CN110355174A - 固体废弃物金字塔堆筑工艺的技术改进 - Google Patents

Abstract

对城市固体垃圾和厂矿企业固体废弃物，实施大体量堆筑和集约化运作的金字塔工艺模式，能实现最小土地占压、大幅度成本降低和城市环境改善；金字塔工艺对固体废弃物预分类、深处理和多元化填筑方式，能实现固体废弃物的多功能、多范围、多种类受纳，并可对有毒有害固体废弃物实行封装回填，消除社会公害；金字塔最终形成梯田式绿化山体，不减少城市原有绿地或森林覆盖面积，形成城市多样化生态环境；金字塔由于采用创新的工程构筑模式和多元化监测体系，能确保区域环境安全。

Description

固体废弃物金字塔堆筑工艺的技术改进

技术领域：

本申请属矿山和环保技术领域。

技术背景：

社会发展和人类活动产生了大量的固体废弃物，如：城市垃圾、矿山尾矿、工矿企业废渣、城市渣土等；这些固体废弃物无序的、非理性的排放，造成了数以万计的废弃物堆场，压占了大量土地，同时带来严重的环境危害；固体废弃物堆存的现有技术，国标文献有《有色金属矿山排土场设计规范》GB50421-2007，《尾矿设施设计规范》GB50863-2013，《冶金矿山排排土场设计规范》GB51119-2015；规范外的现有技术还有：证书号1024157《一种不需要修建尾矿库的场地干堆尾矿方法》(ZL2009102151946)，证书号1938063《一种节约清洁安全的无水尾矿库的建造方法》(ZL2011103790677)，证书号2929928《用不可回收垃圾建造绿色金字塔景观的方法》(ZL2015105403253)，证书号2890560《城市渣土场防范液化崩溃的排渗和加固方法》(ZL2016101337149)等文献。

上述文献所代表的现有技术，对固体废物堆体的边坡结构、堆筑方法、生态环境重建和排渗排水工艺等，在设计上都存在许多缺陷；特别是：固体废弃物堆体和人工边坡所形成永久地物，对人类生存环境和国家可持续发展环境具有巨大的、永久性的影响；林业领域，把形态和生理活动的地貌、土壤、水文、生物等各种外部环境条件的总和称为立地；固体废弃物堆场(堆体)的边坡可占据80％以上的土地面积，边坡结构造成的边坡立地条件是固体废弃物堆场最关键、最重要的社会环境问题，现有技术都没有从本质上解决这些难题；本申请提出的固体废弃物金字塔堆筑工艺，与固体废弃物堆置的现有技术相比，主要不同点在于：金字塔堆筑工艺以极大体量规模减少总量土地占压，实现资源转化利用的社会效益；金字塔堆筑工艺对固体废弃物的预先分类处理和多元化填筑方式扩大了工程的适用范围，既用于工矿固体废弃物处置，也用于城市不可回收垃圾处理；金字塔堆筑工艺将传统的边坡结构形式彻底变革，造就成符合生态环境的立地条件，实现生态环境效益，金字塔堆筑工艺的更合理可靠的排水排渗网络确保永久地物的构造稳定，实现社会安全效益；此外，金字塔作为城市标志性地物，尚可开发多功能利用。

发明内容：

金字塔堆筑工艺的主要特点之一是大体量和大规模，以集约化运作实现最小土地占压和综合开发利用；以标准圆锥形态和26.6°边坡角堆筑城市垃圾测算(2吨新鲜垃圾当量1m³堆体)：1万m³堆筑体量时占地比为1500m²/万吨垃圾，1000万m³堆筑体量时占地比为150m²/万吨垃圾，1亿m³堆筑体量时占地比为70m²/万吨垃圾；推荐金字塔工艺的经济合理规模为1亿m³左右，主要用于处理城市垃圾类固体废弃物，也可用于大型选矿厂的尾矿干堆；金字塔堆筑工艺的相关配套厂房也可隐埋设置在塔底空间，进一步减少土地占压；金字塔堆筑工艺适应荒山野岭、沙漠滩涂各种原始地貌，推荐靠近城市近郊，造就标志性地物，实现长效的、综合的开发利用；规模体量的金字塔堆体，具有高厚覆盖和广域纵深，其底部空间将形成一方别具特色的气候环境，如果预开发一些硐室型工程：人防设施、军民两用特物仓储、休闲购物设施等，未来前景将是：金字塔山体形成梯田式花果山，山底形成一个标新立异的特色社区，这就为城市土地资源开创出了一种空间立体层次、复合再生利用的崭新模式；如果金字塔梯田式边坡用于栽种市花、市树，形成市花山、市树山，一如北京煤山、广州白云山、深圳莲花山那样，这些市区名山造就了城市生态环境的多样化，同时树立了城市景观的一张新名片；另外，大体量金字塔堆筑工艺的生产运营成本比常规方法极大降低，测算：城市垃圾采用金字塔堆筑工艺，包括预分类、再加工、场内运输、排渗防水、集中堆筑成型等全部成本约50-60元/吨垃圾，远低于目前各城市垃圾处理的市政服务成本。

金字塔堆筑工艺对固体废弃物要预分类、深处理，实行多元化填筑方式，从而实现固体废物的多功能受纳，并造就稳固的边坡防护结构；参照附图中的图1和图2，主要做法如下：实例一，针对城市不可回收垃圾，大致将城市不可回收垃圾分类为：可粉碎固体无机垃圾(建筑垃圾、城市渣土等)和可浆化有机垃圾(生活垃圾、厨余垃圾、污水过滤残渣、粪便等)两类；固体无机垃圾粉碎至适宜粒度称为粉料，有机生活垃圾浆化至适宜细度并浓缩成浆料，粉料浆料混掺，浆料充填粉料空隙，可实现一定程度的体积减量；以不同混掺配比调制出两种集料：大固液比的、适于车载、碾压的称为硬集料，小固液比的、可高浓度管道输送称为软集料，或曰普通集料；实例二，针对选矿厂尾矿，旋流器分级提取粗颗粒尾矿，经压滤脱水、必要时混掺水泥等胶结材料，配制成硬集料，剩余尾矿浓缩、脱水，配制成可高浓度管道输送的软集料；两个实例中，硬集料经堆填、碾压、固化后力学性能和承载能力较好，用于构筑金字塔边坡防护体(图2之12)，边坡防护体形成外围大环形作业平台(图1之9)；相应的填筑和运输方式是：硬集料用汽车装载，中央井塔(图之7)提升，运送到预定部位后，堆筑、碾压、支护形成整体力学性能坚固的边坡防护体外壳；作业区的中心小环形作业平台(图1之6)和平台运输通道(图1之5)也采用硬集料建造，以承载作业负荷；大环形作业平台和小环形作业平台之间的区域称为经济回填区(图1之4)，该区域回填方式相对粗放，软集料可采用管道输送方式直接灌填到中部的经济回填区，不易管道输送的普通集料则采用其他适用方式回填，经济回填区的填筑成本相对较低；实例一和实例二之外，如普通渣土类废弃物，也要预分类、再处理，实行差别化填筑；对于高含水量、高泥质的软弱物料，决不能堆填边坡防护体，只能排放到经济回填区；顺便提及，深圳光明区恒泰工业园2015年发生的渣土场崩溃灾难，就是城市固体废弃物不分类、不处理、无序堆筑造成重大事故的现实教训；为实现资源转化利用，城市普通渣土预分类后，还可进行二次深加工，提取其中现在可利用资源，暂不可利用的则堆填金字塔；图1的中部经济回填区还划出了一块示意的封装回填区8，目的是：对现有技术经济条件下尚无法转化的有毒有害固体废弃物，进行特殊封装填埋，以消除社会公害，如同神话故事中将妖魔鬼怪封印闭锁；具体封装方法需进行单独设计。

金字塔堆筑工艺的边坡结构生态化，参照附图的图2和图3；主要特点是：金字塔外围全部构筑梯田式边坡，形成符合生态发展的立地环境；多说几句理由：千万年的农耕社会中，山区农业文明的基础就是梯田式耕作，先人们为什么不在倾斜的山坡地面上刀耕火种，却要辛苦劳作修筑梯田呢？因为斜坡地面确实不具备农耕林种的立地条件，唯有平坦立地的梯田才能繁衍出农林生态；本工艺彻底摈弃现有规范中关于坡面栽种、斜坡复垦的空泛论调，而采取在金字塔外边坡全部构筑梯田的立地模式，如图1中1所示；本例推荐梯田式边坡的建造结构如图2所示：分层梯田由分层绿化平台12和封闭台阶13组成，封闭台阶用预制支架15和挡土板16构筑，封闭台阶是垂直的，分层绿化平台是平坦的；本例分层绿化平台宽度不小于6.0m，台阶高度3.0m；分层梯田在大环形作业平台基础上分层建造，分层绿化平台的表层应回填不小于50公分厚度种植土壤，平台表面之下约1.5m深度铺设一层防渗土工膜，土工膜宽度大于平台宽度；隔离防渗土工膜形成边坡体防渗系统，同时利于绿化平台保墒、保肥；金字塔梯田式绿化边坡的整体作用是，不减少城市原有绿地或森林覆盖的总体面积，只是将平地绿化变革为立体绿化，形成一种新的生态模式。

金字塔堆筑工艺的排水方法是：平台过滤排水，边坡隐埋排水，分区汇流排水，作业区措施排水，参照图2、图3；图3中预制支架横梁上放置有透水罩盖板21，盖板下有2～3个泄水立孔(图中未显示)，泄水立孔连通预制支架的内置排水斜孔20，平台汇水经反滤体和透水罩盖板过滤后汇入预制支架的内置排水斜孔；预制支架内置排水斜孔的两端出口连接上下层梯田的分层联系排水管19，构成边坡隐埋排水系统(图2之14)；所谓分区汇流排水是指：大致金字塔半高度以下边坡的汇水直接由边坡隐埋排水系统下泄到坡底排水沟(图2之18)；上部边坡的汇水经由排渗群井(图1之3)位置措施平台汇集后，由排渗群井预置的排水管道下泄到底部结构水仓(图中未显示)；金字塔坡顶终了永久平台的雨水由中央井塔预置的排水管道排放；作业区措施排水方法是由中央井塔和排渗群井设置临时排渗管过滤排放汇水；目前，各类边坡的明渠流排水方式，是造成水土流失和边坡水侵灾害的主因；本工艺的全部金字塔边坡和平台，不设置明渠流排水系统，以防范水土流失和水侵造成的边坡灾害。

金字塔堆筑工艺的排渗方法是：刚性隔水排渗底板、边坡防护体独立排渗系统、经济回填区分层网络排渗、大阶段隔流截渗、多区域中心集水、应急情况负压吸滤排渗，具体做法如下：刚性隔水排渗底板在基建时期建造，底板是复合的上下两层圬工体，下层的功能是与地下水相隔离，上层是透水混凝土排渗层，层间埋置适宜密度的透水管网，将底板汇集的渗流水引向底部结构水仓；边坡防护体独立排渗系统的做法是：每层(或间隔)梯田底板铺设多条排渗盲管，贯穿大环形作业平台，伸入中部经济回填区，并保持适宜排水坡度，形成边坡防护体排渗系统；边坡防护体的填筑材料和构筑方法决定，其排渗量较小，排渗管道出口可直接引到分层绿化平台，用于辅助灌溉，或者连接边坡的隐埋排水系统；经济回填区分层排渗网络做法是：大致按3～5m高度的分层间距，设置分层排渗网络，每分层排渗网络由许多个分区排渗网络组构形成；分区排渗网络包括排渗主管、排渗支管和排渗毛细管，毛细管是主要排渗体，支管和主管用于集流和排水；分层排渗网络配合多区域中心集水的含义是：中央井塔和外围排渗群井，构成多元化排渗区域集水中心；由各集水中心向外，辐射状布置适宜数量的分区排渗网络，分区网络的排渗主管与集水中心井壁外预留的排水管连接，将渗流水疏泄到井底水仓；大阶段隔流截渗的做法是：每间隔30m左右高度，设置一层柔性的隔流截渗体，截渗体可由多层土工膜搭接铺设组成，截渗体贴附于该高程的排渗网络层下方，并将该分层排渗网络特殊加密设置；设置隔流截渗体的目的是：防范上部回填区多种原因的积水下泄危害，为下部填筑体造就一种无外来水补给的、稳定的脱水、沉降和固结环境，严防下部填筑体液化，形成头重脚轻，引发类似深圳渣土场崩溃那样的灾害；隔流截渗体要覆盖全部经济回填区域，铺设前宜修整经济回填区地坪，形成朝向中央井塔和排渗群井各集水中心的适宜的排渗排水坡度；应急情况负压吸滤排渗只在监测到某区域存在液化危害的情况下采用，做法是将该部位埋置的分区排渗网络的排渗主管，连接抽气泵(真空泵)，造成负压吸渗环境，促使高含水堆体排渗脱水，由于各分区排渗网络的排渗主管都是连接在区域集水中心的井壁排水管上，该措施能够实现。

金字塔堆筑工艺的多元化监测方法，包括：井壁预留监测孔的监测、经济回填区预埋监测标志物的监测、外部边坡变形的测量监测、边坡结构破损的人工巡回监测等；井壁预留监测孔的监测方法是：在中央井塔和排渗群井的井壁适宜部位，设置可控监测孔，利用监测孔进行取样监测或者直接监测，监测项目应包括回填体含水量、水质、孔隙水压力、液性指数和摩擦角、粘聚力等力学参数；经济回填区预埋监测标志物的监测方法是：在回填体中设定的空间位置(X、Y、Z三维坐标)埋置监测标志物，该标志物应是现有技术手段易于监测定位的、性能可靠的、不易损坏的封装物体，例如永磁体用电磁仪可以监测，强反射面用超声波可以监测等；预埋监测标志物的监测目的主要是为掌控填筑体各部位的沉降和位移参数，为金字塔的安全稳定保驾护航；对于封装回填区填埋的有毒有害特殊废弃物，以上述方法或者另增设专业手段，进行更针对性监测。

附图说明：

图1是金字塔填筑建造示意图，图中标注符号的意义如下：

1——金字塔梯田式边坡， 2——底部汽车通道，3——排渗群井，

4——中部经济回填区，5——平台运输通道，6——小环形作业平台，

7——中央井塔，8——封装回填区，9——大环形作业平台，

10——底部措施通道；

图2是金字塔边坡结构示意图，图中标注符号的意义如下：

9——大环形作业平台，11——边坡防护体，12——分层绿化平台，

13——封闭台阶，14——隐埋排水系统，15——预制支架，

16——挡土板，17——边坡泄水口，18——坡底排水沟；

图3是台阶预制结构和隐埋排水系统示意图， 图中标注符号的意义如下：

15——预制支架，16——挡土板，19——分层联系排水管，

20——支架内置排水斜孔， 21——透水罩盖板，22——内置排水孔接口。

具体实施方式：

金字塔堆筑工艺的主要建构筑物和底部结构大致如下：中央井塔用于硬集料的车载提升和软集料的管道输送，除物料提升设备外，井筒还要安设人行梯子间和电梯，安装排水、排气、压气管道和各种措施构件；底部中央机房位于中央井塔的井底周边，设置水仓、泵房、通风、压气、浆液加压泵、配电等设施；排渗群井位于中央井塔外围，环形布置，一般不少于8个，群井用于经济回填区的排渗、排水、监测和措施工程，也要预留马头门，安装人行电梯和相应辅助构件；底部通道是由中央井塔辐射状布置四条隧道通至场外，两条用于汽车运输，两条作为人行和措施通道。

金字塔堆筑工艺若用于处理城市垃圾项目，需增加的辅助基建项目有：固体垃圾堆场、垃圾粉碎车间、垃圾浆化车间、储浆池、硬集料混制车间、软集料混制车间、生产生活水池、除尘、通风辅助设施等；城市垃圾处理的大致工艺是：(1)粉料加工：采用三段一闭或四段一闭、阶段筛分工艺，末段一般用对辊式破碎，将无机固体废弃物粉碎至约-2mm，土石方废料要预先筛分，地下开挖泥质材料单独处理；(2)浆料加工：先用滚刀(锤)式粉碎机，对包装垃圾进行粉碎、解离；配水成稀浆，进入粗浆机打浆，粗浆机的旋转刀具宜钝化、坚硬，可将有害固体杂质(玻璃、陶瓷等)粉碎；稀浆经旋流器分选，剔除有害固体杂质，浆液浓缩后进入细浆机磨浆，加工至成品质量——约－50目；再次浓缩或压滤，浆液浓度提升到60-65％，即为成品浆料；(3)集料混掺配制：用计量装置，按不同配比，混掺配制硬集料和软集料。硬集料的固体粉料一般应筛分，剔除－0.075mm(200目)的粉细料，以适应作业平台碾压，使具备相应承载能力；硬集料固液比(质量比)一般在3.0以上，具体参数由现场实验确定；软集料固液比(质量比)一般在2.0以下，由浆体泵和管道输送能力确定。

中央井塔提升运输方法:井筒安装摩擦轮提升机和提升罐笼，大致按3.5m间隔留置双侧马头门，安装摇台，供汽车出入；嗣后井体掩埋段的马头门用钢筋混凝土封闭；马头门与中心小环形作业平台和平台运输通道的对接，可采用钢结构支架、预制混凝土构件、斜坡填筑等过渡性措施。

中心小环形作业平台和平台运输通道的构筑方法：用预制支架和挡土板支护小环形作业平台外边坡和运输通道的路堑边坡，分层回填、碾压，边坡支护高度可小于边坡梯田的台阶高度，边坡外嗣后回填防护斜坡。

分层排渗网络组连方法：分层排渗网络由分区排渗主管、排渗支管和排渗毛细管连接组成；毛细管是主要排渗体，支管和主管用于集流和排水。排渗毛细管分布间距宜控制为－5m；各种规格排渗管都是一种新型土工材料——塑胶盲排水(渗)管，它由内衬的立体塑胶网充填骨架和透水的土工布外套组合而成，管道具有良好的柔性和抗伸张强度，管道形体规格和外套土工布的渗透系数，可与厂家协商定制；中央井塔和外围排渗群井，构成多个排渗集水中心；由各集水中心向外，辐射状布置多个排渗分区；灌填或回填作业中，适当控制各集水中心与外围灌填区的表面高程，以保持适宜的排渗排水坡度；分区排渗主管与集水中心井壁外预留的排水管连接，将渗流水疏泄到井底水仓；排渗网络施工需加强质量管理，要确保连接可靠，谨防断接；各分区网络就位后，均要进行导通检验；分区主管与集水中心排水管的连接，要预估排渗网络伴随回填体发生的沉降幅度，预留沉降高度的做法是：届时Am高程面的排渗网络连接(A－h)m的预留排水管，参数h由测算和监测数据设定；此外，连接接口要采用柔性的、或者可伸缩的机制，以适应排渗网络的沉降变形；每分层排渗网络的连接排水管，在井壁内要设置‘U’型管和接口，用于监测排渗流量和应急负压抽气排渗；分区排渗网络一般要在大环形作业平台完成组合连接和支撑定型，然后索道牵引到经济回填区就位。

作业区临时措施工程：中央井塔和排渗群井的外井壁预埋稳风绳挂环；由于建设初期无外围填筑体支撑，高耸井塔易遭受强风危害，须挂设稳风绳；稳风绳规格、钩挂高度、预应力设置等由设计确定；当经济回填区采用管道灌填方式时，需在作业平台之间、排渗群井之间架设临时索道，辅助作业；金字塔外边坡各层梯田之间，分区域构筑用于人行和小型作业机械的道路，一般不设置汽车道路，以维护边坡生态环境；边坡绿化材料和其他材料的运输，采用另一项专利工艺《一种边坡工程物料运输系统》(证书号第1639333号/专利号ZL201310030607X)。

Claims (1)

1.固体废弃物金字塔堆筑工艺的技术改进，固体废弃物处理领域，现有国家规范倡导的技术、各种专利技术等许多种方法；但这些现有技术，在关键工艺措施、特别是边坡的立地生态环境构建和重要安全保障措施等方面，均存在一些重大缺陷；相比现有技术，本申请的主要技术特征如下：其一，实行大体量堆筑，以集约化运作实现最小土地占压、城市清洁美化和市政服务的而成本降低；同时，利用金字塔的高厚覆盖和广域纵深，对金字塔的特色底部空间综合开发，创立城市土地资源的空间立体层次、复合再生利用新模式；其二，对固体废弃物预分类、深处理，实行多元化填筑方式，实现固体废物的多功能、多范围、多种类受纳模式；比如：将城市不可回收垃圾分类为：可粉碎固体无机垃圾(建筑垃圾、城市渣土等)和可浆化有机垃圾(生活垃圾、厨余垃圾、污水过滤残渣、粪便等)两类；固体无机垃圾粉碎至适宜粒度称为粉料，有机生活垃圾浆化至适宜细度并浓缩成浆料，粉料与浆料混掺，浆料充填粉料空隙，可实现一定程度的体积减量；以不同混掺配比调制出两种集料：大固液比的、适于车载、碾压的称为硬集料，小固液比的、可高浓度管道输送称为软集料，或曰普通集料；硬集料经堆填、碾压、固化后力学性能和承载能力较好，用于构筑金字塔边坡防护体和作业平台，软集料可采用管道输送方式直接灌填到中部的经济回填区；对暂不能处理的有毒有害固体废弃物则实行封装回填，以消除社会公害；其三，彻底改变传统工艺的边坡立地条件，形成梯田式生态构造，造就城市小区域特色绿化环境；使金字塔工程不减少城市原有绿地或森林覆盖的总体面积，只是将平地绿化变革为立体绿化，形成一种新的生态模式；其四，彻底改变传统边坡的明渠流排水方式，彻底根治水土流失和水侵造成的边坡灾害；其五，采用刚性隔水排渗底板、边坡防护体独立排渗系统、经济回填区分层网络排渗、大阶段隔流截渗、多区域中心集水、应急情况负压吸滤排渗等，多元化排渗组构和多形式排渗方法，确保金字塔堆筑体的稳定脱水和安全固结沉降；其六，采用多元化监测方式，其中预埋监测标志物的监测方法，用于大体量堆筑体的内部监测，能保障金字塔地物的区域环境安全。