非正规填埋场矿化垃圾理化性质与资源化利用研究

袁 京,杨 帆,李国学*,李 宁,2,罗文海(.中国农业大学资源与环境学院,北京 0093；2.孝感市环境保护局,湖北 孝感 432000)

非正规填埋场矿化垃圾理化性质与资源化利用研究

袁 京1,杨 帆1,李国学1*,李 宁1,2,罗文海1(1.中国农业大学资源与环境学院,北京 100193；2.孝感市环境保护局,湖北 孝感 432000)

为探索非正规垃圾填埋场矿化垃圾资源化利用问题,以广东省东莞市常平镇桥沥垃圾填埋场矿化垃圾为例,多点采集样品经人工分拣和不同粒径段筛分后,对其物理组成和化学性质进行了分析.结果表明:矿化垃圾中腐殖土主要在40mm粒径段以下,占47.3%,塑料、织物及木竹等可燃轻质垃圾主要在大于80mm粒径段,占40.1%;工程筛分粒径可选40mm,筛上物主要为可燃物,筛下物主要为腐殖土;按照有机肥堆肥腐熟标准,筛下物腐殖土基本可达到腐熟,营养物质含量达到《城市生活垃圾农用标准》(GB8172-1987)要求,但部分重金属含量超标;矿化垃圾经筛分后的轻质垃圾,热值约为6000kJ/kg,可直接进行焚烧处理,将其制备成垃圾衍生燃料(RDF)后,热值可达10000～24000kJ/kg.

非正规垃圾填埋场；矿化垃圾；物理组分；腐殖土；腐熟度；热值

随着城市建设的发展,居民生活水平的提高,城市生活垃圾产生量与日俱增.全国668座城市每年总产生量高达 1.6亿多 t,占世界总量的 1/4以上,且每年以 8%～10%的速度增长[1].垃圾卫生填埋由于建设和运行费用较低而成为生活垃圾处理的主要手段[2].非正规垃圾填埋场是指利用自然地理条件,未按照卫生填埋场建设规范进行边坡、顶部、底部防渗漏设计和建设,同时未经过相关政府部门审批程序,办理土地用地、规划、立项、环境保护等方面的合法批准手续,且垃圾积存量在 200t以上的垃圾填埋场[3-4].我国城市垃圾历史积累存量高达 6×109t,侵害土地面积多达 5×108m2,这部分垃圾基本上采用非正规垃圾填埋方式填埋[5-7].由于非正规垃圾填埋场缺乏防渗和覆盖措施,因此严重威胁周边地下水、空气环境和人体健康,使生态环境遭到破坏[8-9].

与正规垃圾填埋场填埋堆体水环境自成体系进行上下循环不同,非正规垃圾填埋场垃圾渗滤液直接与地下水相联系,矿化过程产生的降解物质,随同渗滤液很容易向下渗滤,同时填埋堆体与周边环境相通,内部堆体水分下降要快一些,与周边的大气气体更易交换[10].因此,非正规填埋矿化过程与正规垃圾填埋场内垃圾矿化是有区别的,矿化速度比正规垃圾填埋场快.为了减少非正规垃圾填埋场侵占土地、减低对土壤和地下水污染,北京市2006年已开始对非正规垃圾填埋场进行分类研究、治理及改造利用[11].

国外对填埋场垃圾的利用研究较早,早在20世纪50年代,以色列特拉维夫市填埋场就有了填埋场陈垃圾开采利用的历史[12].从20世纪60年代开始,国外关于填埋场再开采的相关报道逐渐增多[13-15],到目前也取得了一些成果[16-18].与国外相比,国内开展垃圾填埋场垃圾的利用较晚,20世纪90年代,赵由才等[19-21]以上海老港垃圾填埋场为研究对象,开展了对填埋场垃圾稳定化及资源化利用的研究,主要包括矿化垃圾物理性质,有机质以及营养含量[22-25],土壤微生物[26-27],重金属[28-29],绿化基质[30-31]以及矿化垃圾作为燃料

[32-34]等方面的研究.但是对于非正规填埋场矿化垃圾的开采以及综合利用全过程的研究较少,也几乎没有从综合利用包括堆肥腐熟度指标方面评价陈腐垃圾.因此,本研究希望可以提出科学有效的非正规垃圾填埋场矿化垃圾资源化利用的治理方案,做到不同粒径或特性的垃圾物尽其用,既可为填埋场稳定化进程研究提供基础数据,又可为全方位开发非正规填埋陈垃圾的应用途径提供理论基础和技术依托,矿化垃圾的资源化利用不仅可解决非正规填埋场地污染治理问题,还为正规垃圾填埋场提供了宝贵的填埋场所,实现垃圾资源的循环利用和填埋场土地的可持续填埋.

1 材料与方法

1.1 样品布设及采集

东莞市常平镇桥沥垃圾厂为非正规垃圾填埋场,位于东莞市常平镇桥沥村附近,于 2001年开始作为周围居民及工业发展的垃圾填埋场,填埋时间为 3a,经简单封场后,至今已过 7～8a.该垃圾填埋场总占地约 5hm2,填埋体积为 40万 m2,平均填埋深度为7～8m.该填埋场东西长约500m,南北约为 100m.根据东西长、南北窄特点按照“S”型进行布点,自东向西依次布设 5个取样点,每个点相距 100m(东西两侧取样点距边坡约50m).采用大型机械挖掘机进行采样,由于填埋的垃圾集中在2～3a之内,同一点上下基本是填埋同一来源垃圾,因此在每个点从上至下采集一个混合样,挖掘的剖面长为 2m,宽约 1m,深度为5～6m左右,自上而下每隔0.5m取一个样,最终取约1m3混合样品,经充分混匀后堆成锥形,采取四分法取其四分之一作为待筛分样品,同时取10kg左右样品用于实验室分析测试.

1.2 试验方法

将所取的垃圾样品按照<10mm,10～20mm, 20～40mm,40～50mm,50～60mm,60～70mm,70～80mm以及>80mm进行筛分后进行称重,并进一步对各个粒径段的垃圾按照砖瓦、纸张、塑料、织物、玻璃、金属、木竹、橡胶、泡沫及腐殖土等进行人工分拣称重,计算不同粒径段垃圾各个组分的湿基百分比,同时测定各个粒径段样品含水率.

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1 含水率 105℃下烘干至恒重;将垃圾样品按1:10(m:V)浸提过滤.用twin pH B-212pH计测pH值;EC值用DDS-11A型电导测定仪测定; E4/E6用 722型可见光分光光度计于 465和665nm处分别测定吸光度值并取两者之比;固相C/N为总有机碳质量/总氮质量,将垃圾彻底风干后,用植物粉碎机粉碎并过0.149mm筛,总有机碳(TOC)和总氮(TN)采用元素分析仪测定(vario MACRO cube元素分析仪,德国); GI的测定是取上述浸提液 5mL于垫有滤纸的培养皿中,取 10粒饱满的小青菜种子,然后放置在(20±1)℃的培养箱中培养,48h测定发芽率[35].无机态氮(NH4+-N, NO3--N, NO2

--N)的方法是用 2mol/L的 KCl溶液,按照 20:1(V/m)同湿样混合,震荡30min,静置过滤取上清液,经稀释后上流动分析仪测定(Auto Analyzer 3,Seal,德国);元素P、K及重金属Pb、Cd、Cr采用ICP-OES 电感耦合等离子体发射光谱仪测定(美国铂金埃尔默公司);重金属 Hg和 As采用微波消煮-原子荧光法测定,AFS-920型双道原子荧光光度计(北京吉天仪器有限公司).

1.3.2 热值计算 未经处理的混合垃圾低位热值的计算采用经验公式[36],制备垃圾衍生燃料(RDF)后的热值通过元素组成作近似计算[36].

式中:R为垃圾中可燃成分百分数,%;a为可燃成分中塑料的百分数,%;W 为垃圾含水率(质量分数),%.

2 结果与分析

2.1 填埋场矿化垃圾组成

2.1.1 基本物理组成 各取样点物理组分及湿基质量百分比见表1.由表1可以看出,对矿化垃圾总量贡献率较大的组分主要为腐殖土、塑料、织物及砖瓦,占垃圾总量的78.5%～96.8%,平均为89.9%,含量相对较少的组分为纸张、泡沫及金属,占总量 5%以内.填埋垃圾中的腐殖土为矿化垃圾中细粒部分,形状类似土壤,黑褐色、分散、质粒较均匀,在外观形状上已完全不具有原始生活垃圾的特征[37].腐殖土在矿化垃圾中所占的比例与垃圾填埋的年限有关.一般随着填埋年限的增加,腐殖土所占比例也逐渐增加[38].根据李雄等[38]研究评价方法,东莞市常平镇桥沥垃圾厂填埋年龄约为 6～9a,与实际填埋龄相符.依据吴军[39]对于矿化垃圾的研究,从垃圾填埋时间以及组成判断,基本上达到了无害和稳定化状态要求,适合进行开采利用.填埋垃圾中可燃组分纸张、塑料、织物、木竹、橡胶及泡沫所占比例在 20.7%～64.8%之间,这部分可被用作燃料原料.砖瓦理化性质较稳定,属于惰性物质,经粉碎后适合作为填埋场覆盖土进行填埋处置.根据填埋垃圾的物理组分分析,可大致归类为细粒径腐殖土、轻质可燃组分、玻璃和金属等可回收组分及砖瓦等无机惰性物质,湿基比分别为47.3%、40.1%、2.9%和9.9%.2.1.2 不同粒径物理组成 采样点 1、2和 3,不同粒径段垃圾物理组成相近,其不同粒径段垃圾的物理组成如表2所示.由表2可以看出,采样点 1、采样点 2及采样点 3腐殖土主要集中在<40mm粒径段,塑料及织物主要集中在>40mm粒径段.随着粒径的增加,腐殖土含量减少的同时塑料和织物等易燃物的含量明显上升,其他垃圾在各个粒径段均有分布,但是含量均很少.根据经验,城市垃圾的热值大于 3350kJ/kg时,燃烧过程无需加辅助燃料,易于实现自燃.结果表明, >40mm粒径段时,热值大于3350kJ/kg,可实现自燃.综合考虑不同粒径段物理组成及热值规律,为实现填埋矿化垃圾资源化处理,可将混合垃圾以40mm粒径为界限进行筛分.

表1 混合垃圾物理组成的湿基质量百分比(%)Table 1 Physical composition of aged refuse(%)

表2 采样点1～3不同粒径段垃圾物理组成的湿基质量百分比(%)Table 2 Physical composition of different particle sizes for the 1～3 sampling point(%)

采样点4及采样5,与前3个采样点不同粒径段垃圾物理组成略有差异,采样点4及采样点5不同粒径段垃圾的物理组成及热值分布见表3.各粒径段热值均不高,其主要原因为,采样点 4及采样点 5塑料含量比较低,约为 10%,织物含量也仅为 9%,而砖瓦、腐殖土、玻璃、金属等不可燃组分所占比例接近80%,腐殖土为56%～62%,含量略高,可能填埋年龄也较长.物理组分特点为可燃物含量少,腐殖土及砖瓦等不可然组分含量过高,<40mm粒径段主要为腐殖土,含有少量玻璃及砖瓦,>40mm粒径段垃圾,不可燃组分为砖瓦及少量玻璃,其余为可燃垃圾组分.以40mm粒径为界限进行筛分,筛下物以腐殖土为主要成分进行资源化处理,但筛上物需多加一道工序,增加轻质及重质组分分选,也即有机组分和无机组分分选,将较重的砖瓦及玻璃筛分出来,砖瓦可进行填土,玻璃可回收,剩余较轻的可燃物可焚烧处理.

表3 采样点4～5不同粒径段(mm)垃圾物理组成的湿基质量百分比(%)Table 3 Physical composition of different particle sizes for the 4～5sampling point (%)

因此,矿化混合填埋垃圾中,主要可燃组分在40%左右,不可燃组分腐殖土及砖瓦含量在 50%左右时,如样点1～样点3,工程筛分粒径为40mm,其筛上物可满足自燃条件,可直接进行焚烧,其筛下细粒物可作为有机肥、覆盖材料或者绿化用途等.而主要可燃组分塑料、织物、木竹含量在20%左右,不可燃组分腐殖土及砖瓦含量在 70%左右时,如样点4或者样点5,经40mm粒径筛分后,筛上物仍需要进行轻质组分与重质组分分选,轻质组分主要为塑料、织物、纸张等可燃组分焚烧,可以作为生产RDF原料;重质组分主要为砖瓦及玻璃可粉碎后用作填土,采用的方法可以为风选或者轻重物料分选设备来实现分离.

2.2 筛下细粒腐殖土的腐熟特性和重金属含量

生活垃圾经过多年的填埋矿化,大部分有机物得到了充分降解.通过对不同粒径段填埋垃圾物理组分分析结果,建议采用40mm粒径筛分,其筛下物主要为含有丰富有机质和多种植物营养元素的腐殖土,占垃圾总量的 30%～60%,可广泛应用于林地、园林绿化以及受损土壤的改良和修复[1].

2.2.1 基本理化性质分析 矿化垃圾中细粒腐殖土基本理化性质如表4所示,有机质含量在16%～29%之间,达到《城镇垃圾农用控制标准》(GB8172-1987)[40]中规定的有机质含量≥10%标准,总氮含量平均为 0.58%,总磷(以 P2O5计)为0.28%,总钾(以 K2O计)为 1.61%,均可达到GB8172-1987标准中的要求,这与郭亚丽[22]、黄本生[25]等的研究结果相同.腐殖土中无机态氮主要以铵态氮形式存在,其有机质及营养元素含量能够达到《城镇垃圾农用控制标准》[40],但是未达到《有机肥料》(NY525-2012)[41]标准要求.

2.2.2 腐熟度 有机肥腐熟度指标通常可分为 3类:物理学指标、化学指标和生物学指标.主要的腐熟度指标为 pH、Ec、C/N、E4/E6和GI等.5个采样点细粒腐殖土腐熟度指标如表5所示.经测定分析,5个采样点腐殖土pH值约为7.79,呈弱碱性;电导率约为0.67μS/cm,远小于制作物生长的限定电导率为 4.00mS/cm[42];E4/E6约为1.68;C/N略高于20,但GI均大于100%,表明该产品施入土壤对植物已完全没有毒性,已达腐熟[43].

2.2.3 重金属含量分析 5个采样点中细粒腐殖土中重金属As、Hg、Pb、Cd和Cr含量结果见表 6.各采样点重金属元素含量差异显著,主要原因可能与垃圾来源复杂有关,重金属含量高的采样点可能工业垃圾的填埋量居多.据我国《城镇垃圾农用标准》[40],重金属Hg及As没有超标,对于Pb和Cr,部分采样点超标,而Cd各采样点均超标.重金属含量超标的腐殖土垃圾不宜施用在农田土壤中,否则会存在重金属积累超过土壤环境容量的风险,进而直接影响农产品的质量安全[24],因此该填埋场中的腐殖土不宜作为食物链农用肥料施用,可考虑与秸秆、园林废物再次堆肥后与无机化肥按照目标植物养分需要混配后施用或者直接作为花卉、草坪和树木营养基质,降低环境风险和控制重金属浓度至安全范围内.

表4 腐殖土基本理化性质指标Table 4 Basic physical and chemical properties of humus soil

表5 腐殖土腐熟度指标Table 5 Maturity indicators of humus soil

表6 腐殖土重金属元素含量(mg/kg)Table 6 Heavy metal content of humus soil(mg/kg)

2.3 筛上轻质垃圾热值分析

填埋厂混合矿化垃圾经40mm粒径筛分后,可分选出粗粒径的轻质垃圾,这部分垃圾 90%以上为可燃物,具有较高的热值,可直接焚烧处理,也可以作为制备RDF的原料.各采样点混合矿化垃圾经筛分后的筛上轻质可燃垃圾的低位热值及制备成RDF后的热值见表7.经分选后的轻质垃圾,热值较高,约为 6000kJ/kg,燃烧过程无需加辅助燃料,可直接进行焚烧处理,焚烧热可用来供热、发电和热电联供.若这部分可燃轻质垃圾,经过粉碎、烘干及成型等工艺制备成RDF后,热值可约为 16000kJ/kg,依据美国 ASTM(American Society for Testing and Materials)对RDF所做的分类定义,RDF燃料一般指 RDF-5,其热值为14600～21000kJ/kg,矿化垃圾经筛分后制备成RDF,其热值可达到国际上对于固体燃料的要求,可替代低质煤,如直接焚烧发电,可有效提高发电效率,且无垃圾渗沥液的产生.

表7 轻质可燃垃圾热值Table 7 Calorific value of combustible component

3 结论

3.1 填埋场矿化垃圾按物理组分可归类为细粒腐殖土、轻质可燃垃圾、可回收物及砖瓦,所占湿基比例分别为 47.3%、40.1%、2.9%和 9.9%.腐殖土主要分布在 40mm 粒径段以下,大于80mm粒径段主要为塑料、织物及木竹等可燃轻质垃圾,其他组分含量较少且在各个粒径段均有分布.

3.2 矿化垃圾的工程筛分粒径可选40mm,筛上物主要为可燃物,筛下物主要为腐殖土; 若可燃垃圾组分在20%左右,经40mm粒径筛分后,筛下物作为腐殖土利用,筛上物需进行轻质与重质组分进一步分选,剔除砖瓦等重质组分.

3.3 填埋场腐殖土基本达到腐熟,各营养物质含量可达到《城镇垃圾农用标准》要求,重金属Hg及As基本未超标,Pb、Cr和Cd含量不同程度超标.

3.4 经筛分后的轻质矿化垃圾,热值约为6000kJ/kg,可直接进行焚烧处理.进一步制备成RDF固体燃料后,热值为10000～24000kJ/kg.

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致谢：本实验的现场采样工作由深圳市三林生物科技工程有限公司工作人员协助完成,在此表示感谢.

《贵州省生态文明建设促进条例》今起施行损害生态环境将依法赔偿

作为国内首部省级生态文明建设地方性法规,《贵州省生态文明建设促进条例》(以下简称《条例》)今日起施行,生态文明建设得好不好,将纳入政府部门的考核目标.

根据《条例》,贵州省生态环境脆弱县将取消GDP考核,生态文明建设情况将成为政府部门的考核目标.禁止开发区、集中连片优质耕地、公益林地、水源保护区等重点生态功能区、生态敏感区和生态脆弱区将被纳入生态保护红线区域.将按规定对禁止开发区域实行单位第一责任人生态环境保护考核“一票否决”,对生态文明建设目标责任单位及第一责任人的绩效考核,实行生态环境保护约束性指标完成情况“一票否决”和第一责任人自然资源资产离任审计制度等新措施.

《条例》还规定,一旦发现在生态保护红线范围内从事损害生态环境保护活动的,以及有其他破坏生态环境行为的,由相关部门责令停止违法行为,限期整改,恢复原状,对个人处以1万元以上10万元以下的罚款,对单位处以10万元以上100万元以下的罚款,对造成损失或生态环境损害的,将依法赔偿.

摘自《中国环境报》

2014-07-01

Physicochemical properties and resource utilization of aged refuse in informal landfill.

YUAN Jing1, YANG Fan1, LI

Guo-xue1*, LI Ning1,2, LUO Wen-hai1(1.College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China；2.Xiaogan Environmental protection bureau, Xiaogan 432000, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1811～1817

In order to explore the resource utilization of aged refuse in informal landfill, in this study, the municipal aged refuse collected from Dongguan Qiaoli Landfill in Guangdong Province were investigated. Mixed sample solid waste were sorted manually and divided into several groups according to different sizes, their physical composition and chemical properties were analyzed. The result indicated that: aged refuse from the group of 0～40mm were mainly humus soil and accounting for 47.3% of total aged refuse, while aged refuse from the group of >40mm were mainly combustible refuse and accounting for 40.1%, such as plastic, fabric, bamboo etc. The 40mm was reasonable for sieving particle size in engineering application, above 40mm were mainly combustibles, and others were mainly humus soil. The humus soil can reach the standard of maturity index of composting, in terms of the control standards for urban wastes for agricultural use (GB8172-1987),the content of nutrient in humus soil is qualified, but the content of partial heavy metal was over standard. These combustible refuse could be incinerated with calorific value of about 6000kJ/kg, when these combustible refuse were prepared of refuse derived fuel (RDF), there calorific value can incrsase to 10000～24000kJ/kg .

informal landfill；aged refuse；physical composition；humus soil；maturity；calorific value

X705

A

1000-6923(2014)07-1811-07

袁 京(1988-),女,山西吕梁人,中国农业大学资源与环境学院博士研究生,主要研究方向为固体废物处理与资源化.发表论文2篇.

2013-10-14

国家自然科学基金项目(41075110,40971177);“十二五”国家科技支撑计划循环农业项目课题(2012BAD14B01)

* 责任作者, 教授, ligx@cau.edu.cn