廣東省某生活垃圾填埋場開挖前原位好氧穩定化工程應用分析

羅成成

關鍵詞：非正規生活垃圾填埋場；原位好氧化穩定化；填埋氣體組分；施工開挖

隨著經濟不斷發展，城鎮人口持續增長，生活垃圾產生量也在不斷擴大。據統計，我國每年生活垃圾簡易堆放量或處理量達到3.3×107 t，占用土地面積達到5.5×108 m2，全國非正規堆放點已超過3 000座[1]。非正規垃圾填埋場不僅占用了大量土地資源，產生的滲濾液還會污染土壤和地下水，一些城市甚至出現了垃圾圍城的現象，嚴重制約了城市的可持續發展[2]。目前，針對存量填埋場的治理技術主要有原位規范封場、原位好氧穩定化、全量轉運至異地處理及全量開挖篩分處理4種[3]。其中，全量開挖篩分處理技術是指先開挖填埋場存量垃圾，再通過振動篩、磁選及風選設備對垃圾進行篩分處理，按照篩分出的不同組分類型分別轉運至不同的終端設施處理[4]。該技術雖然成本較高，但是可以實現對土地的再開發利用，并徹底消除環境污染風險。因垃圾填埋場中一般含有大量CH4、H2S、NH3等易燃易爆、有臭味的氣體，如果貿然開挖，不僅可能在施工現場埋下較大的安全隱患，還可能對人體健康和周邊環境產生較大的危害[5]。原位好氧穩定化技術具有穩定化效率高、處理周期短、運行成本低、有效減少填埋易燃異味氣體等優點，開挖前一般會對垃圾進行原位好氧穩定化預處理，以提高施工安全性[4-6]。

本研究選取廣東省東莞市某歷史非正規填埋場進行了開挖前原位好氧穩定化預處理，研究了好氧系統運行過程中堆體溫度、含水率及濕度、填埋氣體組分的變化情況，并判斷是否達到施工開挖要求，以期為同類型非正規填埋場開挖前原位好氧穩定化預處理的實施提供一定參考。

1 工程概況

項目地為廣東省東莞市某歷史非正規填埋場，堆存年限超過15年，場地總占地面積約為96 333 m2，總填埋量將近100萬m3，現場分區域多處堆存，堆填物主要為生活垃圾、建筑垃圾及少量黏土。根據未來規劃建設要求，需對其實施全量開挖篩分處理。本研究所述實施區為其中一處堆體，占地面積約為10 000 m2，最大填埋深度約為18.0 m，填埋方量約為13萬m3，含水率在32.6%～44.3%，平均含水率為39.8%，有機質的質量分數在9.6%～16.1%，平均質量分數為12.6%。

2 工藝設計

2.1 工藝流程

原位好氧穩定化的基本原理是在垃圾堆體中布設注氣井和抽氣井，分別利用高壓正壓風機、負壓風機向堆體中注入空氣及抽提填埋氣，必要時向堆體中回灌液體，在適宜的溫度、濕度、含水率、O2濃度等條件下，堆體垃圾中的有機物在好氧微生物的作用下快速降解，可大幅縮短垃圾降解的時間，且使堆體中氣體污染物濃度大幅度降低，消除環境污染風險，最終使堆體達到穩定狀態[7-8]。好氧穩定化的本質是利用好氧微生物降解垃圾中有機物的生化過程，微生物將可降解有機物降解轉化為簡單的小分子物質，將難降解有機物部分降解，最終形成成分復雜的腐殖質[4]。

2.2 系統設計

注氣井設計的影響半徑為17.0 m，井間距為29.4 m，采用正三角形井網布設，抽氣井位于注氣井組成的正三角網中心，注氣井與抽氣井交叉分布，共設置15口注氣井、12口抽氣井。井管采用DN110的硬聚氯乙烯（Unplasticized PolyvinylChloride，UPVC）管，深度為8.0 m，其中6.0 m開篩。注氣系統配置一套風量為50 m3/min的鼓風機，風壓為50 kPa；填埋氣抽提系統配置一套風量為50 m3/min的離心引風機，風壓為﹣50 kPa。注氣系統中配置1個氣體換熱器與鼓風機配套相連，以保證注氣管道氣體的溫度不高于60.0 ℃。填埋氣抽提系統中引風機前連接1個氣液分離器，進行氣液分離后再接入處理能力為10 000 m3/h的生物滴濾池，以保證尾氣處理后達標排放。在系統運行過程中，氣液分離器中分離出的滲濾液視堆體含水率情況選擇部分或者全部回灌至垃圾堆體中，其余部分抽提至場地現有垃圾滲濾液處理站處理。好氧系統運行過程中采用間歇注氣方法，每天運行12 h，注氣3 h停歇3 h。

2.3 監測系統

監測系統主要包括溫濕度監測、氣體成分監測及現場取樣監測。實施區網格化布設6個綜合監測井，深度為8.0 m，每個監測井地下4.0～5.0 m設置1套溫度、濕度、CH4、H2S、O2、CO2傳感器。同時，網格化設置6個堆體含水率監測點位，取樣深度為4.0～5.0 m。

2.4 系統運行

實施區系統一共運行66 d，運行時間為2022年10月至2022年12月。其中，系統運行36 d后停工至第45 d，間歇10 d，以觀察堆體填埋氣中氣體成分的反彈情況，再從第46 d繼續運行至第66 d，繼續觀察氣體成分含量變化情況，判斷是否滿足開挖要求。

2.5 運行目標

穩定化的評價指標參考《生活垃圾填埋場穩定化場地利用技術要求》（GB/T 25179—2010）中填埋場場地穩定化后中度利用的判定要求，即填埋氣甲烷質量分數在1.0%～5.0%的要求，且要求堆體中無明顯臭味。

3 運行效果分析

3.1 垃圾堆體溫度變化

垃圾堆體溫度的高低反映了好氧反應進行的程度，好氧系統運行過程中溫度的變化情況如圖1所示。初始平均溫度為30.2 ℃，好氧系統啟動運行后，在0～14 d內快速上升，最高上升至43.5 ℃，在第36～45 d間隔停歇10 d期間，溫度有一定降幅，第46 d好氧系統重新啟動運行后，溫度有所上升并在第66 d穩定在41.5 ℃左右。在好氧系統運行過程中，堆體溫度的上升主要是因為垃圾中的有機成分發生好氧反應時會產生一定熱量，同時溫度的升高會導致耐高溫的細菌大量繁殖，加快生化反應的速度，當可降解有機組分基本降解成穩定的腐殖質時，產熱隨之停止，溫度也趨于穩定[9]。一般好氧反應比較適宜的溫度是40.0～60.0 ℃，若溫度低于15.0 ℃或高于70.0 ℃，好氧微生物會進入休眠狀態或者出現死亡現象，好氧降解反應會變得緩慢甚至停止[10]。

3.2 垃圾堆體含水率與相對濕度變化

含水率和空氣相對濕度是保證垃圾堆體好氧反應運行的基本條件和重要因素。從圖2可知，好氧系統運行7 d后，平均相對濕度從90.1%降至87.3%，平均含水率從39.8%降至37.5%，主要是因為向堆體中注入大量相對濕度較低的空氣及抽提填埋氣體帶走了一定的水分。之后相對濕度一直穩定在86.6%～88.4%，堆體含水率一直徘徊在39.2%～40.8%，主要是因為在好氧系統運行過程中不斷向堆體回灌滲濾液和其他液體中的水分，以維持堆體好氧反應的含水率及相對濕度條件。一般垃圾堆體的含水率對好氧生化反應影響較大，含水率過低會影響好氧微生物的繁殖，含水率過高會導致堆體內部空隙被水充滿，形成厭氧環境，含水率一般控制在40.0%～50.0%最為適宜[11]。本項目實施區堆體含水率維持在40.0%左右，不僅給堆體的好氧反應提供了相對適宜的含水率條件，也保證了注入空氣和填埋氣體在堆體中的有效遷移擴散，并節約了水資源。

3.3 填埋氣體成分變化

好氧反應只能在有氧的環境中發生，因此，只有提高堆體環境中O2的濃度，才能激發好氧微生物的活性，促進好氧反應的發生。在好氧系統運行過程中，CH4、CO2、O2、H2S的平均質量分數變化如圖3所示。好氧系統啟動后，O2、CO2質量分數在14 d內快速上升，分別達到10.9%、17.3%。其中，O2質量分數已經接近正常空氣中20.0%的水平，但CH4質量分數從開始的10.5%降至28 d時的3.8%，H2S質量分數從開始的10.2×10-6降至35 d時0.1×10-6，說明注入新鮮空氣后，堆體從厭氧環境轉變為好氧環境，垃圾中的可降解成分發生大量好氧降解反應，生成穩定的有機物、無機物、CO2和H2O，取代了厭氧反應的CH4、H2S等[12]。一般垃圾填埋場中好氧反應的適宜O2質量分數為16.0%～21.0%，當O2質量分數低于10.0%時，好氧反應會受到嚴重抑制[13]。

好氧系統運行35 d后停歇10 d，其間CH4、H2S的質量分數均有所反彈，分別從2.0%、0.1×10-6上升至3.2%、0.3×10-6，但變化幅度不大，反彈現象的出現說明了堆體中可生物降解的有機成分未完全降解，好氧穩定化需繼續運行。

好氧系統第46 d重新啟動運行至第66 d期間，CH4質量分數繼續下降并維持在1.5%左右，H2S質量分數繼續下降并穩定在0.1×10-6左右，而CO2、O2質量分數均有所上升，分別維持在8.4%和19.2%左右。

好氧系統運行66 d后，CH4質量分數已經明顯低于5.0%，且H2S質量分數已經趨于0，短時間內CH4、H2S質量分數不會發生明顯變化且處于相對穩定狀態，說明堆體的好氧穩定化預處理達到了運行目標，可滿足短期施工開挖要求。

4 結論

本研究選取廣東省東莞市某歷史非正規填埋場進行了開挖前原位好氧穩定化預處理，得到以下結論：

（1）在好氧系統運行過程中，堆體中可降解的有機組分因好氧反應產生一定熱量，導致堆體溫度上升并逐漸趨于穩定。

（2）通過抽提的滲濾液及其他液體及時回灌堆體，可保證堆體處在適宜的含水率及相對濕度條件下，以加快好氧反應的降解速度。

（3）好氧系統運行66 d后，CH4平均質量分數明顯低于5.0%，且H2S平均質量分數趨于0，短時間內CH4、H2S質量分數趨于穩定且不會發生明顯變化，達到運行目標，可滿足施工開挖要求。