興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)污泥原位固化工程案例分析

李湛江，蘇興國，宋樹祥

（1. 廣州市城市管理技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510170；2. 廣州環(huán)保投資集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510330）

1 引言

大型城市生活垃圾填埋場(chǎng)，常因其滲濾液調(diào)節(jié)池庫容不足，尤其在南方雨季時(shí)，需要在填埋區(qū)內(nèi)構(gòu)筑臨時(shí)調(diào)節(jié)池。臨時(shí)調(diào)節(jié)池污泥易淤積、不易清理，不僅占用了大量的池體庫容，降低了調(diào)節(jié)池的調(diào)蓄能力，還因清理出的污泥處理困難，將其摻入垃圾中填埋處理或進(jìn)行土地利用方式消耗，更有甚者直接在污泥池上堆填垃圾。采用污泥摻入垃圾中填埋的處理方式，雖騰出了填埋場(chǎng)寶貴的填埋庫容，但卻增加了填埋場(chǎng)滲濾液量以及污染物濃度，加大污水處理難度和負(fù)荷；利用土地處理存在處理時(shí)間長、單位面積處理污泥負(fù)荷低、二次污染控制不易等問題；在調(diào)節(jié)池原位未經(jīng)妥善處理而直接填埋垃圾，會(huì)影響后續(xù)堆體穩(wěn)定，易造成堆體失穩(wěn)滑坡，是填埋場(chǎng)安全運(yùn)營的隱患。因此，如何妥善處理臨時(shí)調(diào)節(jié)池的污泥，成為困擾垃圾填埋場(chǎng)的難題。

針對(duì)上述問題，我國相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量污泥原位固化研究和試驗(yàn)。張會(huì)文等［1］研究表明，通過加入固化劑進(jìn)行污泥原位固化，固化后的污泥強(qiáng)度達(dá)到100 kPa 以上、含水率小于50%；重金屬浸出量檢測(cè)結(jié)果滿足GB 8978—1996 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的污水排放重金屬標(biāo)準(zhǔn)限值，可以評(píng)定污泥固化土已達(dá)到無害化利用標(biāo)準(zhǔn)，未超出環(huán)境能夠承受的污染負(fù)荷；污泥原位固化可以達(dá)到改善強(qiáng)度和含水率、控制污染物的處理效果。林署炯等［2］對(duì)深圳福永污泥填埋場(chǎng)固化污泥土的工程性質(zhì)研究表明，固化污泥土十字板抗剪強(qiáng)度值為13.8～23.7 kPa，固化污泥土地基土承載力特征值fak為78.9 kPa。張芳［3］對(duì)某生活垃圾污泥填埋區(qū)原位固化處置案例分析得出，污泥經(jīng)固化處理后，場(chǎng)地強(qiáng)度大于50 kPa，滿足作為一般材料堆放場(chǎng)地的要求。李磊等［4］研究表明，污泥經(jīng)原位固化處理后，重金屬指標(biāo)滿足GB/T 23485—2009 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)的要求，達(dá)到消除重金屬污染隱患的目的。

興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)于2017 年開始實(shí)施其填埋區(qū)的臨時(shí)調(diào)節(jié)池原位固化工程，污泥經(jīng)原位固化后達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了避免污泥二次轉(zhuǎn)運(yùn)處理、合理縮短工期、挖潛填埋庫容的工程目標(biāo)。在交付運(yùn)營后，固化區(qū)上進(jìn)行了生活垃圾填埋，填埋堆體穩(wěn)定，順利銜接了垃圾填埋處理工作。

2 工程概況

為了實(shí)時(shí)銜接廣州市生活垃圾處理工作和排除興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)堆體滑移風(fēng)險(xiǎn)隱患，2016 年12 月至2017 年12 月興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)實(shí)施了擴(kuò)容降水增穩(wěn)除險(xiǎn)建設(shè)工程。填埋場(chǎng)西北側(cè)填埋區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)池見圖1。

圖1 調(diào)節(jié)池區(qū)位示意

為了開展整個(gè)填埋場(chǎng)的建設(shè)工作，以及考慮到該填埋場(chǎng)垃圾堆體存在滑移風(fēng)險(xiǎn)不能在垃圾堆體內(nèi)摻填調(diào)節(jié)池污泥，污泥也無處外運(yùn)處理。故此，將該調(diào)節(jié)池的遷建和對(duì)池內(nèi)污泥原位固化作為上述工程建設(shè)內(nèi)容之一，并在半年內(nèi)完成。污泥原位固化建設(shè)投資約2 700 萬元。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探，該調(diào)節(jié)池用于填埋場(chǎng)雨季滲濾液臨時(shí)調(diào)節(jié)以及臨時(shí)存放經(jīng)該填埋場(chǎng)滲濾液處理廠膜生物反應(yīng)法（MBR） 處理后膜前剩余的濃縮液。池體為土壩加膜防滲結(jié)構(gòu)，長、寬、深為70.0 m×60.0 m×7.5 m，池內(nèi)由上至下分別為頂層臭氣雨水防滲膜、表層滲濾液及漂浮物、30～100 cm 膠狀絮狀物、已沉淀的污泥、底層防滲膜。池內(nèi)污泥可見層為3 140.9 m2，污泥深度7.116 m，污泥量為22 350.6 m3。該池污泥層沉淀物集中、膨脹、有惡臭，污泥上中下3 層取樣檢測(cè)含水率分別為89.5%、91.3%、92.4%；混合樣含水率高達(dá)91.66%，相對(duì)密度僅為1.021，具體指標(biāo)見表1。

表1 污泥檢測(cè)指標(biāo)（混合樣）

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 固化控制要求

考慮到固化后原區(qū)域仍需填埋生活垃圾至20～30 m，根據(jù)填埋負(fù)荷的計(jì)算，確定該調(diào)節(jié)池污泥層固化后，固化層的地基承載力特征值≥100 kPa，并符合GB/T 23485—2009、GB 50869—2013 生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)（表2）［5-7］。

表2 污泥固化控制指標(biāo)

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，調(diào)節(jié)池污泥固化施工除滿足抗壓、抗剪、含水率等標(biāo)準(zhǔn)要求外，為順利導(dǎo)排污泥固化層上部來自填埋生活垃圾的滲濾液，預(yù)防滲濾液浸泡致固化層二次液化，本工程考慮了滲濾液防滲導(dǎo)排設(shè)計(jì)，從上至下共分8 層，其中調(diào)節(jié)池底層防滲為原防滲層，其他為新構(gòu)建層，見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)縱向設(shè)計(jì)示意

3.3 工藝路線

根據(jù)我國相關(guān)案例經(jīng)驗(yàn)、工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際以及穩(wěn)妥推進(jìn)的原則，主要分4 個(gè)階段實(shí)施（準(zhǔn)備階段、小試階段、中試階段、固化實(shí)施階段），見圖3。

圖3 固化工藝流程示意

4 工程實(shí)施

4.1 工程準(zhǔn)備

對(duì)調(diào)節(jié)池周邊進(jìn)行清理和文明安全施工防護(hù)，修建排水設(shè)施，導(dǎo)排調(diào)節(jié)池覆蓋膜面沉積的雨水、膜下上層滲濾液，硬化周邊場(chǎng)地，搭設(shè)圍堰，構(gòu)筑施工平臺(tái)，安裝固化設(shè)備設(shè)施，分塊切割覆蓋膜并清除。

4.2 固化小試

設(shè)計(jì)不同固化藥劑添加比例進(jìn)行固化塊試驗(yàn)，并對(duì)固化塊進(jìn)行含水率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度檢測(cè)，以篩選固化藥劑配比：將固化藥劑按不同設(shè)計(jì)比例加入取樣污泥中，每一種固化藥劑添加比例的樣塊制成100 mm×100 mm×100 mm的兩組對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)試件；其中一組置于20 ℃、濕度為100%恒溫恒濕箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；另一組在現(xiàn)場(chǎng)合適的地點(diǎn)進(jìn)行24 h 加模養(yǎng)護(hù)，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)6 d，再進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，初步篩選出小試固化塊抗剪大于25 kPa、抗壓大于50 kPa 的適宜藥劑配比用于中試（表3）。

表3 小試固化最佳藥劑配比 %

4.3 固化中試

根據(jù)小試結(jié)果，設(shè)計(jì)3 組不同的固化藥劑配比，進(jìn)行中試試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，選出最佳配比（表4），其相應(yīng)的固化塊檢測(cè)結(jié)果見表5。

表4 中試固化最佳藥劑配比 %

表5 中試最佳藥劑配比固化塊檢測(cè)結(jié)果

在污泥區(qū)現(xiàn)場(chǎng)選取3 塊區(qū)域進(jìn)行中試試驗(yàn)，即在施工平臺(tái)用220 型長臂挖掘機(jī)將原位固化攪拌設(shè)備放置到位后向污泥中噴入試驗(yàn)固化藥劑并攪拌，做好雨水導(dǎo)排等保護(hù)措施，靜置養(yǎng)護(hù)7 d后，在14 個(gè)點(diǎn)抽芯分別取1、2、3、4 m 深的樣品進(jìn)行檢測(cè)（表6），以及用挖掘機(jī)取塊樣檢測(cè)（表7）。檢測(cè)結(jié)果表明污泥固化層達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表6 中試污泥固化抽芯檢測(cè)結(jié)果

表7 中試污泥固化取塊檢測(cè)結(jié)果

4.4 固化實(shí)施

1） 網(wǎng)格劃分。因設(shè)備、場(chǎng)地、工藝控制要求等因素，污泥固化作業(yè)分塊實(shí)施。根據(jù)實(shí)際情況，按污泥層由深到淺、施工便利、由外至內(nèi)的原則將污泥區(qū)劃分為36 個(gè)10 m×10 m 的單元網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行編序，并按序號(hào)進(jìn)行固化施工。單元網(wǎng)格見圖4。

圖4 污泥庫區(qū)單元網(wǎng)格劃分

2） 滲濾液導(dǎo)排。為了使污泥固化順利實(shí)施并減少投資，盡量清排污泥表層積液。在深水區(qū)，采用浮桶式泥漿泵抽排滲濾液；淺水區(qū)則在污泥坑內(nèi)設(shè)置2 m×2 m×2 m 的集水坑，集水坑周圍面層放射鋪設(shè)穿孔導(dǎo)流管，將表層滲濾液引流到集水坑內(nèi)，然后使用泥漿泵抽排至填埋場(chǎng)滲濾液處理廠處理。

3） 污泥預(yù)處理。固化前應(yīng)對(duì)污泥進(jìn)行生化膠絮物破膠沉淀預(yù)處理（圖5），目的是破壞結(jié)構(gòu)，消除氣泡，為下一步固化打基礎(chǔ)；除臭殺菌，降低臭氣對(duì)作業(yè)人員、周邊居民和環(huán)境的不良影響；置換有害重金屬，生成穩(wěn)定、無害的重金屬結(jié)構(gòu)，降低重金屬浸出率；調(diào)整污泥泥質(zhì)，使泥質(zhì)適宜進(jìn)行下一步的固化劑固化處理。

圖5 污泥預(yù)處理

預(yù)處理需添加的藥劑有片堿、聚合類金屬鹽、殺菌劑（聚六亞甲基雙胍類鹽）、氧化鈣、聚丙烯酰胺、消泡劑、聚合氯化鋁等。預(yù)處理后，污泥含水率下降至77.45%，相對(duì)密度提升至1.132。

4） 固化施工。利用繩索按網(wǎng)格序號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，按序號(hào)對(duì)污泥探底，明確固化深度，并在固化設(shè)備攪拌桿設(shè)置保護(hù)裝置和深度標(biāo)記，施工時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止破壞污泥底部防滲膜。攪拌設(shè)備由淺層向深層下探定位，到達(dá)預(yù)定深度后開啟后臺(tái)藥劑泵輸送固化劑，并往復(fù)勻速攪拌，保證固化藥劑均勻噴射至污泥各個(gè)層并混合均勻。固化攪拌用二噴三攪高壓粉噴工序，第1 次攪拌固化藥劑添加量為設(shè)定的60%，攪拌轉(zhuǎn)速為120 r/min；第2 次攪拌添加量為40%，攪拌轉(zhuǎn)速為80 r/min；第3 次攪拌以100 r/min 轉(zhuǎn)速進(jìn)行水平、垂直勻速移動(dòng)的總體攪拌，確保固化施工均勻。攪拌完成后，鋪設(shè)1.5 mm HDPE 膜作為臨時(shí)覆蓋膜用于防降雨和對(duì)固化污泥養(yǎng)護(hù)，同時(shí)在固化交界處設(shè)置圍堰分隔雨污。固化區(qū)養(yǎng)護(hù)2～3 d 后，在表層鋪設(shè)鋼板路基箱作為后續(xù)施工路基，即可開展下一區(qū)域固化作業(yè)。固化齡期設(shè)定為28 d，固化區(qū)域應(yīng)當(dāng)確保寬度不小于20 cm 的重合搭接區(qū)，避免固化不到位。在施工中發(fā)現(xiàn)未達(dá)要求的污泥區(qū)域，則采用長臂挖機(jī)對(duì)該區(qū)域底部進(jìn)行翻挖和二次加藥固化處理、養(yǎng)護(hù)，以確保達(dá)到固化效果。在確定藥劑配比后，3 個(gè)月內(nèi)固化施工基本完成（圖6）。

圖6 污泥固化施工

4.5 固化檢測(cè)

整個(gè)區(qū)域固化完成和過養(yǎng)護(hù)期后，取固化污泥混合樣進(jìn)行檢測(cè)，并在固化區(qū)取7 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行地基承載力平板荷載檢測(cè)。固化污泥相關(guān)檢測(cè)結(jié)果見表8，地基承載力q-s 曲線見圖7，荷載沉降檢測(cè)結(jié)果見表9。

表8 污泥預(yù)處理、固化后檢測(cè)結(jié)果

圖7 q-s 曲線

表9 荷載沉降檢測(cè)結(jié)果 mm

表8 檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，固化后污泥含水率為23.31%，優(yōu)于＜60%的要求，低的含水率是提高污泥固化層地基承載力的關(guān)鍵；有機(jī)物含量減少約40%，利于固化反浸出；菌落總數(shù)大幅度降低，有效保障施工人員衛(wèi)生防疫安全。

地基承載力檢測(cè)結(jié)果顯示，在每級(jí)荷載作用下，承壓板周圍沒有發(fā)現(xiàn)擠出和明顯隆起，q-s 曲線平緩，沉降均能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，表明地基承載力特征值≥100 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)池污泥固化效果良好。

4.6 提升承載力

污泥固化完成后，為了進(jìn)一步提升固化區(qū)域垃圾填埋之后的承載力，采用SPB-C 型原生塑料排水板按間距為80 cm×80 cm 的梅花型布置對(duì)固化層進(jìn)行排水固結(jié)，并在排水板上覆蓋60 cm 厚砂石墊層并鋪設(shè)滲水、排氣系統(tǒng)。

4.7 防滲構(gòu)建

排水板建設(shè)完成后，進(jìn)行固化層上的防滲導(dǎo)排層構(gòu)建，以避免被以后在固化層上方填埋的垃圾所產(chǎn)生的滲濾液浸泡，防止固化層的二次液化、滑移，降低承載力。

5 堆體穩(wěn)定性跟蹤

污泥固化施工完成后，經(jīng)過1 a 多的填埋作業(yè)，其上已填埋垃圾至設(shè)計(jì)標(biāo)高。該區(qū)域經(jīng)過連續(xù)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，堆體穩(wěn)定系數(shù)在1.35 以上，堆體穩(wěn)定。

6 結(jié)論

1） 興豐填埋場(chǎng)臨時(shí)調(diào)節(jié)池污泥原位固化工程實(shí)施和在其上填埋生活垃圾的實(shí)踐表明，采用固化藥劑對(duì)污泥進(jìn)行原位固化，固化后的污泥層穩(wěn)定、地基承載力顯著提升，其特征值≥100 kPa，滿足后續(xù)填埋垃圾地基承載力特征值設(shè)計(jì)要求，可在固化層上填埋一定高程的生活垃圾。

2） 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固化劑配比、預(yù)處理、施工工藝是工程成功的關(guān)鍵。在縱向結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)了污泥固化層的防滲導(dǎo)排系統(tǒng)，避免了填埋生活垃圾的滲濾液浸泡致污泥固化層二次液化。通過小試、中試試驗(yàn)，篩選、調(diào)整、優(yōu)化出適宜的固化藥劑配比，使固化效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在固化實(shí)施中，污泥池投藥預(yù)處理使得現(xiàn)場(chǎng)具備建設(shè)施工衛(wèi)生防疫條件且更利于后續(xù)固化處理；污泥池由深到淺、由外到內(nèi)的順序，減少了污泥層固化中受擠壓潰情況的發(fā)生，便于固化施工；采用二噴三攪高壓粉噴攪拌工序進(jìn)行固化，確保污泥固化均勻；在單元污泥層固化養(yǎng)護(hù)2～3 d 后即可鋪設(shè)鋼板基箱開展下一個(gè)單元的固化施工，節(jié)省了時(shí)間。

3） 應(yīng)用污泥原位固化技術(shù)，避免了污泥挖運(yùn)以及處理可能產(chǎn)生的二次環(huán)境污染和社會(huì)問題，利于工程順利實(shí)施、節(jié)省挖運(yùn)處理費(fèi)用。確定藥劑配比后，完成固化施工僅需3 個(gè)月時(shí)間，節(jié)省了工期，銜接了廣州市生活垃圾處理工作。因此，污泥原位固化具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。