西南地区某垃圾填埋场矿化型...腐垃圾性质及资源化利用方法_汪洋.pdf

西南地区某垃圾填埋场矿化型陈腐垃圾性质及资源化利用方法汪洋1，胡竣1，余春江1，徐方利2（1.成都市兴蓉再生能源有限公司，四川成都610000；2.成都市兴蓉万兴环保发电有限公司，四川成都610000）【摘要】对西南地区某垃圾填埋场已矿化的陈腐垃圾性质进行了研究，对从填埋深度 530 m、填埋龄 426 a的矿化型陈腐垃圾进行了分选试验，得出随填埋龄增加，陈腐垃圾中厨余类有机物已完全分解、陈腐垃圾总体热值降低、而具有丰富微生物群落的腐殖土占比增高的变化规律，且分选后粒径40 mm 的筛上物热值相对最高。针对该矿化型陈腐垃圾分选后不同组分性质特点，结合填埋场的实际情况，提出了二级筛选+重力分选+磁选的组合分选工艺，并对分选后不同物料采取的最佳资源化利用组合方法给出建议。【关键词】陈腐垃圾；矿化；分选；腐殖土中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）02-0036-06DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.02.006Character and Resource Utilization of Mineralized Aged Refuse in a Landfill in SouthwestWANG Yang1，HU Jun1，YU Chunjiang1，XU Fangli2，（1.Chengdu Xingrong Renewable Energy Co.Ltd.，ChengduSichuan610000；2.Chengdu Xingrong WanxingEnvironmental Protection Power Generation Co.Ltd.，ChengduSichuan610000）【Abstract】The character of mineralized aged refuse in a landfill in southwest was researched.The separationexperiments of mineralized aged refuse from different landfill depths of five to thirty meters and landfill age of four to twenty-six years was carried out.It was concluded that with the increase of landfill age，the kitchen waste organic matter had beencompletely decomposed，the overall calorific value of stale waste decreased，the proportion of humus soil with rich microbialcommunity increased，and the calorific value of material on the sieve with particle size greater than or equal to 40 mm was thehighest.According to the characteristics of different components of the mineralized stale waste after separation，combinedwith the actual situation of the landfill，the combined separation process of two-stage screening，gravity separation andmagnetic separation was proposed.And the best combination method of resource utilization of different materials afterseparation was suggested.【Key words】stale waste；mineralized；sorting；humus soil1引言随着我国经济的飞速发展，城市生活垃圾产生量与日剧增，垃圾填埋场剩余库容告急，新建填埋场选址困难，许多大城市面临“垃圾围城”的困境。近几年，虽各大城市有许多垃圾焚烧发电厂投运或在建，我国生活垃圾处理方式逐渐实现以填埋为主向以焚烧为主的转变，可暂时缓解“垃圾围城”的困境，但垃圾填埋场作为集中处置垃圾焚烧飞灰、残渣和垃圾焚烧厂检修时生活垃圾的临时应急贮存场所，对实现城市生活垃圾的最终兜底处置发挥着无可替代的作用1。探索对垃圾填埋场陈腐垃圾尽大程度的减量化处理和资源化利用途径，对实现填埋场库容资源的再释放、延长填埋场使用年限具有重要意义。填埋场是生活垃圾的天然生物反应器2。随着填埋时间的推移，垃圾中的有机成分不断降解、无机化和腐殖化，逐渐转化为陈腐垃圾。尤其是填埋龄大于 10 a 的陈腐垃圾，其中易降解物质已几乎完全降解，垃圾已深度矿化，也称为矿化垃圾。矿化垃圾基本上无毒无害，具有很大的比表面积、多孔结构和丰富的微生物群落，是一种性能优良的生物介质，对污染物有很好的去除能收稿日期：2022-08-04；录用日期：2023-01-28第 31 卷第 2 期2023年4月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.2Apr.2023力3-4。如仅以焚烧的方式处理矿化垃圾，势必非最佳资源化方式，须有针对性地分析填埋场陈腐垃圾的性质，才能为制定此填埋场陈腐垃圾减量化、资源化处理方案提供依据。西方发达国家对填埋场陈腐垃圾综合治理的研究和工程化实施起步较早，早在 20 世纪 50 年代，以色列就有了开采并综合利用填埋场陈腐垃圾的历史5。我国最早在上海老港填埋场对矿化垃圾开挖、综合利用做过一些小规模尝试。随着我国城镇化进程加快，老填埋场周边土地资源紧张和库容告急，近些年出现了一些填埋场矿化垃圾开挖+资源化综合利用的工程实例6，如北京北天堂垃圾填埋场陈腐垃圾治理工程案例7。西南地区某垃圾填埋场为山谷型填埋场，最深处可达 80 m。填埋场一期工程于 1993 年投入使用，库容 1.135107m3，已于 2009 年封场。二期工程于 2009 年 7 月投入使用，库容 2.074107m3。由于近几年城市生活垃圾产生量显著增长，该填埋场设计处理能力已远跟不上实际需求，剩余库容告急，亟需探索对该填埋场陈腐垃圾的减量化、资源化处理方案，为当地垃圾焚烧厂飞灰安全填埋和原生垃圾应急填埋腾出库容。因此，本研究以成都市西南地区某垃圾填埋场为例，初步探索填埋场矿化型陈腐垃圾性质及资源化利用方法。2材料与方法2.1陈腐垃圾采样点的确定和测试方法该垃圾填埋场陈腐垃圾存在填埋年限不均、腐熟程度差别大的特点。填埋场一期已于 2009 年封场，陈腐垃圾填埋龄长达 1026 a，可认为已完全或接近深度矿化。二期虽垃圾填埋时间较一期短，但埋深较深的垃圾填埋龄也有数年。通过对填埋场开展场地调查，结合垃圾分布情况、填埋深度和填埋龄，最终确定在填埋场一期和二期的水平方向各选 3 个有代表性的采样点，埋深分别为 510、20、30 m。采用 CJ/T 3132009 生活垃圾采样和分析方法中的四分法，用旋转钻机在垃圾堆体上钻井取样，共采集了 6 个具有代表性的陈腐垃圾样品，其前处理和测试方法依照 CJ/T3132009。2.2矿化型陈腐垃圾分选小试由于该垃圾填埋场二期陈腐垃圾即使不分选，热值也接近原生垃圾。而一期的陈腐垃圾已深度矿化，总体热值明显低于原生垃圾，且细土类占比较高，故以一期的陈腐垃圾为研究对象进行分选试验。分别用 40、20、10 mm 孔筛对一期 3 个样品进行分选，分离出不同粒径的筛上物和筛下物，得出40、20（含）40、1020、10 mm的 4 种粒径的物料。3结果与讨论3.1陈腐垃圾的物理组成陈腐垃圾样品的物理组成见表 1。封场后的垃圾填埋场内部处于厌氧和避光环境，橡塑类未因光照和氧化等因素而发生变化，故陈腐垃圾中的橡塑类占比多与初始含量有关。而玻璃类、骨料类、金属类本身不可降解，故样品中的以上组分占比也与初始含量有关。汪洋，等.西南地区某垃圾填埋场矿化型陈腐垃圾性质及资源化利用方法类别厨余类/%橡塑类/%纸张类/%玻璃类/%金属类/%木竹类/%细土类/%纺织类/%骨料类/%难细分杂类/%其他/%垃圾填埋场二期深度 510 m，填埋龄 45 a030.458.661.401.865.5908.382.7939.940.93深度 20 m，填埋龄 67 a043.2101.521.271.72013.4910.4528.340深度 30 m，填埋龄 910 a052.5101.220.622.75012.632.7527.520垃圾填埋场一期深度 510 m，填埋龄 1316 a057.003.5700022.204.800012.43深度 20 m，填埋龄 1820 a0000053.1044.400002.50深度 30 m，填埋龄 2326 a051.98000048.020000表 1垃圾填埋场陈腐垃圾的物理组成（以质量计）Table 1The physical composition of aged refuse in landfill（Measured by mass）37环境卫生工程2023 年 4 月第 31 卷第 2 期由表 1 可知，随着填埋龄的增加，尤其是一期填埋龄大于 18 a 的陈腐垃圾，纸张类已完全分解；填埋龄 1316 a 的样品中，还残留少量纸张类，可能与样品中纸张类初始占比较高有关。随着填埋龄的增长，尤其是一期已矿化的陈腐垃圾，细土类比例呈增高趋势，此类细土为具有微生物活性的矿化垃圾腐殖土。由于垃圾中的可生物降解有机组分和部分易碎化无机组分随着填埋龄的增加而不断分解和碎化8，故填埋龄越长、越深度矿化的陈腐垃圾，细土类占比越高。一期填埋龄大于 18 a 的陈腐垃圾，细土类占比已接近 50%。3.2陈腐垃圾的工业分析垃圾填埋场陈腐垃圾的热值、含水率、可燃物、灰分的分析结果见图 1 和图 2。510 m，45 a20 00018 00016 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 0000热值/（kJ/kg）20 m，67 a30 m，910 a510 m，1316 a20 m，1820 a30 m，2326 a样品（深度，填埋龄）干基高位热值湿基低位热值图 1垃圾填埋场陈腐垃圾的热值变化Figure 1The heat value changes of aged refuse in landfill510 m，45 a1009080706050403020100含水率或干基灰分或干基可燃物/20 m，67 a30 m，910 a510 m，1316 a20 m，1820 a30 m，2326 a样品（深度，填埋龄）含水率干基灰分干基可燃物由图 1、图 2 可知，随填埋龄增加，陈腐垃圾的干基高位热值和湿基低位热值总体呈下降趋势。受样品初始橡塑类和不可燃物占比的影响，热值略有小幅增加的波动。在填埋场内厌氧反应产生甲烷9，加之随填埋龄增加垃圾组分分解碎化使低热值细土比例升高，由此造成了填埋场陈腐垃圾热值损失。填埋场二期陈腐垃圾填埋龄相对较短，湿基低位热值与原生垃圾热值较接近。随填埋龄增加，尤其是一期的陈腐垃圾热值明显低于二期，干基高位热值已基本趋于稳定。当地原生垃圾的含水率一般在 55%左右10，总的来说，该垃圾填埋场陈腐垃圾的含水率低于当地原生垃圾，这主要是因为微生物厌氧分解的产酸和产甲烷过程均消耗水11。由于受水分重力作用的影响，含水率随埋深略有小幅度增加。随填埋龄增加，陈腐垃圾干基可燃物占比总体呈下降趋势，灰分总体呈上升趋势；一方面与样品中低热值腐殖土占比随填埋龄增加有关，另一方面与样品中初始物理组成有关。填埋龄较长的一期陈腐垃圾中干基可燃物占比约 30%左右。3.3分选后各粒径物料组成经分选试验后，各粒径物料组成情况见图 3。1009080706050403020100占比/510 m，1316 a样品（深度，填埋龄）20 m，1820 a30 m，2326 a10 mm1020 mm20（含）40 mm40 mm图 3垃圾填埋场一期陈腐垃圾分选后粒径组成Figure 3The size composition of aged refuse in landfill 1stphase after separation粒径10 mm 的筛下物和一部分粒径 1020mm 的物料主要为矿化垃圾腐殖土。随填埋龄增加，腐殖土占比呈增加趋势，一期矿化垃圾腐殖土占比平均可达 40%以上。粒径大于 20 mm 的物料主要为橡塑类、木竹类和少量织物类，其占比多少主要与初始物理组成和填埋龄有关。3.4分选后筛上物热值情况由于筛下腐殖土几乎不具备焚烧发电资源化价值，故分别测定分选后粒径40、20（含）40、1020 mm 不同筛上物的热值，测定结果见图 4。5 5005 0004 5004 0003 5003 0002 500粒径/mm1020热值/（kJ/kg）20（含）4040埋深 510 m，埋龄 1316 a埋深 20 m，埋龄 1820 a埋深 30 m，埋龄 2326 a图 4垃圾填埋场一期陈腐垃圾分选后筛上物热值Figure 4The heat value of aged refuse oversize afterseparation in landfill 1st phase分选后热值最高的为粒径40 mm 的筛上物，主要为橡塑类、木竹类和少量织物类，均为可燃图 2垃圾填埋场陈腐垃圾物理性质Figure 2The physical property of aged refuse in landfill 38物。随物料粒径减小，热值明显降低。随填埋龄增加，同类粒径筛上物的热值无明显变化规律，或与初始物理组成有关。3.5矿化型陈腐垃圾分选后筛下腐殖土理化性质和微生物群落分析选取一期埋深 510 m、埋龄 1316 a 的矿化垃圾腐殖土进行微生物的变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）分析，DGGE 图谱见图 5。从图 5中各泳道条带数量可看出，此矿化垃圾腐殖土微生物种类较多。其中很多条带较亮，表明其微生物量也很丰富。图 5筛下腐殖土 PCR-DGGE 图谱Figure 5The PCR-DGGE graph of undersizehumus after separation筛下腐殖土理化性质见表 2。由表 2 可知，对比 GB 156182018 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）和 CJ/T 3402016 绿化种植土壤标准中的指标限值，矿化垃圾腐殖土重金属、有机质等指标均在标准范围内。表 2筛下腐殖土理化性质Table 2The physicochemical property of undersizehumus after separation指标含水率/%pH有机质/%全氮/%全磷/%铬/（mg/kg）汞/（mg/kg）砷/（mg/kg）铅/（mg/kg）埋深，填埋龄510 m，1316 a38.918.4717.900.370.4973.601.547.25112.0020 m，1820 a40.848.2822.500.290.6473.501.256.00119.0030 m，2326 a38.938.4668.700.390.4927.101.067.24103.00标准限值GB 156182018250.003.4025.00170.00CJ/T 340201612.0080.003.6矿化型陈腐垃圾资源化利用方法分析由于该垃圾填埋场二期陈腐垃圾热值接近原生垃圾，可不经分选直接送入垃圾焚烧发电厂焚烧；故重点分析一期已矿化的陈腐垃圾资源化利用方法，主要包括分选方法、分选后筛上可燃物掺烧方法和筛下腐殖土资源化利用方法。3.6.1分选方法一期已矿化的陈腐垃圾如不经分选，湿基低位热值低于 3 900 kJ/kg（图 1）；而我国采用炉排炉的垃圾焚烧发电厂设计入炉垃圾热值范围通常为 4 2008 800 kJ/kg，此陈腐垃圾如直接焚烧不但经济效益不佳，而且其中的腐殖土经焚烧会转化为大量灰分，浪费了腐殖土其他更具资源化的利用价值。因此，需选择适宜的分选方法，实现不同资源化利用途径组分的高效分离。根据一期陈腐垃圾性质特点，结合分选试验情况：陈腐垃圾中大部分可燃物粒径40 mm（图4），大部分腐殖土粒径10 mm（图 3）。且分选试验研究结果表明，采用 40 mm 孔筛分离出粒径40 mm 的筛上物热值最高，平均热值接近 4 400 kJ/kg，在设计垃圾焚烧厂入炉热值范围内，经过 10mm 孔径的筛子分离出的筛下腐殖土精度最高。故针对该垃圾填埋场一期陈腐垃圾的分选工艺设计中，应考虑采用二级筛选，筛分孔径分别为 40 mm和 10 mm。经 40 mm 筛选后，筛上物主要为可燃的橡塑类、木竹类、织物类，这类物质密度较小，质轻；此外还有少量骨料类和金属类，这类物质密度较大，质重。经 10 mm 筛选后，筛下物主要为腐殖土，筛上物由橡塑类、木竹类、织物类、骨料类、金属类等多种构成，可将这些筛上物与经 40 mm 筛分后的筛上物合并进入重力分选单元，分离出重质物和轻质物，热值相对较高的轻质物可送入垃圾焚烧发电厂，重质物再经磁选分离出金属类和骨料类。综上，针对一期陈腐垃圾的性质特点，设计的分选工艺流程见图 6。图 6垃圾填埋场陈腐垃圾分选工艺Figure 6The separation process of aged refuse in landfill采用此二级筛选+重力分选+磁选的组合分选汪洋，等.西南地区某垃圾填埋场矿化型陈腐垃圾性质及资源化利用方法筛选（40 mm 孔径）陈腐垃圾筛选（10 mm 孔径）筛下物筛下腐殖土重力分选筛上物筛上物轻质物送垃圾焚烧发电厂焚烧磁选重质物骨料类或其他金属类 39环境卫生工程2023 年 4 月第 31 卷第 2 期工艺可将一期已矿化的陈腐垃圾进行梯度分选，可优化高热值可燃物、低热值不可燃物和腐殖土的有效分离精度，使分离出的可燃物有效热值更高，腐殖土资源化利用效果更好。3.6.2筛上可燃物掺烧方法该垃圾填埋场一期陈腐垃圾经分选后的筛上可燃物平均热值接近 4 400 kJ/kg，通常设计垃圾焚烧发电厂入炉垃圾热值为 4 1908 390 kJ/kg，平均入炉垃圾热值约为 6 900 kJ/kg；虽陈腐垃圾分选出的筛上可燃物热值在设计垃圾焚烧厂入炉热值范围内，但相对于入炉的原生垃圾，热值仍然很低。如垃圾焚烧发电厂大规模焚烧此筛上可燃物，大多需投入辅助燃料维持焚烧工况。因此，只能与原生垃圾按一定比例掺烧，经过混合热值计算，筛上可燃物掺烧比例不宜大于 25%。由于筛上可燃物含水率低于原生垃圾，故入炉前在垃圾储坑里可与原生垃圾分区堆放。3.6.3筛下腐殖土资源化利用方法筛下物矿化垃圾腐殖土不但具有类似于土壤的性质，如具有较大的比表面积、多孔隙结构，而且因表面附着的丰富微生物群落而具有生物吸附降解功能，是一种性能优良的生物降解介质和污染修复填料，可用于该垃圾填埋场区域的生态修复和填埋场二期的日覆盖、中间覆盖、封场覆盖用土；经过小试试验验证，将该筛下腐殖土与一般土壤按比例掺混进行填埋场的生态修复和覆盖并取得了良好效果，且业内也有用该腐殖土做以上类似应用的工程案例。该腐殖土采用这样的资源化利用方式，除发挥传统生态修复用土和覆盖材料的功能外，还能提高对垃圾堆体有机污染物、臭气、甲烷等污染物的分解能力，优化填埋场生物降解环境，强化对填埋场的生态修复功能；而且能在填埋场就地取材，成本低廉。4结论根据西南地区某垃圾填埋场陈腐垃圾的性质特点，针对填埋龄大于 10 a 的深度矿化陈腐垃圾，建议可尝试采用二级筛选+重力分选+磁选组合工艺。采用此工艺将已矿化的陈腐垃圾进行梯度分选，可优化高热值可燃物、低热值不可燃物和腐殖土的有效分离精度，使分离出的可燃物有效热值更高，腐殖土资源化利用效果更好。对分选后的可燃物采用优化后的掺烧方式与原生垃圾协同焚烧发电，利用腐殖土中微生物群落的吸附降解功能将其用于填埋场覆盖和生态修复，可充分发挥该陈腐垃圾中各物料的资源化利用价值，实现对该垃圾填埋场深度矿化陈腐垃圾尽大程度减量化处理和资源化利用，可缓解填埋场库容压力，具有较好的经济效益、环境效益和社会效益。参考文献：1 尧文元，李亚静，张俊文，等.利用焚烧富余处理能力腾退填埋场库容的研究：以南方某市为例 J.环境卫生工程，2019，27（5）：22-25.YAO W Y，LI Y J，ZHANG J W，et al.Study on utilization of surplus incineration capacity for landfill space capacity reclaimation：A case study on a city in South China J.EnvironmentalSanitation Engineering，2019，27（5）：22-25.2 刘洪杰，徐晶，赵由才，等.生活垃圾填埋场微生物群落结构与功能 J.环境卫生工程，2017，25（2）：5-9，14.LIU H J，XU J，ZHAO Y C，et al.Microbial community structureand function in municipal solid waste landfill J.EnvironmentalSanitation Engineering，2017，25（2）：5-9，14.3 毛莉莉.矿化垃圾修复石油污染土壤研究 D.成都：西南交通大学，2016.MAO L L.Research of oil-polluted soil repaired by mineralization refuse D.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2016.4 何岩.矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液工艺优化及运行机制研究 D.上海：同济大学，2008.HE Y.Optimization and 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