垃圾渗滤液对土壤铁锰有效性及地下水质的影响

1、垃圾渗滤液对土壤铁锰有效性及地下水质的影响夏立江，温小乐（中国农业大学资源与环境学院，北京 100094）摘要：受垃圾渗滤液影响，垃圾场周边土壤有机物含量增加。试验结果显示，随着土壤有机物含量的增加，土壤中有效态铁锰含量增大。垃圾场周边土壤中渗滤液有机物和金属铁锰共存时，大量的有机物质能活化土壤中的铁锰，增加其有效性，增强其在土壤中的迁移能力，从而造成垃圾场地下水较严重的铁锰污染。关键词：垃圾渗滤液；有机物；土壤；铁锰有效性中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1008-181X（2002）01-0006-04目前，我国大多数城市的生活垃圾处理仍然处于初期阶段，真正实现无害化处理的垃圾

2、只占年产量的2.3%，绝大部分垃圾只能运往城外郊区堆放腐烂。垃圾堆放的一个直接后果就是由于无任何防渗措施而使大量水质极劣的渗滤液对土壤、水体造成严重污染，直接威胁着人类健康。表1 供试土壤基本理化性质pH全氮/%全磷/%速效钾/(mgkg)有机质/%电导率/(scm-1)全铁全锰/(mgkg-1)8.140.170.04689.02.617022115557垃圾渗滤液是一种高浓度的复杂有机废水，含有大量的有机物，COD、BOD5浓度很高。郑曼英等1对垃圾渗滤液有机污染物的分析研究表明，渗滤液中含有主要有机污染物77种，其中芳烃类29种，烯烃类18种，酸类8种，醑类8种，醇、酚类6种，酮、醛类4

3、种，酰胺类2种，其它5种。上述77种有机物仅占渗滤液中COD的10%左右；张兰英等鉴定出垃圾渗滤液中的93种有机化合物，其中有22种被列入我国和美国环保局环境优先控制污染物的“黑名单”中2。有研究资料显示，生活垃圾渗滤液的COD浓度范围一般为300045000 mg/L，有机污染性很强3。此外，垃圾渗滤液还含有大量重金属离子和其它有害物质，对周边环境的危害性极大。对北京西郊某垃圾堆放场周边土壤、地下水进行现场采样分析，在此基础上调控有关试验条件，研究垃圾渗滤液中的有机物对土壤铁锰有效性的影响，有利于揭示在垃圾堆放区污染土壤中有机污染物-金属的络合作用效应，为合理解释垃圾场地下水的铁锰污染成因提

4、供依据。1 材料与方法1.1 室外试验沿地表径流方向，在垃圾场现场距堆放区约1、10、20、50、100、200 m处布点，采集表层土样，对照点设在远离垃圾场2 km外的高地势处。测定土壤的有机物含量。沿垃圾堆放区地下水下游方向布设监测井，采集地下水测定Cd、Pb、Fe、Mn含量。1.2 室内试验1.2.1 供试土壤采自本垃圾场100 m处污染土壤，基本性质见表1。1.2.2 供试有机物选用草碳土为土壤有机质添加物，经测定其有机质含量约为 86.7%，全铁量5014 mg/kg，DTPA-Fe 96.3 mg/kg，全锰量213 mg/kg，DTPA-Mn 48.8 mg/kg。1.2.3 试

5、验内容称取5份原状污染土壤500 g，按风干土质量的0%、3%、5%、7%、9%添加草炭土并充分混匀，装入塑料桶中，加入土质量10%的水润湿混匀，分别记土样号为CK、A、B、C、D。置于室温条件下培养约四周，此为供试土样，测定其有机质含量分别为2.6%、3.8%、4.7%、7.2%、8.1%。分别称取风干过筛的供试土样10.0 g于150 ml三角瓶中，加入20.0 ml DTPA 浸提剂，25 恒温振荡2 h，过滤浸提得有效态Fe、Mn溶液，于原子吸收分光光度计上测定浸出液中的Fe、Mn含量。1.3 分析方法土壤有机质用铬酸氧化还原滴定法（一定浓度K2Cr2O7-H2SO4氧化后，以邻菲罗啉

6、为指示剂，FeSO4溶液还原滴定）。土壤有效态Fe、Mn用DTPA浸提、原子吸收分光光度法（固液比12，以DTPA为浸提剂，振荡2 h后浸提于原子吸收分光光度计上测定）。地下水重金属用硝酸消解后，于原子吸收分光光谱仪上测定（日立Z-8000型）。2 结果与讨论2.1 垃圾场周边土壤有机物含量状况表2 垃圾场不同距离处土壤有机物含量土壤样点垃圾场区土壤对照区未受污染土壤与垃圾堆距离/m1 10 20 50 100 200 2 000有机物含量/%8.495.243.853.642.632.741.49对北京西郊某垃圾堆放场周边土壤的理化性状进行采样分析。表1结果表明，受垃圾渗滤液影响，垃圾区周围

7、土壤与对照区土壤相比有机物含量显著增加，特别是距堆体最近（1 m）处的土壤，其有机物含量达到8.49%，是对照土壤的5.7倍，增幅很大。距垃圾堆体10、20、50、100、200 m处土壤的有机质含量分别比对照土壤增加了251%、158%、144%、7%和84%。可见，含有大量有机污染物的垃圾渗滤液进入土壤，增加了土壤的有机物含量。2.2 垃圾渗滤液对地下水的重金属污染对北京西郊某垃圾堆放场地下水中的Fe、Mn、Cd、Pb四种重金属进行连续监测，结果表明，地下水中Cd、Pb含量甚微，监测期内其浓度均未超出国家地下水质量标准的类标准，但地下水中Fe、Mn含量甚高，污染较为严重。图1为199920

8、00年期间垃圾场地下水中Fe浓度变化情况。据监测资料，垃圾场投入使用前该区浅层地下水Fe浓度背景值为0.01 mg/L，深层地下水Fe含量未检出。自1997年垃圾场开始堆放垃圾后，地下水中的Fe、Mn浓度显著上升，到2000年浅层地下水中铁平均浓度可达89 mg/L，超出国家地下水五级标准（1.5 mg/L）56倍之多。地下水中Mn浓度在0.10.6 mg/L之间，平均浓度超出国家地下水三级标准（0.1 mg/L），与其背景值为未检出相比，含量也有很大幅度的提高。由此可见，垃圾场地下水已受到垃圾渗滤液的污染影响，导致较为严重的铁锰金属污染。2.3 垃圾渗滤液对土壤Fe、Mn有效性的影响垃圾场地

9、下水中铁锰含量的显著上升，究其原因，一方面是由于大量垃圾渗滤液的直接下渗，造成地下水Fe、Mn含量较高；另一方面，垃圾渗滤液改变了土壤的某些理化性状，间接地影响了铁锰元素在土壤中的迁移能力，从而造成地下水Fe、Mn浓度的变化。如前所述，受生活垃圾渗滤液影响，垃圾区周围土壤与对照土壤相比，其有机质含量显著增加，甚至在垃圾堆底部土壤其有机质可达8.5%。土壤有机质含量的变化最终会影响土壤中某些重金属的存在形态，继而使其有效性发生变化。对土壤添加有机物质，研究不同有机物含量的污染土壤中Fe、Mn有效性的变化情况。试验结果如表2所示。垃圾场地下水铁含量国家地下水五类标准15浓度/（mgL-1)1050

10、9902990499069908991099120008000600040002时间图1 垃圾场地下水重金属Fe浓度变化试验结果表明，添加有机物质能促进污染土壤中金属Fe、Mn的活化，增加其有效性。统计分析表明，添加不同水平的有机物质都能提高污染土壤中的Fe、Mn有效性，与对照相比，不同有机质水平土壤中，Fe、Mn有效态含量差异达极显著水平（P0.01）。随着土壤有机质水平的提高，有机物质活化土壤Fe、Mn的作用显著增强。在有机物添加量为3%时，有效态铁增加80%，有效态锰增加50%；当有机物添加量加大到7%时，有效态铁增加298%，有效态锰增加189%，可见土壤中的铁较锰更易被有机物活化。3

11、 讨论3.1 有机物质对土壤铁锰有效性的影响试验结果表明，当土壤中添加有机物质时，明显地影响到土壤中有效态Fe、Mn的数量（表2），用DTPA浸提土壤中Fe、Mn元素时发现，随着有机物添加量的增加，土壤中有效态Fe、Mn含量也随之增大，从而说明有机物质直接影响着土壤中Fe、Mn元素的有效性。表3 添加有机物质对污染土壤中Fe、Mn有效性的影响土样有机物添加量/%土质量有机质含量/%有效态含量/(mgkg-1)有效态增幅/%FeMnFeMnCK0%2.665.42.5d25.70.1d00A3%3.8109.22.4c38.60.1c8050B5%4.7142.70.7c56.10.3b1681

12、19C7%7.2242.01.4b74.20.1a298189D9%8.1288.71.6a79.40.2a375209注：表中数据已扣除草炭土的背景含量；同列中标有不同字母为差异显著（P0.01）。一方面，当土壤中有机物增多时，有机物的腐解过程能产生大量的电子，使得土壤体系的氧化还原电位下降、还原性增强，土壤中大量的氧化铁和氧化锰可以被快速还原，产生游离态的亚铁离子和亚锰离子，扩散到土壤溶液中，增加了土壤溶液中Fe、Mn元素的可溶性，提高了其在土壤中的迁移能力。一般而言，土壤有机质含量愈高，产生的有机还原性物质愈多，则被还原的Fe、Mn也愈多，土壤溶出的铁锰量也就愈大4。另一方面，土壤中有机

13、物与重金属共存时，其直接的结果就是形成重金属-有机络合物，这些络合物将显著改变重金属在土壤中的物理化学行为，从而使得土壤表面对重金属的保持能力、重金属的溶解性、生物有效性等发生一系列的变化。因而对于土壤中金属离子的移动，有机物的络合作用具有重要意义。一般来说，土壤的有机物含量愈高，其有机络合剂的数量也愈大，络合的金属也愈多，其移动性也就愈强5。铁、锰在通常的土壤pH范围内是不溶性的，铁的化合物特别容易水解，因此在土壤中易沉淀，但是铁能被许多有机阴离子螯合而形成稳定的络离子，可以比较自由地在土壤溶液中移动，增加其有效性。大多数研究者认为有机物与铁的螯合作用主要发生于羧基和酚羟基上。Lindsay

14、6报导有机质对铁氧化物的溶解作用可影响土壤中铁的有效性。Bloomfield连续数年的研究证明，灰化土中的水溶性有机物对铁的溶解是由于铁与富里酸形成螯合物所致。刘志光7认为土壤中的铁锰氧化物颗粒或包膜可以被植物残体分解的某些有机物质所还原、络合和溶解，从而增加铁、锰的活性和生物有效性。3.2 垃圾场地下水铁锰污染成因分析在垃圾堆放场底部及周边土壤中，由于垃圾渗滤液的入渗浸泡影响，不仅提高了土壤的有机物含量，而且土壤中还普遍存在着有机污染物-金属的复合污染。随垃圾渗滤液进入土壤的各种有机物在其腐化分解过程中产生的大量的有机酸（胡敏酸、富里酸、氨基酸），糖类及含硫、氮的杂环化合物具有一定的活性基团

15、（COO-、-NH2、-S-、=NH、-O-等），很容易与Fe、Mn等金属离子络合或螯合，特别是含芳香结构及富含羧基的腐殖酸类是很好的络合剂4。腐殖酸因其主要官能团（COOH、OH等）中的氢能游离出来而带负电性，这种带负电荷的官能团捕获金属离子时，为了维持电离平衡将会使该金属化合物不断解离。这样在相当长的时间内就有可能使该金属从难溶的化合物状态转化为腐殖酸盐，或以配位络合物、螯合物的形式牢固地结合在腐殖酸中。已经知道腐殖酸类物质中的富里酸，由于其高度酸性和较低的分子量，它的金属络合物的溶解度较大，其络合物一般是水溶性的。而且螯合后金属阳离子成为被有机配位体包裹的阴离子，将被带负电荷的土壤胶体所

16、排斥，因此能保持一定的移动性。可见，土壤中有机物和金属共存时发生的络合反应，能增加金属在土壤中的有效性。在垃圾堆放场，经渗滤液进入土壤的大量有机物与金属Fe、Mn共存时能形成可溶性的稳定Fe（Mn）有机络合物，使土壤铁锰大量溶出，增加了土壤铁锰的有效性，增强了其在土壤中的迁移能力。综上所述，在垃圾渗滤液有机物的影响下，土壤中的铁锰大量溶出，有效态铁锰随垃圾渗滤液下渗迁移进入深层土壤直至进入地下水中，从而造成垃圾场地下水严重的铁锰污染。4 小结（1）受垃圾渗滤液的影响，垃圾场周边土壤有机物含量增高，离堆体越近，土壤有机物增加越明显。（2）土壤中有机物和金属铁锰共存时，能增加铁锰有效性，提高其在土

17、壤中的迁移能力。试验结果表明，随着土壤有机物的增加，土壤中有效态铁锰含量也随之增大。（3）垃圾渗滤液渗入周边土壤，渗滤液中的有机物质能活化土壤中的铁、锰，增加土壤中有效态铁锰含量，使土壤铁锰的迁移性大大增强。在降雨排水作用下，有效态溶解性Fe、Mn随垃圾渗滤液淋溶下渗，进入底层土壤和地下水中，造成地下水严重的铁锰污染。参考文献：1 郑曼英，李丽桃. 垃圾渗滤液中有机污染物初探J. 重庆环境科学，1996，18(4)：41-42.2 张兰英，韩静磊. 垃圾渗沥水中有机污染物的污染及去除J. 中国环境科学，1998，18(2)：184-188.3 郑雅杰. 我国城市垃圾渗滤液量预测与污染防治对策J

18、. 城市生态与城市环境，1997，10(1)：29-33.4 保学明. 螯合作用在土壤学中的作用J. 土壤学进展，1986，14(1)：14-18.5 BAO X M, DING C P, YU T R. Z Pflanzenernahr Bodenk, 1983, 146: 285-294.6 LINDSAY W L. Iron oxide solubilization by organic matter and its effect on iron availabilityJ. Plant and Soil, 1991, 130(1-2): 27-34.7 刘志光，徐仁扣. 几种有机化合物对土壤中铁、锰的氧化物还原和溶解作用J. 环境化学，1991，10(5)：43-48.Effects of waste leachate on availability of iron and manganese in landfill soil and on groundwater qualityXIA Li-jiang，