某大型老旧垃圾填埋场地下水修复工程设计

随着城市化进程的加速和人口增长，生活垃圾填埋场作为传统废弃物处置方式，长期承担着固体废物的消纳任务。然而，早期建设的填埋场普遍存在防渗系统简陋、污染物阻隔能力不足等问题，导致渗滤液中的化学需氧量（COD）、氨氮（NH ₃ -N）、重金属等污染物通过地表径流、地下渗流的方式流入地下，从而对地下水造成严重的污染。据统计，我国现存非正规垃圾填埋场超过2000座，其中约60%未设置有效防渗层，且部分填埋场已进入稳定化阶段，污染物释放周期长达数十年。此类场地不仅影响到城市环境保护的发展，同时威胁到人民的生活环境和饮用水安全。

近些年，国家出台了一系列政策文件，如《国务院批转住房城乡建设部等部门关于进一步加强城市生活垃圾处理工作意见的通知》（国发〔2011〕9号）明确指出，评估存在污染、需要治理的应当进行治理和修复，消除环境和安全隐患。同时，国务院印发的《水污染防治行动计划》（2015年）、《土壤污染防治行动计划》（2016年）及生态环境部等7部门印发的《土壤污染源头防控行动计划》（2024年）均将地下水污染防控列为急迫解决的重点任务。如何防控和修复填埋场地下水污染成为我国环境污染防治、保障人体健康的一项重要而急迫的工作，也是我国“十四五”期间重点关注问题之一。因此，针对老旧垃圾填埋场的地下水污染风险识别与修复技术优化升级的研究，具有重要的现实意义和价值。

填埋场地下水污染具有隐蔽性（污染范围难刻画）、复杂性（污染类型多样）、不确定性（污染区域特征各异、水文地质条件复杂）。在实际工程中，地下水修复面临诸多挑战，如： ①低浓度污染物去除效率低，传统生物法对COD<100mg/L的废水代谢活性不足，物化法因污染物浓度梯度低导致传质效率下降；②多污染物协同去除难，氨氮与锰的氧化还原电位差异导致同步处理困难，常需多级工艺串联，增加运维复杂度；③长期运行成本高，传统主流处理工艺系统依赖持续能源输入，且吸附剂再生、膜污染等问题进一步推高成本；④存在二次污染风险，化学氧化可能产生卤代副产物，生物修复则易导致微生物耐药性扩散。

我国南方某大型老旧填埋场启用于1983年，1997年12月停止使用，受建场时经济、技术条件的限制，垃圾仅作简易填埋。为消除垃圾填埋场对环境的污染和安全隐患，2005年底对该填埋场完成了封场工程。在封场工程中虽采取了一系列安全与防污措施，但未修建渗滤液导排与处理设施，渗滤液可通过原有碎石盲沟和天然岩石层通道与地下水混合排出垃圾堆体，流入周边市政排水沟与河流，对附近地下水、地表水、土壤等存在较大的污染风险。随着城市建设的快速推进，目前该填埋场位于中心城区，填埋场东侧约250m有清平高速公路和宝洁路，南侧200m内有敏感目标居民区。2022年，该填埋场所在区域被纳入城市产业用地规划，将围绕区域总部新城，建设成“生态型科创智慧产业园区”。基于此，市政府决定对填埋场进行全量开挖和环境修复，并于2023年委托其他专业单位对该填埋场先后开展了堆体及周边环境现状调查与全量开挖环境修复工程设计等工作。填埋场地下水修复量约为2.0×10 ⁵ m ³ 。

本研究以该填埋场地下水修复工程为例，通过系统分析国内外修复技术优缺点，提出基于抽出-处理技术的优化工程方案，并构建多级生物-化学协同处理系统，实现地下水中低浓度污染物的高效去除。研究成果可为同类型污染场地的修复提供理论依据和技术参考，推动我国地下水污染治理从“粗放式应急”向“精细化长效”模式转变。

2023年6月，地下水调查单位沿填埋场周边布设8座地下水监测井，进行了为期1个月的一次性监测。结果显示，8座地下水监测井水质指标中总硬度、溶解性总固体、氯化物、氟化物、硫酸盐、氰化物、六价铬、铁、铜、锌、镉、铅、汞浓度满足GB/T14848—2017地下水质量标准的Ⅲ类标准限值；部分监测井中的pH、耗氧量（COD _Mn ）、氨氮、亚硝酸盐、挥发酚、锰、总大肠杆菌群等因子超出GB/T14848—2017的Ⅲ类标准限值。超标点位数分别为：pH超标3个点位（6.25、6.37、8.70）、耗氧量（COD _Mn ）3个点位（3.1、3.4、7.5mg/L，超标0.03~1.50倍）、氨氮8个点位（0.911、1.55、1.86、4.81、10.3、14.7、15.3、30.8mg/L，超标0.8~61.0倍）、亚硝酸盐1个点位（1.81mg/L，超标0.81倍）、挥发酚5个点位（0.0023、0.0042、0.0051、0.0057、0.0060mg/L，超标0.15~2.00倍）、锰5个点位（0.186、0.723、0.833、1.400、2.050mg/L，超标0.86~19.50倍）、总大肠杆菌群2个点位（5、6MPN/100mL，超标0.67~2.00倍）。

为进一步探明填埋场地下水水质情况，2023年8月，调查单位对场内土壤浸出液和场外增设的20座地下水监测井水质做了补充调查。结果显示，20座地下水监测井水质指标中总硬度、硝酸盐、硫酸盐、六价铬、砷、铅、汞的检测结果满足GB/T14848—2017的Ⅲ类标准；部分监测井中的pH、氨氮、氯化物、耗氧量（COD _Mn ）、溶解性总固体、铁、锰等因子不满足GB/T14848—2017的Ⅲ类标准限值，主要表现：pH为7.0~8.2、氨氮为0.069~11000mg/L（11个超标点位，超标0.014~2199倍）、氯化物为2.3~477mg/L（1个超标点位，超标0.9倍）、耗氧量为0.56~297mg/L（5个超标点位，超标0.5~98倍）、溶解性总固体为74~4930mg/L（1个超标点位，超标3.93倍）、铁为0.02~15.5mg/L（11个超标点位，超标0.03~50.7倍）、锰为0.01~4.81mg/L（10个超标点位，超标0.6~47.1倍）。同时，对填埋场场底土壤浸出液进行了测试，结果显示，部分点位BOD ₅ 、氨氮、COD等指标超出GB 16889—2024生活垃圾填埋场污染控制标准中表2排放标准限值。

根据《工程地质和水文地质专项调查报告》（2023年7月）结果，场地内地层从上而下依次为人工填土层、碎石土以及下伏侏罗系下统金鸡组砂岩；地下水较为贫乏且埋藏较深。

1. 人工填土

（1）素填土： 土黄色，稍湿，稍密状为主。由粉质黏土堆填，夹有少量砂岩碎块。层厚介于1.00~5.30m，平均厚度2.15m，层顶高程介于54.52~108.92m，层底高程介于50.60~107.22m。

（2）杂填土： 褐黄、灰黄色，稍密，稍湿，以黏性土为主，局部含碎石、角砾。层厚介于0.20~24.40m，平均厚度4.23m，层顶高程介于36.72~118.74m，层底高程介于34.34~116.98m。

（3）建筑垃圾： 灰褐、灰黑色，松散，稍湿，主要含碎砖、瓷陶片、混凝土块、块石等。层厚介于0.70~11.80m，平均厚度4.24m，层顶高程介于43.29~105.00m，层底高程介于39.69~99.70m。

（4）生活垃圾： 深灰色、灰黑色，主要由生活垃圾堆填，多见塑料袋、彩条布等，具臭味。层厚介于0.20~32.10m，平均厚度7.36m，层顶高程介于39.69~105.97m，层底高程介于34.64~105.47m。

2. 碎石土

主要为碎石，含有砾砂与少量黏性土，土黄、褐黄夹灰、灰白色斑点状，局部夹少许风化岩屑或碎石，稍湿，松散，层厚介于0.80~16.00m，平均厚度6.56m，层顶高程介于34.64~120.89m，层底高程介于33.84~117.89m。

3. 下伏侏罗系下统金鸡组砂岩

细粒结构、块状构造，根据风化程度不同分为全风化、强风化、中风化3个带。

（1）全风化砂岩： 粉质黏土或黏性土，局部为砂质黏性土，系砂岩风化而成，褐黄、褐红夹灰、灰白色，质较均匀，稍湿，可塑~硬塑状态。层厚介于0.20~43.90m，平均厚度5.49m，层顶高程介于34.32~119.19m，层底高程介于5.99~115.54m。

（2）强风化砂岩： 褐黄色，砂状结构，层状构造，岩芯碎块状为主，含少许风化土，不均匀夹有中风化岩块，裂隙很发育，岩体较破碎，为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚介于0.30~32.00m，平均厚度8.98m，层顶高程介于25.00~116.98m，层底高程介于16.29~109.73m。

（3）中风化砂岩： 褐灰色，砂状结构，层状构造，风化裂隙发育，岩芯呈块状、短柱状，为较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。层厚介于0.30~43.00m，平均厚度9.04m，层顶高程介于5.99~117.89m，层底高程介于1.29~93.19m。

4. 地下水

该填埋场地处低山丘陵，地形复杂且地势较高，地下水较为贫乏且埋藏较深。场地内地下水主要为赋存于杂填土中的孔隙潜水和赋存于风化基岩中的风化裂隙水两种形式，以大气降水作为其主要补给来源，场地地下水的流向从西北和西南地势较高的地带向场区和东南侧汇聚和排泄，与填埋场坡度方向一致。地下水水位埋深介于3.20~29.90m，高程介于31.74~97.49m，水位受地貌形态、雨季大气降水、地表水系下渗影响较大，地下水变化幅度在0.5~14.0m。

1. 处置对象

根据前期填埋场地下水调查资料及分析，将pH、氨氮、锰、耗氧量、挥发酚等指标作为重点处置对象。

2. 修复技术选择

（1）抽出- 处理技术（P&T）。 主要通过布设抽水井形成水力梯度，将污染地下水物理抽提至地表，经异位处理设施（如吸附、氧化、生物降解等工艺）去除污染物，达标后排放或回注。系统包括抽提井群、泵控单元及适配污染物的模块化处理装置，兼具污染羽拦截与水力控制功能。具有如下优势：①工艺成熟，易与工程降水协同实施；②适用于中浅层含水层及可溶污染物的羽状污染治理；③模块化处理设施可针对特定污染物灵活配置。同时也存在一定的局限：①难溶性/吸附性污染物（如DNAPLs）处理效率低，易产生拖尾反弹；②深层/大范围污染时抽水量剧增，导致运维成本高且易引发区域性地下水位骤降，诱发地面沉降风险；③挥发性污染物存在逸散控制难题，需配套负压收集及废气处理系统；④长期运行可能扰动地下水化学场，存在二次污染风险。

（2）多相抽提技术（MPE）。 通过真空提取手段，抽取地下污染区域的土壤气体、地下水和浮油层到地面进行相分离及处理，以控制和修复土壤与地下水中的有机污染物，实施场地修复的技术手段。与传统的修复技术相比，MPE具有环境友好性、对地面环境的扰动小、修复效率高、影响面积大、适宜高浓度污染物修复等优点。但由于MPE系统的独特性，需要配套的设备和对场地水文地质条件的特殊要求，以及修复工程大规模开展前的场地预测试，导致前期耗费时间较长，不适用于工期紧张的项目。

（3）原位化学氧化技术。 通过向污染地下水注入化学氧化剂（如芬顿试剂、过硫酸钠、高锰酸钾、臭氧等），与污染物发生氧化反应，将其降解或转化为低毒产物的修复方法。该技术需根据场地污染物种类、土壤类型及渗透性确定氧化剂的适用性及扩散范围。其优点是可同时处理多种污染物，成本适中，但存在氧化不彻底、可能产生毒性更大的中间产物等缺点，更适用于低浓度地下水污染修复。

（4）可渗透式反应墙（PRB）技术。 通过在地下水流经路径上安装透水的反应墙，拦截污染物羽状体，是一种被动式地下水污染原位修复技术。当污染羽流经墙体时，污染物在反应墙内通过沉淀、吸附、氧化还原、生物降解等作用被去除或转化，从而实现地下水净化。该技术不适用于承压含水层，且在含水层深度超过10m的非承压含水层中应用受限。PRB技术对反应墙中沉淀和反应介质的更换、维护、监测要求较高，其使用寿命可能因反应介质的堵塞或饱和而缩短。此外，PRB技术主要用于控制污染物随地下水迁移，但无法直接削减污染源头，修复周期通常较长。

（5）阻隔技术。 阻隔泥浆墙通常由土壤、膨润土和水混合而成。通过在污染场地的地下水流向路径上垂直挖掘沟槽并填充泥浆，形成阻隔墙体。其主要作用是阻隔受污染的地下水，防止污染物向下游扩散，同时改变未受污染地下水的流向，并可作为地下水处理系统的辅助手段。该技术处理效率较高，对移动性较强的污染羽具有较好的控制作用，防止污染羽扩散，但对于深层地下水污染在施工上难度较大，同时对土地开发利用功能的影响较大，且并未真正去除水中污染物。

从技术成熟性、修复时间、适用条件、经济性、优缺点等多方面综合比较了上述几种主流地下水修复技术，如表1所示。结合该填埋场场地地下水污染特征、水文地质条件以及场地开发用途、时间要求，确定采用抽出-处理技术修复该地下水污染场地。

表1 地下水修复技术比较

3. 修复目标

结合该填埋场区域未来开发需要，并根据区政府关于该填埋场修复工程相关设计的文件指示，地下水修复工程完成后，出水指标应满足GB/T 14848—2017表1中Ⅲ类水质限值要求。

4. 修复方案

（1）修复区域水文地质条件 ： 2.2节已作说明。

（2）抽出水量及抽排井数量 ： 根据前期抽水试验，并参考同类型工程案例，初步估算区域给水系数为0.032，得出地下水总修复量为1.920×10 ⁵ m ³ 。抽出井按照梅花形（正三角形）布设，地下水管控量按2.0×10 ⁵ m ³ 计，则抽出井共布设43口（抽排井的剖面如图1所示）。单井日抽水能力按最大值40m ³ /d计算，每天可抽取地下水约为1720m ³ ，根据污染地下水总量和区域水文地质条件，边抽出边处理需要运行112日历天。

注：图中标注尺寸单位除说明外，其余均为 mm。

图1 地下水抽排井（抽排-回灌一体井）剖面

（3）修复范围及抽排井布设。

地下水修复工程主要分两个阶段实施（区域一和区域二）。随着垃圾开挖的进行，首先在生活垃圾填埋区域于开挖边界线外预留部分地下水抽排主管，同时为两区域地下水抽排管预留接口。

区域一抽排井布设如图2（a）所示：①生活垃圾开挖至80、70m标高后同步进行地下水抽排井打井施工，于缓坡平台间隔100m布设地下水抽排井（DW-01-01~13）；②生活垃圾开挖至60m标高后同步进行地下水抽排井打井施工，于库底间隔50m布设地下水抽排井（DW-01-14~18）。

区域二抽排井布设如图2（b）所示：①生活垃圾开挖完成后，于库底间隔50m，呈梅花形布设地下水抽排井（DW-02-01~08）；②建筑垃圾及场外垃圾开挖完成并回填后，间隔40m，呈梅花形布设地下水抽排井（DW-02-09~25）。

地下水抽排管道系统：地下水抽排井→De50地下水抽排支管→De110地下水抽排干管→De160地下水抽排主管→预留De160地下水抽排主管→地下水暂存池→地下水处理车间。

（a ）区域一地下水抽排井布设

（b ）区域二地下水抽排井布设

图2 地下水抽出 - 处理区域示意

（4）地下水处理工艺。 设计规模及进出水水质：根据抽水量及抽排井数量，设计地下水处理规模为1720m ³ /d，24h连续运行。设计进出水水质指标如表2所示。

表2 设计进出水水质指标

工艺流程：地下水处理工艺主要采用 “曝气生物流化床（ABFT）+电催化氧化（ECO）+反渗透（RO）” 工艺，工艺流程及车间设备平面布置分别如图3、图4所示。

图3 地下水处理工艺流程示意

（a ）地下水处理车间设备剖面

（b ）地下水处理车间设备平面布置

图4 地下水抽出-处理设备平面布置

地下水处理工艺系统主要包括曝气生物流化床单元、电催化氧化单元、反渗透单元。工艺描述如下：

①地下水经泵送入曝气生物流化床，床内填充粒径小、密度大于水的载体颗粒。废水流速使载体层流化，生物膜附着于载体颗粒表面呈悬浮态，并伴随少量游离生物膜和菌胶团。该工艺兼具悬浮生长法（活性污泥法）特征，通过生物膜与水中有机污染物接触实现污染物去除。

②曝气生物流化床出水经泵提升至过滤器，截留大颗粒悬浮物后流入电催化氧化装置。在电场作用下，金属氧化物电极产生强氧化性的羟基自由基等活性基团，与有机污染物反应，将其彻底氧化为二氧化碳和水。该过程依赖有机物分子向电极界面迁移，避免了毒害中间产物的生成。

③电催化氧化装置出水经泵提升至冷水机降温后，依次通过多介质过滤器和保安过滤器，截留细微悬浮物。随后，水经高压泵增压后进入反渗透膜。在压力差驱动下，水分子透过选择性透过膜流入中心管并排出，而离子、有机物、细菌、病毒等杂质被截留在膜的进水侧，最终从浓水端排出，实现分离与脱盐。反渗透装置是系统的核心，可去除绝大部分无机盐、有机物、微生物和胶体。

通过上述工艺处理，地下水中的污染物能实现高效去除，出水水质指标低于GB/T 14848—2017表1中Ⅲ类水质限值，满足设计要求。

测试指标主要为pH、COD、氨氮、挥发酚、锰等。各指标的分析方法参照GB/T 14848—2017中表B.1，具体如表3所示。

表3 各测试指标分析方法

针对低浓度COD、氨氮、锰等污染物的处理需求， “曝气生物流化床（ABFT）+电催化氧化（ECO）+反渗透（RO）” 技术联用通过多级协同作用实现了污染物高效去除与水质深度净化。经过连续运行测试，各工艺段污染物去除效率如表4所示。

表4 各工艺段污染物去除效率

注：各工艺段进水、出水pH均为6.5~8.5，符合出水标准要求。

（1）曝气生物流化床： ①高效降解。通过流化态生物填料提供高比表面积，生物膜富集硝化菌和异养菌，实现对COD和氨氮的高效去除；②抗冲击与低能耗。微生物活性强，适应水质波动，曝气需求低，能耗较传统活性污泥法降低30%。

（2）电催化氧化： ①深度氧化。电极反应生成羟基自由基（·OH）等强氧化剂，可分解难降解有机物及氧化锰（Mn ²⁺ →Mn ⁴⁺ ），同步降低COD和锰浓度；②无二次污染。无需投加化学药剂，避免卤代副产物生成，环境友好性优于传统化学氧化。

（3）反渗透： ①极限截留。反渗透膜可截留剩余溶解性COD、氨氮及锰离子，出水水质稳定（COD<3mg/L，氨氮<0.5mg/L，锰<0.1mg/L），满足高水质标准；②低浓度适应性。对COD<20mg/L的微污染水源处理效果显著，适用于低浓度且成分复杂的废水。

（1）曝气生物流化床与电催化的协同： ①曝气生物流化床预处理可去除大部分易降解有机物和氨氮，降低电催化氧化负荷，减少电极损耗和能耗；②电催化弥补曝气生物流化床对难降解有机物和锰的去除短板，避免传统生物法因污染物抑制导致的效率下降。

（2）反渗透的深度保障： 处理后残留的低浓度污染物（如溶解性有机小分子、微量金属离子）可通过反渗透膜高效截留，解决生化工艺的“拖尾效应”，确保出水水质稳定达标。

（1）运行成本降低。 本项目从设备电耗、药剂（主要是曝气生物流化床所需靶向菌种和反渗透所需药剂等）以及人员工资等方面对运行成本进行评估，综合运维成本约30元/t，较传统组合工艺降低20%~30%；曝气生物流化床的污泥产生量较活性污泥法减少50%，电催化无需药剂投加，反渗透膜寿命因前段预处理强化而延长。

（2）占地面积小。 曝气生物流化床与电催化设备紧凑，反渗透模块可集成设计，适用于空间受限的场地。

（3）二次污染防控。 生物与电催化阶段的化学污泥和有毒副产物减少，反渗透浓水可通过回流或高级氧化进一步处理，实现近零排放。

“曝气生物流化床（ABFT）+电催化氧化（ECO）+反渗透（RO）” 是一种集成多种技术的地下水处理工艺，针对低浓度污染物（如氨氮、挥发酚、锰等）的处理具有一定的优势，但也存在一些问题及挑战： ①3种技术集成的工艺流程较复杂，设备投资和运行维护成本较高；②曝气生物流化床对低浓度氨氮的去除效果受进水水质、水温、生物膜活性等因素影响较大，处理效率不稳定；③电极材料的选择和电极寿命是关键问题，电极材料易受污染，导致电流效率下降；④反渗透膜在处理含有多种污染物的地下水时，会发生膜污染，可能降低膜通量和使用寿命。

未来仍需要在技术优化、成本控制和可持续性方面进一步研究和发展，以提升实际应用范围。

老旧垃圾填埋场地下水污染治理是一项涉及多学科交叉的复杂系统工程。通过分析国内外地下水修复技术优缺点，以南方某大型老旧垃圾填埋场为例，结合前期场地地下水水质调查情况，聚焦低浓度污染物去除难题，提出兼具经济性和高效性的抽出-处理技术方案（“曝气生物流化床+电催化氧化+反渗透”联用技术），以期为场地污染地下水修复实践提供科学支撑，助力我国生态文明建设与“双碳”目标的协同推进。