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谈地下水环境污染治理与风险防范

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长期以来,我国水环境的保护重点是地表水,地下水污染防治工作没有得到重视,无论是从监管体系建设、法规标准制定还是科研技术开发等方面,相关工作明显滞后。目前我国地下水环境污染形势严峻,尤其是垃圾渗滤液中的重金属污染,重金属在水中不易被降解且危害人类健康。地下水污染风险防范是地下水环境保护的首要举措。地下水环境污染的治理及风险防范,成为全社会亟待解决的难题。

一、地下水环境产生污染的根源

人们对生活垃圾的处理最初是简单的堆放,认识到其对周围环境产生的危害后,采取了垃圾卫生填埋方法,这是垃圾处置行之有效的方法之一。但是很少有人关注生活垃圾对地下水环境的影响。生活垃圾对地下水的影响主要是污染组分随渗滤液渗入含水层,其次为受垃圾污染的河湖坑塘再渗入补给含水层。垃圾填埋场的地下水污染影响因素主要有地形高差、降雨量、地下水水位、土层岩性及渗透性、处置场在地表和地下水流中所处的位置等。渗滤液流经土壤,然后直接下渗到地下含水层,对地下水产生一定的污染。

二、地下水环境污染的治理难点

(一)渗滤液氨氮浓度高垃圾渗滤液氨氮浓度一般从数十到几千mg/L不等。与城市污水相比,垃圾渗滤液的氨氮浓度高出数十至数百倍。一方面,由于高浓度的氨氮对生物处理系统有一定的抑制作用;另一方面,由于高浓度的氨氮造成渗滤液中的C/N比失调,生物脱氮难以进行,导致最下终出水难以达标。

(二)渗滤液可生化性差一方面是指随着填埋场时间的延长,渗滤液的生化性降低,在填埋后期,可生化性很差,BOD/COD值小于0.1,此时渗滤液俗称老化渗滤液。另一方面是指在填埋初期,虽然填埋场的可生化性较好,但是靠生物处理很难将之处理至二级甚至一级标准以下,一般来讲,渗滤液中的COD中将近有500~600mg/L无法用生物处理方式处理。

三、地下水环境污染的治理路径

(一)防渗措施和防渗材料垃圾卫生填埋中比较重要的一环是防止渗滤液对地下水的污染,其防渗措施和防渗材料是关键的环节。目前,垃圾填埋的防渗措施主要有:底层收集和排泄系统、底部衬垫层、设置垂直防渗帷幕、顶部覆盖层。底层收集和排泄系统是在填埋的底层设置收集和排出渗滤液的装置。一方面收集系统将收集的渗滤液稀释后送入污水处理站处理或回灌进填埋场让其进行生物降解自净;另一方面排出系统使渗滤液按照设计路径可控制地排出,对防止和减少渗滤液对地下水的污染起着重要的作用。排出管道建议选用耐腐蚀、抗老化、表面光滑、阻力系数小的材料。底部衬垫层的作用是防止未及时排走的渗滤液的渗漏,这是防止渗滤液污染地下水的关键一步。因此底部衬层的设计和所用材料的质量都是非常重要的。渗滤液衬层可以铺设单层或多层。国外多采用双层复合衬垫系统,衬层所用材料为土工膜和土工合成材料。目前我国垃圾填埋场的衬层材料主要有:HDPE和黏土复合衬层、膨润土防渗衬层、黏土防渗衬层、沥青混凝土衬层等。在填埋场的汇水口设置垂直防渗帷幕。它可以阻止渗滤液水平方向的迁移。如:有关专家用黏土固化浆液进行渗流实验,发现其对重金属离子的阻隔效率达99%以上,对有机物的阻滞效率达85%以上。将此材料应用于垃圾填埋场的防渗中,可望取得良好效果。随着城镇化的飞速发展,当垃圾填埋场达到使用年限时,垃圾填埋场带来的景观问题不容忽视,有必要对其进行表面覆盖处理和植被的重建。顶部覆盖层的作用主要是防止大气降水或地表径流渗入,同时也可以阻止填埋场中有害气体的释放。

(二)生物处理+深度处理我国在垃圾渗滤液的处理研究方面起步较晚、起点较低,由于渗滤液水质水量的复杂多变性,目前尚无十分完善的处理工艺,大多根据不同填埋的具体情况及其它经济技术要求采取有针对性的处理工艺。我国垃圾渗滤液的处理起初主要以氨吹脱+厌氧+好氧为主,运行成本较高(15~20元/吨),出水一般可达到垃圾渗滤液三级标准。2000年以后,由于经济的飞速发展,新建的渗滤液处理厂一般远离城区,渗滤液没有条件排入城市污水管网,因此处理要求也相应提高,一般需要处理到二级甚至一级排放标准。此时的渗滤液若仅靠生物处理无法达到处理要求,一般采取“生物处理+深度处理”的方法。近年来膜生物反应器及反渗透在垃圾渗滤液处理中应用越来越广泛。目前,污水处理工艺多种多样,各种垃圾渗滤液处理的技术也日趋成熟。

四、地下水环境污染治理的科研进展

(一)理论层面有关垃圾渗滤液对地下水污染方面的实验和理论研究,其主要内容包括垃圾渗滤液的产生机理、运移过程、污染范围、污染物的生物化学转化过程等。其主要方法是将地下水溶质运移模型应用进来,通过建立数学模型和利用数值模拟方法,建立了水质模拟数学模型包括确定性模型和随机性模型,模型中参数的确定通过实验计算得到。到目前为止,已有比较完善和成熟的计算方法及数值模拟软件。1.渗滤液的产生量计算渗滤液的产生受垃圾含水量、填埋场区降雨情况以及填埋作业区大小情况的影响,同时也受到场区蒸发量、风力的影响和场地地面情况、植被情况等因素的影响。估算办法是假设整个填埋场的剖面含水率在所考虑的周期内等于或者超过其相应田间持水率,用水量平衡法进行计算:降雨的地表径流系数C与土壤条件、地表植被条件和地形等因素有关。Sahato等人给出了计算垃圾填埋场渗滤液产生的地表径流系数,见表1。2.渗滤液渗漏量的计算由于垃圾堆放场未设置衬层、底部主要为黏土层、无渗滤液收集、排放系统,仅为简单堆放场,所以渗滤液的产生量就是渗滤液通过包气带进入地下水的渗漏量。

(二)实验层面生活垃圾对地下水环境污染的研究,目前成了国内外实验研究的热门课题。1.王晓红等给出了多孔介质和双重介质中垃圾渗滤液运移模型的定解问题,运用该模型预测垃圾填埋场的污染扩散范围,为防止垃圾渗滤液污染地下水提供了定量的依据。2.夏立江等对城市垃圾渗滤液引起地下水氮污染进行了研究,结果表明垃圾渗滤液中含有高浓度氨态氮。3.蒋惠忠等人通过对北京北天堂垃圾填埋场渗滤液污染组分在含水介质中运移的室内模拟实验分析,揭示了有机污染物等污染组分在含水介质中的运移转化规律,为垃圾填埋场底部防渗层的设计和渗滤液对地下水污染程度的预报提供了依据。4.刘建国等人对垃圾填埋场水分运移进行了室内模拟实验,研究了盖层渗透性较强而衬层渗透性较弱和盖层、衬层渗透性均较弱,两种不同防渗配置下系统内的水分运移规律,为填埋场防渗系统的设计提供了依据。5.Dmitry•V•Rudakov等人对固体废物堆放引起地下含水层污染进行了解析模拟,并对二维和三维污染物质在地下水中的迁移进行了研究,为防止地下水污染提供了理论依据。6.Cary•J和Craigh•H等使用了二维和三维的水质模型比较了在三中不同的合成防渗衬里溶质的迁移速率、流量以及垃圾渗滤液通过各种防渗层时的运移特点和迁移速率,比较了各种合成防渗材料对不同污染物质的截留程度,为减少生活垃圾对地下水环境的污染提供了防渗参考。

(三)技术层面利用生物技术对垃圾填埋场进行生态恢复,是一种正在兴起的技术,由于其成本低、处理效果好,对解决我国的环境问题将有极大的潜力。表面覆盖层的选择,主要取决于投入费用和生态恢复产出效益。同时,因恢复设计方案和填埋地点而异。例如:对以降低投入为优先因子的设计方案,推荐垃圾土、活性污泥、炉渣和粉煤灰,其中以垃圾土为首选材料;对以获得植物产出效益为目的的设计方案,应首先选择砂土为覆盖材料,其次选择土壤。五、地下水环境污染风险的防范策略针对我国地下水环境污染面临的形势,尤其是垃圾渗滤液中的重金属污染,重金属在水中不易被降解且危害人类健康。为保护地下水环境,对地下水重金属污染风险的防范提出以下策略:

1.政府相关部门对地下水污染防治的的认识有待提高。大力推进城乡环卫一体化发展,实现城乡生活垃圾收运处置体系的全面覆盖,从根本上改善人居环境。进一步做好非正规生活垃圾堆放点和简易堆场排查整治工作,全面摸清堆放位置、主要成分、堆放年限、堆放规模等情况,严格治理非正规垃圾点,从源头上杜绝非正规垃圾堆放点的产生,无污染处置堆放点垃圾,并对整治的非正规垃圾堆放点进行绿化或者配置垃圾箱。

2.积极推进农村生活污水治理。按照统筹城乡生活污水处理、统筹改水改厕的原则,以县(市、区)为单位编制县域村镇生活污水治理专项规划。对南水北调工程输水沿线、集中式饮用水水源地、自然保护区等环境敏感区域的村庄,优先解决污水治理问题。创新污水治理模式,推动城镇污水管网向周边村庄延伸覆盖,城市、镇区和园区周边的村庄接入城镇污水管网位置偏远、达到一定规模的村庄,鼓励采用生态处理工艺,积极推广低成本、低能耗、易操作、易维护、高效率的污水处理技术,建设经济实用的污水处理设施。农村新型社区尽快实现污水收集处理。

3.持续削减影响地下水水质的城镇生活污染负荷,控制城镇生活垃圾对地下水的影响,建成地下水污染防治体系。

4.认真做好城市周边垃圾填埋场或堆放场对地下水环境的风险评估工作。

5.目前正在运行且未做防渗处理的垃圾填埋场,应完善防渗措施,建设雨污分流系统。

6.对于已封场的城镇垃圾填埋场,要开展稳定性评估及长期地下水水质监测。

7.对于已污染地下水的城镇垃圾填埋场,应及时开展顶部防渗、渗滤液引流、地下水修复等工作。

8.有计划关闭过渡性的简易或非正规生活垃圾填埋设施。

9.未经稳定化处理且含水率超过60%的城镇污水厂污泥不得进入垃圾填埋场处理。

作者:周静远 单位:中国农业大学

谈地下水环境污染治理与风险防范责任编辑:张雨    阅读:人次