水泥、石灰、石膏、河砂等材料，進行了免燒磚實驗研究，對免燒磚成品成分分析發現，爐渣中含有 Pb、Cr、Cd、As等有害元素，但重金屬浸出量均未超標[6]。燒磚技術是利用輕度污染土壤進行熱分解、加工過程，去除污染成分（或固化土壤重金屬），從而達到資源化目的。楊媛等利用廣州市李坑生活垃圾焚燒爐渣原料，加入不同激發劑（Na2SiO3、Na2SO4、NaOH）對焚燒爐渣免燒磚性能進行了試驗，其重金屬溶出量符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類水要求[7]。

表3 土壤樣品中污染物超標率一覽表

圖11 土壤中砷（As）濃度平面分布圖（單位：mg/kg）

圖12 土壤中鎘（Cd）濃度平面分布圖（單位：mg/kg）

圖13 土壤中汞（Hg）濃度平面分布圖（單位: mg/kg）

本項目中重度污染土壤挖掘收集后送往附近磚廠燒制成磚，轉化更高經濟效益。在高溫作用下，重金屬與粘土發生熱反應，以尖晶石結構成分的形式被固定，其礦物晶體結構非常穩定，具有耐酸和耐堿的特點，能長期穩定的存在于獲得的燒結體中，無二次污染產生。土壤中的揮發性有機物也將在制磚的高溫高熱條件下被進一步去除，制磚處理中嚴格監測和控制制磚尾氣，使其達到國家質量要求標準，不對環境和人體構成危害。

4.2 植物-微生物聯合修復

污染土壤的植物吸取修復技術在國內外都得到廣泛研究，已經應用于砷、鎘、銅、鋅、鎳、鉛等重金屬以及與多環芳烴復合污染土壤的研究與修復，并發展出包括絡合誘導強化修復、不同植物套作聯合修復、修復后植物處理處置的成套集成技術。植物對污染點的修復有3種方式：植物固定、植物揮發和植物吸收，應用的關鍵在于篩選具有高產和高去污能力的植物，摸清植物對土壤條件和生態環境的適應性。如海桐、廣玉蘭園林植物對重金屬的吸收和富集效果較好；山荊子、茶條槭對土壤鎘、鉛的去除效果好[8]。

植物-微生物聯合修復是利用植物生長對土壤中的重金屬及有機物進行降解、吸收從而達到修復的目的，聯合微生物提高植物修復的能力。到目前為止，國內外已被報道能促進污染物（包括多環芳烴）降解的植物共有500多種，如楊樹、柳樹、松樹、冰草、苜蓿和鸚鵡毛等。

結合該非正規垃圾填埋場場地所在區域的水文條件、土層結構及場地未來用途等場地特征，優先推薦適用于本場地的土壤修復技術。場地內地質構成簡單，層次普遍相同，垃圾填埋場場地主要為紅層砂泥巖。化學污染物的種類和濃度、在場地中的分布狀況及存在介質對于修復技術的選擇至關重要。根據場地污染檢測結果，場地表層土壤中污染物質為砷、鎘等重金屬含量較高，有機物含量較低。綜合分析國內外植物修復技術的應用案例，對鎘有較好去除效果的植物包括：山荊子、茶條槭、苦楝、大葉女貞、雪松；對砷有較好去除效果的植物包括：小葉榕、銀杏、女貞、香樟。

綜上，本項目對場地內輕度污染的表層土建議采用植物-微生物聯合修復的方法進行污染土壤修復。根據場地表層土壤中污染物砷、鎘等重金屬含量較高，有機物含量較低的現狀，結合對超標重金屬的去除效果、美觀、經濟、植物生長等因素優選以下樹種：銀杏、女貞、香樟、小葉榕、茶條槭、山梨、海桐、廣玉蘭、合歡、大葉女貞、雪松、桂花、塔柏、黃葛蘭樹，同時配以草本植物如蜈蚣草、大葉井邊草等。該類植物根系可進一步促進土壤微生物的繁殖，為微生物提供生存場所，并可轉移氧氣促進根區好氧作用的正常進行，根系分泌物還可為微生物提供大量營養物質，刺激根際菌群的生長繁殖，增強降解作用[9]。通過植物和微生物的聯合修復有效提高污染物的去除效率。

5 結束語

本文通過對某非正規垃圾填埋場土壤進行布點采樣，并對樣品中重金屬和有機物含量進行檢驗分析，獲取該場地污染因子及數據，確定填埋場場區污染物的分布及超標情況。檢測分析結果顯示，該非正規垃圾填埋場重金屬含量超出參考值的元素是鎘、砷、汞，有機物含量極少甚至未檢出，且污染物主要分布于采樣區塊1、2內。據此，推薦在重污染區域，如采樣區塊1、2內采用污染土壤燒磚回用方式；在輕污染區域，如采樣區塊3采用植物-微生物聯合修復法對土壤進行綜合修復。同時，提出二次污染防治建議和跟蹤監測措施。

1）建議對污染土壤制磚過程二次污染進行控制。由于采用垃圾污染土壤制磚，其中的污染物種類和數量都遠高于常規原材料，因此以這部分污染土壤為原料的磚瓦企業污染物排放標準建議按照GB29620—2013《磚瓦工業大氣污染物排放標準》、GB18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》和GB18484—2001《危險廢物焚燒污染控制標準》等標準，對制磚過程中的制磚排放氣體進行實時監測，一旦發現排放氣體中有污染物超標，應立即停止燒制并采取相應措施進行處理。同時，在制磚過程中，對已制磚塊取樣進行重金屬等污染物浸出檢測以確保對環境和相關人群不產生危害。

2）建議場地修復過程中進行跟蹤觀測。場地的挖掘活動會使土壤中的污染物暴露出來從而發生遷移和轉化。如風會促使揮發性污染物揮發，光照會使有機物發生反應或產生分解，降雨和地下水會使重金屬污染物發生遷移和轉化等。在開挖過程中進行污染物實時跟蹤觀測，一經發現污染轉移，需及時調整修復范圍并做響應處理。另外，在開挖過程中還需要進行質量控制，確保分類開挖和開挖到位，在開挖邊界和底部要進行取樣監測，確保污染土壤如數清除。

3）建議修復后設置若干污染物監測點，對土壤及地下污染物進行跟蹤監測，防止突發性事件發生，對周邊人群進行健康普查，針對人群普發性疾病，建立相關的預警措施。