行业动态

国外生活垃圾填埋场开采技术与管理

生活垃圾填埋场(以下简称“填埋场”)开采是指从填埋场挖掘已处置过的垃圾,以回收金属、玻璃、塑料、其他可燃物、土壤,或拓展填埋场容积,或实现填埋场土地再生利用的过程。1953年,以色列成为世界上较早实施填埋场开采的国家,它将挖掘出的垃圾用于果园施肥。20世纪90年代以来,各国对填埋场开采的关注度不断增加。

一、引言

1986年,美国首次对科利尔县那不勒斯填埋场实施开采。主要原因有以下几点:一是解决地下水污染问题;二是为未来的填埋活动创造新的容量;三是通过减少填埋区的占地面积来降低封场成本;四是回收可循环利用的物料(尤其是金属),为开采工程提供额外的收入来源;五是将开采的垃圾作为焚烧发电厂的原料用于发电。截至2009年,美国已经开采垃圾填埋场项目32个。

2003年,日本制定了《循环型社会推进基本规划》,确定了未来填埋场的基本方针,即建设广域垃圾填埋场,通过对填埋垃圾进行资源化再利用、实现减量化,延长现有填埋场的使用寿命。由于日本鼓励源头减量和循环利用,其直接填埋的原生垃圾比例很小,再循环利用率较高,剩余垃圾焚烧后大大缩减了最终填埋量,所以,日本填埋场开采主要用于现有填埋场扩容,延长填埋场的填埋时间。为规范改变填埋场土地形态的开采行为,2005年,日本又制定了《垃圾填埋场土地形态改变实施指南》,对前期调查、开采、环境监测及环保措施都进行了具体的规定,让开采行为有规范可依。

随着环境问题的增加,填埋场申请场址十分困难,以及库容的逐年缩小,近几年,英国已经开始重视垃圾填埋场的开采问题,并在2014年加入了该年成立的“欧洲增强型土地采矿联盟”。该组织先提出了填埋场开采后土地利用需要及技术实现,后又提出了强化垃圾开采概念,即用创新的转化技术,并遵守严格的社会和生态标准,对填埋垃圾进行安全调节、挖掘和综合估价。这一理念的重点在于,最大限度地回收垃圾,希望能形成资源再利用的闭环,并最大限度地使用恢复后的土地。

二、开采的工艺

依据Jones等人2013年提出的强化填埋开采理念,垃圾填埋场可被视为垃圾的临时储存地,其侧重于最大限度地将垃圾填埋场和垃圾转化为可利用的二次材料(WtM)、能源(WtE)和可再利用的土地(WtL)。20世纪50年代至90年代中期,运行的填埋场被确定为最适合开采的填埋场,因为这些填埋场的垃圾都为原生垃圾,所含有的金属和可燃材料较多。在对储存的垃圾进行筛选和分离后,金属和建筑垃圾可以再利用,类土材料可以作为有机肥料施用到绿地和花园,高热值的材料可以通过垃圾转化能源技术(如焚烧、气化、热解、等离子体技术、组合)进行处理,以实现能量价值化和材料回收。具体开采流程如图1。

美国填埋场开采通常包括三项基本作业:挖掘垃圾、处理挖掘出的垃圾,以及管理挖掘出的或处理过的垃圾。

对挖掘出的垃圾进行处理,以达到几个目标,包括:分离出大件垃圾,对有害垃圾和其他未确定的垃圾进行区分,从垃圾中筛选土壤,并将垃圾分类以供回收或用作焚烧原料。图2为美国填埋场开采工艺流程图。

日本垃圾填埋场扩容的方法主要有两种,一种是挖掘分选法,即将填埋的垃圾挖掘出来后进行筛选再利用;第二种是压缩扩容法,即将已填埋的垃圾进行压实处理。主要使用无排土孔壁压实法(TLT法)。

东京都西秋川环卫中心为了实现填埋场的扩容,延长填埋场的使用寿命,对已填埋垃圾进行挖掘分选。先通过人工分选出大块异物(金属、砖瓦等),再使用粒径50毫米的振动筛分选出灰土类,剩余的塑料类、可燃物连同灰土类一起运送到焚烧厂处理。产生的细小灰分会随同排出的气体进入熔融炉,生成熔渣。大块的灰分沉入炉底,进行分级后回收其中的铁分、铝分,剩余的不可燃物经粉碎机粉碎后送到熔融炉,也生成熔渣。最终,铁分、铝分、熔渣将作为有价物品被循环再利用。

三、开采的实施

(一)开采垃圾筛分

美国最常用的两种机械筛选设备是滚筒筛和振动筛。1991年,美国学者墨菲和斯特塞尔评估了美国科利尔县那不勒斯填埋场开采项目中不同筛选设备的性能后认为,滚筒筛操作问题较少,性能更好。在1992年纽约爱丁堡镇填埋场开采项目中,对两种振动筛和一种滚筒筛的性能进行了评价,结论认为,滚筒筛比振动筛更高效。通常,振动筛比滚筒筛有更多的残留物。

回收土壤的最终用途不同,所采用的筛孔尺寸也不同。如果将回收的土壤用作填埋区的日常覆盖物,则可使用较大尺寸的筛网。如果需要质量更好的土壤(如用于场外施用),则应使用较小尺寸的筛网。能够通过1英寸筛孔的物质主要是土壤、玻璃碎片和可分解的有机物,能够通过3英寸筛孔的物质主要是土壤、纸片和薄膜塑料。美国那不勒斯填埋场开采项目使用了3英寸的筛孔,回收的土壤用作每日的现场覆盖物。爱丁堡镇填埋场开采项目则使用了1英寸的筛孔,回收的土壤主要用于场外施用。克洛维斯市填埋场开采项目使用了2英寸的筛孔,埃斯坎比亚县佩尔迪多填埋场则同时使用了1英寸和3英寸的筛孔。

日本挖掘分选法用反铲挖掘机等设备挖出来的垃圾,首先进行粗选分类,把里面的大件垃圾、危险物分选出去。其次进行机械分选,使用滚筒筛、振动筛等机械设备按粒径大小分级分类。然后进行人工分选及磁选,即人工分选出岩石和混凝土块,使用磁选设备分选出金属类。再进行破碎,岩石和混凝土块经破碎后调整粒度,从而实现有效利用。其他垃圾可以根据需要进行破碎,实现填埋场的减容。最后,对可燃物等进行压缩捆包,安全送到焚烧厂进行焚烧处理。

德国使用挖掘机对3米厚的覆土层的固体垃圾进行开采。一般固体垃圾通过孔径为60毫米的滚筒筛。大件垃圾在放置于滚筒筛上之前被粉碎。在滚筒筛之后,形成了粒度在0到60毫米之间的部分。用滚筒筛进一步筛分,产生了粒度在0到20毫米之间的细颗粒垃圾和粒度在20到60毫米之间的部分。小于20毫米的细颗粒垃圾回填到填埋场,用作覆盖材料。20到60毫米的部分回填到填埋场,用作填埋场的排水层。德国挖掘垃圾筛分工艺见图3。

在英国伯克希尔雷丁案例中,开采填埋场时使用了可360°旋转的挖掘机选择性挖掘垃圾。其原理是,首先根据目视去除较大尺寸的垃圾,然后将垃圾送入三路振动筛分机,根据尺寸分离垃圾。筛分机输出细粒物料垃圾(通过40毫米孔径筛板的物料垃圾)、中等物料垃圾(未通过40毫米孔径筛板的物料垃圾,但通过100毫米间隔的物料垃圾)和大物料垃圾(未通过100毫米筛板的物料垃圾)。对大型材料进行高速吹气以去除轻质塑料,并通过人工挑选去除视觉上不合适的垃圾(木材、纺织品、纸/卡片等)。

(二)开采垃圾的组分

通常,美国填埋场垃圾的组成为:50%~60%重量的土壤、已降解的有机垃圾,20%~30%重量的可燃物(如塑料、纸和木材),10%重量的无机材料(如混凝土、石头和玻璃)和少量重量的金属(主要是黑色金属)。将填埋场垃圾进行筛选后,根据组分、处理程度和用途的不同,对大尺寸垃圾(土壤除外)进行不同形式的管理。通常,除金属可以进行回收再利用外,其他开采出的垃圾,如塑料,将被用作焚烧发电厂的原料,剩余的无法再利用的大尺寸垃圾再作卫生填埋处理。

美国的几项研究报告对从填埋场开采出的垃圾的组分进行了分析,报告数据显示,土壤和已降解的有机垃圾约占开采垃圾的50%~87%重量。开采出的土壤主要以两种方式进行再利用,一是在填埋场内用作每日和中间覆盖物,二是在填埋场外用作建筑填料。其他末端用途将取决于现有需求、土壤质量和再利用的监管框架。

德国从填埋场中挖出的陈旧固体垃圾中,60%~70%的重量部分一般都是由小于40毫米的细颗粒垃圾组成的。在东德之前的填埋场中,由于飞灰成分高,所以小于40毫米的细颗粒垃圾比例通常更高。粗颗粒垃圾中,轻型和重型部分约各占一半。轻型部分主要是塑料薄膜、塑料复合材料、纺织品等,重型部分则是建筑垃圾、金属、木材等。填埋场中很少出现有害物质。在以往的填埋场开采中,有害物质含量一般为0.05%~0.2%,主要为铅蓄能器、电子固体垃圾和滤油器等。细颗粒垃圾及粗颗粒重型成分垃圾可以进行高密度填埋。这两种成分也可用作填埋场地基密封区内的填埋建筑材料,例如将细颗粒垃圾填充在边缘大坝或地表密封下的平衡层里,粗颗粒重型成分则可用作道路施工材料。

2013年,英国克兰菲尔德大学教授从英国7个垃圾填埋场通过钻探方式,获得了95份城市固体垃圾样本,用于研究英国填埋场垃圾组分。他在对垃圾进行筛选和手工分拣后,将其分为塑料、纸张和细粉(园林和食品垃圾)、纺织品、玻璃和金属。结果显示,除有机物垃圾最多外,7个填埋场还含有大量的塑料制品。这是由于多年前生活垃圾不分类,直接用于填埋,而上世纪塑料制品盛行,特别是塑料包装物使用最多,且当时生产的塑料属于不可降解类。所以,废塑料的管理是开采过程需要解决的关键问题之一。

四、开采的环境管理

(一)气体和气味排放管理

美国一般通过在较凉爽的冬季进行作业来减少臭味产生,或使用气体抽取系统,及建立气体浓度行动等级,规定达到监测限值时必须停止工作并处理问题。

在日本,施工前需设置排气管释放气体,在钻孔调查时检测甲烷气体的情况。在施工期间,使用气体检测管定期检查气体产生情况。还可定期喷洒除臭剂,及时覆土或喷涂发泡剂,或用布覆盖垃圾层以防止散发异味。

德国使用的气味稳定系统很有效,即一种混合的通风和吸气系统。

(二)雨水和渗滤液管理

美国大多数开采项目都实施了雨水导流措施。另外,在给定的方向挖掘垃圾,以尽量减少因雨水而产生的渗滤液,并使用围堰防止渗滤液流出填埋场区域。

在日本,挖掘无渗滤液处理设施的填埋场时,可在填埋场四周设置防水墙,防止漏水,同时设置收集排水设施和渗滤液处理设施,对渗滤液进行净化处理,符合标准后再排放。

(三)灰尘和残渣管理

因为挖掘垃圾在许多情况下是潮湿的,灰尘和飘散垃圾问题微乎其微。美国一般使用洒水车在填埋场开采区域周围喷水控制扬尘,还可以使用灰尘控制装置或移动式围栏。

日本认为洒水是一种简单的防尘措施,但存在渗滤液增多的问题,因此需要“定期检查水质”和“加强污水处理设施”。可在移动式帐篷中作业或用苫布等覆盖整个垃圾层,以防止灰尘飞散和雨水进入,同时还能防止噪音。

五、开采的成本管理

美国11个填埋场开采项目的开采垃圾量和开采费用情况是,单座填埋场的开采垃圾量约为4~161万立方米,单座填埋场的开采费用约为2.94~11.51美元/立方米。

日本的情况,以仙南焚烧灰渣及不可燃残渣填埋场为例,新建填埋场所需费用为66.8亿日元,开采扩容所需费用为63.2亿日元,后者在经济性方面更有优势。

在德国,根据相关填埋场开采经验,每1立方米填埋场的开采费用至少约为13欧元。此外,有些费用取决于地点要素,即回收轻型成分和修复裸露的填埋场底部的费用,因此无法一次性计算出总开采费用。虽然固体垃圾的挖掘和回填费用只需要4~5欧元/立方米,但只有当总的处理费用低于15~20欧元/立方米,才能证明全部开采从经济上是可行的。

素材来源于杂志2022年第1期(84-87页码),作者:荣荣,北京市城市管理研究院、生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室工程师,研究方向:城市环境建设与管理;张斌,北京市城市管理研究院、生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室高级工程师,研究方向:国外生活垃圾管理方式与处理技术;鞠阿莲,北京市城市管理研究院、生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室工程师,研究方向:日本城市环境管理与建设;严陈玲,北京市城市管理研究院、生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室工程师,研究方向:德国城市环境管理与建设。