天津市某生活垃圾填埋場(chǎng)地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)研究

戴 昕，李欽欽，郭 燕

(南京萬(wàn)德斯環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 南京 211100)

地下水作為人類(lèi)自然資源的一部分，為全球的絕大部分人口提供著寶貴的水源，而且支持著農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。但是當(dāng)前我國(guó)地下水污染形式嚴(yán)峻，局部地下水污染問(wèn)題十分突出，其中生活垃圾填埋場(chǎng)已成為公認(rèn)的地下水重點(diǎn)污染源之一[1-2]。垃圾填埋場(chǎng)滲濾液通常含有高濃度有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、金屬和重金屬離子等污染物，這些污染物一旦釋放到環(huán)境中，會(huì)引起極大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，有毒物質(zhì)可能隨食物鏈進(jìn)入人體。地下水污染有別于地表水，具有隱蔽性、滯后性、累積效應(yīng)、不可逆轉(zhuǎn)、循環(huán)周期極長(zhǎng)等特點(diǎn)，極難治理。因此針對(duì)垃圾填埋場(chǎng)這種典型污染場(chǎng)地，對(duì)地下水進(jìn)行自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)，是控制污染源擴(kuò)散，保護(hù)土壤和地下水不受污染或少受污染的積極有效的方法。然而長(zhǎng)期以來(lái)，由于對(duì)地下水污染防治的重要性和緊迫性認(rèn)識(shí)不足，部分地區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)密度不夠，缺乏針對(duì)典型污染源(如垃圾填埋場(chǎng)等)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)不足，不能準(zhǔn)確的反映地下水污染問(wèn)題；地下水水位、水量基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段相對(duì)落后，地下水環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，很多地區(qū)仍采用人工檢測(cè)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度低[3-5]。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)于垃圾填埋場(chǎng)特征污染在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)篩選已經(jīng)開(kāi)展了一些研究。董悅安等[6]通過(guò)垃圾填埋場(chǎng)滲濾液和地下水污染指標(biāo)因子分析，確定新建大口徑監(jiān)測(cè)井地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為總硬度、氯化物、氨氮、硝酸鹽氮、錳和鐵；而對(duì)于原有的監(jiān)測(cè)井建議選擇特征指標(biāo)為氯化物、氨氮、硝酸鹽氮。張?jiān)讫圼7]研究典型污染源地下水污染全過(guò)程確定生活垃圾填埋場(chǎng)特征污染物為COD、Cl-、氨氮和總磷。雷抗[8]等研究某簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染指標(biāo)，通過(guò)相關(guān)分析確定電導(dǎo)率作為地下水在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)。一方面，如果地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)不足，不能準(zhǔn)確的反映地下水污染問(wèn)題[4]；另一方面，一些地下水指標(biāo)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備還不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)成本過(guò)高，再加上新型監(jiān)測(cè)井(如Waterloo多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、CMT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9-10]、多層位采樣監(jiān)測(cè)井系統(tǒng)[11])的井管管徑限制及地下水復(fù)雜的環(huán)境使得地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)相較地表水困難。因此，篩選出具有代表性的特征污染物指標(biāo)和設(shè)計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地下水污染狀況的實(shí)時(shí)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)是問(wèn)題的關(guān)鍵。本研究通過(guò)對(duì)垃圾填埋場(chǎng)周邊地下水進(jìn)行采樣分析，根據(jù)SPSS因子分析結(jié)果篩選出地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；并通過(guò)設(shè)計(jì)井外自動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地下水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，為垃圾填埋場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

本研究中的垃圾填埋場(chǎng)位于天津市東麗區(qū)，占地約240畝，填埋期為2013-2015年，填埋深度約11 m，垃圾填埋量約60～70萬(wàn) m3，滲濾液總量約70～80萬(wàn) m3。該區(qū)域地處華北平原東部濱海平原區(qū)，主要由新生代沖積、湖積和海積形成，根據(jù)工程勘探和水文地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，天津海積平原區(qū)50 m以淺地下水系統(tǒng)為潛水、第一層微承壓水和第二層承壓水組成的復(fù)式含水層系統(tǒng)，其中潛水多屬松散巖類(lèi)孔隙水，主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水補(bǔ)給、地表水體入滲補(bǔ)給及越流補(bǔ)給，主要排泄途徑為蒸發(fā)，在約15～21 m深度范圍內(nèi)，以隔水性良好的黏土或粉質(zhì)黏土為主，土樣垂向滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)幾乎都在10-8～10-7cm/s左右。微承壓含水層補(bǔ)給主要靠上游的側(cè)向徑流，潛水越流補(bǔ)給微承壓含水層的水量非常小，該層地下水現(xiàn)狀基本無(wú)人類(lèi)開(kāi)采，主要排泄方式為徑流排泄，部分越流補(bǔ)給下部含水層。潛水含水層地下水流向由西北向東南，流速較慢約為0.043 cm/s。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年降水量598.5 mm，降雨多集中在6-8月份，占全年降雨量的75%，導(dǎo)致地下水潛水的水位變化較為顯著。

為了解垃圾填埋場(chǎng)地下水污染狀況，在垃圾填埋場(chǎng)周?chē)荚O(shè)8個(gè)地下水采樣點(diǎn)位，分別位于填埋場(chǎng)地下水水流向的上游、下游和兩側(cè)，其位置見(jiàn)圖1，其中1號(hào)點(diǎn)為場(chǎng)地背景監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)位布設(shè)3眼不同深度監(jiān)測(cè)井(15 m、30 m、45 m)，分別代表潛水、第一承壓水和第二承壓含水層，每個(gè)監(jiān)測(cè)井采集3個(gè)平行水樣，共采集樣品72個(gè)。檢測(cè)指標(biāo)參考《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)包括：pH、色度、濁度、鎘Cd、鉻Cr、鉛Pb、汞Hg、砷As、鈣Ca、鎂Mg、耗氧量CODMn、氨氮NH4+-N、硝酸鹽氮NO3--N、化學(xué)需氧量CODcr、生化需氧量BOD5、溶解性總固體TDS、總有機(jī)碳TOC、氯化物、懸浮物SS、大腸菌群等。場(chǎng)地背景監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水水質(zhì)如表1所示。

圖1 天津某簡(jiǎn)易生活垃圾填埋場(chǎng)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井布設(shè)示意圖

表1 場(chǎng)地地下水背景監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)狀況

2 結(jié)果與討論

2.1 生活垃圾填埋場(chǎng)地下水水質(zhì)特征

垃圾填埋場(chǎng)地下水污染檢測(cè)結(jié)果表明，場(chǎng)地地下水中鉛、鎘、鉻濃度均在檢測(cè)限以下，汞在填埋區(qū)周邊2#、5#和7#點(diǎn)位潛水和第一承壓含水層有檢出，濃度在0.02～0.10 μg/L，砷在填埋區(qū)周邊2#第一承壓含水層、5#和8#潛水含水層有檢出，濃度在0.007～0.010 mg/L，場(chǎng)地地下水重金屬檢出量均為痕量，均優(yōu)于地下水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；微生物指標(biāo)大腸菌群指數(shù)未檢出。地下水不同含水層不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的其他水質(zhì)指標(biāo)特征如圖2所示。從圖中可以看出，地下水pH最小值為7.27，最大值為8.35，為中性-偏弱堿性，符合地下水標(biāo)準(zhǔn)，各層之間差異不明顯。色度在潛水、第一和第二承壓含水層平均值分別為17.33、6.10和4.76，表現(xiàn)出了由上層到下層逐漸減小的趨勢(shì)，其中潛水含水層色度大于地下水三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)15；濁度在潛水、第一和第二承壓含水層平均值分別為110.29、7.43和10.33，其中潛水含水層超出背景監(jiān)測(cè)值的2倍多；懸浮物濃度表現(xiàn)為隨深度增加而減小，第一、第二承壓含水層與背景監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異不大，潛水含水層受地面的影響最大；生化需氧量隨深度的增加而較小，濃度水平與背景監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差異不明顯；鈣、鎂除個(gè)別點(diǎn)位外，表現(xiàn)出了隨深度增加濃度變大的總體趨勢(shì)，主要與該地區(qū)受到海水的影響有關(guān)；毒理學(xué)指標(biāo)硝酸鹽濃度較低，在地下水中的濃度均低于2.0 mg/L，優(yōu)于地下水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，很可能是土壤中高濃度的氨氮抑制了硝化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致地下水中硝酸鹽濃度總體不高。除5#和6#點(diǎn)位外電導(dǎo)率、耗氧量、總有機(jī)碳、氨氮、氯化物、溶解性總固體、化學(xué)需氧量表現(xiàn)出第一承壓含水層>第二承壓含水層>潛水含水層的趨勢(shì)，與背景監(jiān)測(cè)井的趨勢(shì)相似，但是處于垃圾填埋場(chǎng)下游的5#和6#潛水含水層污染物濃度表現(xiàn)出了潛水含水層潛>第一承壓含水層>第二承壓含水層的趨勢(shì)，這很可能是受到了垃圾填埋場(chǎng)的影響。如潛水含水層中場(chǎng)地背景監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#氨氮濃度為0.35 mg/L，而填埋區(qū)下游5#點(diǎn)氨氮濃度9.83 mg/L，是地下水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的18倍，6號(hào)點(diǎn)氨氮1.49 mg/L，低于5#，說(shuō)明垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中的高濃度氨氮經(jīng)過(guò)土壤的吸附，到達(dá)地下水中的濃度已經(jīng)降低了很多，同時(shí)氨氮在水中的遷移能力較弱。由以上分析可知，地下水潛水含水層最易受到垃圾填埋場(chǎng)的影響，承壓含水層受影響較小，這可能是因?yàn)槔盥駡?chǎng)滲濾液下滲或地下水運(yùn)移過(guò)程中，發(fā)生了一些物理、化學(xué)及生物化學(xué)作用，去除了大部分的污染物，對(duì)其影響較敏感的水質(zhì)指標(biāo)包括：電導(dǎo)率、耗氧量、總有機(jī)碳、氨氮、氯化物、溶解性總固體、化學(xué)需氧量等。

圖2 地下水污染指標(biāo)的變化情況

2.2 地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)因子分析

由上面分析可知，多種敏感指標(biāo)都能反映地下水污染狀況，通過(guò)因此分析從變量群中提取共性因子，找出隱藏的具有代表性的因子，將相同本質(zhì)的變量歸入一個(gè)因子，可減少變量的數(shù)目。因此，將垃圾填埋場(chǎng)地下水中篩選出來(lái)的敏感指標(biāo)作為候選指標(biāo)，利用SPSS軟件進(jìn)行因子分析。經(jīng)巴特利球形檢驗(yàn)，Bartlett值為229.93(P<0.001)，表示各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣與單位陣顯著差異；同時(shí)，KMO值越接近1，表明變量因子分析的效果越好，該統(tǒng)計(jì)中KMO值為0.706，大于閾值0.5，說(shuō)明變量之間存在相關(guān)性，符合因子分析的要求。

因子變量的方差貢獻(xiàn)(特征值)是衡量因子重要程度的指標(biāo)，變量的共同度則反映了全部公共因子變量對(duì)原有變量的總方差解釋說(shuō)明比例，是衡量因子分析效果的一個(gè)指標(biāo)，通過(guò)該值可以掌握變量信息的丟失情況。地下水水質(zhì)指標(biāo)特征值及其方差貢獻(xiàn)率如表2所示。由因子分析可知，地下水敏感水質(zhì)指標(biāo)的主成分的累積貢獻(xiàn)率為88.30%，說(shuō)明可以反映原始數(shù)據(jù)的基本信息，主因子有3個(gè)，其貢獻(xiàn)率分別為42.0%、26.9%和19.4%。

表2 地下水各水質(zhì)指標(biāo)因子特征值與貢獻(xiàn)率

因子載荷是因子和變量之間的相關(guān)系數(shù)。從表3旋轉(zhuǎn)后的因子載荷可以看出，第一主因子中，電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量、耗氧量、溶解性總固體、氯化物的載荷較高，分別為0.964、0.877、0.767、0.979、0.930，主要表現(xiàn)為溶解在水中的溶解組分的總量；第二因子中，懸浮物、色度和濁度的載荷較高，分別為0.881、0.847和0.903，表現(xiàn)為不溶于水中的懸浮類(lèi)物質(zhì)的量；第三因子中，氨氮和總有機(jī)碳的載荷較高，表現(xiàn)為氮和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染。根據(jù)上述分析，三種主因子從不同方面分別反映了地下水污染情況，因此，可以通過(guò)這三種類(lèi)型污染物的監(jiān)測(cè)來(lái)指示地下水污染現(xiàn)狀。

表3 因子提取計(jì)算結(jié)果(旋轉(zhuǎn)因子矩陣)

但是目前有些指標(biāo)還不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)或自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備復(fù)雜、成本太高，通過(guò)因子分析可知，同一主因子中指標(biāo)之間的相關(guān)系極高，而相關(guān)系數(shù)能反映變量間線性相關(guān)程度，回歸分析可以預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)顯著的離子濃度區(qū)間[12]，可以在每個(gè)主因子中選擇1個(gè)易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的指標(biāo)作為指示指標(biāo)，通過(guò)回歸分析得出其他指標(biāo)濃度。根據(jù)以上分析，選擇第一主因子中電導(dǎo)率、第二主因子中濁度和第三主因子中氨氮作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)指示指標(biāo)，指標(biāo)與其他污染物濃度的回歸方程見(jiàn)表4。

表4 指示指標(biāo)與地下水污染物其他敏感指標(biāo)的回歸分析

2.3 地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)洗井系統(tǒng)

研究區(qū)地下水流速慢，監(jiān)測(cè)井內(nèi)的水質(zhì)易變質(zhì)，需要定期洗井更新監(jiān)測(cè)井內(nèi)的地下水。常規(guī)的監(jiān)測(cè)井洗井水量大，可設(shè)置多層位采樣監(jiān)測(cè)井進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)井井管體積僅為5.56 L，洗井體積為國(guó)標(biāo)監(jiān)測(cè)井的1/54[7]。同時(shí)，考慮到研究區(qū)地下水硬度大，長(zhǎng)期放置在監(jiān)測(cè)井內(nèi)容易對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生影響，因此，本研究中設(shè)置了自動(dòng)監(jiān)測(cè)洗井系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)(圖3)。首先，打開(kāi)泵和4/5/6號(hào)取樣閥抽水監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)，設(shè)置時(shí)間間隔，定時(shí)啟閉閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)；當(dāng)需要洗井時(shí)，打開(kāi)泵和4/5/6號(hào)取樣閥抽水洗井，通過(guò)設(shè)置在管路上的在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)及洗井水量的變化來(lái)判斷洗井完成情況；當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)發(fā)生異常時(shí)，可以關(guān)閉4/5/6號(hào)取樣閥，打開(kāi)1/2/3號(hào)取樣閥來(lái)采集水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

圖3 地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)洗井工藝流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)生活垃圾填埋場(chǎng)地下水水質(zhì)特征分析顯示，地下水潛水含水層最易受到垃圾填埋場(chǎng)的影響，承壓含水層受影響相對(duì)較小；通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)的因子分析結(jié)果選擇電導(dǎo)率、濁度和氨氮作為垃圾填埋場(chǎng)地下水污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的首選。此外，考慮到研究區(qū)地下水硬度大，容易對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕影響，設(shè)計(jì)了井外自動(dòng)監(jiān)測(cè)洗井系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水抽樣監(jiān)測(cè)，延長(zhǎng)了監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)洗井功能解決了地下水水質(zhì)易變質(zhì)的問(wèn)題。