華東地區非正規垃圾填埋場開挖篩分治理工程案例分析＊

劉超然，江文琛，張海靜，王 磊，黃 晟

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程背景概述

1.1 國內外垃圾填埋場概述

國家“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃［1］提出：生活垃圾分類和處理設施建設進入關鍵時期，當前存量填埋設施成為生態環境新的風險點，垃圾填埋設施環境問題日益顯現。提升既有填埋設施運營管理水平，開展庫容已滿填埋設施綜合治理，是如今“十四五”發展規劃的主要任務。通過加強生態環境修復與保護，增強項目區及周邊區域土地資源開發利用的經濟潛力和后勁，推動當地經濟發展，同時提高城市環衛水平、改善城市環境，促進區域土地資源科學合理的規劃和利用，防止地下水污染擴散、保護地下水環境，降低污染物對生態環境和人體健康的影響。

為解決垃圾填埋場的占地問題并兼顧城市美觀，國內外對垃圾填埋場進行了環境綜合整治。1863 年巴黎政府通過植被恢復的方式對1 座廢棄的垃圾填埋場進行生態修復，將其改造為比特蒙公園［2］；美國圣地亞哥將面積達60.7 hm2的Miramar垃圾填埋場改造為開放式綠地［3］；韓國首爾蘭芝島通過采取好氧穩定化的方法，將垃圾堆體改造為兼具生態功能的高爾夫球場［4］；我國政府將位于新巴爾虎右旗的垃圾填埋場進行垃圾堆體篩分后回收其中的金屬、塑料、腐殖土覆土和建筑垃圾，取得了直接經濟效益與不可低估的間接生態價值［5］。

盡管如此，現有填埋場環境綜合整治工作中仍存在亟待解決的問題，如垃圾在微生物好氧及厭氧分解過程中所產生的大量惡臭氣體［6］含有硫基、巰基、羥基、羰基、羧基、酯基等發臭基團，會在垃圾清挖、轉運、傾卸過程中揮發并造成環境污染；受含水率、組成和異質性的影響，垃圾篩分效率普遍較低且不穩定；南方多雨地區填埋場垃圾滲濾液來源復雜，污染物及有機質濃度高，易遷移轉化，較難處理［7］；垃圾中腐殖土占比較高，體量較大，難以100% 無害化、資源化處理等。因此，非正規垃圾填埋場環境綜合整治項目的實施在城市發展方面具有重要意義。

本研究以華東地區某非正規垃圾填埋場環境綜合整治項目為例，探究惡臭、篩分效率、滲濾液、腐殖土資源化問題及其處理措施，并對整治措施實施效果進行分析，可為類似工程項目提供除水泥窯協同處置外［1］的一種新的可行資源化處理方式，并可作為“降低含水率有利于提高篩分效率”的有利依據。

1.2 項目填埋場概況

該非正規垃圾填埋場位于北亞熱帶，東南亞季風氣候，雨量充沛，時有臺風、暴雨，土壤為填土，以浜填土、泥炭質土、粉土和黏土為主，年平均水位埋深為0.5～0.7 m。

非正規垃圾填埋場區域呈矩形，占地面積約113 000 m2，填埋時間超20 a，填埋垃圾以生活垃圾為主，涉及處置總方量約為1.78×105m3，垃圾層深度為2.8～9.3 m。垃圾成分包括輕質垃圾、腐殖土以及建筑垃圾，其中輕質垃圾約占22%、腐殖土約占59%、建筑垃圾約占19%。

填埋場西側及北側緊鄰住宅區，南側緊鄰河流，周邊敏感區域較多，在整治期間需采取多種措施降低施工產生的揚塵、噪音和臭氣。即通過及時覆蓋、灑水車灑水降低揚塵，合理規范工作時間、檢修維護設備降低噪聲影響，通過快速穩定化和霧炮噴灑減少臭氣擴散。場地內未發現地下河道、水井、防空洞等地下埋設物，規劃類別為第一類用地。該非正規垃圾填埋場未配套滲濾液處置設施，導致垃圾堆體內滲濾液含量較高。

2 工藝流程與設計參數

2.1 項目總體工藝流程

本項目采用“堆體快速穩定化+清理挖掘+垃圾篩分+末端分類處置”結合“外運資源化處置”的總體技術路線開展垃圾處理、處置工作。通過挖方、晾曬脫水、分選、分項處置等工序，嚴格控制二次污染和保護生態環境，實現填埋垃圾的污染消除和垃圾資源的回收利用。總體技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線示意Figure 1 Schematic of the technical route

2.2 快速穩定化

垃圾堆體長期處于厭氧狀態，在微生物的作用下產生諸如酯類、含硫有機物、烷基苯、檸檬烯、甲基異丙基苯、間二甲苯、乙硫醚等諸多惡臭污染物［8］。在綜合整治過程中堆體開挖會導致垃圾暴露面的擴大以致堆體內部惡臭物質迅速釋放并大面積擴散，對周邊環境產生嚴重影響。

利用抽氣/注氣以及滲濾液抽提的方式，使得堆體中的有機物在適宜的含氧量、溫度、濕度條件下，經好氧微生物的作用快速降解，使垃圾達到穩定狀態，縮短垃圾分解的時間，大幅降低垃圾中的污染物濃度。同時快速穩定化工藝可以阻止垃圾堆體厭氧降解產生甲烷，并抽出堆體中已生成的甲烷，從而降低甲烷爆炸風險。通過持續向垃圾堆體中通入過量空氣，稀釋堆體中CO2濃度，降低人員窒息風險。快速穩定化工藝流程如圖2 所示。

圖2 垃圾填埋場快速穩定化工藝流程示意Figure 2 Process flow schematic of rapid stabilization in landfill

快速穩定化影響半徑受多種因素影響，一般根據現場中試、工程經驗及計算公式確定，計算公式見式（1）［9］。

式中：Pr為與抽氣井距離為r處的監測井壓力（Pa）；Ptc為抽氣井的壓力（Pa）；PRt為有效影響半徑處的壓力（Pa）；r為監測井與抽氣井的徑向距離（m）；RI為有效影響半徑（m）；Rtc為抽氣井半徑（m）。

快速穩定化前對堆體進行基坑降水，甲烷濃度高的區域，抽氣/注氣井影響半徑為8 m；甲烷濃度較低的區域，抽氣/注氣井影響半徑為10 m。抽氣井和注氣井的布設按等邊三角形布置，每3口抽氣井和每3 口注氣井組成等邊六角形布置。每口井中都布置有抽氣管和注氣管，抽氣和注氣交替運行，即呈六邊形布置的6 口井中，3 口井中的注氣管路和3 口井中的抽氣管路間隔打開。

據此，本項目依據區域內甲烷濃度分布情況，布設了抽氣/注氣井。甲烷濃度高的區域，布設34口井；甲烷濃度較低的區域，布設42 口井；整個快速穩定化區域共布設76 口井。考慮到隨著治理的進行，有機質含量降低（快速穩定化前后平均有機質含量分別為13%、9%），風量相應也會減少，本項目風機采用變頻設計。每根注氣管和抽氣管上均設有控制閥門，根據氣體檢測情況，判斷堆體內氣體處理情況，調整注氣管和抽氣管的開閉。快速穩定化現場抽氣/注氣井布置如圖3 所示。

圖3 快速穩定化抽氣/注氣井布置Figure 3 The layout of rapid stabilized gas extraction/injection wells

2.3 堆體滲濾液處置

由于本項目非正規垃圾填埋場中垃圾含水率和有機質含量較高，所在區域雨量充沛，且未進行封場覆蓋、底部未鋪設防滲層，導致垃圾自身持水能力較低。頻繁暴雨天氣導致雨水進入填埋單元，加之地下水遷移進入填埋場堆體，滲濾液產生量相比普通垃圾填埋場大幅增加，滲濾液處置工藝流程如圖4 所示。

圖4 滲濾液處置工藝流程示意Figure 4 Process flow schematic of the leachate disposal

根據關文義等［7］的測算，雨水匯入產生的滲濾液量約占總量的29.5%，楊娜等［10］也提到上海某填埋場設計滲濾液產生量為1 500 m3/d，而實際產生量高達3 000 m3/d。所以大量滲濾液的快速達標處理成為非正規垃圾填埋場綜合整治的難點。

本項目投入一套主要針對氨氮、總氮和糞大腸菌群的脫氮除菌處理設備，處理能力為40 m3/h。通過一體式廢水處理系統設施對其進行處理，經檢測達標后納管排放（圖4）；滲濾液處理設備主要包括2 個調節池、1 個混凝池、2 個沉淀池、2 個氣浮池、2 個加氯去除池、1 套活性炭罐、1 個污泥池和1 個壓濾機等。

2.4 垃圾篩分處置

垃圾篩分是非正規垃圾填埋場垃圾綜合利用的關鍵環節之一。垃圾篩分效率和效果嚴重影響填埋場綜合整治工期及垃圾后續資源化成本與效果。而由于垃圾性質變異程度高、離散性大、同時滾筒篩原料的運動原理不清晰，滾筒篩設計通常僅依賴工程經驗，導致工程實踐中垃圾篩分效率一直較低［11］。

影響篩分設備篩分效率的因素中包含垃圾含水率和垃圾組分等。含水率較高導致腐殖土與腐殖土、腐殖土與輕質物黏連，滾筒篩轉動過程中不易使其分散。同時垃圾相互黏連形成較大的垃圾團導致篩孔阻塞，不利于小粒徑腐殖土的篩分，最終垃圾團、小粒徑腐殖土共同進入風選機。此外，含水率較高的輕質物需要較大的風力以及風壓進行篩選，導致風選出的輕質物中含有較多的小顆粒腐殖土。

垃圾組分也會影響篩分設備運行的穩定性。較大粒徑垃圾因慣性較大，落點不同時易導致皮帶秤受力不均，會對皮帶機造成損壞，并且在相同的離心力下，較大粒徑垃圾會使滾筒篩產生較大的噪音，影響滾筒篩結構的穩定性。

通過前期調查可知，本項目垃圾堆體含水率范圍為23.0%～56.3%，因此在篩分之前需對清挖的垃圾進行脫水干化，降低垃圾的含水率，以加速篩分過程，提高篩分效率。本項目將混合垃圾運至垃圾暫存區域進行脫水干化處理，采用傳統的垃圾散鋪方法，晾曬時間根據垃圾含水率不同，時長為3～7 d，期間對散鋪的垃圾進行翻拌。同時本項目在垃圾上料前安排了人工分選，保證進入篩分系統的垃圾粒徑滿足設備運行要求，以提升垃圾篩分過程中皮帶秤和滾筒篩的穩定運行。

本項目配備1 條1 000 m3/d 篩分能力的篩分生產線。主要設備為滾筒篩、星盤篩和風選機，其他設備包括上料系統、粗選裝置、皮帶機以及篩分防護罩等。粗選裝置將原生垃圾按照200 mm 的粒徑大小分為兩部分；200 mm 以下粒徑的垃圾經板式給料機輸送到滾筒篩內，滾筒篩傾斜角13°，30 r/min；垃圾經過滾筒篩后，分選出大于90 mm的篩上物混合物料、20～90 mm 的篩下物混合物料和小于20 mm 的腐殖土。20～90 mm 的篩下混合物料進入星盤篩進一步篩分，分選出60～90 mm（含60 mm）的篩上物及20～60 mm 的篩下物。風選機內，篩分物質下落的過程中，通過控制風速和風壓，將垃圾中的物料分離，分離輕質物和建筑骨料。其工藝流程如圖5 所示。

圖5 篩分工藝流程示意Figure 5 Process flow schematic of screening

3 測試指標與分析方法

3.1 惡臭氣體及甲烷氣體

由于本項目為非正規垃圾填埋場，未設置導氣設施，導致部分區域存在甲烷濃度過高的情況，根據現場監測結果顯示，場地西側甲烷濃度范圍為0.01%～20.44%。GB/T 12474—2008 空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法中甲烷爆炸極限為5%～15%。垃圾長期厭氧降解產生的CO2、甲烷氣體使得開挖過程存在安全隱患［12］，可能會造成人員窒息以及爆炸風險。

采用手持式PID 檢測儀監測現場揮發性有機物濃度，及時調整霧炮異味抑制液流量，可從傳播過程降低惡臭氣體的排放。對快速穩定化抽出氣體進行氣體報警的濃度值（LEL）監測，直至甲烷濃度連續3 d 低于爆炸極限。快速穩定化處理時間為44～60 d。

3.2 堆體滲濾液

納管排放出水口檢測結果不符合標準規范則再次進入此流程進行處置，直至滿足納管排放標準。檢測因子包括總汞、總砷、鉛、鎘、總鉻、六價鉻、pH、色度、溶解性總固體、懸浮物、化學需氧量、五日生化需氧量、總有機碳、氨氮、總氮、石油類、動植物油類、揮發酚、硫化物、氟化物、總氰化物、陰離子表面活性劑、銻、苯、甲苯、苯并［a］蒽、苯并［a］芘、苯并［b］熒蒽、茚并［1，2，3-cd］芘和二苯并［a，h］蒽。

處置藥劑：次氯酸鈉（NaClO），具有刺激性氣味，用于去除水體銨氮類、糞大腸菌群物質；聚合氯化鋁（PAC），用于去除水體中的膠體和懸浮物質；聚丙烯酰胺（PAM），混凝池投加，用于去除水體中膠體和懸浮物質。監測因子的檢測結果均需滿足DB 31/199—2018 污水綜合排放標準中的三級標準。

3.3 腐殖土

本項目中腐殖土約占59%，是垃圾的主要組分。腐殖土具有優良的理化性質，富含天然硅酸鹽類物質，高溫燒結后，硅酸鹽成分玻化，易制成致密性較強的磚體［13］。且其中的有機物在焙燒過程中易燃燒揮發形成氣孔，可增強磚體隔熱保溫性能。為減少土地占用，促進垃圾資源化，本項目部分腐殖土外運至磚廠，經破碎、篩分、配比、攪拌融合后用于燒結保溫磚，以進行資源化處置。

制磚原料需滿足粒徑范圍小于30 mm、含水率低于20%、非危險廢物的要求。制磚原料的粒徑范圍對磚坯的成型、干燥等有很大的影響，制磚原料中的細顆粒物質越多，原料的塑性也越高。制磚原料的水分也會對磚坯的密實度、干燥和燒制過程中的抗變形性、抗壓強度和坯料的塑性產生影響［14］。相比于原磚廠淤泥制磚原料（含水率＜10%），腐殖土中的含水率略高（含水率＜20%），并且含有少量雜質。含水率略高會導致焙燒過程中磚內水分揮發較慢，內外性質產生一定差異，影響磚的強度；雜質會影響部分區域晶體結合程度，進而也對磚的強度產生一定影響。此外，若腐殖土的浸出毒性超過GB 5085.3—2007 危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別，則會對環境產生負面影響。

為使燒結的保溫磚符合GB/T 5101—2003 燒結普通磚MU10 強度等級要求，磚廠接收到腐殖土后對其進一步磨碎，使得粒徑小于30 mm。同時此前為保證篩分效率，已通過晾曬使得垃圾上料含水率低于20%。根據運送批次以及運送方量，共采集10 組腐殖土進行檢測，評價標準參照GB 5085.3—2007、檢測方法參照HJ/T 299—2007 固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法，通過浸出毒性鑒別，檢測指標均在標準限值內。本項目腐殖土符合磚廠3 項接納標準，可以進行外運資源化制磚處置。

燒結保溫磚的工藝流程如圖6 所示。

圖6 燒結磚工藝流程示意Figure 6 Process flow schematic of sintered brick

4 運行效果分析

4.1 惡臭氣體及甲烷氣體處置

本項目歷時2 個月完成對垃圾堆體的快速穩定化過程，連續3 d 甲烷濃度檢測數據低于3%，小于甲烷氣體5%～15% 的爆炸極限范圍，表明快速穩定化后，堆體開挖過程中不會出現爆炸風險。根據DB 31/T 1208—2020 濕垃圾處理殘余物的生物穩定性評價方法，生物穩定性分為4 級：①四日好氧呼吸量≥60 mg/g （按干基計），極易腐爛，如新鮮濕垃圾或濕垃圾有機物降解率不足30% 的處理殘余物，極不穩定；②四日好氧呼吸量為30～60 mg/g （按干基計），有一定的酸臭味，如一次發酵3～7 d 的堆肥產品或厭氧消化沼渣，不穩定；③四日好氧呼吸量為10～30 mg/g （按干基計），無明顯令人不悅的氣味，或有淡淡的霉味，如一次發酵15～30 d 的堆肥產品或二次發酵20 d 的堆肥產品，較穩定；④四日好氧呼吸量＜10 mg/g，無明顯令人不悅的氣味，如堆肥生物處理60 d 的堆肥產品。本項目將快速穩定化后的垃圾經過調節含水率，活化后測得四日好氧呼吸量為（1.80±0.25）mg/g，＜10 mg/g，即無明顯令人不悅的氣味，生物穩定性較好。2 個月時間，甲烷氣體含量由20.44% 穩定至3% 以下，由此可以推測出：填埋時長超過20 a 的垃圾堆體內仍有少部分有機物未完全腐殖化，快速穩定化處置可以加速有機物腐殖化過程；填埋時間較長的填埋場可以通過較短周期的快速穩定化過程完成垃圾降解。

4.2 滲濾液處置

處置藥劑：次氯酸鈉（NaClO），每噸水投加0.001 4 t；聚合氯化鋁（PAC），每噸水投加0.070 kg；聚丙烯酰胺（PAM），混凝池投加，每噸水投加0.002 kg。總加藥量為PAC 6 227.5 kg、PAM 180.837 kg、NaClO 15.93 t。監測因子的檢測結果均滿足DB 31/199—2018 中的三級標準。

4.3 垃圾篩分

工程施工關注每日篩分處理量，因此本項目的篩分效率（η，%）計算如式（2）所示：

根據土壤含水率的檢測以及現場的篩分效果得出，垃圾含水率在30% 左右時，篩分效率為78%，即每日篩分量約為780 m3；脫水后的垃圾含水率低于20%，篩分效率提高至88%，即每日篩分量約為880 m3；垃圾含水率低于13%，篩分效率可以提高至92%，即每日篩分量約為920 m3。降低含水率可顯著提升篩分效率。

4.4 腐殖土資源化

由于腐殖土處置量較大，時間較短，需要尋求高摻燒比，并且強度滿足MU10 燒結普通磚強度等級要求（12.4 MPa）。通過型式檢測對資源化磚進行判定，型式檢測項目包括尺寸偏差、外觀質量、強度等級、凍融實驗、泛霜、石灰爆裂、欠火磚、酥磚和螺旋紋磚以及放射性核素限量，單項判定結果均為合格，型式檢驗測試結果見表1。通過對比腐殖土30%、40%、50% 摻燒比的檢測結果可得出，30% 和40% 摻燒比均符合MU10 燒結普通磚（GB 5101—2003）強度等級要求，50%摻燒比不滿足此強度要求，為加快腐殖土資源化處置過程，本項目制磚腐殖土摻燒比選擇40%。其他材料為20% 的爐底渣、30% 的水廠淤泥及10%的頁巖，1 t 腐殖土對應產出240～260 塊磚。

表1 型式檢驗結果Table 1 Type inspection results

5 成本經濟分析

工程處理垃圾堆體規模約為1.8×105m3，總投資約為1.35 億元。其中，第1 部分工程直接費用約為1 億元，處置期間成本主要包括基坑支護費、垃圾篩分費、腐殖土資源化費、工資費以及維修費等。單位處置成本555.6 元/m3，略高于一般垃圾處置項目（420 元/m3），項目地理位置特殊，需要進行較多的基坑支護及管道保護。

6 存在問題與展望

項目基本達到各項設計要求，同時發現一些問題值得類似垃圾處置項目借鑒：

1）垃圾篩分效率受制于含水率，可擴大垃圾晾曬區面積、增加含水率去除方量。

2）由于垃圾堆體分布不均，快速穩定化時長需大于理論計算時長，在施工期間要不斷監測場地內甲烷氣體濃度。3）開挖期間提高霧炮除臭藥劑噴灑的次數，避免垃圾開挖造成大氣二次污染。

7 結論

1）采用堆體快速穩定化、垃圾篩分以及末端處置方式可以完成對垃圾填埋場的整治工作。

2）降低垃圾含水率可以提高篩分設備篩分效率，含水率低于13%比含水率約30%效率提高14個百分點，使篩分量更接近篩分設備每日設計處置量，根據本項目經驗，含水率應盡量控制在20%以下。

3）根據工程經驗及計算推導，一般已穩定的垃圾填埋場快速穩定化影響半徑為8～10 m。

（4）篩分后腐殖土資源化可用于制磚，需要控制篩分后腐殖土粒徑、含水率以及非危險廢物的標準，本項目腐殖土制磚強度滿足MU10 燒結普通磚強度等級要求。