垃圾填埋的基本原理及优化

垃圾的卫生填埋，准确地说是垃圾的卫生土地填埋处置，目前尚无严格统一的定义，基本含义是指为了保护环境，按照工程理论和土工标准，对生活垃圾进行有控管理的一种科学工程方法。在垃圾填埋过程中，需要对填埋单元进行防渗处理、渗滤液收集、沼气的疏导与收集，用无毒害材料覆盖垃圾表面，对填埋单元覆盖后进行防洪防水处理，并对渗滤液和沼气进行无害化的处理与利用。卫生填埋的基本要素有三点：一是对垃圾填埋场（即作业区）进行防渗处理；二是采取充分压实等工程措施，提高土地利用率；三是采取对填埋单元产生的沼气进行安全有效的疏导和合理利用，对渗滤液的安全处置等运行措施，保证填埋后污染可控性。这些要素表明了卫生填埋的基本特征。

卫生填埋场的基本构成有：

（1）垃圾围挡结构。用于稳定垃圾堆体，围挡结构可依地势部分利用自然结构，也可按需要完全人工构筑，这是填埋场的主体结构。

（2）防渗导流系统。在围挡体上建立水平防渗、垂直防渗结构，防止垃圾填埋单元的渗滤液污染土壤、地下水和地表水，并将渗滤液收集后导向处理系统。

（3）渗滤液处理系统。对收集的垃圾渗滤液进行无害化处理，达标后排放或预处理合格后排入城市污水系统。

（4）沼气收集利用系统。垃圾填埋单元内由于生化作用会产生沼气（主要成分是甲烷CH4），甲烷与空气混合后浓度在5%～15%时会发生爆炸、引起火灾，因此必须把沼气从填埋单元里引导出来并收集起来，如有利用价值应进行利用，无经济价值时可简单地燃烧并排放。

（5）环境监测系统。主要是对地表水、地下水、土壤、大气、垃圾以及渗滤液、沼气等的相关参数进行测定，以确保卫生填埋场的无害化运行。（6）辅助系统。包括道路、水源、电源和生活服务设施。

此外，还有封场及场地再利用、截洪与排洪系统等。上述系统构成了一个完整的卫生填埋场，也是区别于垃圾堆放场或简易填埋场的主要内容。下面对上述系统进行简明扼要的介绍。

1.主体工程

垃圾围挡结构是填埋场主体工程，包括垃圾堆体的周向堤坝、底部及终场后的覆盖层，周向堤坝可以是填埋场的边缘，也可以是填埋场内多个区域连接部。图2-1给出了围挡堤坝和底部的示意图。

图2-1　围挡堤坝和底部的示意图

在垃圾填埋场选址确定后，根据垃圾数量、预期使用寿命、气象地质条件确定主体工程的容量、分布方式及基本结构，从而决定垃圾围挡结构的基本型式和几何尺寸。例如，在地质条件许可的地方，填埋区域是一个整体，只是由于施工和维护要求而分隔成几个子区（见图2-2），那么围挡堤坝除填埋区边缘外的分隔堤坝是共用的，而图2-3所示的情形中各个填埋区域分立，围挡堤坝是独立的。

现代的卫生填埋场，围挡结构很复杂，既要求有一定的强度，又要求能防渗，而且还要把渗滤液排出，顶部盖层还要求防洪等。

2.防渗垫层及渗滤液处理

图2-2　整体填埋区域

（a）填埋区域方形；（b）填埋区域长条形

(www.xing528.com)

图2-3　分立填埋区域

卫生填埋场中的渗滤液是由环境中的水进入垃圾和垃圾自身含水产生的，由环境进入垃圾的水有降雨、地表水、地下水等，其中降雨是主要的渗滤液来源。除了垃圾本身物理性状、生化性质外，填埋场所区域的气象与地质状况，填埋工艺的设计和施工都会影响渗滤液的数量与成分。

渗滤液中有大量的有机化合物，如低分子量的脂肪酸、腐殖质（高分子量的碳水化合物）类物质和中等分子量的灰黄酸类物质，渗滤液中的化学需氧量（CODcr）和生物需氧量（BOD5）的浓度均可达到1000mg/L以上。渗滤液中金属含量较高，尤其是铁和锌，也含有少量重金属。此外，渗滤液中还有病菌等。简而言之，填埋场的渗滤液由于有机物浓度高，含有有毒有害成分，需要进行严格的收集和处理，这也是卫生填埋场控制污染的实质性工作，若不对渗滤液进行有效的收集和处理，卫生填埋徒有其名，与堆放、简易填埋并无实质差别。

填埋场的防渗方式有天然防渗、人工防渗和复合防渗三种方式，简易填埋大多采用低渗粘土防渗方式，这种方式的共同特点是造价低，但必然有部分渗滤液经过一段时间后穿透防渗层进入地下水造成污染。人工防渗是在衬层中采用人造防渗材料，保证渗滤液不漏到地基中，或者慢渗水的量控制到不造成显著污染为止。人工防渗造价较高，在实际工程中经常与天然防渗措施结合，以较低的造价获得较好的技术性能，这就是复合防渗。

图2-4和图2-5是近年来广泛用于垃圾卫生填埋的双层复合衬防渗系统示意图，这是一种基本形式，在工程实际中尚有多种变化形式。图中土工膜是一种薄而软的柔性热塑或热固聚合材料，具有良好的不透水性和气密性，在复合衬中作为水、气隔离层。用作土工膜的聚合材料有热塑材料（如聚氯乙烯PVC等）、晶状热塑材料（如高密聚乙烯HDPE、超低密聚乙烯VLDPE等）和热塑合成橡胶（如氯化聚乙烯CPE、氯磺化聚乙烯CSPE等），其中PVC多用于工业废弃物填埋。一般土工膜的厚度为0.5～3.0mm，限于篇幅，图中土工织物、土工网等不再赘述，可参阅有关专著。

图2-4　典型的双层复合衬示意图

1—垃圾；2—保护层；3—第一级合成衬；4—第二级合成衬；5—地基

在卫生填埋场中，防渗系统不仅仅是为了防止渗滤液渗漏到土壤、地下水中，更重要的是要把渗滤液从填埋单元中导引出来并收集、处理。为了防止防渗层遭受水压而破坏，填埋单元内不能积存渗滤液，必须及时、全部地把渗滤液导出。图2-6是导出渗滤液的集水管示意图，集水管通常采用多孔的PVC管或钢筋混凝土管，这些管子在填埋场底部呈直线型、分支型或梯子型布置。与集水管相匹配，还应设置集液井，集液井内的渗滤液由污水泵抽送到污水处理系统进行处理。

图2-5　典型的双层复合衬示意图（局部）

图2-6　导出渗滤液的集水管示意图

垃圾填埋场渗滤液成分复杂多变，处理方法也有所不同。一方面，渗滤液中BOD5、CODcr显著高于城市污水，因此不能简单地采用城市污水处理工艺；另一方面，新鲜垃圾的渗滤液与填埋时间较长的陈旧垃圾的渗滤液成分不同，前者有机物浓度高，低分子脂肪酸多，适于采用生化处理方法，而后者有机物浓度随时间增加而降低，腐殖质类物质则增加，则宜采用物化方法处理。实际的填埋场中，新鲜和陈旧的垃圾并存，渗滤液是两种垃圾的动态混合体，处理工艺应实事求是、因地制宜地选择合理的路线。

3.沼气的收集与处理

垃圾中含有大量有机物，如生物质、厨余、废纸等，这些有机物中很多成分可被细菌等微生物分解，形成生物降解，其副产品是沼气（填埋场中有时也称作填埋气）。垃圾填埋后产生的沼气在国内外引发了大量的爆炸事故，造成了人员伤亡和财产损失，是必须认真对待和处理的问题。简而言之，垃圾填埋后防渗及渗滤液收集、处理主要目标是防止污染，而填埋气的收集、处理主要是防止爆炸和火灾，而在沼气产量较大时也有资源利用价值。

垃圾填埋后的微生物分解过程有两个阶段：①好氧分解，这是起始阶段，有氧条件下沼气主要成分是CO2，一般几十天即完成；②厌氧分解，这是氧耗尽后的过程，沼气主要成分是CO2、CH4和少量的N2、H2S、H2等，随着时间的推移沼气成分、产量动态变化，这个过程可持续几十年。

填埋场的沼气收集系统是一个覆盖整个填埋区域的气体传输网络，由气体回收井、气体收集支管和收集总管构成，总管与起抽吸作用的风机相接使整个气体收集网络与大气压相比处于负压状态，从而使沼气源源不断地从填埋区域被抽吸出来。收集到的沼气数量少时直接通过燃烧装置燃烧后排放，数量较多时经过预处理（如脱水和脱除沼气中的CO2、H2 S、N2、O2等）后并入煤气管网，也可以通入燃气轮机或锅炉进行发电、供热等，甚至可以经过净化提纯后作为甲醇的生产原料或液化天然气之用。