廣東省某生活垃圾填埋場(chǎng)開挖前原位好氧穩(wěn)定化工程應(yīng)用分析

羅成成

關(guān)鍵詞：非正規(guī)生活垃圾填埋場(chǎng)；原位好氧化穩(wěn)定化；填埋氣體組分；施工開挖

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)人口持續(xù)增長(zhǎng)，生活垃圾產(chǎn)生量也在不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年生活垃圾簡(jiǎn)易堆放量或處理量達(dá)到3.3×107 t，占用土地面積達(dá)到5.5×108 m2，全國(guó)非正規(guī)堆放點(diǎn)已超過(guò)3 000座[1]。非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)不僅占用了大量土地資源，產(chǎn)生的滲濾液還會(huì)污染土壤和地下水，一些城市甚至出現(xiàn)了垃圾圍城的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了城市的可持續(xù)發(fā)展[2]。目前，針對(duì)存量填埋場(chǎng)的治理技術(shù)主要有原位規(guī)范封場(chǎng)、原位好氧穩(wěn)定化、全量轉(zhuǎn)運(yùn)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(shù)是指先開挖填埋場(chǎng)存量垃圾，再通過(guò)振動(dòng)篩、磁選及風(fēng)選設(shè)備對(duì)垃圾進(jìn)行篩分處理，按照篩分出的不同組分類型分別轉(zhuǎn)運(yùn)至不同的終端設(shè)施處理[4]。該技術(shù)雖然成本較高，但是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土地的再開發(fā)利用，并徹底消除環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因垃圾填埋場(chǎng)中一般含有大量CH4、H2S、NH3等易燃易爆、有臭味的氣體，如果貿(mào)然開挖，不僅可能在施工現(xiàn)場(chǎng)埋下較大的安全隱患，還可能對(duì)人體健康和周邊環(huán)境產(chǎn)生較大的危害[5]。原位好氧穩(wěn)定化技術(shù)具有穩(wěn)定化效率高、處理周期短、運(yùn)行成本低、有效減少填埋易燃異味氣體等優(yōu)點(diǎn)，開挖前一般會(huì)對(duì)垃圾進(jìn)行原位好氧穩(wěn)定化預(yù)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(guī)填埋場(chǎng)進(jìn)行了開挖前原位好氧穩(wěn)定化預(yù)處理，研究了好氧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(dá)到施工開挖要求，以期為同類型非正規(guī)填埋場(chǎng)開挖前原位好氧穩(wěn)定化預(yù)處理的實(shí)施提供一定參考。

1 工程概況

項(xiàng)目地為廣東省東莞市某歷史非正規(guī)填埋場(chǎng)，堆存年限超過(guò)15年，場(chǎng)地總占地面積約為96 333 m2，總填埋量將近100萬(wàn)m3，現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)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(jù)未來(lái)規(guī)劃建設(shè)要求，需對(duì)其實(shí)施全量開挖篩分處理。本研究所述實(shí)施區(qū)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(wàn)m3，含水率在32.6%～44.3%，平均含水率為39.8%，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9.6%～16.1%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

原位好氧穩(wěn)定化的基本原理是在垃圾堆體中布設(shè)注氣井和抽氣井，分別利用高壓正壓風(fēng)機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)向堆體中注入空氣及抽提填埋氣，必要時(shí)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(jī)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(shí)間，且使堆體中氣體污染物濃度大幅度降低，消除環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，最終使堆體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[7-8]。好氧穩(wěn)定化的本質(zhì)是利用好氧微生物降解垃圾中有機(jī)物的生化過(guò)程，微生物將可降解有機(jī)物降解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)，將難降解有機(jī)物部分降解，最終形成成分復(fù)雜的腐殖質(zhì)[4]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

注氣井設(shè)計(jì)的影響半徑為17.0 m，井間距為29.4 m，采用正三角形井網(wǎng)布設(shè)，抽氣井位于注氣井組成的正三角網(wǎng)中心，注氣井與抽氣井交叉分布，共設(shè)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(tǒng)配置一套風(fēng)量為50 m3/min的鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓為50 kPa；填埋氣抽提系統(tǒng)配置一套風(fēng)量為50 m3/min的離心引風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓為﹣50 kPa。注氣系統(tǒng)中配置1個(gè)氣體換熱器與鼓風(fēng)機(jī)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(tǒng)中引風(fēng)機(jī)前連接1個(gè)氣液分離器，進(jìn)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(dá)標(biāo)排放。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(chǎng)地現(xiàn)有垃圾滲濾液處理站處理。好氧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中采用間歇注氣方法，每天運(yùn)行12 h，注氣3 h停歇3 h。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括溫濕度監(jiān)測(cè)、氣體成分監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)取樣監(jiān)測(cè)。實(shí)施區(qū)網(wǎng)格化布設(shè)6個(gè)綜合監(jiān)測(cè)井，深度為8.0 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)井地下4.0～5.0 m設(shè)置1套溫度、濕度、CH4、H2S、O2、CO2傳感器。同時(shí)，網(wǎng)格化設(shè)置6個(gè)堆體含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，取樣深度為4.0～5.0 m。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行

實(shí)施區(qū)系統(tǒng)一共運(yùn)行66 d，運(yùn)行時(shí)間為2022年10月至2022年12月。其中，系統(tǒng)運(yùn)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?gòu)牡?6 d繼續(xù)運(yùn)行至第66 d，繼續(xù)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(yùn)行目標(biāo)

穩(wěn)定化的評(píng)價(jià)指標(biāo)參考《生活垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定化場(chǎng)地利用技術(shù)要求》（GB/T 25179—2010）中填埋場(chǎng)場(chǎng)地穩(wěn)定化后中度利用的判定要求，即填埋氣甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～5.0%的要求，且要求堆體中無(wú)明顯臭味。

3 運(yùn)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(yīng)進(jìn)行的程度，好氧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，在0～14 d內(nèi)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(tǒng)重新啟動(dòng)運(yùn)行后，溫度有所上升并在第66 d穩(wěn)定在41.5 ℃左右。在好氧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，堆體溫度的上升主要是因?yàn)槔械挠袡C(jī)成分發(fā)生好氧反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定熱量，同時(shí)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致耐高溫的細(xì)菌大量繁殖，加快生化反應(yīng)的速度，當(dāng)可降解有機(jī)組分基本降解成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)時(shí)，產(chǎn)熱隨之停止，溫度也趨于穩(wěn)定[9]。一般好氧反應(yīng)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(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)或者出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，好氧降解反應(yīng)會(huì)變得緩慢甚至停止[10]。

3.2 垃圾堆體含水率與相對(duì)濕度變化

含水率和空氣相對(duì)濕度是保證垃圾堆體好氧反應(yīng)運(yùn)行的基本條件和重要因素。從圖2可知，好氧系統(tǒng)運(yùn)行7 d后，平均相對(duì)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?yàn)橄蚨洋w中注入大量相對(duì)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(duì)濕度一直穩(wěn)定在86.6%～88.4%，堆體含水率一直徘徊在39.2%～40.8%，主要是因?yàn)樵诤醚跸到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(yīng)的含水率及相對(duì)濕度條件。一般垃圾堆體的含水率對(duì)好氧生化反應(yīng)影響較大，含水率過(guò)低會(huì)影響好氧微生物的繁殖，含水率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致堆體內(nèi)部空隙被水充滿，形成厭氧環(huán)境，含水率一般控制在40.0%～50.0%最為適宜[11]。本項(xiàng)目實(shí)施區(qū)堆體含水率維持在40.0%左右，不僅給堆體的好氧反應(yīng)提供了相對(duì)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(kuò)散，并節(jié)約了水資源。

3.3 填埋氣體成分變化

好氧反應(yīng)只能在有氧的環(huán)境中發(fā)生，因此，只有提高堆體環(huán)境中O2的濃度，才能激發(fā)好氧微生物的活性，促進(jìn)好氧反應(yīng)的發(fā)生。在好氧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，CH4、CO2、O2、H2S的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖3所示。好氧系統(tǒng)啟動(dòng)后，O2、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14 d內(nèi)快速上升，分別達(dá)到10.9%、17.3%。其中，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)接近正常空氣中20.0%的水平，但CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)從開始的10.5%降至28 d時(shí)的3.8%，H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)從開始的10.2×10-6降至35 d時(shí)0.1×10-6，說(shuō)明注入新鮮空氣后，堆體從厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚醐h(huán)境，垃圾中的可降解成分發(fā)生大量好氧降解反應(yīng)，生成穩(wěn)定的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、CO2和H2O，取代了厭氧反應(yīng)的CH4、H2S等[12]。一般垃圾填埋場(chǎng)中好氧反應(yīng)的適宜O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.0%～21.0%，當(dāng)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10.0%時(shí)，好氧反應(yīng)會(huì)受到嚴(yán)重抑制[13]。

好氧系統(tǒng)運(yùn)行35 d后停歇10 d，其間CH4、H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xiàn)象的出現(xiàn)說(shuō)明了堆體中可生物降解的有機(jī)成分未完全降解，好氧穩(wěn)定化需繼續(xù)運(yùn)行。

好氧系統(tǒng)第46 d重新啟動(dòng)運(yùn)行至第66 d期間，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)下降并維持在1.5%左右，H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)下降并穩(wěn)定在0.1×10-6左右，而CO2、O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所上升，分別維持在8.4%和19.2%左右。

好氧系統(tǒng)運(yùn)行66 d后，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)明顯低于5.0%，且H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)趨于0，短時(shí)間內(nèi)CH4、H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)不會(huì)發(fā)生明顯變化且處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明堆體的好氧穩(wěn)定化預(yù)處理達(dá)到了運(yùn)行目標(biāo)，可滿足短期施工開挖要求。

4 結(jié)論

本研究選取廣東省東莞市某歷史非正規(guī)填埋場(chǎng)進(jìn)行了開挖前原位好氧穩(wěn)定化預(yù)處理，得到以下結(jié)論：

（1）在好氧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，堆體中可降解的有機(jī)組分因好氧反應(yīng)產(chǎn)生一定熱量，導(dǎo)致堆體溫度上升并逐漸趨于穩(wěn)定。

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

（3）好氧系統(tǒng)運(yùn)行66 d后，CH4平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于5.0%，且H2S平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于0，短時(shí)間內(nèi)CH4、H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定且不會(huì)發(fā)生明顯變化，達(dá)到運(yùn)行目標(biāo)，可滿足施工開挖要求。