海岸农业废弃物非正规填埋场地下水污染分析与评价

《Toxics》：Analysis and Evaluation of Groundwater Pollution for Coastal Agricultural Waste Landfills

　　

研究人员针对中国某沿海城市五座典型非正规农业废弃物填埋场周边地下水质量进行了系统监测，采用污染指数评价法、健康风险模型及多元统计方法对八种主要污染物进行了分析。结果表明，一处填埋场因呈现多指标复合污染模式而被列为高优先级关注对象，其超标率高达87.5%，硝酸盐氮（NO₃?-N）、氟化物（F?）、高锰酸盐指数（COD_Mn）及总硬度为主导指标；另一处填埋场则显示出高背景值与人为影响并存的特征。所有填埋场的总非致癌风险均低于1（可忽略），儿童面临的健康风险约为成人的两倍。饮用水摄入途径的暴露风险经皮接触途径高出三个数量级，其中NO₃?-N贡献了超过90%的总风险。地下水恶化主要受地质条件与海水入侵（52.31%）影响，其次为农业活动与土壤特性。基于上述发现，应优先关注氮驱动型填埋场与多指标复合污染填埋场，强化NO₃?-N的溯源与控制，并加强区域地下水保护的长期监测。

**研究背景与问题**

非正规填埋场指违反国家相关政策、法律法规、标准及规范而建设和运营的填埋场，尽管其违法性及环境危害已有充分文献记录，但因前期成本低、操作流程简单而在全球范围内广泛存在，尤其是在发展中国家，露天倾倒仍是主要的废弃物处置方式。国际固体废物协会（ISWA）数据显示，全球50处最大的非正规垃圾填埋场影响着6400万人的日常生活，其中37处位于海岸线附近或沿岸，对海洋及地下水质量构成额外风险。在中国，约90%的废弃物通过简易填埋方式处置，这种广泛的处置模式即使在封场后仍持续释放污染物，对周边土壤和水资源产生不利影响，并带来潜在的生态与公众健康风险。目前，非正规填埋场已被列为中国地下水污染重点管控目标之一。

现有研究多关注以生活垃圾、工业废弃物或建筑垃圾为主导的非正规填埋场，而以农业废弃物为主要填埋物料的非正规填埋场影响研究仍较为匮乏。农业废弃物具有高含水率、易分解以及高氮磷含量的特点，其渗滤液成分与其他废物类型存在显著差异，可能导致独特的污染物释放模式与环境行为。此外，沿海地区因海水入侵使得地下水背景盐度和硬度升高，填埋场渗滤液与天然咸化地下水之间的相互作用可能产生尚未被系统研究的复合污染效应。据此，研究人员开展了此项针对沿海农业废弃物非正规填埋场地下水污染分析与健康风险评估的研究，以填补该领域知识空白，研究成果发表于《Toxics》期刊。

**关键技术与方法**

本研究的关键技术方法包括：单因子评价法（single-factor evaluation method）与内梅罗综合污染指数法（Nemerow comprehensive index method）相结合的地下水质量评价；基于美国环境保护署（USEPA）健康风险评价模型并进行本土化参数修正的化学非致癌风险评价，本土化参数包括体重、日均饮水量、暴露频率及暴露持续时间等；Pearson相关性分析与主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）相结合的多元统计方法，其中PCA采用正交旋转（Varimax）处理，并基于Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）检验和Bartlett球形检验验证数据因子分析适用性，按特征值大于1及碎石图确定提取三个主成分，以因子载荷绝对值大于0.6进行源解析。

**研究结果**

**3.1 描述性统计分析**

研究人员对五座填埋场采样点地下水质量数据进行了描述性统计分析。除亚硝酸盐氮（NO₂?-N）外，其余七种指标均有不同程度超标，超标率为14.3%~65.7%。NO₃?-N超标率最高（65.7%），其次为F?（51.4%），二者被确定为研究区主要污染指标。NO₂?-N呈现单点异常分布特征，仅GC填埋场污染监测井出现高于控制点的浓度异常，与该填埋场较短的填埋时间（不足一年）及微生物活动高峰期有关。NO₃?-N呈现区域性高背景值特征，GC、TT和TL三座填埋场100%超标，但结合GC（59.4 mg·L^-1）、TT（32.7 mg·L^-1）和TL（26.3 mg·L^-1）的控制点数据可知，区域NO₃?-N背景浓度本就偏高，并非仅源自填埋场渗滤液，而是主要源于农业面源污染。COD_Mn呈现单点主导特征，与人为活动干扰密切相关，WJ填埋场100%超标，数据离散程度高，反映局部化、间歇性外源输入，可能与封场不当或渗滤液收集系统破损有关。F?呈现区域性普遍升高特征，总超标率为51.4%，各填埋场数据分布集中、变异系数小，且地下水中F?浓度多为渗滤液的2~4倍，表明其 primarily 源于地质背景而非直接渗滤液输入。Na?、Cl?和SO?2?在除WJ外的填埋场分布一致且未超标，反映区域水文地球化学特征的空间稳定性；WJ的异常提示存在人为干扰。总硬度超标点多见于GC和WJ填埋场，前者与NO₃?-N高浓度共存指示同源机制，后者与Na?、Cl?、SO?2?同步富集相关。

基于上述分析，WJ填埋场因多项指标超标需优先关注；GC填埋场呈氮驱动污染模式，NO₃?-N为主要贡献者；HL、TT和TL填埋场则以区域背景主导型污染为特征。

**3.2 污染指数评价与健康风险评估**

研究人员采用单因子评价法和内梅罗综合污染指数法进一步评估地下水污染特征。单因子污染指数均值排序为：NO₃?-N > COD_Mn > F? > 总硬度 > SO?2? > Na? > Cl? > NO₂?-N。五座填埋场综合污染指数为0.93~2.24，均值为1.5，整体水质介于清洁与中度污染之间。综合污染指数排序为：GC（2.24）> WJ（1.62）> TT（1.36）> TL（1.34）> HL（0.93）。GC严重污染主要由极高NO₃?-N单因子指数驱动；WJ的87.5%指标呈轻至中度污染，显示多指标复合污染特征；HL综合指数最低，仅为清洁水平。

健康风险评估结果显示三个显著特征：饮用水暴露为主导途径、NO₃?-N贡献最大、儿童更为敏感。所有填埋场经饮用水途径的健康风险（成人HQ_d：9.78×10^-7~2.07×10^-6；儿童HQ_d：8.62×10^-7~4.09×10^-6）显著高于经皮接触途径（成人HQ_s：5.94×10^-10~2.82×10^-9；儿童HQ_s：1.59×10^-9~7.56×10^-9），相差约三个数量级。NO₃?-N贡献超过90%的总风险。五座填埋场总非致癌风险排序为：GC（HI=6.18×10^-6）> TT（HI=3.65×10^-6）> TL（HI=2.91×10^-6）> WJ（HI=1.93×10^-6）> HL（HI=1.30×10^-6）。儿童风险值约为成人的2~3倍，但目前所有值均低于USEPA推荐的可接受风险水平，整体风险可忽略。然而，考虑到污染物持续累积及渗滤液长期暴露，GC填埋场的非致癌风险可能上升，尤其需关注NO₃?-N相关风险。

来源：本部分数据与结论直接来源于原文结果描述，包括图3、图4及相关数值。

**3.3 污染源分析**

**3.3.1 相关性分析**

研究人员对填埋场地下水污染指标进行了Pearson相关性分析。Na?与Cl?、Na?与SO?2?、Cl?与SO?2?呈极显著正相关（p<0.01），相关系数分别为0.959、0.949和0.882，表明三者高度同源，主要受区域地质背景与海水入侵共同控制。NO₃?-N与Na?、Cl?、SO?2?呈显著负相关，反映来源竞争或地球化学约束关系，即农业来源的NO₃?-N与地质来源的盐度离子呈空间权衡分布，或高NO₃?-N浓度抑制含氟矿物溶及阳离子交换平衡。NO₂?-N与F?显著正相关，结合二者分别受地质条件和碱性土壤稳定机制调控，推断其共同受区域地质条件与土壤性质调节。COD_Mn与总硬度协同变化，极显著正相关，且二者均与Na?、Cl?、SO?2?显著正相关，反映有机污染水平、硬度离子与盐度离子在地下水中的同步变化，表明地下水水化学特征受自然过程（岩石风化溶解、海水入侵）与人为干扰的共同控制。

来源：本部分结论基于原文表3及相关段落描述。

**3.3.2 主成分分析**

主成分分析采用正交旋转（Varimax），KMO=0.501，Bartlett球形检验p<0.001，提取三个主成分，累积方差贡献率为89.091%。

第一主成分（PC1）方差贡献率为52.307%，Na?、Cl?、SO?2?、COD_Mn和总硬度具有高载荷（0.951、0.921、0.982、0.752、0.822）。研究区地下水呈弱碱性（pH 7.4~7.8），利于还原性物质保持与稳定。除WJ填埋场受外源污染明显影响外，其余填埋场四项指标波动较小，污染源稳定单一。该主成分反映区域地质条件与海水入侵的综合影响，叠加填埋场渗滤液的额外干扰——此效应在WJ填埋场尤为突出。

第二主成分（PC2）方差贡献率为19.304%，NO₃?-N载荷最高（0.864），F?次之（-0.69）。NO₃?-N主要源于生活污水、畜禽养殖排污及农业生产氮肥施用，经土壤硝化作用转化为NO₃?-N后入渗地下水。研究区土壤为潮土（fluvo-aquic soil），结构疏松利于其向下淋溶；夏季高蒸发量加速土壤NO₃?-N迁移。GC填埋场NO₃?-N载荷显著高于其他填埋场，且控制点亦超标，表明该PC2不仅反映农业面源污染的区域背景，还叠加了填埋场渗滤液的点源贡献。F?的负载荷表明与NO₃?-N的空间分异：NO₃?-N关联农业活动，F?源于地质背景。F?在HL和WJ填埋场严重超标，但渗滤液F?浓度（0.34 mg·L^-1和0.30 mg·L^-1）显著低于地下水，证实其富集主要受强烈自然淋溶过程控制。TT填埋场个别监测点F?超标可能与地下水径流缓慢导致的局部累积有关。该主成分归因于农业生产活动与区域土壤特性的综合效应。

第三主成分（PC3）方差贡献率为17.481%，NO₂?-N具有高载荷（0.937）。地下水NO₂?-N形成受土壤硝化-反硝化作用控制。研究区土壤呈碱性（pH 8.5），抑制硝化细菌活动，使NO₂?-N在土壤基质中保持稳定，继而通过土壤淋溶进入地下水。该主成分综合受区域岩性、土壤性质与水文地质条件控制，为地质成因。

来源：本部分数据与结论基于原文表4、表5及相关段落描述。

**结论**

本研究系统分析了中国某沿海城市五座非正规填埋场的地下水污染特征与人类健康风险。结果表明：WJ填埋场呈现多指标复合污染模式，超标率高达87.5%，变异系数大，表明存在显著渗滤液干扰和人为扰动；GC填埋场以氮驱动污染为特征，综合污染指数最高（2.24），NO₃?-N贡献主要污染负荷；HL、TT和TL填埋场属于区域背景主导型污染，污染物超标主要受农业面源污染和自然地质背景控制。总体而言，NO₃?-N、F?、COD_Mn和总硬度被确定为研究区首要污染物，需要针对性关注和优先控制。对于所有填埋场，饮用水摄入途径的健康风险均超过经皮接触途径。目前所有非致癌风险值均低于1，整体风险水平可忽略。然而，儿童对污染物更为敏感，长期累积风险不容忽视。污染源解析表明，Na?、Cl?、SO?2?、COD_Mn和总硬度主要受区域地质背景和海水入侵控制，方差贡献率为52.31%；NO₃?-N主要源于农业活动和土壤特性，占总方差的19.30%；F?和NO₂?-N以地质成因为主，贡献率为17.48%。Pearson相关性分析进一步揭示了不同的水地球化学关系：Na?、Cl?和SO?2?高度同源；COD_Mn与总硬度协同变化；硝酸盐氮与盐度离子呈显著负相关。基于识别的污染模式，研究人员提出差异化管理策略：对于多指标复合污染填埋场，建议长期监测并及时实施工程修复；对于氮驱动型填埋场，优先控制硝酸盐来源并开展长期监测；对于背景主导型填埋场，采取区域农业面源管理措施。此外，应考虑为高风险点周边家庭提供替代饮用水源，以保护面临比成人高2~3倍健康风险的儿童。