鄭景華, 馬 娟, 劉志斌

(遼寧工程技術(shù)大學 資源與環(huán)境工程學院,遼寧 阜新 123000)

垃圾填埋場地下水污染預測與環(huán)境風險評價

鄭景華, 馬 娟, 劉志斌

(遼寧工程技術(shù)大學 資源與環(huán)境工程學院,遼寧 阜新 123000)

為評價垃圾填埋場對周圍環(huán)境的污染風險,在識別阜新垃圾填埋場主要風險物質(zhì)及潛在環(huán)境風險事故類型的基礎(chǔ)上,根據(jù)滲濾液污染地下水的幕景假設(shè),建立對流 -彌散 -吸附一維水質(zhì)風險模型,預測地下水污染情況,并采用健康風險評價模型評價環(huán)境風險。結(jié)果表明:該垃圾填埋場的主要風險物質(zhì)是垃圾滲濾液和填埋氣體;滲濾液污染地下水是該垃圾填埋場的最大可信事故;NH3-N、Hg、Fe和Mn在預測期的最大質(zhì)量濃度均超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標準;阜新市垃圾填埋場滲濾液滲漏污染地下水屬于可接受風險。該結(jié)果可為有效降低垃圾填埋場對周圍環(huán)境的污染風險提供依據(jù)。

垃圾填埋場;水污染預測;環(huán)境風險;垃圾滲濾液

Abstract:Aimed at investigating the landfill site pollution hazards to surrounding environment,this paper describes the development of one d imensionalwater quality risk model featuring convection-dispersion-adsorption for predicting the contamination of groundwater,according to the hypothesis of curtain scene of leachate pollution of groundwater,and based on the recognition of main risk material in Fuxin landfill and the type of potential environment risk accident,and highlights the adoption of the model of health risk asses sment to assess environment risk.The results show that the main risk materials of landfill sites are landfill leachate and landfill gas;leachate pollution of groundwater is the most creditable accident of the landfill;NH3-N,Hg,Fe,and Mn concentration are all more than groundwater quality standard for Grade III in te rms of the max imum concentration of the forecast period;leakage of leachate pollutes groundwater is considered to be an acceptable risk in Fuxin city.The results can provide basis for the effective mitigation of the landfill site pollution hazards threatening surrounding environment.

Key words:landfill;water pollution forecast;environmental risk;leachate of garbage

垃圾衛(wèi)生填埋處置是我國絕大多數(shù)地區(qū)處理城市生活垃圾的主要手段。我國的垃圾衛(wèi)生填埋通常采取防滲、壓實、覆蓋和收集等環(huán)境保護工程措施,但因其填埋高差大、產(chǎn)氣量多、滲濾液污染物復雜[1]等,對填埋場的安全運行構(gòu)成了潛在威脅,存在一定的環(huán)境風險。目前,我國的環(huán)境風險評價研究多集中于化工、石化行業(yè),核電廠以及危險品儲運等項目的事故風險評價方面[2-4],而對于存在大量環(huán)境風險問題的固體廢物的處置等領(lǐng)域的研究甚少。基于此,文中以阜新市垃圾填埋場為例,預測其地下水污染情況,并進行環(huán)境風險評價,以期為有效降低填埋場對周圍環(huán)境的污染風險提供參考。

1 源項分析與風險識別

1.1 源項分析

阜新市垃圾填埋場位于阜新縣他本扎蘭鎮(zhèn)公官營子村西溝,是山谷型填埋場,其所在區(qū)域三面環(huán)山,只有南面的山谷地帶地勢較平,筑有一座高 17 m的垃圾壩。填埋場周圍做了垂直防滲處理,底部設(shè)有滲濾液導排系統(tǒng),并設(shè)置了排氣井作為填埋氣導排裝置。在填埋場周圍有六個行政村,其中,受其影響最大的是位于其下游 2 000 m處的公官營子村。

1.2 風險識別

由阜新市垃圾填埋場的現(xiàn)場調(diào)查及其自然環(huán)境、社會環(huán)境、建設(shè)工程的概況,識別出該垃圾填埋場的風險物質(zhì)主要有垃圾滲濾液[5]和填埋氣體,潛在的風險事故類型見表 1。

表 1 潛在風險事故類型Table 1 Potent ial risk types of accident

采用層次分析法[6]分析表 1中的事故類型,結(jié)果顯示,對周邊人群和環(huán)境資源影響最大的風險事故類型是滲濾液污染地下水,其次是填埋氣體發(fā)生火災爆炸、垃圾壩潰壩、滲濾液污染地表水以及垃圾體崩塌。因此,滲濾液污染地下水為阜新市垃圾填埋場的最大可信事故。

2 地下水污染預測

2.1 滲濾液滲漏量

滲濾液滲漏量可通過達西定律計算,即

式中:Ks——土體的滲透系數(shù),m/d;

i——水力梯度,cm/s;

A——滲漏面積,m2。

水力梯度與場底滲濾液水頭有關(guān),而場底滲濾液水頭又是時間的函數(shù),則滲濾液的日均滲漏量為

式中:t1——滲濾液產(chǎn)出時間,a。

阜新市填埋場黏土層的滲透系數(shù)為 2×10-5m/d,厚度為 3 m;滲濾液的滲漏面積為 5×104m2,日產(chǎn)生量為 300 m3/d,產(chǎn)出時間為填埋場的服務(wù)年限15 a,由式(1)可得阜新市垃圾填埋場在風險情況下的滲濾液日均滲漏量為 6.475 m3/d。

2.2 含水層污染物質(zhì)量濃度

由于滲濾液的滲漏和釋放是長期的,污染物在非飽和土層中終究會達到飽和穩(wěn)定,因此,不考慮包氣帶對滲濾液的作用,則填埋場地下含水層污染物質(zhì)量濃度預測公式為

式中:ρj——j污染物在地下含水層中的預測質(zhì)量濃度,mg/L;

Wj——j污染物日排放總量,kg/d;

Qt——預測區(qū)地下水天然資源量,t/d;

B——溝谷平均寬度,m;

I——水力坡度 ,cm/s;

K——預測區(qū)地下水滲透系數(shù),m/d;H——含水層厚度,m。

2.3 水質(zhì)風險模型

研究區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡單,地層巖性較單一。對模擬區(qū)地下水進行適當概化,建立滲濾液污染地下水溶質(zhì)運移的對流 -彌散 -吸附一維風險模型:

式中:ρ——地下水中污染物質(zhì)量濃度,mg/L;

Dl——彌散系數(shù),m2/d;

v——地下水平均線性流速,m/d;

x——地下水運動距離,m;

t——模擬時間,d;

R——阻滯系數(shù);

ρ0——起始點污染物質(zhì)量濃度,mg/L。

2.4 結(jié)果分析

以填埋場地下水水流方向下游約 2 000 m處的公官營子村為研究目標,預測該村在風險事故發(fā)生后 70 a的地下水污染物濃度變化趨勢。

阜新市垃圾填埋場設(shè)有滲濾液集排系統(tǒng),并在填埋場周圍及壩基設(shè)有防滲帷幕,正常運行狀態(tài)下,不會對場區(qū)周圍的地下水造成污染,但當滲濾液集排系統(tǒng)和防滲帷幕任一者失效時,就會對地下水造成嚴重污染。對滲濾液滲漏污染地下水事故作暮景假設(shè):

(1)事故情況下,滯留在填埋場底部的滲濾液持續(xù)地經(jīng)包氣帶進入地下潛水含水層,并與場區(qū)地下水混合。

(2)滲濾液與場區(qū)地下水混合后,污染物隨地下水運動發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,并最終到達下游的居民居住點。

(3)居民長期直接飲用被滲濾液污染的地下水,會給人體健康帶來巨大的風險。

因目標點監(jiān)測到的 NH3-N、Hg、Fe和 Mn等污染物質(zhì)量濃度較高,故文中主要研究其變化趨勢,如圖 1所示。

圖 1 污染物質(zhì)量濃度隨時間變化趨勢Fig.1 Concentration change trends of pollutions with t ime

由圖 1可知,在風險事故發(fā)生以后,滲濾液中各污染組分進入地下水,將隨地下水的流動發(fā)生遷移,并在一段時間后到達公官營子村。隨后該村地下水中各污染物質(zhì)量濃度逐漸增大,金屬污染物的質(zhì)量濃度最后達到穩(wěn)定。其中,NH3-N、Hg、Fe和 Mn在預測期的最大質(zhì)量濃度均超過了地下水Ⅲ類水質(zhì)標準,NH3-N超標最為嚴重。

3 環(huán)境風險評價

填埋場滲濾液的釋放是一個長期而緩慢的過程,所產(chǎn)生的危害表現(xiàn)為慢性效應,因此,采用健康風險評價模型[6]進行環(huán)境風險評價。

3.1 污染物人均日攝取量計算

通過飲水途徑,污染物人均日攝取量 Qd為

式中:u——攝取速率,L/d;

f——暴露頻率,d/a;

t′——暴露期,a;

m——人群平均體重,kg;

地下水中各污染物質(zhì)量濃度是時間的函數(shù),可利用濃度 -時間函數(shù)積分計算。濃度 -時間定量關(guān)系可由多項式回歸分析獲得。

3.2 風險計算

根據(jù)美國 EPA綜合風險數(shù)據(jù)庫 (I R IS)數(shù)據(jù)資料[7-8],計算污染物非致癌風險和致癌風險。非致癌風險包括單污染物風險 Ri、多污染物累積風險RT:

式中:Qdj——第 j種污染物人均日攝取量,mg/(kg·d);

Qfdj——第 j種非致癌污染物的參考劑量,mg/(kg·d)。

致癌風險 R ′j為

式中:qj——第 j種致癌污染物的致癌強度系數(shù),kg·d/mg;

a——人類平均壽命,按 70 a計。

各污染物的人均日攝取量及非致癌污染物通過飲水途徑的參考劑量如表 2、3所示。根據(jù)表 2、3,由式(2)計算各非致癌污染物對人體健康的危害指數(shù),見表 4。As是致癌污染物,其致癌強度系數(shù)為15 kg·d/mg(從美國環(huán)保局 (EPA)的出版資料查得)。利用式 (3)計算得 As通過飲水途徑產(chǎn)生致癌風險為 0.93×10-4a-1。

?

3.3 環(huán)境風險評價

國際上通常采用非致癌危害指數(shù)和致癌風險表征非致癌和致癌風險情況。非致癌危害指數(shù)描述為人體日攝物量和參考值的比值,以“1”作為非致癌風險警戒值。當危害指數(shù)大于1時,認為存在非致癌風險;反之則為可接受風險?；瘜W致癌物的風險警戒值為“10-4a-1”。滲濾液中各非致癌污染物對人體健康的綜合危害指數(shù)為 0.672,事故導致的致癌風險為 0.93×10-4a-1,均小于各自的風險警戒值。因此,阜新市垃圾填埋場的最大可信風險事故——滲濾液滲漏污染地下水的風險為可接受風險。

4 結(jié) 論

(1)基于阜新市垃圾填埋場的現(xiàn)場調(diào)查和概況分析,識別出該垃圾填埋場的主要風險物質(zhì)為垃圾滲濾液和填埋氣體,潛在風險事故類型包括滲濾液污染地下水、地表水,填埋場火災爆炸,垃圾壩潰壩,垃圾體崩塌。滲濾液污染地下水為最大可信事故。

(2)根據(jù)滲濾液污染地下水的幕景假設(shè),建立滲濾液污染地下水對流 -彌散 -吸附一維風險模型。預測結(jié)果顯示,NH3-N、Hg、Fe和 Mn在預測期的最大質(zhì)量濃度均超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標準,其余污染物質(zhì)量濃度未超標。

(3)根據(jù)滲濾液污染地下水的特點,采用健康風險評價模型評價環(huán)境風險。結(jié)果表明,阜新市垃圾填埋場滲濾液滲漏污染地下水屬于可接受風險。

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(編輯 荀海鑫)

Groundwater pollution forecast and environmental risk assess ment for landfill

ZHENG Jinghua, MAJuan, L IU Zhibin
(College of Resource&Environment Engineering,Liaoning TechnicalUniversity,Fuxin 123000,China)

X523;X820.4

A

1671-0118(2010)05-0346-04

2010-09-16

鄭景華 (1970-),男,山東省壽光人,講師,碩士,研究方向:環(huán)境影響評價,E-mail:zhengjh123000@163.com。