填埋場陳腐垃圾物化性質(zhì)及資源化利用
——以四川某中齡期填埋場為例

余標(biāo) 王龍 黃相鋒 張國杰 馮楓 李建臣 李雷

（1.中建八局環(huán)保科技有限公司，上海 201900；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135；3.中建八局投資發(fā)展有限公司，上海 200120）

1 引言

從20 世紀(jì)70 年代以來，我國城市生活垃圾的處理方法主要是以填埋法為主［1］。2020 年《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》顯示，我國的生活垃圾清運量為23 511.71 萬t，運營中的垃圾填埋場為1 871 座，簡單的堆場超過5 000 座，垃圾填埋存放量在80 億t之上，占用的土地超10 萬hm2。填埋法雖然短暫解決了生活垃圾的處理問題，但隨著我國城市化進程的加快，目前采用填埋法處理城市生活垃圾出現(xiàn)一些問題，主要為：一是我國初建的垃圾填埋場大多是簡易的填埋場，導(dǎo)致其環(huán)保要求無法達標(biāo)，從而造成周邊水土環(huán)境污染；二是近年來生活垃圾的產(chǎn)量持續(xù)增長，大量在使用的垃圾填埋場庫容消耗殆盡，城市及周邊區(qū)域的土地資源逐漸稀缺，導(dǎo)致新填埋場選址困難。

在此背景下，急需對已封場的垃圾填埋場進行重新開挖和篩分資源化處理，實現(xiàn)填埋場污染源負(fù)荷的治理、填埋垃圾的資源化利用及土地資源的再利用［2］。從20 世紀(jì)60 年代開始，國外逐漸關(guān)注垃圾填埋場再開采的研究，其主要涉及陳腐垃圾填埋場的開挖與再利用。如Kaartinen T［3］以芬蘭某10 a齡垃圾填埋場為例，探究了運用機械處理的方法對陳腐垃圾進行篩分的可行性，但缺乏對篩分處理后所得物質(zhì)的資源化利用的研究；Jani Y［4］主要分析了瑞典某50 a 垃圾填埋場腐殖土的含水率和有機質(zhì)含量及重金屬含量等物理化學(xué)性質(zhì)，并依此探究了腐殖土資源化利用的可能性與途徑。我國近年也對垃圾填埋場開挖再利用做了一些研究。研究發(fā)現(xiàn)，填埋垃圾經(jīng)過開挖篩選等處理后，主要產(chǎn)物包括輕質(zhì)可燃物、腐殖土、磚瓦石塊和金屬、玻璃等可回收組分［1］；其中腐殖土含量一般占陳腐垃圾總?cè)萘康?0%以上［5-6］。鄭康琪［7］以浙江省某均齡30 a 垃圾填埋場為研究對象，從有機質(zhì)、重金屬含量及pH 等方面分析了高齡期填埋場腐殖土的物化性質(zhì)和資源化利用途徑。但是，由于我國城市周邊土地資源逐漸緊缺，需對只有幾年到十幾年中齡期垃圾填埋場進行處置，而國內(nèi)外現(xiàn)有的陳腐垃圾填埋場開挖再利用的研究主要針對長填埋齡期的垃圾場，對中短齡垃圾填埋場研究較少。將中齡期垃圾填埋場與長齡期填埋場陳腐垃圾的物質(zhì)組成及理化性質(zhì)進行對比分析，進而揭示中齡期填埋場陳腐垃圾的特征并探討其應(yīng)用途徑，具有較大的現(xiàn)實意義。

2 材料與方法

2.1 填埋場概況

四川省古藺縣某生活垃圾填埋場占地約75 畝，設(shè)計庫容約30 萬m3。該填埋場于2008 年試運行，正常運行時間30 個月，運行期間垃圾總處理量約為12 萬m3。該填埋場垃圾填埋深度變化范圍較大，在5～10 m。該填埋場垃圾主要以生活垃圾為主且以簡易的方式填埋。2017 年對該垃圾填埋場的排氣層、防滲層、排水層進行了封場整治，使該填埋場規(guī)范化。封場后，由于土地建設(shè)開發(fā)需要，且為了解決垃圾場污染源問題，改善周邊環(huán)境，于2022 年對該填埋場進行開挖和篩分處理。

2.2 陳腐垃圾取樣

填埋場垃圾主要采用“好氧穩(wěn)定化處理＋開挖篩分”的方式進行治理。填埋垃圾開挖前先進行好氧穩(wěn)定化處理，將垃圾堆體內(nèi)厭氧環(huán)境變成好氧環(huán)境，通過以好氧為主的生物反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和物理作用，使垃圾中的可降解有機物快速降解并達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時通過好氧也排除了垃圾堆體中的甲烷、二氧化碳等氣體。本研究將該垃圾填埋場開挖區(qū)域分為A 區(qū)、B 區(qū)及C 區(qū)，如圖1 所示，按照分區(qū)劃分依次開挖。開挖后垃圾通過篩分系統(tǒng)篩選出腐殖土、骨料和輕質(zhì)可燃物等。本研究隨垃圾填埋場開挖進程，取填埋場C3區(qū)域同一填埋深度處收集陳腐垃圾樣品，且從左至右每隔1 m 取1 個樣品，最終得到1 個混合樣品，其質(zhì)量約150 kg，用于后續(xù)的試驗分析。

圖1 填埋場分區(qū)平面

2.3 試驗方法

本研究對陳腐垃圾物質(zhì)組成與腐殖土的物化性質(zhì)及輕質(zhì)可燃物熱值的測試按表1 方法執(zhí)行。其中，人工分選用35 mm 和11 mm 兩組孔徑篩對陳腐垃圾樣品進行分選，預(yù)計用35 mm 孔徑篩得到輕質(zhì)可燃物樣品，用11 mm 孔徑篩得到腐殖土樣品。對于腐殖土樣品將運用物化試驗測得相關(guān)數(shù)據(jù)，將其與浙江省某30 a 均齡垃圾填埋場陳腐垃圾的測試數(shù)據(jù)［7］進行對比研究，揭示中齡期垃圾填埋場的基本特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 物質(zhì)組成

圖2 為陳腐垃圾中各物質(zhì)的占比情況。其中，粒徑＞35 mm 的陳腐垃圾主要組成是塑料類難降解有機物及磚石類大顆粒無機物；粒徑＜11 mm 的主要成分是土顆粒，占比在60%以上。顯然，對于陳腐垃圾的開發(fā)利用主要是針對土顆粒。通過篩分試驗，發(fā)現(xiàn)30 a 填埋齡和12 a 填埋齡陳腐垃圾在物質(zhì)組成上都包含土顆粒、塑料及磚石等，但三者的含量在2 份樣品中有差異。填埋12 a 的垃圾土顆粒含量是62.21%、塑料含量是15.98%，而填埋30 a 的垃圾土顆粒含量是81.51%、塑料含量是3.68%。可見，隨著垃圾齡期的增長，塑料的含量在降低，土顆粒的含量在增加，說明長齡期的陳腐垃圾填埋場比中齡期垃圾填埋場的降解反應(yīng)更充分，中齡期垃圾填埋場的陳腐垃圾還可繼續(xù)發(fā)生降解反應(yīng)，直至陳腐垃圾趨于穩(wěn)定。

圖2 陳腐垃圾手動分選各物質(zhì)占比

3.2 陳腐垃圾腐殖土的物理化學(xué)性質(zhì)

陳腐垃圾＜11 mm 腐殖土基本理化性質(zhì)的測試結(jié)果見表2。

表2 2 組陳腐垃圾腐殖土的基本理化性質(zhì)

從表2 中發(fā)現(xiàn)，2 組陳腐垃圾腐殖土在質(zhì)地上差異較小，都體現(xiàn)出類似砂土結(jié)構(gòu)的傾向，其中30 a填埋齡陳腐垃圾具有更大一些傾向性。2 組陳腐垃圾腐殖土在化學(xué)性質(zhì)上存在一定的差異，pH 雖然均具有弱堿性，但30 a 填埋齡腐殖土的pH 要大于12 a填埋齡腐殖土，說明腐殖土的pH 會隨著填埋齡的增長而增加，這與閆嘯［8］對揚州市垃圾填埋場腐殖土pH 測試結(jié)果相符。在含水率方面，30 a 填埋齡垃圾的含水率約是12 a 填埋齡垃圾含水率的2 倍，這種差異可能是填埋時間與垃圾填埋場所在區(qū)域的水文環(huán)境共同造成的。浙江地區(qū)水資源豐富，所以浙江30 a 填埋齡垃圾填埋場受地下水影響而具有較高的含水率。在氮、磷類營養(yǎng)物含量上，12 a 填埋齡遠高于30 a 填埋齡，約是30 a 填埋齡的2 倍多；同時，12 a填埋齡垃圾有機質(zhì)含量也明顯大于30 a 填埋齡垃圾有機質(zhì)含量。因為垃圾填埋場氮、磷類營養(yǎng)物含量及有機質(zhì)含量與填埋場的穩(wěn)定化程度緊密相關(guān)，填埋場的穩(wěn)定化過程主要體現(xiàn)在有機組分的降解和轉(zhuǎn)化過程，腐殖土有機質(zhì)含量與營養(yǎng)物含量可以直接反映填埋垃圾的穩(wěn)定化程度［9］。所以，研究發(fā)現(xiàn)腐殖土有機質(zhì)含量與氮、磷類營養(yǎng)物含量隨著填埋齡的增加而降低，這也說明12 a 齡期填埋場還有降解與轉(zhuǎn)化的空間。

依據(jù)表2 的測試結(jié)果，2 處生活垃圾填埋場的腐殖土有機質(zhì)含量滿足GB 8172—1987《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》［10］，并低于GB/T 33891—2017《綠化用有機基質(zhì)》［11］要求（＞25%）；總氮與總磷含量均滿足GB 8172—1987《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》［10］要求，所以，可以嘗試對腐殖土精細(xì)化分類，使其滿足綠化種植土壤或綠化用有機質(zhì)的規(guī)范要求。

3.3 篩上輕質(zhì)可燃物熱值分析

樣品經(jīng)過35 mm 粒徑篩手動分選后，可分選出粗粒徑的輕質(zhì)可燃物垃圾。填埋12 a 垃圾場中塑料含量是15.98%，而填埋30 a 的垃圾場中塑料含量是3.68%。可見，特別是在中齡期的填埋場中，因垃圾場的降解程度不高，輕質(zhì)可燃物垃圾含量相對較多，這部分如何處理也決定了垃圾填埋場的綜合利用方向。輕質(zhì)可燃物熱值高于生活垃圾，可直接用于焚燒處理。在填埋12 a 垃圾場中選擇幾個樣品測試輕質(zhì)可燃物的熱值，見表3。經(jīng)過分選后的輕質(zhì)可燃物垃圾熱值較高，為6 017.2 kJ/kg，可以直接焚燒無需加輔助燃料，焚燒熱可以直接供熱與發(fā)電。輕質(zhì)可燃物經(jīng)過破碎、干燥及成型等工藝也可制成RDF（垃圾衍生燃料，Refuse Derived Fuel），依據(jù)美國ASTM（American Society for Testing and Materials）對RDF所做的分類定義，RDF 燃料熱值為14 600～21 000 kJ/kg，其熱值是輕質(zhì)可燃物的2.4～3.5 倍。

表3 輕質(zhì)可燃物垃圾熱值 kJ/kg

4 垃圾填埋場資源化利用初探

綜合上述研究結(jié)果可以看到，中齡期的垃圾填埋場陳腐垃圾主要能利用的資源是腐殖土與輕質(zhì)可燃物。雖然中齡期的垃圾填埋場陳腐垃圾與長齡期的垃圾填埋場相比還沒有降解完全，但它也初具穩(wěn)定性。其中，小于11 mm 腐殖土在物理化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出優(yōu)良的基質(zhì)特征，其腐殖土理化性質(zhì)與常規(guī)土壤相比，雖然腐殖土在物理質(zhì)地上表現(xiàn)出類似砂土結(jié)構(gòu)的傾向，但在化學(xué)特性上與砂土還存在區(qū)別。其有機質(zhì)含量高達10%左右，與肥沃土壤類似，總氮（1.36%）與總磷（0.56%）含量也豐富。這些都說明腐殖土具有良好的理化性質(zhì)，其能適用于大部分植物的種植，并為其提供足夠的養(yǎng)分，可用作園林綠化和栽培基質(zhì)資源化。

同時，輕質(zhì)可燃物作為中短期垃圾填埋場的重要組成部分，也具有一定的利用價值。輕質(zhì)可燃物的熱值較高，可以作為焚燒發(fā)電廠發(fā)電的燃料，若將輕質(zhì)可燃物加工制備成RDF，還將減少對環(huán)境的污染，更有利于陳腐垃圾資源化利用。

5 結(jié)論

（1）12 a 齡期生活垃圾填埋場中的陳腐垃圾雖然還可以繼續(xù)降解，但已具有一定的穩(wěn)定性，已不具有原始垃圾的特征。其在物質(zhì)組成上大部分是腐殖土，其余部分主要是大顆粒無機物和輕質(zhì)可燃物，都可以開挖利用。

（2）粒徑小于11 mm 的腐殖土在物理化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出比普通土壤更好的優(yōu)良特征，其中各營養(yǎng)物質(zhì)含量基本滿足植物生長的要求，可以作為園林綠化和栽培基質(zhì)使用。

（3）經(jīng)過篩分后的輕質(zhì)可燃物，熱值為6 017.2 kJ/kg，能夠直接焚燒處理。若進一步加工制成RDF 固體燃料，熱值將是輕質(zhì)可燃物的2.4～3.5 倍。

（4）中齡期的生活垃圾填埋場已具備開挖利用的價值，填埋場篩分資源化不僅能解決環(huán)境污染問題，還可以節(jié)約土地資源，有效地將經(jīng)濟效益與環(huán)境效益進行結(jié)合，具有較強的現(xiàn)實意義。