填埋场陈腐垃圾物化性质及资源化利用<br/>——以四川某中龄期填埋场为例

填埋场陈腐垃圾物化性质及资源化利用
——以四川某中龄期填埋场为例

2023-02-05余标王龙黄相锋张国杰冯枫李建臣李雷

环境保护与循环经济 2023年12期

余标王龙黄相锋张国杰冯枫李建臣李雷

（1.中建八局环保科技有限公司，上海 201900；2.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135；3.中建八局投资发展有限公司，上海 200120）

1 引言

从20 世纪70 年代以来，我国城市生活垃圾的处理方法主要是以填埋法为主［1］。2020 年《中国城乡建设统计年鉴》显示，我国的生活垃圾清运量为23 511.71 万t，运营中的垃圾填埋场为1 871 座，简单的堆场超过5 000 座，垃圾填埋存放量在80 亿t之上，占用的土地超10 万hm2。填埋法虽然短暂解决了生活垃圾的处理问题，但随着我国城市化进程的加快，目前采用填埋法处理城市生活垃圾出现一些问题，主要为：一是我国初建的垃圾填埋场大多是简易的填埋场，导致其环保要求无法达标，从而造成周边水土环境污染；二是近年来生活垃圾的产量持续增长，大量在使用的垃圾填埋场库容消耗殆尽，城市及周边区域的土地资源逐渐稀缺，导致新填埋场选址困难。

在此背景下，急需对已封场的垃圾填埋场进行重新开挖和筛分资源化处理，实现填埋场污染源负荷的治理、填埋垃圾的资源化利用及土地资源的再利用［2］。从20 世纪60 年代开始，国外逐渐关注垃圾填埋场再开采的研究，其主要涉及陈腐垃圾填埋场的开挖与再利用。如Kaartinen T［3］以芬兰某10 a龄垃圾填埋场为例，探究了运用机械处理的方法对陈腐垃圾进行筛分的可行性，但缺乏对筛分处理后所得物质的资源化利用的研究；Jani Y［4］主要分析了瑞典某50 a 垃圾填埋场腐殖土的含水率和有机质含量及重金属含量等物理化学性质，并依此探究了腐殖土资源化利用的可能性与途径。我国近年也对垃圾填埋场开挖再利用做了一些研究。研究发现，填埋垃圾经过开挖筛选等处理后，主要产物包括轻质可燃物、腐殖土、砖瓦石块和金属、玻璃等可回收组分［1］；其中腐殖土含量一般占陈腐垃圾总容量的40%以上［5-6］。郑康琪［7］以浙江省某均龄30 a 垃圾填埋场为研究对象，从有机质、重金属含量及pH 等方面分析了高龄期填埋场腐殖土的物化性质和资源化利用途径。但是，由于我国城市周边土地资源逐渐紧缺，需对只有几年到十几年中龄期垃圾填埋场进行处置，而国内外现有的陈腐垃圾填埋场开挖再利用的研究主要针对长填埋龄期的垃圾场，对中短龄垃圾填埋场研究较少。将中龄期垃圾填埋场与长龄期填埋场陈腐垃圾的物质组成及理化性质进行对比分析，进而揭示中龄期填埋场陈腐垃圾的特征并探讨其应用途径，具有较大的现实意义。

2 材料与方法

2.1 填埋场概况

四川省古蔺县某生活垃圾填埋场占地约75 亩，设计库容约30 万m3。该填埋场于2008 年试运行，正常运行时间30 个月，运行期间垃圾总处理量约为12 万m3。该填埋场垃圾填埋深度变化范围较大，在5～10 m。该填埋场垃圾主要以生活垃圾为主且以简易的方式填埋。2017 年对该垃圾填埋场的排气层、防渗层、排水层进行了封场整治，使该填埋场规范化。封场后，由于土地建设开发需要，且为了解决垃圾场污染源问题，改善周边环境，于2022 年对该填埋场进行开挖和筛分处理。

2.2 陈腐垃圾取样

填埋场垃圾主要采用“好氧稳定化处理＋开挖筛分”的方式进行治理。填埋垃圾开挖前先进行好氧稳定化处理，将垃圾堆体内厌氧环境变成好氧环境，通过以好氧为主的生物反应、生物化学反应、化学反应和物理作用，使垃圾中的可降解有机物快速降解并达到稳定状态，同时通过好氧也排除了垃圾堆体中的甲烷、二氧化碳等气体。本研究将该垃圾填埋场开挖区域分为A 区、B 区及C 区，如图1 所示，按照分区划分依次开挖。开挖后垃圾通过筛分系统筛选出腐殖土、骨料和轻质可燃物等。本研究随垃圾填埋场开挖进程，取填埋场C3区域同一填埋深度处收集陈腐垃圾样品，且从左至右每隔1 m 取1 个样品，最终得到1 个混合样品，其质量约150 kg，用于后续的试验分析。

图1 填埋场分区平面

2.3 试验方法

本研究对陈腐垃圾物质组成与腐殖土的物化性质及轻质可燃物热值的测试按表1 方法执行。其中，人工分选用35 mm 和11 mm 两组孔径筛对陈腐垃圾样品进行分选，预计用35 mm 孔径筛得到轻质可燃物样品，用11 mm 孔径筛得到腐殖土样品。对于腐殖土样品将运用物化试验测得相关数据，将其与浙江省某30 a 均龄垃圾填埋场陈腐垃圾的测试数据［7］进行对比研究，揭示中龄期垃圾填埋场的基本特征。

3 结果与分析

3.1 物质组成

图2 为陈腐垃圾中各物质的占比情况。其中，粒径＞35 mm 的陈腐垃圾主要组成是塑料类难降解有机物及砖石类大颗粒无机物；粒径＜11 mm 的主要成分是土颗粒，占比在60%以上。显然，对于陈腐垃圾的开发利用主要是针对土颗粒。通过筛分试验，发现30 a 填埋龄和12 a 填埋龄陈腐垃圾在物质组成上都包含土颗粒、塑料及砖石等，但三者的含量在2 份样品中有差异。填埋12 a 的垃圾土颗粒含量是62.21%、塑料含量是15.98%，而填埋30 a 的垃圾土颗粒含量是81.51%、塑料含量是3.68%。可见，随着垃圾龄期的增长，塑料的含量在降低，土颗粒的含量在增加，说明长龄期的陈腐垃圾填埋场比中龄期垃圾填埋场的降解反应更充分，中龄期垃圾填埋场的陈腐垃圾还可继续发生降解反应，直至陈腐垃圾趋于稳定。

图2 陈腐垃圾手动分选各物质占比

3.2 陈腐垃圾腐殖土的物理化学性质

陈腐垃圾＜11 mm 腐殖土基本理化性质的测试结果见表2。

表2 2 组陈腐垃圾腐殖土的基本理化性质

从表2 中发现，2 组陈腐垃圾腐殖土在质地上差异较小，都体现出类似砂土结构的倾向，其中30 a填埋龄陈腐垃圾具有更大一些倾向性。2 组陈腐垃圾腐殖土在化学性质上存在一定的差异，pH 虽然均具有弱碱性，但30 a 填埋龄腐殖土的pH 要大于12 a填埋龄腐殖土，说明腐殖土的pH 会随着填埋龄的增长而增加，这与闫啸［8］对扬州市垃圾填埋场腐殖土pH 测试结果相符。在含水率方面，30 a 填埋龄垃圾的含水率约是12 a 填埋龄垃圾含水率的2 倍，这种差异可能是填埋时间与垃圾填埋场所在区域的水文环境共同造成的。浙江地区水资源丰富，所以浙江30 a 填埋龄垃圾填埋场受地下水影响而具有较高的含水率。在氮、磷类营养物含量上，12 a 填埋龄远高于30 a 填埋龄，约是30 a 填埋龄的2 倍多；同时，12 a填埋龄垃圾有机质含量也明显大于30 a 填埋龄垃圾有机质含量。因为垃圾填埋场氮、磷类营养物含量及有机质含量与填埋场的稳定化程度紧密相关，填埋场的稳定化过程主要体现在有机组分的降解和转化过程，腐殖土有机质含量与营养物含量可以直接反映填埋垃圾的稳定化程度［9］。所以，研究发现腐殖土有机质含量与氮、磷类营养物含量随着填埋龄的增加而降低，这也说明12 a 龄期填埋场还有降解与转化的空间。

依据表2 的测试结果，2 处生活垃圾填埋场的腐殖土有机质含量满足GB 8172—1987《城镇垃圾农用控制标准》［10］，并低于GB/T 33891—2017《绿化用有机基质》［11］要求（＞25%）；总氮与总磷含量均满足GB 8172—1987《城镇垃圾农用控制标准》［10］要求，所以，可以尝试对腐殖土精细化分类，使其满足绿化种植土壤或绿化用有机质的规范要求。

3.3 筛上轻质可燃物热值分析

样品经过35 mm 粒径筛手动分选后，可分选出粗粒径的轻质可燃物垃圾。填埋12 a 垃圾场中塑料含量是15.98%，而填埋30 a 的垃圾场中塑料含量是3.68%。可见，特别是在中龄期的填埋场中，因垃圾场的降解程度不高，轻质可燃物垃圾含量相对较多，这部分如何处理也决定了垃圾填埋场的综合利用方向。轻质可燃物热值高于生活垃圾，可直接用于焚烧处理。在填埋12 a 垃圾场中选择几个样品测试轻质可燃物的热值，见表3。经过分选后的轻质可燃物垃圾热值较高，为6 017.2 kJ/kg，可以直接焚烧无需加辅助燃料，焚烧热可以直接供热与发电。轻质可燃物经过破碎、干燥及成型等工艺也可制成RDF（垃圾衍生燃料，Refuse Derived Fuel），依据美国ASTM（American Society for Testing and Materials）对RDF所做的分类定义，RDF 燃料热值为14 600～21 000 kJ/kg，其热值是轻质可燃物的2.4～3.5 倍。

表3 轻质可燃物垃圾热值 kJ/kg

4 垃圾填埋场资源化利用初探

综合上述研究结果可以看到，中龄期的垃圾填埋场陈腐垃圾主要能利用的资源是腐殖土与轻质可燃物。虽然中龄期的垃圾填埋场陈腐垃圾与长龄期的垃圾填埋场相比还没有降解完全，但它也初具稳定性。其中，小于11 mm 腐殖土在物理化学性质上表现出优良的基质特征，其腐殖土理化性质与常规土壤相比，虽然腐殖土在物理质地上表现出类似砂土结构的倾向，但在化学特性上与砂土还存在区别。其有机质含量高达10%左右，与肥沃土壤类似，总氮（1.36%）与总磷（0.56%）含量也丰富。这些都说明腐殖土具有良好的理化性质，其能适用于大部分植物的种植，并为其提供足够的养分，可用作园林绿化和栽培基质资源化。

同时，轻质可燃物作为中短期垃圾填埋场的重要组成部分，也具有一定的利用价值。轻质可燃物的热值较高，可以作为焚烧发电厂发电的燃料，若将轻质可燃物加工制备成RDF，还将减少对环境的污染，更有利于陈腐垃圾资源化利用。