常熟垃圾焚燒飛灰安全填埋場工程設(shè)計(jì)

垃圾焚燒處理較好地達(dá)到了減量化、無害化、資源化治理生活垃圾的目標(biāo)，已成為發(fā)達(dá)國家普遍關(guān)注和采用的城市生活垃圾的處理方法之一。常熟市新建的垃圾焚燒發(fā)電廠，已于2007年6月投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理能力為600t/d。此后，垃圾均進(jìn)入焚燒發(fā)電廠處理，而垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰則需經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入安全填埋場處理。

1 飛灰的產(chǎn)生及其特性

1.1飛灰的產(chǎn)生

生活垃圾經(jīng)焚燒后，會產(chǎn)生占垃圾總量23%左右的底灰及3%～5%的飛灰。其中，飛灰是由焚燒爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)反應(yīng)塔進(jìn)行中和、凈化后，摻以一定量的吸附劑，再由高效除塵分離器分離，在反應(yīng)塔底部及分離器分離而產(chǎn)生。飛灰經(jīng)由上述各設(shè)施的底部密閉輸送至飛灰儲存?zhèn)}。[1]

1.2飛灰的基本特性

飛灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸鹽、鈉鹽、鉀鹽等反應(yīng)物，還有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金屬元素以及痕量級二噁英類的有機(jī)物，另加其他種類污染物，屬于危險(xiǎn)廢物。

飛灰呈堿性，其形狀像煤灰一樣大小，粒徑介于0.01～0.15mm范圍內(nèi)。飛灰有2/3以上的化學(xué)物質(zhì)是硅酸鹽與鈣。另外，生活垃圾焚燒煙氣中，含有一定量的未燃盡有機(jī)物，故飛灰中的熱灼減量在10%左右。[2-4]

1.3飛灰中的污染物[1，4-8]

由于生活垃圾成分的復(fù)雜性、多樣性、不均勻性，在整個(gè)焚燒過程中會發(fā)生許多不同的化學(xué)反應(yīng)，所以在焚燒煙氣中除了一定量的過剩空氣和二氧化碳外，還含有對人體及環(huán)境有直接或間接危害的成分。根據(jù)煙氣污染物的不同性質(zhì)，可將其分成顆粒物、酸性氣體、重金屬、有機(jī)污染物幾大類。上述煙氣中的污染物經(jīng)焚燒爐、后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)的反應(yīng)、吸附、分離后，除酸性氣體已被反應(yīng)中和外，大部分集聚于飛灰之中，對人體及環(huán)境造成了危害，故國家已明確把生活垃圾焚燒飛灰列為危險(xiǎn)廢棄物管理范圍之列。

2 飛灰的處理方法

國家的《危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)政策》中對飛灰處置作了規(guī)定：生活垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰必須單獨(dú)收集，不得與生活垃圾、焚燒殘?jiān)绕渌鼜U物混合，也不得與其它危險(xiǎn)廢物混合；生活垃圾焚燒飛灰不得在產(chǎn)生地長期貯存，不得進(jìn)行簡易處置，不得排放；生活垃圾焚燒飛灰在產(chǎn)生地必須進(jìn)行必要的固化和穩(wěn)定化處理之后方可運(yùn)輸，運(yùn)輸需使用專用運(yùn)輸工具，運(yùn)輸工具必須密閉；生活垃圾焚燒飛灰須進(jìn)行安全填埋處置。飛灰一般經(jīng)適當(dāng)預(yù)處理后，進(jìn)入危險(xiǎn)廢物填埋場填埋處理。飛灰的預(yù)處理主要有熱固化技術(shù)、固化技術(shù)與化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)[1]。

化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)是指向飛灰中添加穩(wěn)定劑和水，均勻混合后形成不溶性化合物，從而固定重金屬的方法。該法一般具有效果較好，具有長期穩(wěn)定性、設(shè)備投資低、處理過程簡單、最終處理量小的優(yōu)點(diǎn)。常見的穩(wěn)定劑有Na2S、Al2(SO4)3等無機(jī)物和水溶性螯合高分子。另外，磷酸鹽作為穩(wěn)定劑應(yīng)用越來越廣泛，PO3-4可以和飛灰中的30多種元素形成大約300多種自然界中存在的礦物質(zhì)，這些物質(zhì)對于pH的變化有著相當(dāng)高的穩(wěn)定性。

本工程的飛灰預(yù)處理采用化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)，一種新的飛灰穩(wěn)定化處置工藝。即將焚燒廠產(chǎn)生的飛灰，裝入飛灰槽罐車后，直接運(yùn)輸至填埋坑，用車載空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，通過管道將飛灰送入專門設(shè)計(jì)的混合器，混合器的另一入口連接螯合劑管道，螯合劑由液壓泵提供一定的壓力，灰、液經(jīng)混合器噴射而出，利用二者速度差產(chǎn)生吸附作用，并起到充分混合效果，混合料直接進(jìn)入填埋坑，然后進(jìn)行攤平、壓實(shí)作業(yè)。螯合劑采用磷酸鹽化合物。

3 填埋庫區(qū)的工程設(shè)計(jì)

3.1庫容確定

常熟垃圾焚燒發(fā)電廠處理規(guī)模為600t/d，其飛灰產(chǎn)量約為焚燒量的3%～5%(設(shè)計(jì)取4%)，每年實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為8000h。常熟市垃圾焚燒飛灰安全填埋場工程于2006年6月啟用后，平均進(jìn)場飛灰約為21.8t/d。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和以往經(jīng)驗(yàn)，填埋后的飛灰容重取1.0t/m3。

填埋場一期工程使用年限為5年，可利用填埋區(qū)面積為0.56萬m2，設(shè)計(jì)為4個(gè)填埋單元坑，坑深7.1m，庫容為4萬m3。

3.2庫區(qū)防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛灰安全填理場處理的首要問題，是防止填埋場附近地下水及地表水受到滲瀝液的污染。在合理選址的基礎(chǔ)上，必須考慮防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)場址的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，對填埋場底部進(jìn)行防滲處理，其目的一方面是防止?jié)B瀝液進(jìn)入地下，污染地下水；另一方面是防止地下水進(jìn)入填埋場，造成滲瀝液水量的大幅度上升。防滲處理需因地制宜，選擇不同的防滲方式。

本填埋場場址范圍內(nèi)，地下水位較高，位于不透水層以上，且基礎(chǔ)層飽和滲透系數(shù)大于1.0×10-5cm/s，設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土與柔性人工襯層組合的剛性防滲結(jié)構(gòu)。填埋坑底板防滲系統(tǒng)，采用地下水導(dǎo)流層+膜下保護(hù)層+鋼筋混凝土坑體+滲瀝液檢測層+土工膜主防滲層+滲瀝液導(dǎo)流層+過濾層+防滲保護(hù)層的防滲結(jié)構(gòu)；填埋坑側(cè)壁板防滲系統(tǒng)采用膜下保護(hù)層+鋼筋混凝土坑體+土工膜主防滲層+防滲保護(hù)層的防滲結(jié)構(gòu)。地下水導(dǎo)流層采用100mm厚碎石墊層；膜下保護(hù)層采用4500g/m2膨潤土防水毯(GCL)，GCL設(shè)置在鋼筋混凝土坑體外側(cè)，可以有效地降低地下水進(jìn)入填埋坑體內(nèi)的可能性，同時(shí)避免了設(shè)置在坑體內(nèi)側(cè)所引起的膨潤土顆粒脫落對排水系統(tǒng)的堵塞，GCL下設(shè)置100mm厚的素砼保護(hù)層；鋼筋混凝土坑體按抗?jié)B結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，其抗?jié)B系數(shù)應(yīng)≤10-6cm/s；滲瀝液檢測層采用6mm厚復(fù)合土工網(wǎng)，膜間水最終通過穿孔HDPE管排至膜間水收集井，庫底設(shè)計(jì)0.4%坡度的坡向穿孔管；主防滲層設(shè)計(jì)采用2.0mm厚光面HDPE土工膜；滲瀝液導(dǎo)流層設(shè)計(jì)為300mm厚碎石滲瀝液導(dǎo)流層+6mm厚復(fù)合土工網(wǎng)，其中土工網(wǎng)下面復(fù)合的土工織物采用500g/m2聚酯無紡布作為土工膜保護(hù)層；過濾層設(shè)計(jì)采用200g/m2聚酯無紡布；防滲保護(hù)層采用經(jīng)預(yù)處理后的袋裝飛灰。

3.3防雨、防塵與防風(fēng)措施

如大雨接連不斷，飛灰則會因含水量過高而無法壓實(shí)。在運(yùn)行初期，由于填埋飛灰量較少，填埋坑內(nèi)飛灰甚至?xí)纬赡酀{，使得填埋操作無法進(jìn)行。冬春季節(jié)，天氣干燥且大風(fēng)天氣較為常見，夏季，臺風(fēng)經(jīng)常光臨，坑內(nèi)飛灰易形成揚(yáng)塵飄出，污染場內(nèi)外環(huán)境。設(shè)計(jì)要采用防雨、防塵與防風(fēng)措施：(1)填埋作業(yè)時(shí)，將飛灰集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi)填埋，保持填埋面形成一定的坡度，雨季時(shí)加強(qiáng)排水，確保坑內(nèi)飛灰難以形成泥漿；(2)工程設(shè)計(jì)，在每個(gè)單元坑邊，建設(shè)一個(gè)防雨操作平臺，可確保小雨時(shí)固化工作的順利實(shí)施；(3)設(shè)置飛灰穩(wěn)定化儲存罐，暴雨季節(jié)將飛灰儲存在罐內(nèi)，待天氣轉(zhuǎn)好，再實(shí)施填埋；(4)如遇連續(xù)暴雨，則停止填埋坑內(nèi)作業(yè)，將飛灰穩(wěn)定化后放置在臨時(shí)堆放場儲存，天氣轉(zhuǎn)好后，再實(shí)施填埋；(5)在填埋坑四周設(shè)置自動(dòng)噴淋裝置，以在大風(fēng)和干燥天氣增加飛灰含水率，防止出現(xiàn)揚(yáng)塵，填埋操作亦需考慮滲瀝液回灌增濕；(6)因該地區(qū)主要為東南-西北風(fēng)向，在填埋坑體南北兩邊設(shè)置5m寬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大棚，在坑體南北兩側(cè)道路邊設(shè)置夾竹桃等和藤本植物隔離帶，以減小風(fēng)力和揚(yáng)塵飄出量，同時(shí)可美化環(huán)境，兼有景觀功能。

3.4場區(qū)雨、污分流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保場區(qū)安全防洪以及減少由于雨水滲入垃圾而產(chǎn)生的垃圾滲瀝液量上升，場區(qū)設(shè)置了雨、污分流系統(tǒng)。

3.4.1擋水墻

填埋坑外側(cè)設(shè)置防洪溝或擋水墻，可防止場外雨水進(jìn)入填埋坑。本工程設(shè)計(jì)混凝土坑體頂標(biāo)高于地坪標(biāo)高50cm，場內(nèi)道路均坡向填埋坑外側(cè)，即可減少滲瀝液產(chǎn)生量。

3.4.2分區(qū)作業(yè)

填埋庫區(qū)分為四個(gè)坑體，作業(yè)時(shí)，未填埋坑體內(nèi)所積雨水可直接外排；已填埋飛灰的坑體將實(shí)施封場，不會有滲瀝液產(chǎn)生；僅有正在實(shí)施填埋作業(yè)的坑體才會有滲瀝液產(chǎn)生。

3.4.3坡面排水

當(dāng)填埋場內(nèi)某個(gè)單元坑飛灰填滿后，立即實(shí)施封場工程，植樹綠化。為形成表面雨水徑流，宜設(shè)置一定的坡向。在填埋場終期作業(yè)時(shí)，應(yīng)整體設(shè)置場頂坡向以利于雨水排出場外，坡度均應(yīng)大于2%。

3.5滲瀝液儲存與處理設(shè)計(jì)

采用三日暴雨量計(jì)算法可得，庫區(qū)產(chǎn)生的最大滲瀝液為160m3/d，道路區(qū)收集的最大初期雨水量為68m3/d，則最大暴雨時(shí)，第一日最大污水產(chǎn)生量為228m3/d，以后為160m3/d；采用年降雨量計(jì)算法計(jì)算得出工程產(chǎn)生的總滲瀝液量為3407m3/a。

飛灰穩(wěn)定化時(shí)，需加入約30%的水分，則每年需水量為7957×0.3=2387m3。同時(shí)，為保持坑體衛(wèi)生條件，避免大風(fēng)天氣揚(yáng)塵，需定期往坑內(nèi)灑水。飛灰穩(wěn)定化用水可回用滲瀝液，剩余滲瀝液可通過回灌至填埋場，保持飛灰濕度，并最終通過自然蒸發(fā)處理，而無需建設(shè)滲瀝液處理設(shè)施，即可實(shí)現(xiàn)污水零排放。

滲瀝液通過導(dǎo)排層，排入滲瀝液收集井，最終通過水泵提升，排入污水儲存罐。滲瀝液儲存罐設(shè)計(jì)2個(gè)，單個(gè)尺寸為<10m×7.6m。污水儲存罐總?cè)莘e為2×<10m×7.6m=1194m3>228m3+160m3×6=1188m3，可以儲存3d最大暴雨條件下的7d產(chǎn)生的污水。

3.6封場設(shè)計(jì)

填埋場運(yùn)行結(jié)束后，需進(jìn)行封場，以利于生態(tài)恢復(fù)和土地再利用。本設(shè)計(jì)采用的封場結(jié)構(gòu)由下到上依次為：200g/m2無紡?fù)凉げ?1.0mm厚HDPE土工膜+6mm厚復(fù)合土工排水網(wǎng)+300mm厚碎石雨水導(dǎo)排層(生物阻擋層)+600mm厚素土層+植被。

3.7坑體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程所有混凝土均采用C30砼，采用等截面池壁，外池壁厚400mm，內(nèi)池壁厚350mm。根據(jù)池壁受力特點(diǎn)，每隔4m設(shè)一壁柱，底板為整體現(xiàn)澆，厚500mm。

由于池體縱橫向尺寸較大，縱橫向各設(shè)兩道后澆帶。后澆帶寬2m，用C35砼內(nèi)摻高效防水劑澆筑，兩側(cè)設(shè)3mm厚鋼板止水帶。

池體埋深7.1m，根據(jù)勘察報(bào)告所提供的地下水位情況，對池體的抗浮處理采用抗拔樁。樁為預(yù)制靜壓樁，尺寸為250mm×250mm，有效樁長4m。庫區(qū)共設(shè)置1886根抗拔樁。

4設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1預(yù)處理方法

本工程飛灰預(yù)處理采用新的飛灰穩(wěn)定化處置工藝，預(yù)處理為磷酸鹽穩(wěn)定法。利用該法處理飛灰，廢物增容比低，藥劑消耗少，運(yùn)行費(fèi)用也較低，還可以省去預(yù)處理廠房和設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用，節(jié)省了工程投資。根據(jù)目前對預(yù)處理飛灰浸出液毒性的檢測，該法對飛灰的預(yù)處理符合國家相關(guān)規(guī)范要求。

4.2防滲結(jié)構(gòu)

針對高地下水位地區(qū)安全填埋場的地質(zhì)特點(diǎn)，采用柔性襯層和剛性混凝土池體結(jié)合的防滲結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置雙層土工合成的防滲襯層和地下水、膜間水與滲瀝液導(dǎo)流層，可以確保填埋坑的防滲功能。同時(shí)，柔性襯層通過機(jī)械錨固方式和剛性池體緊密結(jié)合，整個(gè)庫區(qū)構(gòu)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，可以防止庫區(qū)沉降對防滲襯層的破壞。

4.3土工合成材料的應(yīng)用

庫區(qū)填埋坑防滲保護(hù)層采用膨潤土防水毯(GCL)，GCL在特定的環(huán)境下(如不均勻沉降、干濕循環(huán)、凍融循環(huán))，仍可以保持良好的抗?jié)B性能，而且可以大大的節(jié)省庫容。GCL設(shè)置在剛性坑體外側(cè)，采用外貼法施工，施工時(shí)坑體四周采用井點(diǎn)降水法以防止GCL提前水化。設(shè)計(jì)同時(shí)要求施工時(shí)將GCL的有紡布表面貼在剛性坑體上，具有良好導(dǎo)水性能的無紡布表面則和地下水導(dǎo)流層接觸。這樣，在GCL遇水膨脹后，可以利用無紡布導(dǎo)水較好的特點(diǎn)來導(dǎo)排地下水。

滲瀝液檢測層采用6mm厚三維土工復(fù)合排水網(wǎng)。垃圾焚燒飛灰具有顆粒小、壓實(shí)密度大的特點(diǎn)，相比普通的雙肋土工排水網(wǎng)，三維土工排水網(wǎng)在較高的壓力荷載下，仍能保持良好的導(dǎo)水能力，且不易堵塞，應(yīng)用于飛灰安全填埋場具有較高的優(yōu)勢。

4.4滲瀝液處理方法

設(shè)計(jì)時(shí)考慮工程產(chǎn)生的滲瀝液回用處理。根據(jù)年平均降雨量法計(jì)算得工程產(chǎn)生的總滲瀝液量為3407m3/a，飛灰穩(wěn)定化用水量為2387m3/a。設(shè)計(jì)滲瀝液回用于飛灰穩(wěn)定化，剩余滲瀝液回灌至填埋場保持濕度，工程無需建設(shè)滲瀝液處理設(shè)施即可實(shí)現(xiàn)廢水零排放。

5結(jié)語

垃圾焚燒飛灰作為危險(xiǎn)固體廢棄物，必須經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入安全填埋場進(jìn)行填埋處理。

針對江南平原地區(qū)地下水位高、土地資源緊張的特點(diǎn)，本工程設(shè)計(jì)采用新的飛灰穩(wěn)定化預(yù)處理技術(shù)。庫區(qū)采用剛性坑體和柔性襯層相結(jié)合的防滲結(jié)構(gòu)，滲瀝液回用于預(yù)處理過程，工程占地面積小，飛灰處理效果好，投資省，運(yùn)行成本低。