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生活垃圾填埋场渗滤液在黄土层渗漏过程中的复合生态毒理效应研究

朱娜  
【摘要】:垃圾渗滤液(以下简称“渗滤液”)是生活垃圾卫生填埋场在运行过程中产生的一种高浓度有机废水。早期的填埋场大多不符合卫生填埋的标准要求,场下未添加衬垫或只是简单压实土层作为天然衬垫,极易导致渗滤液渗漏发生;而新建填埋场虽然使用了粘性土或人工复合材料作防渗衬垫,并设置了渗滤液的收集和排泄系统,但随着时间的推移,这些设施由于机械和自然作用以及渗滤液的腐蚀等被破坏,也会导致渗漏发生。因此,在各填埋场的运营或封场管理过程中,均会发生不同程度的渗滤液渗漏,对周边生态环境造成严重的污染。 目前关于渗滤液的工作多是围绕渗滤液原液的化学组成分析和生态毒理研究,但是渗滤液进入地下环境后并不是简单的渗漏,同时会伴随着污染物在土壤层中的迁移转化环境行为。跟踪监测渗漏过程中氧化还原灵敏性物质的变化,渗滤液在地下渗漏过程中可能会出现顺序氧化还原带,如产甲烷区、硫酸盐还原区、铁锰还原区、硝酸盐还原区和氧还原区,且不同氧化还原分带渗滤液的特征污染物种类和形态分布都存在差异。这一结果提示,污染物在土壤层中的环境行为可能会影响渗滤液的生态毒性变化。因此,仅仅围绕渗滤液原液展开的生态毒性研究,忽视了上述迁移转化过程可能造成的毒性变化,其结果不能客观反映渗滤液进入地下环境后的生态毒理效应,直接影响垃圾填埋场对周边生态环境全面、真实的风险评价。 由此提出本论文的研究,以黄土高原地区山沟型垃圾卫生填埋场为背景,研究渗滤液污染物在地下环境渗漏过程中的迁移转化规律,通过两种生物系统探讨在此过程中的复合生态毒性变化,进而建立二者相关关系,并解析黄土层渗漏过程中氧化还原环境的变化导致污染物迁移转化与生态毒性差异的机制。 1.本论文通过建立渗滤液黄土柱渗漏模型,考察不同渗漏距离(12cm,24cm,36cm,48cm,60cm,72cm,84cm)渗滤液出水的理化特性。结果表明,pH、电导率、COD、氨氮均随渗漏距离增加而降低,而重金属Cu、Zn、Ni、Mn、Pb、Cd等含量随渗漏距离呈先升后降趋势,其中12-24cm处含量最高,在36-48cm开始下降,48cm之后含量迅速降低。不同渗漏距离出水GC-MS分析结果还表明有机物形态及分布在渗漏过程中也发生了变化,其中部分重金属和有机物(尤其是含氧/含硫/含氮的芳香族化合物)的变化可能与渗滤液毒性差异有关。 2.为了进一步考察渗滤液在黄土层渗漏过程中的复合毒性效应变化,本论文采用不同渗漏距离的渗滤液出水对大麦幼苗进行暴露染毒,探讨出水对大麦幼苗生长、叶绿素水平、脂质过氧化作用、蛋白质损伤以及抗氧化酶活性的影响。结果表明:(1)渗滤液渗漏出水显著抑制大麦幼苗生长,影响叶绿素水平,引起植物叶片脂质过氧化产物丙二醛(MDA)和蛋白质损伤产物蛋白羰基(PCO)含量显著升高,诱导抗氧化酶SOD、CAT和POD活性。发现毒性效应随距离呈先升后降变化规律,在12-24cm达到最高,36-48cm处缓慢降低,60cm后毒性不显著。(2)通过对渗滤液污染物迁移转化过程中的理化特性与复合毒性变化进行相关性统计分析,表明不同距离渗漏出水对大麦生理、生化水平的影响与其中COD、电导率及重金属Ni、Mn、Cd的变化显著相关。(3)分析出水有机物组成,发现渗漏过程植物毒性的差异可能与其中含氮/含硫/含氧芳环类污染物的变化有关,多数污染物具有内分泌干扰效应。对不同出口的水质进行分析,发现48cm后有机成分种类最多,所含微生物数量也相应最高,推断毒性变化可能与微生物的生物氧化过程引起污染物形态转化有关。 3.渗滤液原液对斑马鱼表现出一定的急性和慢性毒性,雌鱼对渗滤液污染物胁迫要比雄鱼敏感,而渗滤液原液的成分检测和Ohpf和24hpf斑马鱼胚胎暴露实验都表明渗滤液对斑马鱼产生显著的发育毒性。为了验证渗滤液渗漏到地下环境的内分泌干扰效应及其变化规律,本论文通过斑马鱼胚胎染毒技术,考察不同渗漏距离渗滤液出水对Ohpf和24hpf胚胎染毒后,出现凝结、血流循环、孵化、水肿以及脊柱畸形等毒性终点的影响。结果表明:(1)不同距离渗漏出水均显著增加斑马鱼胚胎凝结率、抑制胚胎发育过程(眼点发育、主动活动、血流循环和孵化),且毒性随渗漏距离逐渐降低,表现出时间依赖性。(2)不同渗漏距离出水可显著诱导胚胎出现心包水肿和脊柱畸形的发生率,且随距离呈下降趋势,84cm处出水仍表现出一定的致畸作用。0hpf与24hpf胚胎染毒结果表明,渗滤液渗漏过程出水对卵裂期胚胎发育毒性较强。(3)通过对渗漏过程的胚胎毒性变化与理化特性进行相关性统计分析,表明渗漏出水斑马鱼胚胎毒性与其中有机物、氨氮、重金属(Ni、Cd、Mn)和电导率等多个因素显著相关。将不同渗漏距离出水稀释到相同COD浓度进行染毒后,胚胎毒性也随渗漏距离呈现下降趋势,提示渗滤液污染物在黄土层渗漏过程中的形态转化是导致生态毒性差异的重要原因。 4.本论文通过追踪渗滤液氧化还原灵敏物质的在渗漏过程中的分布规律,发现黄土高原山沟型生活垃圾填埋场在渗漏过程中出现了三个明显的氧化还原环境,依次为:产甲烷带、铁还原带和硝酸盐还原带。为了进一步探讨不同氧化还原环境对渗滤液污染物迁移转化过程及其复合毒性效应的影响,我们通过添加不同氧化还原环境最终电子受体,建立了强化氧化还原环境渗漏模型,考察不同氧化还原环境下污染物的形态含量分布,测定不同出水对斑马鱼胚胎发育毒性终点的LC50(IC50/EC50)。结果表明:(1)渗滤液主要污染物在黄土层渗漏过程中的分布规律为:产甲烷带铁还原带硝酸盐还原带。且铁还原带污染物衰减较慢,硝酸盐还原带衰减较快,表明硝酸盐还原带在渗滤液渗漏过程中污染物降解起主要作用。(2)斑马鱼胚胎毒性实验结果发现,渗滤液在三种氧化还原环境下出水均影响胚胎发育,其中硝酸盐还原带毒性较低,而产甲烷带与铁还原带毒性均较强,二者毒性之间无显著差异。通过对不同氧化还原分带出水的有机成分分析,结果发现硝酸盐带出水胚胎致畸效应可能与其中邻苯二甲酸酯类、噻唑类、菊酯类等内分泌干扰物有关。(3)通过对渗漏过程各分带的理化指标与胚胎毒性进行相关性统计分析,不同氧化还原分带出水毒性与其中COD、氨氮、电导率、Ni、Mn显著相关,推断渗滤液渗漏过程中胚胎毒性可能是由渗滤液中EDCs和重金属复合暴露所引起的。 本论文的研究着重阐明了黄土高原山沟型垃圾填埋场渗滤液在地下渗漏过程中的复合生态毒性变化,探讨了随着渗漏距离的增加渗滤液对大麦幼苗和斑马鱼胚胎的毒性变化,同时考察了渗滤液污染物在黄土层渗漏过程中的迁移转化规律,通过相关性统计分析确立了渗滤液在黄土层地下环境的复合毒性特征变化与污染物迁移转化的相关关系;并在此基础上,跟踪渗漏过程中的氧化还原灵敏物质分布,确定并模拟渗滤液在黄土层地下环境中的氧化还原分带,深入讨论了各分带的特征污染物的形态分布与复合生态毒性的关系。本论文的研究结果从生态毒理角度为阐明渗滤液对周边地下环境的污染特征与生态风险提供了基础性实验数据和理论依据。


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