广东省某生活垃圾填埋场开挖前原位好氧稳定化工程应用分析

罗成成

关键词：非正规生活垃圾填埋场；原位好氧化稳定化；填埋气体组分；施工开挖

随着经济不断发展，城镇人口持续增长，生活垃圾产生量也在不断扩大。据统计，我国每年生活垃圾简易堆放量或处理量达到3.3×107 t，占用土地面积达到5.5×108 m2，全国非正规堆放点已超过3 000座[1]。非正规垃圾填埋场不仅占用了大量土地资源，产生的渗滤液还会污染土壤和地下水，一些城市甚至出现了垃圾围城的现象，严重制约了城市的可持续发展[2]。目前，针对存量填埋场的治理技术主要有原位规范封场、原位好氧稳定化、全量转运至异地处理及全量开挖筛分处理4种[3]。其中，全量开挖筛分处理技术是指先开挖填埋场存量垃圾，再通过振动筛、磁选及风选设备对垃圾进行筛分处理，按照筛分出的不同组分类型分别转运至不同的终端设施处理[4]。该技术虽然成本较高，但是可以实现对土地的再开发利用，并彻底消除环境污染风险。因垃圾填埋场中一般含有大量CH4、H2S、NH3等易燃易爆、有臭味的气体，如果贸然开挖，不仅可能在施工现场埋下较大的安全隐患，还可能对人体健康和周边环境产生较大的危害[5]。原位好氧稳定化技术具有稳定化效率高、处理周期短、运行成本低、有效减少填埋易燃异味气体等优点，开挖前一般会对垃圾进行原位好氧稳定化预处理，以提高施工安全性[4-6]。

本研究选取广东省东莞市某历史非正规填埋场进行了开挖前原位好氧稳定化预处理，研究了好氧系统运行过程中堆体温度、含水率及湿度、填埋气体组分的变化情况，并判断是否达到施工开挖要求，以期为同类型非正规填埋场开挖前原位好氧稳定化预处理的实施提供一定参考。

1 工程概况

项目地为广东省东莞市某历史非正规填埋场，堆存年限超过15年，场地总占地面积约为96 333 m2，总填埋量将近100万m3，现场分区域多处堆存，堆填物主要为生活垃圾、建筑垃圾及少量黏土。根据未来规划建设要求，需对其实施全量开挖筛分处理。本研究所述实施区为其中一处堆体，占地面积约为10 000 m2，最大填埋深度约为18.0 m，填埋方量约为13万m3，含水率在32.6%～44.3%，平均含水率为39.8%，有机质的质量分数在9.6%～16.1%，平均质量分数为12.6%。

2 工艺设计

2.1 工艺流程

原位好氧稳定化的基本原理是在垃圾堆体中布设注气井和抽气井，分别利用高压正压风机、负压风机向堆体中注入空气及抽提填埋气，必要时向堆体中回灌液体，在适宜的温度、湿度、含水率、O2浓度等条件下，堆体垃圾中的有机物在好氧微生物的作用下快速降解，可大幅缩短垃圾降解的時间，且使堆体中气体污染物浓度大幅度降低，消除环境污染风险，最终使堆体达到稳定状态[7-8]。好氧稳定化的本质是利用好氧微生物降解垃圾中有机物的生化过程，微生物将可降解有机物降解转化为简单的小分子物质，将难降解有机物部分降解，最终形成成分复杂的腐殖质[4]。

2.2 系统设计

注气井设计的影响半径为17.0 m，井间距为29.4 m，采用正三角形井网布设，抽气井位于注气井组成的正三角网中心，注气井与抽气井交叉分布，共设置15口注气井、12口抽气井。井管采用DN110的硬聚氯乙烯（Unplasticized PolyvinylChloride，UPVC）管，深度为8.0 m，其中6.0 m开筛。注气系统配置一套风量为50 m3/min的鼓风机，风压为50 kPa；填埋气抽提系统配置一套风量为50 m3/min的离心引风机，风压为﹣50 kPa。注气系统中配置1个气体换热器与鼓风机配套相连，以保证注气管道气体的温度不高于60.0 ℃。填埋气抽提系统中引风机前连接1个气液分离器，进行气液分离后再接入处理能力为10 000 m3/h的生物滴滤池，以保证尾气处理后达标排放。在系统运行过程中，气液分离器中分离出的渗滤液视堆体含水率情况选择部分或者全部回灌至垃圾堆体中，其余部分抽提至场地现有垃圾渗滤液处理站处理。好氧系统运行过程中采用间歇注气方法，每天运行12 h，注气3 h停歇3 h。

2.3 监测系统

监测系统主要包括温湿度监测、气体成分监测及现场取样监测。实施区网格化布设6个综合监测井，深度为8.0 m，每个监测井地下4.0～5.0 m设置1套温度、湿度、CH4、H2S、O2、CO2传感器。同时，网格化设置6个堆体含水率监测点位，取样深度为4.0～5.0 m。

2.4 系统运行

实施区系统一共运行66 d，运行时间为2022年10月至2022年12月。其中，系统运行36 d后停工至第45 d，间歇10 d，以观察堆体填埋气中气体成分的反弹情况，再从第46 d继续运行至第66 d，继续观察气体成分含量变化情况，判断是否满足开挖要求。

2.5 运行目标

稳定化的评价指标参考《生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求》（GB/T 25179—2010）中填埋场场地稳定化后中度利用的判定要求，即填埋气甲烷质量分数在1.0%～5.0%的要求，且要求堆体中无明显臭味。

3 运行效果分析

3.1 垃圾堆体温度变化

垃圾堆体温度的高低反映了好氧反应进行的程度，好氧系统运行过程中温度的变化情况如图1所示。初始平均温度为30.2 ℃，好氧系统启动运行后，在0～14 d内快速上升，最高上升至43.5 ℃，在第36～45 d间隔停歇10 d期间，温度有一定降幅，第46 d好氧系统重新启动运行后，温度有所上升并在第66 d稳定在41.5 ℃左右。在好氧系统运行过程中，堆体温度的上升主要是因为垃圾中的有机成分发生好氧反应时会产生一定热量，同时温度的升高会导致耐高温的细菌大量繁殖，加快生化反应的速度，当可降解有机组分基本降解成稳定的腐殖质时，产热随之停止，温度也趋于稳定[9]。一般好氧反应比较适宜的温度是40.0～60.0 ℃，若温度低于15.0 ℃或高于70.0 ℃，好氧微生物会进入休眠状态或者出现死亡现象，好氧降解反应会变得缓慢甚至停止[10]。

3.2 垃圾堆体含水率与相对湿度变化

含水率和空气相对湿度是保证垃圾堆体好氧反应运行的基本条件和重要因素。从图2可知，好氧系统运行7 d后，平均相对湿度从90.1%降至87.3%，平均含水率从39.8%降至37.5%，主要是因為向堆体中注入大量相对湿度较低的空气及抽提填埋气体带走了一定的水分。之后相对湿度一直稳定在86.6%～88.4%，堆体含水率一直徘徊在39.2%～40.8%，主要是因为在好氧系统运行过程中不断向堆体回灌渗滤液和其他液体中的水分，以维持堆体好氧反应的含水率及相对湿度条件。一般垃圾堆体的含水率对好氧生化反应影响较大，含水率过低会影响好氧微生物的繁殖，含水率过高会导致堆体内部空隙被水充满，形成厌氧环境，含水率一般控制在40.0%～50.0%最为适宜[11]。本项目实施区堆体含水率维持在40.0%左右，不仅给堆体的好氧反应提供了相对适宜的含水率条件，也保证了注入空气和填埋气体在堆体中的有效迁移扩散，并节约了水资源。

3.3 填埋气体成分变化

好氧反应只能在有氧的环境中发生，因此，只有提高堆体环境中O2的浓度，才能激发好氧微生物的活性，促进好氧反应的发生。在好氧系统运行过程中，CH4、CO2、O2、H2S的平均质量分数变化如图3所示。好氧系统启动后，O2、CO2质量分数在14 d内快速上升，分别达到10.9%、17.3%。其中，O2质量分数已经接近正常空气中20.0%的水平，但CH4质量分数从开始的10.5%降至28 d时的3.8%，H2S质量分数从开始的10.2×10-6降至35 d时0.1×10-6，说明注入新鲜空气后，堆体从厌氧环境转变为好氧环境，垃圾中的可降解成分发生大量好氧降解反应，生成稳定的有机物、无机物、CO2和H2O，取代了厌氧反应的CH4、H2S等[12]。一般垃圾填埋场中好氧反应的适宜O2质量分数为16.0%～21.0%，当O2质量分数低于10.0%时，好氧反应会受到严重抑制[13]。

好氧系统运行35 d后停歇10 d，其间CH4、H2S的质量分数均有所反弹，分别从2.0%、0.1×10-6上升至3.2%、0.3×10-6，但变化幅度不大，反弹现象的出现说明了堆体中可生物降解的有机成分未完全降解，好氧稳定化需继续运行。

好氧系统第46 d重新启动运行至第66 d期间，CH4质量分数继续下降并维持在1.5%左右，H2S质量分数继续下降并稳定在0.1×10-6左右，而CO2、O2质量分数均有所上升，分别维持在8.4%和19.2%左右。

好氧系统运行66 d后，CH4质量分数已经明显低于5.0%，且H2S质量分数已经趋于0，短时间内CH4、H2S质量分数不会发生明显变化且处于相对稳定状态，说明堆体的好氧稳定化预处理达到了运行目标，可满足短期施工开挖要求。

4 结论

本研究选取广东省东莞市某历史非正规填埋场进行了开挖前原位好氧稳定化预处理，得到以下结论：

（1）在好氧系统运行过程中，堆体中可降解的有机组分因好氧反应产生一定热量，导致堆体温度上升并逐渐趋于稳定。

（2）通过抽提的渗滤液及其他液体及时回灌堆体，可保证堆体处在适宜的含水率及相对湿度条件下，以加快好氧反应的降解速度。

（3）好氧系统运行66 d后，CH4平均质量分数明显低于5.0%，且H2S平均质量分数趋于0，短时间内CH4、H2S质量分数趋于稳定且不会发生明显变化，达到运行目标，可满足施工开挖要求。