生活垃圾填埋场设计研究

2020-10-13宋晓皎刘志刚梁启煜赵佳悦王迎春

绿色科技 2020年16期

宋晓皎，刘志刚，梁启煜，赵佳悦，王迎春

(山西能源学院，山西晋中 030060)

1 引言

人们的生活及消费水平随着国家经济的迅猛发展逐渐提升，相应的垃圾产生量也在年年攀升，而且垃圾成分不断改变，致使人们的生活环境恶化，生态环境污染日益严重[1～5]。因此，如何有效地解决城市生活垃圾对生态环境的影响，使其得到无害化、减量化、资源化处理是当今社会亟需解决的重大难题。

近几年来高效绿色的垃圾处理方式逐步成为国内外学者研究的重点内容。崔伟[5]针对目前村镇垃圾处理存在的问题，分析现状,并找出了相应对策，提出了垃圾处理新模式。缪国伟[6]以某山谷型非正规存量垃圾填埋场治理工程为例，论述了治理技术路线的确定思路,提出了相关的技术要求和实施要点。艾冲[7]分析研究了鄂尔多斯高原自然环境的进展史，指出垃圾处理对复原两汉时期鄂尔多斯高原自然环境具有重要价值。因此，本文结合目前鄂尔多斯市正大力开展垃圾处理工作的现况，利用工程设计的方法，从填埋场库容、工艺流程、垃圾坝、防渗、渗滤液收集管道、隔离带以及封场设计等方面进行分析研究，构建合理高效的垃圾填埋场，同时充分利用厌氧填埋产生的填埋气发电，节能减排，并对垃圾渗滤液集中收集处理，减少有害物质对土壤及地下水的污染，进而为绿色高效垃圾填埋场的设计提供有力依据，为实现生态文明建设添砖加瓦。

2 垃圾填埋场工程设计

2.1 预计生活垃圾产生总量

据调查显示，2020年鄂尔多斯市预计人口总数为200万人，近几年人口增长率为3%，人均垃圾产生量设计为1 kg/d，垃圾填埋场使用年限为10年。经过计算得出表1中数值：2028年，日处理垃圾量为2688 t，年垃圾总产量为981059 t，10年间累计垃圾产量为9349691 t，最大日处理量为2028年的2687.83 t。

表1 垃圾填埋量计算

2.2 垃圾填埋场设计规模

2.2.1 垃圾填埋容量

垃圾填埋容量与垃圾填埋量(kg/d)和压实的垃圾密度(kg/m3)有关，垃圾填埋容量单位为m3/d，垃圾填埋容量计算公式：

垃圾填埋容量=垃圾填埋量/垃圾压实密度

(1)

卫生填埋压实后要求保证层面平整，垃圾压实密度要求不小于600 kg/m3，因此本次设计中确定垃圾压实后容重为0.85 t/m3，则垃圾库容需求量如表2所示。

表2 垃圾库容需求量计算

2.2.2 垃圾填埋场库容确定

本设计中确定生活垃圾填埋场充满度设置为80%，则整个垃圾填埋场总库容1.582×107m3，库区共建设4个填埋单元，垃圾填埋场单元库区设置为正方形，则单个填埋单元库容为3.955×106m3。

根据《生活垃圾卫生填埋处理工程项目建设标准》和卫生填埋场类型及规模分类标准相关规定，本次设计的垃圾填埋场属于Ⅰ类填埋场，设置垃圾库区平均深度为10 m，则填埋单元面积为3.955×105m2，埋单元边长为630 m，填埋单位日处理垃圾量为640 t，占体积为753 m3，单元垃圾深度为2.5 m，覆土厚度为0.2 m。

2.2.3 垃圾填埋场工艺流程

垃圾填埋场工艺流程如图1所示，垃圾经收集由垃圾车运输至填埋场，经地磅称量后进入库区，将垃圾倾倒在库区内，由推土机推平后，再用压实机将垃圾压实至容重为0.85 t/m3，当高度为2.5 m时，在垃圾层上洒药剂，除臭驱虫，最终覆土15～20 cm并压实。反复进行该填埋流程，直至填埋区完成填埋任务后，进行封场土地再利用。填埋气收集工艺流程则是由导气管进入填埋气净化装置，其中填埋气净化装置主要是为了去除填埋气中不能被利用的有害气体，进一步提高填埋气中甲烷浓度，填埋气得到净化后被用于发电，产生的电量供垃圾填埋场本身运营所用，也可汇入区域电网，减轻化石燃料发电厂的压力，同时间接地减轻对大气环境的污染。渗滤液收集工艺流程主要通过导流层、收集管进行收集，收集管设置在盲沟内，渗滤液通过收集管上的孔洞进入管内，利用重力流至最低点进入调节池，通过提升泵提升至渗滤液处理厂。渗滤液处理工艺流程则是将进入处理厂后的渗滤液先经过格栅筛除较大的悬浮物，再进入膜处理设备进行深度净化，最后进行消毒处理进入清水池等待再利用，处理合格的水可用来进行绿化灌溉、道路泼洒、景观用水等。

2.2.4 垃圾坝设计

根据垃圾坝与坝体稳定性有关规定及填埋场建设在平原地带现状，选择围堤形式，建筑级别选定为Ⅱ级，建筑材料就地取材选用黏土坝，库区内分区坝高设计为12 m，边缘围堤高程2 m，坝顶宽建设为6 m，路肩1 m，垃圾坝内侧坡度设计为1∶1.5，外侧设计为1∶3。坝内侧接触垃圾进行防渗处理，外侧为了防止雨水冲刷、风力侵蚀修建护坝，可用混凝土砌成网格状，在网格内种植植物，以减少水土流失。为了减少降雨时雨水对于渗滤液的产量的影响，在坝顶路一侧距路沿0.5 m处建设宽约0.5 m的雨水沟。

图1 垃圾填埋场工艺流程

2.2.5 防渗系统设计

在垃圾填埋场工程设计中，防渗系统设计的好坏直接影响到该地区地下水和土壤的安全，本设计采用HDPE膜作为防渗材料，为确保渗滤液渗透量低以及渗滤液中污染物下降速度的平稳，选择厚度为2 mm、宽幅为6 m的HDPE土工膜，该种HDPE土工膜的单位质量为1900 g/m2。

针对防渗问题，选择HDPE土工膜+GCL(钠基膨润土垫)作为库区底部防渗层材料，防渗系统从下向上建设结构包括压实密度应大于0.93的基础层，用于膜下保护厚度为300 mm的黏土层，规格设置为4800 g/m2的GCL防渗层，铺设有600 g/m2聚酯长纤土工布的膜上保护层，铺设厚度为400 mm的卵石渗滤液导流层以及最后铺设的200 g/m2土工滤网。

2.2.6 渗滤液收集系统计算

垃圾渗滤液是被填埋垃圾在厌氧条件下分解以及大气降水、地下水渗入、地表水浸入的共同作用下产生的具有高危害性，高浓度污染物以及重金属、植物性营养物质的有机废水。

根据标准中以及目前所知相关数据确定，利用公式1进行垃圾渗滤液平均日产生量的计算：

Q=0.001×C×I×A

(2)

式(2)中：Q为垃圾渗滤液平均日产生量，m3/d；C为填埋库区浸出系数；I为多年平均日降雨量，mm/d；A为填埋区面积， m2。

基于以上分析，结合鄂尔多斯市年平均降雨量为348.3 mm，日平均降雨量为0.95 mm，填埋区面积1.5876×106m2，以及根据表3最终确定的填埋库区浸出系数C=0.4等数据，由公式1计算可得垃圾渗滤液日平均产生量为603.288 m3/d，年平均产生量为22.02万m3/a，由于考虑到降暴雨时渗滤液的突然增加，渗滤液处理场规模增至为610 m3/d。

表3 填埋库区浸出系数取值

该系统主要包括导流层、盲沟、排水导气井、排水导气井构造。渗滤液经导流层流入盲沟,盲沟宽400 mm,盲沟内布设有直径为300 mm的高密度聚乙烯(HDPE)穿孔管，流经排水导气井，通过直径为500 mm的高密度聚乙烯(HDPE)管道流入调节池。为方便收集，填埋库区底部盲沟采取0.5%的坡度，流向盲沟方向的坡度为1%。

2.2.7 调节池设计

调节池主要起到调节水质水量以及暂时存储渗滤液的作用。根据公式1计算得知垃圾渗滤液日平均产量为603.288 m3/d，则小时平均渗滤液产生量为603.288/24=25 m3/h。鄂尔多斯市降雨主要集中在7、8、9月份，降雨量占全年比例为70%，设计垃圾渗滤液存储时间为30 d，则根据公式2得调节池容量为2.16×104m3：

V=Q×n×t

(3)

式(3)中：Q为每小时渗滤液产生量，m3/h；n为安全系数，取1.2；t为停留时间，h。

调节池有效水深为10 m，超高为0.3 m，有效面积A为2160 m2，设置为长方形，规模为50 m×100 m。由于考虑到调节池内渗滤液散发出恶臭的气味，所以对调节池进行加盖密封处理，渗滤液经重力作用流入提升泵房，在提升泵房内使用提升泵将收集的渗滤液导入调节池内。

由于垃圾渗滤液日产生量为603.288 m3/d，管道流入提升泵站的高程为-16.155 m，则设置提升泵站占地面积为100 m2(10 m×10 m)，深度为17 m，地上部分高程为3 m。

2.2.8 填埋气收集系统

填埋气收集系统包括导气层、排水导气井和导气管构造，其中，导气层为400 mm厚的卵石导气层，有机物分解产生的填埋气沿着导气层汇集到排水导气井中，排水导气井中安装有穿孔管，穿孔管与导气管相接，填埋气经由导气管进入填埋气净化装置，然后再利用，产生效益。

为延长排水导气井使用寿命，井壁选择刚性较强的环氧煤沥青防腐钢管材质，直径为1000 mm，穿孔管选用300 mm HDPE材质，导气管采用300 mm HDPE实壁管，最终导气管需高出最终覆盖层2 m，最上部与渗滤液收集管相连部分密封处理，防止填埋气逸出，排水导气管底部距防渗层300 mm，可达到较好的填埋气收集效果。

2.2.9 隔离带设计

隔离带主要是为了减少填埋垃圾对周围环境和居民生活的影响，一般隔离带为绿化隔离带，宽度≥10 m。设计中为了更大程度地减少污染，绿化隔离带宽度设置为20 m。

2.2.10 封场设计

封场设计主要包括垃圾堆体整体形态的设计和封场覆盖层的设计。垃圾堆体在进行最终覆盖层的建设之前，需先进行整体形态的整改。本次设计垃圾堆体坡度选用1∶3，台阶宽度设置为5 m，高差为2.7 m。

图2 封场覆盖层结构

封场覆盖层结构如图2所示，由上至下结构为植被层、排水层、防渗层、排气层、垃圾层。其中，垃圾层压实后垃圾容重达到0.85 t/m3；排气层由300 mm厚的导排性能好、抗腐蚀的粗粒多孔材料铺设；防渗层，由膜下保护层、2 mm HDPE土工膜、膜上保护层组成，其中，膜下保护层为300 mm厚的压实黏土层，膜上保护层为600 g/m2土工布；排水层台阶部分为粗粒或多孔材料，边坡排水层采用土工复合排水网；植被层包括植物层和黏土层，其中营养植被层厚度设计为150 mm，覆盖支持土层厚度设计为450 mm。