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好文推薦 | 國外生活垃圾填埋場開采技術(shù)與管理

分類:固廢觀察    發(fā)布時間:2022年4月3日 12:56    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:

生活垃圾填埋場(以下簡稱“填埋場”)開采是指從填埋場挖掘已處置過的垃圾,以回收金屬、玻璃、塑料、其他可燃物、土壤,或拓展填埋場容積,或?qū)崿F(xiàn)填埋場土地再生利用的過程。1953年,以色列成為世界上最早實(shí)施填埋場開采的國家,它將挖掘出的垃圾用于果園施肥。20世紀(jì)90年代以來,各國對填埋場開采的關(guān)注度不斷增加。


一、引言

1986年,美國首次對科利爾縣那不勒斯填埋場實(shí)施開采。主要原因有以下幾點(diǎn):一是解決地下水污染問題;二是為未來的填埋活動創(chuàng)造新的容量;三是通過減少填埋區(qū)的占地面積來降低封場成本;四是回收可循環(huán)利用的物料(尤其是金屬),為開采工程提供額外的收入來源;五是將開采的垃圾作為焚燒發(fā)電廠的原料用于發(fā)電。截至2009年,美國已經(jīng)開采垃圾填埋場項(xiàng)目32個。


2003年,日本制定了《循環(huán)型社會推進(jìn)基本規(guī)劃》,確定了未來填埋場的基本方針,即建設(shè)廣域垃圾填埋場,通過對填埋垃圾進(jìn)行資源化再利用、實(shí)現(xiàn)減量化,延長現(xiàn)有填埋場的使用壽命。由于日本鼓勵源頭減量和循環(huán)利用,其直接填埋的原生垃圾比例很小,再循環(huán)利用率較高,剩余垃圾焚燒后大大縮減了最終填埋量,所以,日本填埋場開采主要用于現(xiàn)有填埋場擴(kuò)容,延長填埋場的填埋時間。為規(guī)范改變填埋場土地形態(tài)的開采行為,2005年,日本又制定了《垃圾填埋場土地形態(tài)改變實(shí)施指南》,對前期調(diào)查、開采、環(huán)境監(jiān)測及環(huán)保措施都進(jìn)行了具體的規(guī)定,讓開采行為有規(guī)范可依。


隨著環(huán)境問題的增加,填埋場申請場址十分困難,以及庫容的逐年縮小,近幾年,英國已經(jīng)開始重視垃圾填埋場的開采問題,并在2014年加入了該年成立的“歐洲增強(qiáng)型土地采礦聯(lián)盟”。該組織先提出了填埋場開采后土地利用需要及技術(shù)實(shí)現(xiàn),后又提出了強(qiáng)化垃圾開采概念,即用創(chuàng)新的轉(zhuǎn)化技術(shù),并遵守最嚴(yán)格的社會和生態(tài)標(biāo)準(zhǔn),對填埋垃圾進(jìn)行安全調(diào)節(jié)、挖掘和綜合估價。這一理念的重點(diǎn)在于,最大限度地回收垃圾,希望能形成資源再利用的閉環(huán),并最大限度地使用恢復(fù)后的土地。


二、開采的工藝

依據(jù)Jones等人2013年提出的強(qiáng)化填埋開采理念,垃圾填埋場可被視為垃圾的臨時儲存地,其側(cè)重于最大限度地將垃圾填埋場和垃圾轉(zhuǎn)化為可利用的二次材料(WtM)、能源(WtE)和可再利用的土地(WtL)。20世紀(jì)50年代至90年代中期,運(yùn)行的填埋場被確定為最適合開采的填埋場,因?yàn)檫@些填埋場的垃圾都為原生垃圾,所含有的金屬和可燃材料較多。在對儲存的垃圾進(jìn)行篩選和分離后,金屬和建筑垃圾可以再利用,類土材料可以作為有機(jī)肥料施用到綠地和花園,高熱值的材料可以通過垃圾轉(zhuǎn)化能源技術(shù)(如焚燒、氣化、熱解、等離子體技術(shù)、組合)進(jìn)行處理,以實(shí)現(xiàn)能量價值化和材料回收。具體開采流程如圖1。


美國填埋場開采通常包括三項(xiàng)基本作業(yè):挖掘垃圾、處理挖掘出的垃圾,以及管理挖掘出的或處理過的垃圾。


對挖掘出的垃圾進(jìn)行處理,以達(dá)到幾個目標(biāo),包括:分離出大件垃圾,對有害垃圾和其他未確定的垃圾進(jìn)行區(qū)分,從垃圾中篩選土壤,并將垃圾分類以供回收或用作焚燒原料。圖2為美國填埋場開采工藝流程圖。


日本垃圾填埋場擴(kuò)容的方法主要有兩種,一種是挖掘分選法,即將填埋的垃圾挖掘出來后進(jìn)行篩選再利用;第二種是壓縮擴(kuò)容法,即將已填埋的垃圾進(jìn)行壓實(shí)處理。主要使用無排土孔壁壓實(shí)法(TLT法)。


東京都西秋川環(huán)衛(wèi)中心為了實(shí)現(xiàn)填埋場的擴(kuò)容,延長填埋場的使用壽命,對已填埋垃圾進(jìn)行挖掘分選。先通過人工分選出大塊異物(金屬、磚瓦等),再使用粒徑50毫米的振動篩分選出灰土類,剩余的塑料類、可燃物連同灰土類一起運(yùn)送到焚燒廠處理。產(chǎn)生的細(xì)小灰分會隨同排出的氣體進(jìn)入熔融爐,生成熔渣。大塊的灰分沉入爐底,進(jìn)行分級后回收其中的鐵分、鋁分,剩余的不可燃物經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后送到熔融爐,也生成熔渣。最終,鐵分、鋁分、熔渣將作為有價物品被循環(huán)再利用。


三、開采的實(shí)施

(一)開采垃圾篩分

美國最常用的兩種機(jī)械篩選設(shè)備是滾筒篩和振動篩。1991年,美國學(xué)者墨菲和斯特塞爾評估了美國科利爾縣那不勒斯填埋場開采項(xiàng)目中不同篩選設(shè)備的性能后認(rèn)為,滾筒篩操作問題較少,性能更好。在1992年紐約愛丁堡鎮(zhèn)填埋場開采項(xiàng)目中,對兩種振動篩和一種滾筒篩的性能進(jìn)行了評價,結(jié)論認(rèn)為,滾筒篩比振動篩更高效。通常,振動篩比滾筒篩有更多的殘留物。


回收土壤的最終用途不同,所采用的篩孔尺寸也不同。如果將回收的土壤用作填埋區(qū)的日常覆蓋物,則可使用較大尺寸的篩網(wǎng)。如果需要質(zhì)量更好的土壤(如用于場外施用),則應(yīng)使用較小尺寸的篩網(wǎng)。能夠通過1英寸篩孔的物質(zhì)主要是土壤、玻璃碎片和可分解的有機(jī)物,能夠通過3英寸篩孔的物質(zhì)主要是土壤、紙片和薄膜塑料。美國那不勒斯填埋場開采項(xiàng)目使用了3英寸的篩孔,回收的土壤用作每日的現(xiàn)場覆蓋物。愛丁堡鎮(zhèn)填埋場開采項(xiàng)目則使用了1英寸的篩孔,回收的土壤主要用于場外施用??寺寰S斯市填埋場開采項(xiàng)目使用了2英寸的篩孔,埃斯坎比亞縣佩爾迪多填埋場則同時使用了1英寸和3英寸的篩孔。


日本挖掘分選法用反鏟挖掘機(jī)等設(shè)備挖出來的垃圾,首先進(jìn)行粗選分類,把里面的大件垃圾、危險物分選出去。其次進(jìn)行機(jī)械分選,使用滾筒篩、振動篩等機(jī)械設(shè)備按粒徑大小分級分類。然后進(jìn)行人工分選及磁選,即人工分選出巖石和混凝土塊,使用磁選設(shè)備分選出金屬類。再進(jìn)行破碎,巖石和混凝土塊經(jīng)破碎后調(diào)整粒度,從而實(shí)現(xiàn)有效利用。其他垃圾可以根據(jù)需要進(jìn)行破碎,實(shí)現(xiàn)填埋場的減容。最后,對可燃物等進(jìn)行壓縮捆包,安全送到焚燒廠進(jìn)行焚燒處理。


德國使用挖掘機(jī)對3米厚的覆土層的固體垃圾進(jìn)行開采。一般固體垃圾通過孔徑為60毫米的滾筒篩。大件垃圾在放置于滾筒篩上之前被粉碎。在滾筒篩之后,形成了粒度在0到60毫米之間的部分。用滾筒篩進(jìn)一步篩分,產(chǎn)生了粒度在0到20毫米之間的細(xì)顆粒垃圾和粒度在20到60毫米之間的部分。小于20毫米的細(xì)顆粒垃圾回填到填埋場,用作覆蓋材料。20到60毫米的部分回填到填埋場,用作填埋場的排水層。德國挖掘垃圾篩分工藝見圖3。


在英國伯克希爾雷丁案例中,開采填埋場時使用了可360°旋轉(zhuǎn)的挖掘機(jī)選擇性挖掘垃圾。其原理是,首先根據(jù)目視去除較大尺寸的垃圾,然后將垃圾送入三路振動篩分機(jī),根據(jù)尺寸分離垃圾。篩分機(jī)輸出細(xì)粒物料垃圾(通過40毫米孔徑篩板的物料垃圾)、中等物料垃圾(未通過40毫米孔徑篩板的物料垃圾,但通過100毫米間隔的物料垃圾)和大物料垃圾(未通過100毫米篩板的物料垃圾)。對大型材料進(jìn)行高速吹氣以去除輕質(zhì)塑料,并通過人工挑選去除視覺上不合適的垃圾(木材、紡織品、紙/卡片等)。


(二)開采垃圾的組分

通常,美國填埋場垃圾的組成為:50%~60%重量的土壤、已降解的有機(jī)垃圾,20%~30%重量的可燃物(如塑料、紙和木材),10%重量的無機(jī)材料(如混凝土、石頭和玻璃)和少量重量的金屬(主要是黑色金屬)。將填埋場垃圾進(jìn)行篩選后,根據(jù)組分、處理程度和用途的不同,對大尺寸垃圾(土壤除外)進(jìn)行不同形式的管理。通常,除金屬可以進(jìn)行回收再利用外,其他開采出的垃圾,如塑料,將被用作焚燒發(fā)電廠的原料,剩余的無法再利用的大尺寸垃圾再作衛(wèi)生填埋處理。


美國的幾項(xiàng)研究報告對從填埋場開采出的垃圾的組分進(jìn)行了分析,報告數(shù)據(jù)顯示,土壤和已降解的有機(jī)垃圾約占開采垃圾的50%~87%重量。開采出的土壤主要以兩種方式進(jìn)行再利用,一是在填埋場內(nèi)用作每日和中間覆蓋物,二是在填埋場外用作建筑填料。其他末端用途將取決于現(xiàn)有需求、土壤質(zhì)量和再利用的監(jiān)管框架。


德國從填埋場中挖出的陳舊固體垃圾中,60%~70%的重量部分一般都是由小于40毫米的細(xì)顆粒垃圾組成的。在東德之前的填埋場中,由于飛灰成分高,所以小于40毫米的細(xì)顆粒垃圾比例通常更高。粗顆粒垃圾中,輕型和重型部分約各占一半。輕型部分主要是塑料薄膜、塑料復(fù)合材料、紡織品等,重型部分則是建筑垃圾、金屬、木材等。填埋場中很少出現(xiàn)有害物質(zhì)。在以往的填埋場開采中,有害物質(zhì)含量一般為0.05%~0.2%,主要為鉛蓄能器、電子固體垃圾和濾油器等。細(xì)顆粒垃圾及粗顆粒重型成分垃圾可以進(jìn)行高密度填埋。這兩種成分也可用作填埋場地基密封區(qū)內(nèi)的填埋建筑材料,例如將細(xì)顆粒垃圾填充在邊緣大壩或地表密封下的平衡層里,粗顆粒重型成分則可用作道路施工材料。


2013年,英國克蘭菲爾德大學(xué)教授從英國7個垃圾填埋場通過鉆探方式,獲得了95份城市固體垃圾樣本,用于研究英國填埋場垃圾組分。他在對垃圾進(jìn)行篩選和手工分揀后,將其分為塑料、紙張和細(xì)粉(園林和食品垃圾)、紡織品、玻璃和金屬。結(jié)果顯示,除有機(jī)物垃圾最多外,7個填埋場還含有大量的塑料制品。這是由于多年前生活垃圾不分類,直接用于填埋,而上世紀(jì)塑料制品盛行,特別是塑料包裝物使用最多,且當(dāng)時生產(chǎn)的塑料屬于不可降解類。所以,廢塑料的管理是開采過程需要解決的關(guān)鍵問題之一。


四、開采的環(huán)境管理

(一)氣體和氣味排放管理

美國一般通過在較涼爽的冬季進(jìn)行作業(yè)來減少臭味產(chǎn)生,或使用氣體抽取系統(tǒng),及建立氣體濃度行動等級,規(guī)定達(dá)到監(jiān)測限值時必須停止工作并處理問題。

在日本,施工前需設(shè)置排氣管釋放氣體,在鉆孔調(diào)查時檢測甲烷氣體的情況。在施工期間,使用氣體檢測管定期檢查氣體產(chǎn)生情況。還可定期噴灑除臭劑,及時覆土或噴涂發(fā)泡劑,或用布覆蓋垃圾層以防止散發(fā)異味。

德國使用的氣味穩(wěn)定系統(tǒng)很有效,即一種混合的通風(fēng)和吸氣系統(tǒng)。


(二)雨水和滲濾液管理

美國大多數(shù)開采項(xiàng)目都實(shí)施了雨水導(dǎo)流措施。另外,在給定的方向挖掘垃圾,以盡量減少因雨水而產(chǎn)生的滲濾液,并使用圍堰防止?jié)B濾液流出填埋場區(qū)域。

在日本,挖掘無滲濾液處理設(shè)施的填埋場時,可在填埋場四周設(shè)置防水墻,防止漏水,同時設(shè)置收集排水設(shè)施和滲濾液處理設(shè)施,對滲濾液進(jìn)行凈化處理,符合標(biāo)準(zhǔn)后再排放。


(三)灰塵和殘?jiān)芾?

因?yàn)橥诰蚶谠S多情況下是潮濕的,灰塵和飄散垃圾問題微乎其微。美國一般使用灑水車在填埋場開采區(qū)域周圍噴水控制揚(yáng)塵,還可以使用灰塵控制裝置或移動式圍欄。

日本認(rèn)為灑水是一種簡單的防塵措施,但存在滲濾液增多的問題,因此需要“定期檢查水質(zhì)”和“加強(qiáng)污水處理設(shè)施”??稍谝苿邮綆づ裰凶鳂I(yè)或用苫布等覆蓋整個垃圾層,以防止灰塵飛散和雨水進(jìn)入,同時還能防止噪音。


五、開采的成本管理

美國11個填埋場開采項(xiàng)目的開采垃圾量和開采費(fèi)用情況是,單座填埋場的開采垃圾量約為4~161萬立方米,單座填埋場的開采費(fèi)用約為2.94~11.51美元/立方米。


日本的情況,以仙南焚燒灰渣及不可燃?xì)堅(jiān)盥駡鰹槔?,新建填埋場所需費(fèi)用為66.8億日元,開采擴(kuò)容所需費(fèi)用為63.2億日元,后者在經(jīng)濟(jì)性方面更有優(yōu)勢。


在德國,根據(jù)相關(guān)填埋場開采經(jīng)驗(yàn),每1立方米填埋場的開采費(fèi)用至少約為13歐元。此外,有些費(fèi)用取決于地點(diǎn)要素,即回收輕型成分和修復(fù)裸露的填埋場底部的費(fèi)用,因此無法一次性計算出總開采費(fèi)用。雖然固體垃圾的挖掘和回填費(fèi)用只需要4~5歐元/立方米,但只有當(dāng)總的處理費(fèi)用低于15~20歐元/立方米,才能證明全部開采從經(jīng)濟(jì)上是可行的。



素材來源于雜志2022年第1期(84-87頁碼),作者:榮榮,北京市城市管理研究院、生活垃圾檢測分析與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師,研究方向:城市環(huán)境建設(shè)與管理;張斌,北京市城市管理研究院、生活垃圾檢測分析與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級工程師,研究方向:國外生活垃圾管理方式與處理技術(shù);鞠阿蓮,北京市城市管理研究院、生活垃圾檢測分析與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師,研究方向:日本城市環(huán)境管理與建設(shè);嚴(yán)陳玲,北京市城市管理研究院、生活垃圾檢測分析與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師,研究方向:德國城市環(huán)境管理與建設(shè)。

源 | 城市管理與科技
作者 | 榮榮、張斌、鞠阿蓮、嚴(yán)陳玲
編輯 | 匡宋堯

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