非正规垃圾堆放点垃圾质量及筛分产物比例精准勘测方法研究

黄楚雨，韩 华，康敏娟，李厚恩

（1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2.北京市环境岩土工程技术研究中心，北京100038）

1 引言

利用自然形成或人工开挖而成的砂石坑、河道、凹地等成为城市生活垃圾、建筑垃圾集中填埋的场地，这类场地没有完善的防渗、气体导排、渗滤液导排及环境保护与监测等设施，填埋操作和垃圾堆体形状也不规范，被称为非正规垃圾堆放点［1］。随着经济的发展以及城市化的进程，垃圾的快速增长与垃圾处理能力低下所产生的矛盾日益凸显，导致了大量非正规垃圾堆放点的出现。目前，加强环境保护力度、加快非正规垃圾堆放点治理、防止城市居住环境恶化等工作，逐渐成为各级政府关注的一项重要发展战略。对非正规垃圾堆放点的治理修复不仅可以改善城市环境，为城市发展提供更多的土地资源和环境容量，还可以消除土壤及地下水的污染风险［2］。

近年来非正规垃圾堆放点治理技术也正从简单封场、搬迁等粗放式治理向筛分综合利用等精细化治理方向转变。就筛分治理技术而言，一般将垃圾筛分产物分为轻质筛上物、腐殖土以及无机骨料［3-4］；其中轻质筛上物因其可燃组分较高，可以实现焚烧或制备RDF 等治理工艺［5］；腐殖土可以应用于绿化或参与水泥窑协同处置［6-7］；而以建筑垃圾为主的无机骨料则在建筑施工领域有广泛的应用空间。因此，为实现非正规垃圾堆放点垃圾的治理方案设计、治理费用估算、资源化前景以及减量化规模的估计，首先要对垃圾的体量、质量及其成分比例（指3 类筛分产物比例，下同）进行准确的测算。

目前主要通过钻探的方式对非正规垃圾堆放点中的垃圾体进行勘查，通过Surfer 软件的曲面建模功能或采用DTM 土方测量方法结合地形测绘成果来计算垃圾体量，并通过对垃圾土样的室内分析得出垃圾整体的成分情况［8］。但就垃圾堆体质量及其成分比例的测算而言，传统的钻探及室内分析方法存在一定的局限性：①钻探的实施场地有限，非正规垃圾堆放点大多不仅存在地下填埋的垃圾堆体，还存在地表不规则堆放的垃圾堆体，往往缺乏钻探条件；②通过钻探获得的垃圾样品体量较小，关于其混合垃圾成分的室内分析结果精度较低，不具有普遍性；③在钻探过程中，垃圾体可能存在一定程度的挤压，导致密度计算不能准确地还原其实际填埋情况；因此该方法在应用于实际工程时效果往往不尽如人意。

此外，对于各类垃圾填埋场中垃圾成分占比的研究，目前国内外多局限于生活垃圾填埋场等正规填埋场［9］，而非正规垃圾堆放点中垃圾堆体性质不一、堆放散乱、缺乏统一规律，少有关于其中垃圾成分比例的数据参考。对于非正规垃圾堆放点治理的前期勘察工作而言，混合垃圾的成分测算是一项难点。本研究依托北京市大兴区9处非正规垃圾堆放点垃圾质量勘测项目的具体工作，旨在克服传统钻探与室内分析方法的局限性，对混合垃圾堆体密度和成分比例的分析方法进行进一步探讨，并以该9 处垃圾堆放点为样本，提出具有参考价值的密度与比例数据。

2 材料与方法

2.1 垃圾堆体密度及质量测算

2.1.1 垃圾平均密度测算

平均密度是垃圾堆体的一项重要物理性质指标。在传统方法中，通过对钻探采取的垃圾样品进行室内分析而得到的垃圾土密度因其松散程度的改变而缺乏实际应用中的参考价值，对于混合垃圾堆体而言，室内测定结果与现场实际情况的差距尤其明显。因此，现场开展密度试验，在结合地形测绘成果并采用DTM 土方测量方法得到垃圾堆体总方量的情况下，可获得其总质量，从而为后续3 类垃圾成分的比例测算奠定基础。

混合垃圾堆体往往是在一定的时间内因个人或单位的垃圾倾倒堆放而逐步形成的，在空间上具有明显的不均匀性。为得到准确的混合垃圾堆体的平均密度，需要在每个堆体上选取若干代表性点位，使用XCMG XE215c 履带式挖掘机（铲斗容量1.0 m3） 在每处挖掘定量垃圾，将其混合成一个试验样品并称量，根据密度公式计算得到该堆体垃圾的平均密度。根据DB 11/1311—2015 污染场地勘察规范，勘探点间距宜为40～100 m。具体点位数量和位置需要依据现场堆体的规模以及垃圾的均匀性而定，如堆体某处生活垃圾居多或是建筑垃圾居多，也应酌情选取。总体而言，需要在上述规范的基础上，结合实际情况综合考虑布点数量与位置。

2.1.2 垃圾堆体质量计算

根据垃圾堆体的体量与2.1.1 中计算得到的平均密度可得到混合垃圾堆体的总质量。因挖掘机或铲车等挖掘机械可以尽可能地使垃圾的堆积形式保持原状，因此通过上述现场密度试验计算得到的垃圾堆体密度和质量在实际工程应用中具有较好的参考价值，其计算结果的准确性有利于确保后续垃圾成分比例分析结果的可靠性，同时在涉及到运输与筛分规模的估算时也具有重大意义。

2.2 混合垃圾成分比例分析

根据《北京市市政市容管理委员会关于印发北京市非正规垃圾填埋场筛分治理工程施工要求及监管办法的通知》，筛后物应分为轻质筛上物、粒径＞20 mm 的无机骨料和粒径＜20 mm 的腐殖土，因此本研究拟采用20 mm 作为腐殖土的筛分粒径，100 mm 作为轻质筛上物的筛分粒径［10］。

2.2.1 垃圾筛分中试试验

针对混合垃圾堆体开展现场垃圾筛分中试试验。使用XCMG XE215c 履带式挖掘机在某一混合垃圾堆体处选取3 个代表性点位（可与2.1.1中密度试验点位一致），定量采集3 m3试验用垃圾样品。

在保证精度的基础上，出于经济性的考虑，本试验利用100 mm×100 mm 的车载木质筛网对垃圾体进行初步筛分，并对筛上物进行大骨料与柔性轻质物的人工拣选，本级筛下物为小骨料、腐殖土以及较小的轻质垃圾（塑料制品、小块布料等）；之后利用20 mm×20 mm 不锈钢筛网进行第二级筛分，并辅以人工拣选，得到粒径＜20 mm 的腐殖土，＞20 mm 的无机骨料（主要为水泥、块石、砖瓦等建筑垃圾） 以及粒径在20～100 mm 的轻质筛上物（主要为塑料、木竹、织物等生活垃圾）。将上述两级筛分产物按类别混合后，分别称量，得到3 类筛分产物的质量及其占试验样品的质量比例。筛分试验现场照片见图1。

图1 筛分试验现场照片

2.2.2 试验结果分析

经过垃圾筛分中试试验，可以得到垃圾试样中各类垃圾成分的质量比例，从而推知整个混合垃圾堆体的垃圾成分质量比例。

式中：m 为垃圾样品质量，kg；mg为垃圾样品中无机骨料的质量，kg；mt为垃圾样品中腐殖土的质量，kg；ms为垃圾样品中轻质筛上物的质量，kg；ng为垃圾样品中无机骨料的质量比例；nt为垃圾样品中腐殖土的质量比例；ns为垃圾样品中轻质筛上物的质量比例。

由于上述垃圾试验样品来自同一混合垃圾堆体的3 处代表性点位，关于其成分分析较之传统的钻孔采样分析具有更高的准确性与代表性。此外，根据垃圾堆放点的现场具体情况，可以酌情增减垃圾样品的体量。如果混合垃圾堆体混合均匀、粒径较小，亦可采用小规模的筛分试验，人工采取小体量的垃圾样品进行筛分、称量与分析。

2.3 工程实例背景介绍

本研究依托北京市大兴区9 处非正规垃圾堆放点垃圾质量勘测项目。现以其中的垃圾堆放点A为例，探讨上述垃圾密度及成分比例测算方法的具体实施。并结合9 处非正规垃圾堆放点的测算成果，提出混合垃圾堆体的平均密度及筛分产物比例的参考范围。

垃圾堆放点A 勘测范围内垃圾堆体面积约为3 721 m2，垃圾最大堆高约8.60 m。该处堆放点堆放混合垃圾，主要由建筑垃圾（大块混凝土块、砖块、陶瓷等）、土类和生活垃圾（主要含塑料、织物、橡胶等） 组成。通过测绘和计算得到混合垃圾堆体体积为16 869 m3，堆体照片见图2。

图2 垃圾堆放点A

3 结果与讨论

3.1 混合垃圾堆体密度及质量测算成果

在垃圾堆放点A 的勘测范围内，针对混合垃圾堆体，选取3 处点位，点位平面位置示意见图3。利用挖掘机挖掘总计为3 m3的垃圾样品，针对采集的3 m3垃圾样品进行称量得到垃圾样品总质量4.019 t。根据2.1 所述计算得到该混合垃圾堆体的垃圾平均密度1.340 t/m3，垃圾总质量约22 599 t。

图3 垃圾试验采样点位平面位置示意

3.2 垃圾成分测算成果

现场开展垃圾成分筛分试验，使用上述3 m3垃圾样品利用100 mm×100 mm 和20 mm×20 mm的筛子进行二级筛分，得到3 类筛分产物的质量比例，从而得到混合垃圾堆体中各类垃圾的质量。结果见表1。

表1 筛分试验数据分析

结合现场情况与试验测算成果可知，大兴区非正规垃圾堆放点A 混合垃圾堆体中的轻质筛上物多为塑料、织物制品等，密度较低，占比最小，为4.65%；腐殖土因其粒径小，堆放密实，密度较大，其质量占混合垃圾堆体总质量的62.63%；而无机骨料虽多为大块混凝土及砖块等高密度建材，但因其体量不大，堆放松散，所占比例低于腐殖土。

3.3 混合垃圾堆体平均密度及筛分产物比例参考范围

结合大兴区9 处非正规垃圾堆放点的现场情况和勘测成果，可将其中涉及的混合垃圾堆体分为两类：第1 类是含生活垃圾较多的混合垃圾堆体，如垃圾堆放点D 内的混合垃圾堆体，见图4（a）；第2 类是含生活垃圾相对较少、以建筑垃圾为主的混合垃圾堆体，如垃圾堆放点I，见图4（b）。表2 中展示的是大兴区9 处垃圾堆放点中共10 处典型混合垃圾堆体的分类、堆体平均密度以及筛分产物比例。

图4 混合垃圾堆体

表2 大兴区9 处非正规垃圾堆放点混合垃圾堆体平均密度及筛分产物比例

第1 类混合垃圾堆体的轻质筛上物平均比例为8.10%，除垃圾堆放点A 外，其平均密度的均值为0.680 t/m3，离散程度较低。显然，大部分第1 类混合垃圾堆体因为存在相对大量的生活垃圾，以较小的质量占据了较大的体量，且影响了垃圾的堆积方式，从而降低了堆体的平均密度。垃圾堆放点A 因存在大量腐殖土（超过60%），砖瓦和生活垃圾间的空隙被其填充，堆积十分密实，故其平均密度远远高出其他第1 类混合垃圾堆体，本研究不将其纳入第1 类混合垃圾堆体的平均值与标准差计算样本中，其堆体照片见图5。第2 类混合垃圾中的轻质筛上物比例仅1.04%～2.10%，其平均密度也较高，在1.254～1.301 t/m3。

图5 垃圾堆放点A 内混合垃圾堆体

显然，混合垃圾堆体的密度与其轻质筛上物的含量有较好的负相关关系，同时也受到腐殖土含量的影响。因此，在此类项目中，可以根据现场踏勘情况与堆体性状，对混合垃圾堆体的平均密度以及成分比例进行初步判断。例如，含有较多生活垃圾且外观上无大量腐殖土的混合垃圾堆体，基本可以判定其密度在（0.680±0.070） t/m3的范围内。这为实际勘测工作的设计与验证起到一定的辅助作用。

4 结论

1） 采用现场中试筛分与密度试验可更精准地得到混合垃圾的密度、质量以及成分比例数据。在混合垃圾堆体勘测过程中，可将混合垃圾堆体划分为第1 类混合垃圾堆体（含较多生活垃圾）和第2 类混合垃圾堆体（以建筑垃圾为主，夹杂少量生活垃圾）；一般而言，第1 类混合垃圾堆体的平均密度为0.534～0.750 t/m3，轻质筛上物比例为4.00%～12.90%；第2 类混合垃圾堆体的平均密度为1.254～1.301 t/m3，轻质筛上物比例为1.04%～2.10%；轻质筛上物比例越低，垃圾堆体的平均密度越大。同时，考虑当腐殖土填充垃圾空隙时，往往造成垃圾堆体密度增加，因此腐殖土含量也对垃圾堆体的平均密度具有一定程度的影响。

2） 开展现场中试筛分试验和密度试验克服了传统钻探方法中采样代表性不足、不具有普遍性以及工程应用效果不佳等问题，提高了混合垃圾筛分产物比例的测算精度，同时该方法对于地表堆放的不均匀混合垃圾堆体也具有更好的适用性。

3） 非正规垃圾堆放点中垃圾堆体性质不一、堆放散乱、缺乏统一规律，目前国内外缺乏关于其垃圾成分比例的相关研究。本研究提出的精准勘测方法与混合垃圾密度及筛分产物比例经验参考值，对非正规垃圾堆放点筛分治理工程设计具有重要的借鉴和参考价值，也为今后类似工程的垃圾堆体勘测和成果验证提供了方法和借鉴。