CN104324925B

CN104324925B - 一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统

Info

Publication number: CN104324925B
Application number: CN201410456697.3A
Authority: CN
Inventors: 吴骏; 张后虎; 李春平; 夏伟霞; 晏井春; 陈梦舫
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS; Nanjing Institute of Environmental Sciences MEP
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS; Nanjing Institute of Environmental Sciences MEP
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: CN104324925A

Abstract

一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，包括排气层、防渗层、排水层和植被层，其特征在于：以垃圾焚烧炉渣替代天然骨料或人工材料，作为排气层与排水层的主要组成部分；植被层加入MSW堆肥产品与生物炭，大幅提升甲烷氧化能力的同时改良了土壤的生态功能。本发明以填埋场终场覆盖系统为出口，综合利用生活垃圾生物与热处理(副)产物，技术方法简单、实用，普适性强，原材料来源广泛、价格低廉、以废治废程度高，同时为有效解决限制MSW中易腐组分资源化利用的重金属问题、实现城市生活垃圾的综合治理提供了新的途径，具有显著的经济、环境与社会效益。

Description

一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统

技术领域

一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，属于固体废物管理与污染控制领域。

背景技术

截止2012年，我国城市生活垃圾(MSW)清运量达到惊人的1.71亿吨，并正在以接近10％的增速逐年递增。受餐饮等多元文化的影响，我国MSW组成的重要特征是超高的易腐组分含量(占总量的50-70％)。碍于公众环保意识、区域分类收集设施及相关法律法规等社会经济技术条件，绝大部分的易腐垃圾并未做到单独收集，而是与其它组分一起混入MSW物流，使得原本高效的垃圾处理与资源化技术遭受到不同程度的考验。MSW的堆肥处理受制于物料分选环节，使得产品常因重金属超标而没有适合的出路。焚烧处理则因为高含水率的特征带来额外的能耗，同时也增加了气相污染物控制的难度。目前，我国超过80％的MSW仍然选择进入填埋场进行处理处置。

早在2006年，欧盟就颁布法令要求进入生活垃圾填埋场的废物中有机物含量不得超过5％(2007年正式实施)，以削减最终处置端(即填埋)所需承载的污染负荷。而在我国，大量的生物质废物进入填埋场，使得填埋场从一个以物理隔离为主要功能的处置场所转变为消纳与稳定有机负荷的处理处置场所。显然，高有机负荷垃圾的稳定化过程意味着更多渗滤液与填埋气(LFG)的产生，这也对填埋技术提出了更高的要求。

终场覆盖是填埋场封场前的一个关键技术环节，作为填埋体与地上环境之间的屏障，它肩负着削减与防止两个环境系统之间发生物流传输的重任，以减少渗滤液的产生与LFG的无组织排放。过去对于填埋场的终场覆盖往往更关注于恶臭与渗滤液的污染控制，近年来，对于削减填埋场温室气体的排放及其封场后的生态恢复也逐渐提上了日程。我国2008年颁布的生活垃圾填埋场污染控制标准明确提出封场系统应与生态恢复相结合，并细化了甲烷的排放要求，使得覆盖系统在温室气体削减与生态恢复方面的功能逐步得到了开发。如：申请号为201010157441.4的专利公布了一种加强填埋场覆盖层甲烷氧化的方法，以矿化垃圾为覆盖材料基质并加入糖类溶液以提升覆盖层的甲烷氧化能力；申请号为200810162517.5的专利公布了一种填埋场甲烷减排的垃圾生物覆盖土材料制备方法与系统，通过对垃圾的生物驯化以提升其甲烷氧化能力；申请号为200610052078.3的专利公布了一种利用城市污泥改良覆土恢复垃圾填埋场植被的方法等。这些技术为特定场景下终场覆盖环节提供了重要的技术储备，但仍无法满足中国特色填埋场对终场覆盖系统的多层次、全方位需求。

发明内容

本发明针对我国MSW填埋场对终场覆盖系统的多层次需求，包括：温室气体减排、地表生态恢复、恶臭控制、削减地表径流入渗以及适当的机械支撑等，构建了一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统。提出以填埋场原土、MSW堆肥产品与生物炭作为植被层，通过MSW堆肥产品为土壤提供养分，同时引入大量甲烷氧化功能微生物，通过加入生物炭改良土壤生态功能，同时削减由MSW堆肥产品引入的重金属的生物可利用性，以保障地表植被与作物的正常生长；提出在排气层(基础层)与排水层加入不同粒径(级配)的炉渣，确保各层原有功能的前提下提升覆盖系统整体机械性能的同时实现了炉渣的资源化利用。

具体技术方案：

一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，自下而上包括：排气层、防渗层、排水层和植被层。其特征在于：排气层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为4～5:1，其中炉渣的粒径在1～10mm，砾石的粒径在2～40mm，厚度为25～30cm；防渗层铺设的材料为粘土，压实厚度为30～40cm；排水层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为2～4:1，其中炉渣的粒径在10～40mm之间，砾石的粒径在40～60mm，厚度为30～35cm；植被层铺设的材料为填埋场原土、垃圾堆肥产品与生物炭的混合物，其混合比例为75～100:5:1，厚度为20～30cm。

所述的垃圾焚烧炉渣为城市生活垃圾经焚烧处理由炉床尾端排出的残余物。

所述的垃圾堆肥产品是以城市生活垃圾为原料，经好氧堆肥处理，包括二次发酵与后处理的腐熟堆肥产品。

所述的生物炭是以城市生活垃圾中的易腐组分为前驱物，于450～500℃的限氧环境下热解2～4h，冷却后收集固态炭化产物并磨碎过筛制备而成。

技术方案设计原理：1.通过对我国MSW堆肥处理过程及其衍生产物的特征分析发现：重金属含量超标是限制MSW堆肥产品农用的关键所在，而将其作为非食物链植被或者作物的肥料，只要将重金属的生物可利用性削减到不影响植物正常生长的范围即可，其风险基本处于可控水平。堆肥具有大孔径且富含有机质，能在给甲烷氧化菌提供有机质的同时使其处于较好的通气状况中。此外，其丰富的微生物含量(10^11-12个/g，超过土壤2个数量级及以上)，特别是富含甲烷氧化功能微生物的特点，将有助于大幅提升覆盖层的甲烷氧化能力。相比于MSW经一次或者二次发酵的堆肥中间产物，经过稳定化与后处理的堆肥产品无论从基质组成、微生物群落特征与肥料的安全性都更合适作为覆盖系统中植被层的组成部分。

2.通过对我国MSW焚烧处理过程及其衍生产物的特征分析发现：炉渣的主要成分是硅酸盐和铁(约占60-70％)，其次是铝酸盐和钙(约占25-30％)，其理化与工程性质与轻质天然骨料较为相似，容易进行粒径分级，且具有很好的机械强度，作为基础层对整个覆盖系统能够起到支撑与稳定作用。作为一类碱性废物，炉渣对pH环境变化的抵抗能力较强，酸中和能力达到1.8-2.0mol/kg，尽管其含有一定量的重金属，但溶出风险很小。炉渣密度在1.17-1.54g/cm³，排水性能较为通畅，渗透系数k与沙粒在一个数量级(10^-2cm/s)，能够满足排水层的需要(k≥10^-3cm/s)。

3.易腐垃圾粘性表面的特征使其成为MSW中细小颗粒富集的对象，基于粒径分级的研究结果表明：垃圾中细小颗粒重金属的富集程度是最高的，而目前工程上应用最为广泛的机械分选尚无法实现粘连颗粒与易腐垃圾的分离。本发明以机械分选出的易腐垃圾为原料制备生物炭，高温的制备过程可以实现重金属的稳定化，应用到填埋场植被层风险可控。除了改善土壤结构、一定程度上抵御pH环境变化外，生物炭的加入还能降低由堆肥引入重金属的生物可利用性。此外，综合考虑生物炭的重金属富集能力与农业效用，筛选出最佳制备温度区间在450-500℃。

有益效果：

1.本发明以垃圾焚烧炉渣替代天然骨料或人工材料，将其由填埋场处置的对象转变为终场覆盖系统的重要组成部分，在不增加成本的基础上原位实现了炉渣的资源化利用，节省填埋场库容的同时也省去了部分原材料费用，具有可观的经济效益。

2.本发明通过引入高温制备的生物炭解决了MSW堆肥产品作为填埋覆盖植被层时重金属超标的瓶颈问题，实现温室气体减排的同时，为表层的生态恢复提供了有利条件，具备显著的环境效益。

3.本发明以填埋场终场覆盖系统为出口，综合利用生活垃圾堆肥与热处理(副)产物，技术方法简单、实用，原材料来源广泛、价格低廉、以废治废程度高，该技术方法普适性强，为实现城市生活垃圾的综合治理提供了有效途径，利用规模化推广。

附图说明

图1为实施例1中植被层混合物料与填埋场原土的甲烷氧化能力曲线图。

图2为实施例2中植被层混合物料与填埋场原土的甲烷氧化能力曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，由垃圾堆体自下而上包括：排气层、防渗层、排水层和植被层。其中，排气层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为5:1，其中炉渣的粒径在1～10mm，砾石的粒径在2～40mm，厚度为25cm；防渗层铺设的材料为粘土，压实厚度为40cm；排水层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为4:1，其中炉渣的粒径在10～40mm之间，砾石的粒径在40～60mm，厚度为35cm；植被层铺设的材料为填埋场原土、垃圾堆肥产品与生物炭的混合物，其混合比例为100:5:1，厚度为20cm。其中，炉渣取自上海市某城市生活垃圾焚烧厂，经筛分后，得到①粒径在10～40mm之间的粗渣、②粒径在1～10mm之间的细渣。MSW堆肥产品取自上海市某MSW堆肥厂，物料是经二次发酵与后处理的MSW好氧堆肥腐熟产品。生物炭前驱物，即混合生活垃圾中的易腐组分，同样取自该生活垃圾堆肥厂，为机械分选后拟进入堆肥处理的物料；生物炭前驱物经干燥破碎后，于500℃的氮气环境下热解2h，冷却后收集固态炭化产物并磨碎过筛得到生物炭。填埋场原土取自上海某MSW填埋场周边表土(5-20cm)。炉渣、MSW堆肥、易腐垃圾、生物炭与填埋场原土的理化性质见表1。

表1材料基本理化性质

(含水率、VS：％，密度：g/cm³，元素含量、有机质：10^-3，容重：g/mL，比表面积：m²/g，电导率：mS/cm，CEC：cmol/kg)

为评价覆盖系统所用材料中重金属的环境风险，分别对炉渣、垃圾堆肥、植被层混合物料中重金属的含量与溶出特征(危废鉴别采用GB醋酸缓冲溶液法，迁移风险采用TCLP溶出实验)进行分析，结果见表2。

表2材料重金属含量与浸出特征

总量单位：mg/kg，浸出液单位：mg/L，--：未检出。

对比国家危废浸出毒性鉴别标准，尽管炉渣的重金属含量并不低，但其溶出风险很小，作为填埋场覆盖材料不存在突出的环境隐患。MSW堆肥中Pb与Cr含量超出我国城镇垃圾农用控制标准，而本发明所述的植被层混合物料其重金属含量与溶出风险均远低于相应控制标准。

采用模拟降水实验测定炉渣与砾石组成排水层的渗透系数为2.1×10^-2cm/s，符合《生活垃圾卫生填埋技术规范》(CJJ17-2004)大于1×10^-2cm/s的规定。

采用模拟填埋柱实验对比植被层混合物料与填埋场原土的甲烷氧化能力，柱高70cm，(底部装填20cm砾石作为承托层，上面35cm为覆土材料，顶部设有气体收集系统)，直径为20cm。气体由底部通入，至CH₄初始浓度为30％，O₂初始浓度为12％后封闭，分别于3、7、15、30天后取样，采用气象色谱分析CH₄浓度。结果表明：植被层混合物料相比填埋场原土，其甲烷氧化能力显著提升，图1提供了对比的一组数据。

实施例2

一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，由垃圾堆体自下而上包括：排气层、防渗层、排水层和植被层。其中，排气层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为4:1，其中炉渣的粒径在1～10mm，砾石的粒径在2～40mm，厚度为30cm；防渗层铺设的材料为粘土，压实厚度为30cm；排水层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为2:1，其中炉渣的粒径在10～40mm之间，砾石的粒径在40～60mm，厚度为30cm；植被层铺设的材料为填埋场原土、垃圾堆肥产品与生物炭的混合物，其混合比例为75:5:1，厚度为30cm。

其中，炉渣取自浙江省某城市生活垃圾焚烧厂，经筛分后，得到①粒径在10～40mm之间的粗渣、②粒径在1～10mm之间的细渣。MSW堆肥产品取自浙江省某MSW堆肥厂，物料是经二次发酵与后处理的MSW好氧堆肥腐熟产品。生物炭前驱物，即混合生活垃圾中的易腐组分，同样取自该生活垃圾堆肥厂，为机械分选后拟进入堆肥处理的物料；生物炭前驱物经干燥破碎后，于450℃的限氧环境下热解4h，冷却后收集固态炭化产物并磨碎过筛得到生物炭。填埋场原土取自浙江省某MSW填埋场周边表土(5-20cm)。炉渣、MSW堆肥、易腐垃圾、生物炭与填埋场原土的理化性质见表3。

表3材料基本理化性质

为评价覆盖系统所用材料中重金属的环境风险，分别对炉渣、垃圾堆肥、植被层混合物料中重金属的含量与溶出特征(危废鉴别采用GB醋酸缓冲溶液法，迁移风险采用TCLP溶出实验)进行分析，结果见表4。

表4材料重金属含量与浸出特征

总量单位：mg/kg，浸出液单位：mg/L，--：未检出。

对比国家危废浸出毒性鉴别标准，尽管炉渣的重金属含量并不低，但其溶出风险很小，作为填埋场覆盖材料不存在突出的环境隐患。MSW堆肥中Pb的含量超出我国城镇垃圾农用控制标准，而本发明所述的植被层混合物料其重金属含量与溶出风险均远低于相应控制标准。

采用模拟降水实验测定炉渣与砾石组成排水层的渗透系数为1.9×10^-2cm/s，符合《生活垃圾卫生填埋技术规范》(CJJ17-2004)大于1×10^-2cm/s的规定。

采用模拟填埋柱实验对比植被层混合物料与填埋场原土的甲烷氧化能力，柱高70cm，(底部装填20cm砾石作为承托层，上面30cm为覆土材料，顶部设有气体收集系统)，直径为20cm。气体由底部通入，至CH₄初始浓度为30％，O₂初始浓度为12％后封闭，分别于3、7、15、30天后取样，采用气象色谱分析CH₄浓度。结果表明：植被层混合物料相比填埋场原土，其甲烷氧化能力显著提升，图2提供了对比的一组数据。

Claims

1.一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，自下而上包括：排气层、防渗层、排水层和植被层，其特征在于：排气层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为4～5:1，其中炉渣的粒径在1～10mm，砾石的粒径在2～40mm，厚度为25～30cm；防渗层铺设的材料为粘土，压实厚度为30～40cm；排水层铺设的材料为垃圾焚烧炉渣与砾石的混合物，混合比例为2～4:1，其中炉渣的粒径在10～40mm之间，砾石的粒径在40～60mm，厚度为30～35cm；植被层铺设的材料为填埋场原土、垃圾堆肥产品与生物炭的混合物，其混合比例为75～100:5:1，厚度为20～30cm；所述的生物炭是以城市生活垃圾中的易腐组分为前驱物，于450～500℃的限氧环境下热解2～4h，冷却后收集固态炭化产物并磨碎过筛制备而成。

2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，其特征在于，所述的垃圾焚烧炉渣为城市生活垃圾经焚烧处理由炉床尾端排出的残余物。

3.根据权利要求1所述的一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，其特征在于，所述的垃圾堆肥产品是以城市生活垃圾为原料，经好氧堆肥处理，包括二次发酵与后处理的腐熟堆肥产品。