垃圾填埋场渗滤液排水层中的微塑料迁移

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microplastics migration within the landfill leachate drainage layer

　　

作者：贝佳 Xia Chai | 黄丽杰 | 李建芳 | 沈东升 | 龙宇阳

单位：中国浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江省有色金属废弃物回收工程技术研究中心，固体废弃物处理与回收浙江省重点实验室，杭州，310012

摘要：

填埋场渗滤液排水层是一种高度透水的功能层，位于底部衬垫系统之上，在快速收集和输送渗滤液方面起着关键作用，因此对于控制填埋场底部的渗滤液迁移至关重要。本研究通过实验室规模的模拟实验，系统地研究了不同粒径范围内的微塑料（MPs）在砾石排水层中的动态迁移和滞留行为。结果表明，在填埋场底部持续渗滤液排出的过程中，渗滤液中微塑料的含量与排水层的厚度和砾石粒径密切相关。在测试的材料中，由20-40毫米颗粒组成的排水层表现出最高的微塑料滞留效率，而40-60毫米颗粒组成的排水层则表现出相对较弱的滞留能力，这可能归因于较粗颗粒介质内部形成的优先流动路径。此外，微塑料在排水层中的存在形式随深度显著变化，主要是由于结合过程和老化程度的不同。滞留在排水层下部的微塑料表现出明显的化学聚集特征，主要与矿物结合有关；而滞留在上层的微塑料则更多依赖表面吸附，因此主要表现出物理聚集行为。本研究揭示的微塑料在填埋场排水层中的迁移和滞留模式为制定源控制策略以减少填埋场微塑料的释放提供了科学依据。

引言

由于塑料的耐用性、广泛应用性和成本效益，它们已成为日常生活中不可或缺的一部分。因此，塑料的生产和使用量持续增加，全球每年产生的塑料废物已超过3.5亿吨。预计到2050年，这一数字将上升到6.87亿吨[1]。从1950年到2017年，全球塑料废物产量达到了92亿吨，其中仅有约25%被回收或焚烧；大约75%（69亿吨）仍遗留在填埋场[2]。随着时间的推移，这些填埋场中的塑料废物逐渐降解为直径小于5毫米的微颗粒、纤维和碎片，通常称为微塑料（MPs）[3][4][5]。除了在原地降解外，微塑料还可能通过污水污泥、个人护理产品以及车辆轮胎磨损等途径进入填埋场[6]。填埋场是一个复杂的渗滤环境，雨水的渗透与废物分解产生的渗滤作用共同导致微塑料进入渗滤液系统，使渗滤液成为微塑料的主要载体的来源。渗滤液中含有多种微塑料，包括聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），其粒径主要集中在20至150微米之间[3][4][5]。微塑料通过渗滤液迁移，有可能污染土壤和地下水[7][8]。对填埋场周围地下水及土壤环境的调查主要发现，PE、PP和PET是主要的微塑料类型，其粒径分布主要集中在20至100微米之间[9]。值得注意的是，地下水中微塑料的类型和大小与渗滤液中的微塑料高度相似[9]。微塑料带来的污染最终可能威胁生态系统健康和人类福祉，表明必须重视与填埋场微塑料相关的环境问题[10][11]。

填埋场衬垫是防止地下水污染的关键工程屏障，一直是环境工程研究的重点[12][13]。渗滤液的复杂性会影响填埋场衬垫的透水性，从而增加地下水污染的风险[14]。在工程实践中，广泛采用结合土工织物薄膜和粘土的复合衬垫系统[15]，通过物理屏障和界面吸附的协同效应有效延缓污染物向地下水的迁移[16][17][18]。多项研究证实了这些衬垫系统在减轻地下水污染风险中的重要作用[19]。证据表明，衬垫系统具有一定阻挡微塑料的能力，因为土工织物薄膜的低透水性显著减少了微塑料的垂直渗透量。此外，粘土的几何结构允许对微塑料进行物理筛选，而粘土表面的官能团可以通过静电或范德华相互作用吸附和滞留微塑料[20]。然而，许多现有研究主要集中在衬垫系统对微塑料迁移的动态滞留效应上，对于由分级砾石和土工织物合成排水材料等多孔介质组成的过滤层关注不足[21]。在填埋场底部污染物迁移途径中，过滤层作为防止污染物液相输出的最终屏障。历史上，其工程功能被简化为仅促进渗滤液的快速收集和高效排放[22]。当含有微塑料的渗滤液通过过滤层时，其孔隙分布和颗粒级配参数等特性会影响微塑料的迁移行为，包括机械过滤、重力沉降和生物作用[23][24]。这一层的滞留效率直接影响后续渗滤液处理系统的运行负荷及其周围的生态风险。因此，填埋场衬垫系统中微塑料的行为存在相当大的不确定性，需要进一步研究。

本研究聚焦于填埋场渗滤液排水层，以阐明其在微塑料控制中的实际作用。本工作的创新之处在于揭示了在连续渗滤流条件下，微塑料在砾石排水介质中的动态迁移行为、分级依赖的滞留性能及深度依赖的积累特征。为此，进行了实验室规模的模拟实验：（i）表征微塑料的动态迁移和滞留；（ii）比较不同粒径级配排水层的滞留性能；（iii）分析滞留微塑料的积累和空间分布，以阐明深度依赖的滞留机制。这些结果为理解排水层作为填埋场中微塑料迁移主动屏障的功能提供了新的机制见解，并为优化排水层设计和制定微塑料释放源控制策略提供了科学依据。

章节摘录

实验设计

本研究采用图1中概述的技术路线来研究微塑料在填埋场内随渗滤液一起迁移和滞留的行为，并从宏观和微观角度探讨了这一过程的潜在机制。

本实验使用的天然砾石和粘土来自浙江省宁波市。实验装置由Jutti Organic Glass公司提供。

排水层渗滤液中微塑料的动态变化

为了研究排水层渗滤液中微塑料的变化特征，实验期间每隔10天分析不同深度的样本。图2(a-d)展示了从排水层不同深度（S、M、L、C）采样的渗滤液中微塑料含量的变化情况。结果表明，排水层上层（1#）中微塑料的含量随时间相对稳定，而这一层内砾石粒径的差异...

局限性与未来展望

须知，本研究中的实验系统是对填埋场排水层的简化模拟，并未考虑一些关键的现场相关因素，如可变的水力负荷、堵塞演变、非均匀悬浮固体和生物活动。因此，当前结果更适用于在受控条件下阐明排水层中微塑料的迁移和滞留行为，而不适用于直接...

结论

在填埋场底部持续渗滤液排出的过程中，渗滤液中微塑料的含量与排水层的深度和所用砾石的粒径密切相关。由20-40毫米颗粒组成的排水层表现出最有效的微塑料滞留效果，而40-60毫米颗粒组成的排水层则表现出相对较弱的滞留能力。这种较差的滞留能力可能与...

作者署名说明

黄丽杰：研究、数据分析。贝佳 Xia Chai：撰写——初稿、方法论研究。沈东升：撰写——审阅与编辑、项目管理。李建芳：数据可视化、验证、软件处理。龙宇阳：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

致谢

本研究得到了中国浙江省关键研发计划（2026C02A1008）的支持。