宋曉皎，劉志剛，梁?jiǎn)㈧?，趙佳悅，王迎春

(山西能源學(xué)院，山西 晉中 030060)

1 引言

人們的生活及消費(fèi)水平隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展逐漸提升，相應(yīng)的垃圾產(chǎn)生量也在年年攀升，而且垃圾成分不斷改變，致使人們的生活環(huán)境惡化，生態(tài)環(huán)境污染日益嚴(yán)重[1～5]。因此，如何有效地解決城市生活垃圾對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，使其得到無(wú)害化、減量化、資源化處理是當(dāng)今社會(huì)亟需解決的重大難題。

近幾年來(lái)高效綠色的垃圾處理方式逐步成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。崔偉[5]針對(duì)目前村鎮(zhèn)垃圾處理存在的問(wèn)題，分析現(xiàn)狀,并找出了相應(yīng)對(duì)策，提出了垃圾處理新模式?？妵?guó)偉[6]以某山谷型非正規(guī)存量垃圾填埋場(chǎng)治理工程為例，論述了治理技術(shù)路線(xiàn)的確定思路,提出了相關(guān)的技術(shù)要求和實(shí)施要點(diǎn)。艾沖[7]分析研究了鄂爾多斯高原自然環(huán)境的進(jìn)展史，指出垃圾處理對(duì)復(fù)原兩漢時(shí)期鄂爾多斯高原自然環(huán)境具有重要價(jià)值。因此，本文結(jié)合目前鄂爾多斯市正大力開(kāi)展垃圾處理工作的現(xiàn)況，利用工程設(shè)計(jì)的方法，從填埋場(chǎng)庫(kù)容、工藝流程、垃圾壩、防滲、滲濾液收集管道、隔離帶以及封場(chǎng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析研究，構(gòu)建合理高效的垃圾填埋場(chǎng)，同時(shí)充分利用厭氧填埋產(chǎn)生的填埋氣發(fā)電，節(jié)能減排，并對(duì)垃圾滲濾液集中收集處理，減少有害物質(zhì)對(duì)土壤及地下水的污染，進(jìn)而為綠色高效垃圾填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)添磚加瓦。

2 垃圾填埋場(chǎng)工程設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)計(jì)生活垃圾產(chǎn)生總量

據(jù)調(diào)查顯示，2020年鄂爾多斯市預(yù)計(jì)人口總數(shù)為200萬(wàn)人，近幾年人口增長(zhǎng)率為3%，人均垃圾產(chǎn)生量設(shè)計(jì)為1 kg/d，垃圾填埋場(chǎng)使用年限為10年。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出表1中數(shù)值：2028年，日處理垃圾量為2688 t，年垃圾總產(chǎn)量為981059 t，10年間累計(jì)垃圾產(chǎn)量為9349691 t，最大日處理量為2028年的2687.83 t。

表1 垃圾填埋量計(jì)算

2.2 垃圾填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模

2.2.1 垃圾填埋容量

垃圾填埋容量與垃圾填埋量(kg/d)和壓實(shí)的垃圾密度(kg/m3)有關(guān)，垃圾填埋容量單位為m3/d，垃圾填埋容量計(jì)算公式：

垃圾填埋容量=垃圾填埋量/垃圾壓實(shí)密度

(1)

衛(wèi)生填埋壓實(shí)后要求保證層面平整，垃圾壓實(shí)密度要求不小于600 kg/m3，因此本次設(shè)計(jì)中確定垃圾壓實(shí)后容重為0.85 t/m3，則垃圾庫(kù)容需求量如表2所示。

表2 垃圾庫(kù)容需求量計(jì)算

2.2.2 垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)容確定

本設(shè)計(jì)中確定生活垃圾填埋場(chǎng)充滿(mǎn)度設(shè)置為80%，則整個(gè)垃圾填埋場(chǎng)總庫(kù)容1.582×107m3，庫(kù)區(qū)共建設(shè)4個(gè)填埋單元，垃圾填埋場(chǎng)單元庫(kù)區(qū)設(shè)置為正方形，則單個(gè)填埋單元庫(kù)容為3.955×106m3。

根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》和衛(wèi)生填埋場(chǎng)類(lèi)型及規(guī)模分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，本次設(shè)計(jì)的垃圾填埋場(chǎng)屬于Ⅰ類(lèi)填埋場(chǎng)，設(shè)置垃圾庫(kù)區(qū)平均深度為10 m，則填埋單元面積為3.955×105m2，埋單元邊長(zhǎng)為630 m，填埋單位日處理垃圾量為640 t，占體積為753 m3，單元垃圾深度為2.5 m，覆土厚度為0.2 m。

2.2.3 垃圾填埋場(chǎng)工藝流程

垃圾填埋場(chǎng)工藝流程如圖1所示，垃圾經(jīng)收集由垃圾車(chē)運(yùn)輸至填埋場(chǎng)，經(jīng)地磅稱(chēng)量后進(jìn)入庫(kù)區(qū)，將垃圾傾倒在庫(kù)區(qū)內(nèi)，由推土機(jī)推平后，再用壓實(shí)機(jī)將垃圾壓實(shí)至容重為0.85 t/m3，當(dāng)高度為2.5 m時(shí)，在垃圾層上灑藥劑，除臭驅(qū)蟲(chóng)，最終覆土15～20 cm并壓實(shí)。反復(fù)進(jìn)行該填埋流程，直至填埋區(qū)完成填埋任務(wù)后，進(jìn)行封場(chǎng)土地再利用。填埋氣收集工藝流程則是由導(dǎo)氣管進(jìn)入填埋氣凈化裝置，其中填埋氣凈化裝置主要是為了去除填埋氣中不能被利用的有害氣體，進(jìn)一步提高填埋氣中甲烷濃度，填埋氣得到凈化后被用于發(fā)電，產(chǎn)生的電量供垃圾填埋場(chǎng)本身運(yùn)營(yíng)所用，也可匯入?yún)^(qū)域電網(wǎng)，減輕化石燃料發(fā)電廠(chǎng)的壓力，同時(shí)間接地減輕對(duì)大氣環(huán)境的污染。滲濾液收集工藝流程主要通過(guò)導(dǎo)流層、收集管進(jìn)行收集，收集管設(shè)置在盲溝內(nèi)，滲濾液通過(guò)收集管上的孔洞進(jìn)入管內(nèi)，利用重力流至最低點(diǎn)進(jìn)入調(diào)節(jié)池，通過(guò)提升泵提升至滲濾液處理廠(chǎng)。滲濾液處理工藝流程則是將進(jìn)入處理廠(chǎng)后的滲濾液先經(jīng)過(guò)格柵篩除較大的懸浮物，再進(jìn)入膜處理設(shè)備進(jìn)行深度凈化，最后進(jìn)行消毒處理進(jìn)入清水池等待再利用，處理合格的水可用來(lái)進(jìn)行綠化灌溉、道路潑灑、景觀(guān)用水等。

2.2.4 垃圾壩設(shè)計(jì)

根據(jù)垃圾壩與壩體穩(wěn)定性有關(guān)規(guī)定及填埋場(chǎng)建設(shè)在平原地帶現(xiàn)狀，選擇圍堤形式，建筑級(jí)別選定為Ⅱ級(jí)，建筑材料就地取材選用黏土壩，庫(kù)區(qū)內(nèi)分區(qū)壩高設(shè)計(jì)為12 m，邊緣圍堤高程2 m，壩頂寬建設(shè)為6 m，路肩1 m，垃圾壩內(nèi)側(cè)坡度設(shè)計(jì)為1∶1.5，外側(cè)設(shè)計(jì)為1∶3。壩內(nèi)側(cè)接觸垃圾進(jìn)行防滲處理，外側(cè)為了防止雨水沖刷、風(fēng)力侵蝕修建護(hù)壩，可用混凝土砌成網(wǎng)格狀，在網(wǎng)格內(nèi)種植植物，以減少水土流失。為了減少降雨時(shí)雨水對(duì)于滲濾液的產(chǎn)量的影響，在壩頂路一側(cè)距路沿0.5 m處建設(shè)寬約0.5 m的雨水溝。

圖1 垃圾填埋場(chǎng)工藝流程

2.2.5 防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在垃圾填埋場(chǎng)工程設(shè)計(jì)中，防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到該地區(qū)地下水和土壤的安全，本設(shè)計(jì)采用HDPE膜作為防滲材料，為確保滲濾液滲透量低以及滲濾液中污染物下降速度的平穩(wěn)，選擇厚度為2 mm、寬幅為6 m的HDPE土工膜，該種HDPE土工膜的單位質(zhì)量為1900 g/m2。

針對(duì)防滲問(wèn)題，選擇HDPE土工膜+GCL(鈉基膨潤(rùn)土墊)作為庫(kù)區(qū)底部防滲層材料，防滲系統(tǒng)從下向上建設(shè)結(jié)構(gòu)包括壓實(shí)密度應(yīng)大于0.93的基礎(chǔ)層，用于膜下保護(hù)厚度為300 mm的黏土層，規(guī)格設(shè)置為4800 g/m2的GCL防滲層，鋪設(shè)有600 g/m2聚酯長(zhǎng)纖土工布的膜上保護(hù)層，鋪設(shè)厚度為400 mm的卵石滲濾液導(dǎo)流層以及最后鋪設(shè)的200 g/m2土工濾網(wǎng)。

2.2.6 滲濾液收集系統(tǒng)計(jì)算

垃圾滲濾液是被填埋垃圾在厭氧條件下分解以及大氣降水、地下水滲入、地表水浸入的共同作用下產(chǎn)生的具有高危害性，高濃度污染物以及重金屬、植物性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有機(jī)廢水。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中以及目前所知相關(guān)數(shù)據(jù)確定，利用公式1進(jìn)行垃圾滲濾液平均日產(chǎn)生量的計(jì)算：

Q=0.001×C×I×A

(2)

式(2)中：Q為垃圾滲濾液平均日產(chǎn)生量，m3/d；C為填埋庫(kù)區(qū)浸出系數(shù)；I為多年平均日降雨量，mm/d；A為填埋區(qū)面積， m2。

基于以上分析，結(jié)合鄂爾多斯市年平均降雨量為348.3 mm，日平均降雨量為0.95 mm，填埋區(qū)面積1.5876×106m2，以及根據(jù)表3最終確定的填埋庫(kù)區(qū)浸出系數(shù)C=0.4等數(shù)據(jù)，由公式1計(jì)算可得垃圾滲濾液日平均產(chǎn)生量為603.288 m3/d，年平均產(chǎn)生量為22.02萬(wàn)m3/a，由于考慮到降暴雨時(shí)滲濾液的突然增加，滲濾液處理場(chǎng)規(guī)模增至為610 m3/d。

表3 填埋庫(kù)區(qū)浸出系數(shù)取值

該系統(tǒng)主要包括導(dǎo)流層、盲溝、排水導(dǎo)氣井、排水導(dǎo)氣井構(gòu)造。滲濾液經(jīng)導(dǎo)流層流入盲溝,盲溝寬400 mm,盲溝內(nèi)布設(shè)有直徑為300 mm的高密度聚乙烯(HDPE)穿孔管，流經(jīng)排水導(dǎo)氣井，通過(guò)直徑為500 mm的高密度聚乙烯(HDPE)管道流入調(diào)節(jié)池。為方便收集，填埋庫(kù)區(qū)底部盲溝采取0.5%的坡度，流向盲溝方向的坡度為1%。

2.2.7 調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)池主要起到調(diào)節(jié)水質(zhì)水量以及暫時(shí)存儲(chǔ)滲濾液的作用。根據(jù)公式1計(jì)算得知垃圾滲濾液日平均產(chǎn)量為603.288 m3/d，則小時(shí)平均滲濾液產(chǎn)生量為603.288/24=25 m3/h。鄂爾多斯市降雨主要集中在7、8、9月份，降雨量占全年比例為70%，設(shè)計(jì)垃圾滲濾液存儲(chǔ)時(shí)間為30 d，則根據(jù)公式2得調(diào)節(jié)池容量為2.16×104m3：

V=Q×n×t

(3)

式(3)中：Q為每小時(shí)滲濾液產(chǎn)生量，m3/h；n為安全系數(shù)，取1.2；t為停留時(shí)間，h。

調(diào)節(jié)池有效水深為10 m，超高為0.3 m，有效面積A為2160 m2，設(shè)置為長(zhǎng)方形，規(guī)模為50 m×100 m。由于考慮到調(diào)節(jié)池內(nèi)滲濾液散發(fā)出惡臭的氣味，所以對(duì)調(diào)節(jié)池進(jìn)行加蓋密封處理，滲濾液經(jīng)重力作用流入提升泵房，在提升泵房?jī)?nèi)使用提升泵將收集的滲濾液導(dǎo)入調(diào)節(jié)池內(nèi)。

由于垃圾滲濾液日產(chǎn)生量為603.288 m3/d，管道流入提升泵站的高程為-16.155 m，則設(shè)置提升泵站占地面積為100 m2(10 m×10 m)，深度為17 m，地上部分高程為3 m。

2.2.8 填埋氣收集系統(tǒng)

填埋氣收集系統(tǒng)包括導(dǎo)氣層、排水導(dǎo)氣井和導(dǎo)氣管構(gòu)造，其中，導(dǎo)氣層為400 mm厚的卵石導(dǎo)氣層，有機(jī)物分解產(chǎn)生的填埋氣沿著導(dǎo)氣層匯集到排水導(dǎo)氣井中，排水導(dǎo)氣井中安裝有穿孔管，穿孔管與導(dǎo)氣管相接，填埋氣經(jīng)由導(dǎo)氣管進(jìn)入填埋氣凈化裝置，然后再利用，產(chǎn)生效益。

為延長(zhǎng)排水導(dǎo)氣井使用壽命，井壁選擇剛性較強(qiáng)的環(huán)氧煤瀝青防腐鋼管材質(zhì)，直徑為1000 mm，穿孔管選用300 mm HDPE材質(zhì)，導(dǎo)氣管采用300 mm HDPE實(shí)壁管，最終導(dǎo)氣管需高出最終覆蓋層2 m，最上部與滲濾液收集管相連部分密封處理，防止填埋氣逸出，排水導(dǎo)氣管底部距防滲層300 mm，可達(dá)到較好的填埋氣收集效果。

2.2.9 隔離帶設(shè)計(jì)

隔離帶主要是為了減少填埋垃圾對(duì)周?chē)h(huán)境和居民生活的影響，一般隔離帶為綠化隔離帶，寬度≥10 m。設(shè)計(jì)中為了更大程度地減少污染，綠化隔離帶寬度設(shè)置為20 m。

2.2.10 封場(chǎng)設(shè)計(jì)

封場(chǎng)設(shè)計(jì)主要包括垃圾堆體整體形態(tài)的設(shè)計(jì)和封場(chǎng)覆蓋層的設(shè)計(jì)。垃圾堆體在進(jìn)行最終覆蓋層的建設(shè)之前，需先進(jìn)行整體形態(tài)的整改。本次設(shè)計(jì)垃圾堆體坡度選用1∶3，臺(tái)階寬度設(shè)置為5 m，高差為2.7 m。

圖2 封場(chǎng)覆蓋層結(jié)構(gòu)

封場(chǎng)覆蓋層結(jié)構(gòu)如圖2所示，由上至下結(jié)構(gòu)為植被層、排水層、防滲層、排氣層、垃圾層。其中，垃圾層壓實(shí)后垃圾容重達(dá)到0.85 t/m3；排氣層由300 mm厚的導(dǎo)排性能好、抗腐蝕的粗粒多孔材料鋪設(shè)；防滲層，由膜下保護(hù)層、2 mm HDPE土工膜、膜上保護(hù)層組成，其中，膜下保護(hù)層為300 mm厚的壓實(shí)黏土層，膜上保護(hù)層為600 g/m2土工布；排水層臺(tái)階部分為粗?；蚨嗫撞牧希吰屡潘畬硬捎猛凉?fù)合排水網(wǎng)；植被層包括植物層和黏土層，其中營(yíng)養(yǎng)植被層厚度設(shè)計(jì)為150 mm，覆蓋支持土層厚度設(shè)計(jì)為450 mm。

3 結(jié)論

(1) 垃圾填埋場(chǎng)屬于Ⅰ類(lèi)填埋場(chǎng)，垃圾庫(kù)區(qū)平均深度設(shè)置為10 m，填埋單元面積為3.955×105m2，埋單元邊長(zhǎng)為630 m，填埋單位日處理垃圾量為640 t，占體積為753 m3，單元垃圾深度為2.5 m，覆土厚度為0.2 m。

(2)垃圾填埋場(chǎng)工藝包括垃圾收集、填埋氣收集、滲濾液收集以及滲濾液處理四大模塊。

(3)垃圾滲濾液日平均產(chǎn)生量為603.288 m3/d，年平均產(chǎn)生量為22.02萬(wàn)m3/a，由于考慮到降暴雨時(shí)滲濾液的突然增加，滲濾液處理場(chǎng)規(guī)模增至為610 m3/d。

(4)填埋氣收集系統(tǒng)包括導(dǎo)氣層、排水導(dǎo)氣井和導(dǎo)氣管構(gòu)造，其中，導(dǎo)氣層為400 mm厚的卵石導(dǎo)氣層，填埋氣經(jīng)由導(dǎo)氣管進(jìn)入填埋氣凈化裝置，凈化后被利用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。