基于多元统计方法的垃圾填埋场周围地表水的监测_李丽环.pdf

2023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2023-01-10作者简介：李丽环（1985），女，本科，工程师，研究方向为环境质量。基于多元统计方法的垃圾填埋场周围地表水的监测李丽环（广州市生态环境局番禺环境监测站广东广州510000）摘要对广东省某城市1个固体垃圾填埋场附近地表水进行了监测。利用金属离子、阴离子、氨等物理化学参数对监测结果进行了分析，确定了垃圾填埋场地表水和地下水可能受到的污染信息。多元统计分析表明，地下水采样点3（PZ3）相对于其他地下水样品的参数发生了变化，说明渗滤液渗漏到地下水中。垃圾填埋场附近地表水采样点1（BG1）中碱金属和NH4+的含量高于其他垃圾填埋场附近采样，说明垃圾渗滤液很可能渗进了BG1。另外，废物池中产生的渗滤液经处理后水质有所改善。关键词多元统计方法垃圾填埋场地表水监测中图分类号：X832文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)0308404城市垃圾的处理处置问题是现代社会最重要的环境问题之一。传统的垃圾卫生填埋场通常内衬土工膜，以避免泄漏，从而防止污染物渗透导致土壤和水资源污染1。渗滤液是1种成分复杂的废水，颜色较深，气味较浓2，主要由4类污染物组成：溶解的有机物、无机盐、重金属和异种有机物3。垃圾填埋场中最重要的潜在环境问题是由于垃圾渗滤液泄漏和不正确地排放到接收水体中而污染水资源。这种威胁的规模取决于许多因素，如渗滤液中污染物的浓度和毒性，地质地层的类型和渗透性，以及地下水位的深度4。被渗滤液污染的地表水可通过减少生物多样性和敏感物种的数量对动植物造成损害。受污染的地下水和地表水不能被人类使用5。因此，垃圾填埋场需要环境监测计划，以检测渗滤液对土壤、地表水和地下水的影响。由于环境监测数据的复杂性，多变量技术在环境监测研究中得到了广泛应用。化学计量学技术，如层次聚类分析（HCA）和主成分分析（PCA），可用于检测地表水和地下水中的污染。本研究旨在表征所研究的垃圾填埋场的渗滤液，并确定附近地表水和地下水中可能的污染点。为了从数据中获得更好的解释和更多的有用信息，应用了化学计量学技术（PCA和HCA）。1材料与方法1.1研究区域本研究是在广东省某城市固体垃圾填埋场附近进行的。垃圾填埋场由3个封闭单元（C1、C2、C3）和1个活动单元（C4）组成，以及4个渗滤液处理区（L1、L2、L3、L4）。每个单元的面积约为7 000 m2。来自C3和C4的渗滤液被送到L1和L2，然后转移到L3，最后再经L4最终处理。在垃圾填埋区地下水分别取3个采样点进行监测（PZ1、PZ2、PZ3）。在垃圾填埋场附近地表水（采样点BG1、BG2和BG3）进行地表水监测。采样点BG1离垃圾填埋场最近，约100 m，而BG2和BG3分别离垃圾填埋场约2 700 m和1 300 m。1.2样品收集本文中，收集了垃圾渗滤液、地表水和地下水样品，并对其进行了表征。分析了原始渗滤液（C3和C4）样品和渗滤液处理区样品（L1、L2、L3和L4），以及3个地下水样品（PZ1、PZ2和PZ3）和3个地表水样品（BG1、BG2和BG3）。1.3样品的分析使用多参数探针测定pH、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）、温度（T）和盐度；样品用氢氧化钠中和，加入0.1 mL的ISA溶液，调节pH至13，然后测定氨的含量；采用电感耦合等离子体光学发射光谱法分析样品中的金属离子。1.4统计方法本文应用的化学计量学方法包括PCA和HCA。PCA是1种描述性的多元投影技术，它将大量变量转换为较少数量的不相关变量，称为主成分（PCs），主成分是原始变量的线性组合。PC在图形投影中相互正交绘制，以获得最大解释方差。HCA是1种多变量统计方法，以树状图的形式直观地显示变量之间的关联程度。样本被划分为聚类，同一组的成员具有很强的相关性，不同组的成员具有较低的相关性。在树状图中，距离轴表示变量组之间的关联程度，即距离越小，关联越显著。2结果与讨论2.1渗滤液分析垃圾填埋场渗滤液组成见表1。其中Cl-（2 2003 600 mg/L）、SO42-（750850 mg/L）和NH4+（6001 200 mg/L）浓度较高，NO3-浓度低于检测限（0.1 mg/L）；渗滤液中Ca2+、K+、Mg2+和Na+等碱金属浓度分别为2 0003 400 mg/L、6 3006 800 mg/L、7001 050 mg/L和7 5009 600 mg/L；渗滤液中Cr3+、Cu2+、Ni2+、Pb2+等重金属的浓度为25750 g/L、570 g/L、130290 g/L、150200 g/L；Fe3+和Mn2+的浓度相比其他重金属离子较高，分别为10 00043 000 g/L和1 00015 000 g/L。L4中所研究的所有参数的浓度均低于L1，证明渗滤液处理后有降低作用。在L1中，观察到Cl-、SO42-、NH4+的平均浓度污染防治技术842023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇垃圾填埋场渗滤液组成名称渗滤液样品渗滤液处理区样品 浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）分别为1 200、240、75 mg/L，而在L4中，显著降低到160、21、0.1 mg/L。NO3-仅在浓度约为7.0 mg/L的L4中观察到。处理区样品Ca2+、K+、Mg2+和Na+的浓度分别为24120 mg/L、40 390 mg/L、960 mg/L、55490 mg/L。Cr3+（0400 g/L）、Cu2+（1550 g/L）、Fe3+（3003 900 g/L）、Mn2+（52670 g/L）和Pb2+（35120 g/L）也有降低。应用主成分分析法对渗滤液和渗滤液处理区（C3、C4、L1、L2、L3、L4）进行分析。主成分分析的结果（图1）表明，只有2个分量足以代表该区域的特征，并解释总方差的93%。得分图由样本到主成分（PC）的正交投影组成，并显示了样本之间的关系。通过这种方式，相似的样品被放置在附近。如图1所示，可以清楚地区分出3组，分别为组1（C3、C4）、组2（L1、L2）、组3（L3、L4）。第一组由原始渗滤液样本组成，即污染物浓度最高的地方。第二组由L1和L2组成，代表第一次处理后的渗滤液，污染物浓度有所降低。第三组由L3和L4（第二次处理）组成，污染物浓度最低。在主成分分析中发现的样品分离表明，渗滤液处理区很好改善了原始渗滤液的质量。在本研究中，原始渗滤液样品（C3和C4）位于x轴（PC1）的负值，与Ca2+、K+、Mg2+、Na+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Mn2+、Pb2+、Ni2+、Cl-、SO42-和NH4+的浓度相关。对于PC2，可以观察到位于y轴正值的样品主要受Cr3+、Cu2+、Mn2+浓度的影响，而位于y轴负值的样品主要受Ni2+、Fe3+、NH4+浓度的影响。PC1占模型解释方差的78%，可以观察到，在PC1中，所有变量（Cr3+除外）之间高度相关。PC2可以解释15%的方差，对于观察原始渗滤液样品（C3和C4）之间的差异很重要。可以观察到，Cr3+、Cu2+、Mn2+与Ni2+、Fe3+、NH4+呈负相关。由此可见，C3为完整封闭的残渣处理单元（环境影响较小），处于有机质分解后期，样品受到Ni2+、Fe3+、NH4+的影响；C4样品受到Cr3+、Cu2+和Mn2+的影响。这种差异是因为渗滤液的化学成分差异很大。应用HCA，以确定渗滤液（C3和C4）与渗滤液处理区（L1、L2、L3和L4）在污染潜力方面的异同，并确认通过PCA获得的样品分组。HCA的结果以树状图的形式显示（图2），其中相对距离越小，样本之间的相似性越大。图1中的每个聚类对应于一组显示它们之间相似性的样本。这些结果与主成分分析中发现的结果相对应，即在所研究的垃圾填埋场中，有3组不同的样本对应于研究区域的废物单位（聚类1）、第一个渗滤液处理区（聚类2）和第二个渗滤液处理区（聚类3）。结果表明，渗滤液经过处理可以有效降低污染物浓度。2.2地表水和地下水分析本研究调查的地下水和地表水水质参数如表2所示。地下水样品pH值在5.07.3之间，在允许的范围内。Cl-、NO3-和SO42-的浓度分别为10170 mg/L、09 mg/L和29 mg/L，NH4+浓度范围为0.20.5 mg/L。地下水中Cd2+、Cr3+、Cu2+含量均低于图1渗滤液样本的PCA分析图2渗滤液样本的HCA分析污染防治技术852023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇地下水和地表水水质参数名称地下水采样点地表水采样点 浓度（）（）盐度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）浓度（）检出限，Fe3+、Ni2+、Pb2+含量分别为60700 g/L、1540 g/L、626 g/L。Mn2+的浓度为20630 g/L，以PZ2的浓度最高。地下水中Ca2+、K+、Mg2+和Na+的浓度分别为147 mg/L、1112 mg/L、010 mg/L和5170 mg/L，其中PZ3中碱金属浓度最高。地表水样本的pH值呈中性，在7.37.7之间。地表水中Cl-、NO3-和SO42-的浓度分别为819 mg/L、040 mg/L和26 mg/L，NH4+浓度范围为01.15 mg/L，其中BG1中NH4+浓度（1.15 mg/L）明显高于其他位置，这表明可能最近发生了浸出污染，因为NH4+尚未还原NO3-。地表水中Cd2+、Cr3+、Cu2+的浓度均低于检出限，Fe3+、Ni2+、Pb2+的浓度分别为125600 g/L、1.4 g/L、10 g/L。地表水样品中Ca2+、K+、Mg2+和Na+的浓度分别为18 mg/L、17mg/L、15 mg/L、511 mg/L。其中，BG1中碱金属浓度最高。与其他PZ和BG相比，PZ3和BG1的EC有变化，这表明存在污染源，可能是由于垃圾填埋场渗滤液，因为靠近垃圾填埋场的水域EC值高表明其质量发生了变化。此外，这些地方的Ca2+、K+、Mg2+、Na+和Cl-的浓度也相对最高。地下水中K+浓度的升高通常是渗滤液污染的1个指标，因此，这些参数的富集表明渗滤液从垃圾填埋场的PZ3和BG1进入。以Ca2+、K+、Mg2+、Na+、Fe3+、Mn2+、Cl-、SO42-、NH4+为参数构建矩阵。PCA将样本分为3组：组1（C3和C4），组2（L1和L2），组3（L3、L4、PZ1、PZ2、PZ3、BG1、BG2和BG3）。将2个独立的PC提取出来，可以解释75%的方差。PC1（图3）占总方差的55%，主要由K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-和Cl-变量表示，这些变量表现出正负荷。PC2（图4）解释了总方差的20%，主要由变量K+、Na+、Fe3+、Mn2+和SO42-表示。K+和Na+呈现负载荷，Fe3+、Mn2+和SO42-呈现正载荷。系统中变量和样本的空间分布（图3）显示了4个组的存在：组1（L3和L4）、组2（PZ 3）、组3（PZ1和PZ2）和组4（BG1、BG2和BG3）。从PCA可以看出，PZ3（组2）相较于组3（PZ1和P2），与组1（L3和L4）有更多的相似之处。PZ3与第3组的距离主要是由于Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Cl-在PC1中表现出较高的负荷，并将PZ3置换为阳性评分。因此，主成分分析表明，PZ3中某些变量的浓度有所增加，说明垃圾填埋场渗滤液发生了渗透。图3地表水和地下水样品的PCA评分图表图4地表水和地下水样品的PCA加载图形（下转第93页）污染防治技术862023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（上接第86页）图5地表水和地下水样品的HCA分析树状图将样本分为3组（图5）：第1组（L3和L4），第2组（P