非正規(guī)垃圾堆放點垃圾質(zhì)量及篩分產(chǎn)物比例精準(zhǔn)勘測方法研究

黃楚雨，韓 華，康敏娟，李厚恩

（1.北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100038；2.北京市環(huán)境巖土工程技術(shù)研究中心，北京100038）

1 引言

利用自然形成或人工開挖而成的砂石坑、河道、凹地等成為城市生活垃圾、建筑垃圾集中填埋的場地，這類場地沒有完善的防滲、氣體導(dǎo)排、滲濾液導(dǎo)排及環(huán)境保護與監(jiān)測等設(shè)施，填埋操作和垃圾堆體形狀也不規(guī)范，被稱為非正規(guī)垃圾堆放點［1］。隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化的進程，垃圾的快速增長與垃圾處理能力低下所產(chǎn)生的矛盾日益凸顯，導(dǎo)致了大量非正規(guī)垃圾堆放點的出現(xiàn)。目前，加強環(huán)境保護力度、加快非正規(guī)垃圾堆放點治理、防止城市居住環(huán)境惡化等工作，逐漸成為各級政府關(guān)注的一項重要發(fā)展戰(zhàn)略。對非正規(guī)垃圾堆放點的治理修復(fù)不僅可以改善城市環(huán)境，為城市發(fā)展提供更多的土地資源和環(huán)境容量，還可以消除土壤及地下水的污染風(fēng)險［2］。

近年來非正規(guī)垃圾堆放點治理技術(shù)也正從簡單封場、搬遷等粗放式治理向篩分綜合利用等精細(xì)化治理方向轉(zhuǎn)變。就篩分治理技術(shù)而言，一般將垃圾篩分產(chǎn)物分為輕質(zhì)篩上物、腐殖土以及無機骨料［3-4］；其中輕質(zhì)篩上物因其可燃組分較高，可以實現(xiàn)焚燒或制備RDF 等治理工藝［5］；腐殖土可以應(yīng)用于綠化或參與水泥窯協(xié)同處置［6-7］；而以建筑垃圾為主的無機骨料則在建筑施工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。因此，為實現(xiàn)非正規(guī)垃圾堆放點垃圾的治理方案設(shè)計、治理費用估算、資源化前景以及減量化規(guī)模的估計，首先要對垃圾的體量、質(zhì)量及其成分比例（指3 類篩分產(chǎn)物比例，下同）進行準(zhǔn)確的測算。

目前主要通過鉆探的方式對非正規(guī)垃圾堆放點中的垃圾體進行勘查，通過Surfer 軟件的曲面建模功能或采用DTM 土方測量方法結(jié)合地形測繪成果來計算垃圾體量，并通過對垃圾土樣的室內(nèi)分析得出垃圾整體的成分情況［8］。但就垃圾堆體質(zhì)量及其成分比例的測算而言，傳統(tǒng)的鉆探及室內(nèi)分析方法存在一定的局限性：①鉆探的實施場地有限，非正規(guī)垃圾堆放點大多不僅存在地下填埋的垃圾堆體，還存在地表不規(guī)則堆放的垃圾堆體，往往缺乏鉆探條件；②通過鉆探獲得的垃圾樣品體量較小，關(guān)于其混合垃圾成分的室內(nèi)分析結(jié)果精度較低，不具有普遍性；③在鉆探過程中，垃圾體可能存在一定程度的擠壓，導(dǎo)致密度計算不能準(zhǔn)確地還原其實際填埋情況；因此該方法在應(yīng)用于實際工程時效果往往不盡如人意。

此外，對于各類垃圾填埋場中垃圾成分占比的研究，目前國內(nèi)外多局限于生活垃圾填埋場等正規(guī)填埋場［9］，而非正規(guī)垃圾堆放點中垃圾堆體性質(zhì)不一、堆放散亂、缺乏統(tǒng)一規(guī)律，少有關(guān)于其中垃圾成分比例的數(shù)據(jù)參考。對于非正規(guī)垃圾堆放點治理的前期勘察工作而言，混合垃圾的成分測算是一項難點。本研究依托北京市大興區(qū)9處非正規(guī)垃圾堆放點垃圾質(zhì)量勘測項目的具體工作，旨在克服傳統(tǒng)鉆探與室內(nèi)分析方法的局限性，對混合垃圾堆體密度和成分比例的分析方法進行進一步探討，并以該9 處垃圾堆放點為樣本，提出具有參考價值的密度與比例數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 垃圾堆體密度及質(zhì)量測算

2.1.1 垃圾平均密度測算

平均密度是垃圾堆體的一項重要物理性質(zhì)指標(biāo)。在傳統(tǒng)方法中，通過對鉆探采取的垃圾樣品進行室內(nèi)分析而得到的垃圾土密度因其松散程度的改變而缺乏實際應(yīng)用中的參考價值，對于混合垃圾堆體而言，室內(nèi)測定結(jié)果與現(xiàn)場實際情況的差距尤其明顯。因此，現(xiàn)場開展密度試驗，在結(jié)合地形測繪成果并采用DTM 土方測量方法得到垃圾堆體總方量的情況下，可獲得其總質(zhì)量，從而為后續(xù)3 類垃圾成分的比例測算奠定基礎(chǔ)。

混合垃圾堆體往往是在一定的時間內(nèi)因個人或單位的垃圾傾倒堆放而逐步形成的，在空間上具有明顯的不均勻性。為得到準(zhǔn)確的混合垃圾堆體的平均密度，需要在每個堆體上選取若干代表性點位，使用XCMG XE215c 履帶式挖掘機（鏟斗容量1.0 m3） 在每處挖掘定量垃圾，將其混合成一個試驗樣品并稱量，根據(jù)密度公式計算得到該堆體垃圾的平均密度。根據(jù)DB 11/1311—2015 污染場地勘察規(guī)范，勘探點間距宜為40～100 m。具體點位數(shù)量和位置需要依據(jù)現(xiàn)場堆體的規(guī)模以及垃圾的均勻性而定，如堆體某處生活垃圾居多或是建筑垃圾居多，也應(yīng)酌情選取。總體而言，需要在上述規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況綜合考慮布點數(shù)量與位置。

2.1.2 垃圾堆體質(zhì)量計算

根據(jù)垃圾堆體的體量與2.1.1 中計算得到的平均密度可得到混合垃圾堆體的總質(zhì)量。因挖掘機或鏟車等挖掘機械可以盡可能地使垃圾的堆積形式保持原狀，因此通過上述現(xiàn)場密度試驗計算得到的垃圾堆體密度和質(zhì)量在實際工程應(yīng)用中具有較好的參考價值，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有利于確保后續(xù)垃圾成分比例分析結(jié)果的可靠性，同時在涉及到運輸與篩分規(guī)模的估算時也具有重大意義。

2.2 混合垃圾成分比例分析

根據(jù)《北京市市政市容管理委員會關(guān)于印發(fā)北京市非正規(guī)垃圾填埋場篩分治理工程施工要求及監(jiān)管辦法的通知》，篩后物應(yīng)分為輕質(zhì)篩上物、粒徑＞20 mm 的無機骨料和粒徑＜20 mm 的腐殖土，因此本研究擬采用20 mm 作為腐殖土的篩分粒徑，100 mm 作為輕質(zhì)篩上物的篩分粒徑［10］。

2.2.1 垃圾篩分中試試驗

針對混合垃圾堆體開展現(xiàn)場垃圾篩分中試試驗。使用XCMG XE215c 履帶式挖掘機在某一混合垃圾堆體處選取3 個代表性點位（可與2.1.1中密度試驗點位一致），定量采集3 m3試驗用垃圾樣品。

在保證精度的基礎(chǔ)上，出于經(jīng)濟性的考慮，本試驗利用100 mm×100 mm 的車載木質(zhì)篩網(wǎng)對垃圾體進行初步篩分，并對篩上物進行大骨料與柔性輕質(zhì)物的人工揀選，本級篩下物為小骨料、腐殖土以及較小的輕質(zhì)垃圾（塑料制品、小塊布料等）；之后利用20 mm×20 mm 不銹鋼篩網(wǎng)進行第二級篩分，并輔以人工揀選，得到粒徑＜20 mm 的腐殖土，＞20 mm 的無機骨料（主要為水泥、塊石、磚瓦等建筑垃圾） 以及粒徑在20～100 mm 的輕質(zhì)篩上物（主要為塑料、木竹、織物等生活垃圾）。將上述兩級篩分產(chǎn)物按類別混合后，分別稱量，得到3 類篩分產(chǎn)物的質(zhì)量及其占試驗樣品的質(zhì)量比例。篩分試驗現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 篩分試驗現(xiàn)場照片

2.2.2 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過垃圾篩分中試試驗，可以得到垃圾試樣中各類垃圾成分的質(zhì)量比例，從而推知整個混合垃圾堆體的垃圾成分質(zhì)量比例。

式中：m 為垃圾樣品質(zhì)量，kg；mg為垃圾樣品中無機骨料的質(zhì)量，kg；mt為垃圾樣品中腐殖土的質(zhì)量，kg；ms為垃圾樣品中輕質(zhì)篩上物的質(zhì)量，kg；ng為垃圾樣品中無機骨料的質(zhì)量比例；nt為垃圾樣品中腐殖土的質(zhì)量比例；ns為垃圾樣品中輕質(zhì)篩上物的質(zhì)量比例。

由于上述垃圾試驗樣品來自同一混合垃圾堆體的3 處代表性點位，關(guān)于其成分分析較之傳統(tǒng)的鉆孔采樣分析具有更高的準(zhǔn)確性與代表性。此外，根據(jù)垃圾堆放點的現(xiàn)場具體情況，可以酌情增減垃圾樣品的體量。如果混合垃圾堆體混合均勻、粒徑較小，亦可采用小規(guī)模的篩分試驗，人工采取小體量的垃圾樣品進行篩分、稱量與分析。

2.3 工程實例背景介紹

本研究依托北京市大興區(qū)9 處非正規(guī)垃圾堆放點垃圾質(zhì)量勘測項目?，F(xiàn)以其中的垃圾堆放點A為例，探討上述垃圾密度及成分比例測算方法的具體實施。并結(jié)合9 處非正規(guī)垃圾堆放點的測算成果，提出混合垃圾堆體的平均密度及篩分產(chǎn)物比例的參考范圍。

垃圾堆放點A 勘測范圍內(nèi)垃圾堆體面積約為3 721 m2，垃圾最大堆高約8.60 m。該處堆放點堆放混合垃圾，主要由建筑垃圾（大塊混凝土塊、磚塊、陶瓷等）、土類和生活垃圾（主要含塑料、織物、橡膠等） 組成。通過測繪和計算得到混合垃圾堆體體積為16 869 m3，堆體照片見圖2。

圖2 垃圾堆放點A

3 結(jié)果與討論

3.1 混合垃圾堆體密度及質(zhì)量測算成果

在垃圾堆放點A 的勘測范圍內(nèi)，針對混合垃圾堆體，選取3 處點位，點位平面位置示意見圖3。利用挖掘機挖掘總計為3 m3的垃圾樣品，針對采集的3 m3垃圾樣品進行稱量得到垃圾樣品總質(zhì)量4.019 t。根據(jù)2.1 所述計算得到該混合垃圾堆體的垃圾平均密度1.340 t/m3，垃圾總質(zhì)量約22 599 t。

圖3 垃圾試驗采樣點位平面位置示意

3.2 垃圾成分測算成果

現(xiàn)場開展垃圾成分篩分試驗，使用上述3 m3垃圾樣品利用100 mm×100 mm 和20 mm×20 mm的篩子進行二級篩分，得到3 類篩分產(chǎn)物的質(zhì)量比例，從而得到混合垃圾堆體中各類垃圾的質(zhì)量。結(jié)果見表1。

表1 篩分試驗數(shù)據(jù)分析

結(jié)合現(xiàn)場情況與試驗測算成果可知，大興區(qū)非正規(guī)垃圾堆放點A 混合垃圾堆體中的輕質(zhì)篩上物多為塑料、織物制品等，密度較低，占比最小，為4.65%；腐殖土因其粒徑小，堆放密實，密度較大，其質(zhì)量占混合垃圾堆體總質(zhì)量的62.63%；而無機骨料雖多為大塊混凝土及磚塊等高密度建材，但因其體量不大，堆放松散，所占比例低于腐殖土。

3.3 混合垃圾堆體平均密度及篩分產(chǎn)物比例參考范圍

結(jié)合大興區(qū)9 處非正規(guī)垃圾堆放點的現(xiàn)場情況和勘測成果，可將其中涉及的混合垃圾堆體分為兩類：第1 類是含生活垃圾較多的混合垃圾堆體，如垃圾堆放點D 內(nèi)的混合垃圾堆體，見圖4（a）；第2 類是含生活垃圾相對較少、以建筑垃圾為主的混合垃圾堆體，如垃圾堆放點I，見圖4（b）。表2 中展示的是大興區(qū)9 處垃圾堆放點中共10 處典型混合垃圾堆體的分類、堆體平均密度以及篩分產(chǎn)物比例。

圖4 混合垃圾堆體

表2 大興區(qū)9 處非正規(guī)垃圾堆放點混合垃圾堆體平均密度及篩分產(chǎn)物比例

第1 類混合垃圾堆體的輕質(zhì)篩上物平均比例為8.10%，除垃圾堆放點A 外，其平均密度的均值為0.680 t/m3，離散程度較低。顯然，大部分第1 類混合垃圾堆體因為存在相對大量的生活垃圾，以較小的質(zhì)量占據(jù)了較大的體量，且影響了垃圾的堆積方式，從而降低了堆體的平均密度。垃圾堆放點A 因存在大量腐殖土（超過60%），磚瓦和生活垃圾間的空隙被其填充，堆積十分密實，故其平均密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他第1 類混合垃圾堆體，本研究不將其納入第1 類混合垃圾堆體的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差計算樣本中，其堆體照片見圖5。第2 類混合垃圾中的輕質(zhì)篩上物比例僅1.04%～2.10%，其平均密度也較高，在1.254～1.301 t/m3。

圖5 垃圾堆放點A 內(nèi)混合垃圾堆體

顯然，混合垃圾堆體的密度與其輕質(zhì)篩上物的含量有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時也受到腐殖土含量的影響。因此，在此類項目中，可以根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況與堆體性狀，對混合垃圾堆體的平均密度以及成分比例進行初步判斷。例如，含有較多生活垃圾且外觀上無大量腐殖土的混合垃圾堆體，基本可以判定其密度在（0.680±0.070） t/m3的范圍內(nèi)。這為實際勘測工作的設(shè)計與驗證起到一定的輔助作用。

4 結(jié)論

1） 采用現(xiàn)場中試篩分與密度試驗可更精準(zhǔn)地得到混合垃圾的密度、質(zhì)量以及成分比例數(shù)據(jù)。在混合垃圾堆體勘測過程中，可將混合垃圾堆體劃分為第1 類混合垃圾堆體（含較多生活垃圾）和第2 類混合垃圾堆體（以建筑垃圾為主，夾雜少量生活垃圾）；一般而言，第1 類混合垃圾堆體的平均密度為0.534～0.750 t/m3，輕質(zhì)篩上物比例為4.00%～12.90%；第2 類混合垃圾堆體的平均密度為1.254～1.301 t/m3，輕質(zhì)篩上物比例為1.04%～2.10%；輕質(zhì)篩上物比例越低，垃圾堆體的平均密度越大。同時，考慮當(dāng)腐殖土填充垃圾空隙時，往往造成垃圾堆體密度增加，因此腐殖土含量也對垃圾堆體的平均密度具有一定程度的影響。

2） 開展現(xiàn)場中試篩分試驗和密度試驗克服了傳統(tǒng)鉆探方法中采樣代表性不足、不具有普遍性以及工程應(yīng)用效果不佳等問題，提高了混合垃圾篩分產(chǎn)物比例的測算精度，同時該方法對于地表堆放的不均勻混合垃圾堆體也具有更好的適用性。

3） 非正規(guī)垃圾堆放點中垃圾堆體性質(zhì)不一、堆放散亂、缺乏統(tǒng)一規(guī)律，目前國內(nèi)外缺乏關(guān)于其垃圾成分比例的相關(guān)研究。本研究提出的精準(zhǔn)勘測方法與混合垃圾密度及篩分產(chǎn)物比例經(jīng)驗參考值，對非正規(guī)垃圾堆放點篩分治理工程設(shè)計具有重要的借鑒和參考價值，也為今后類似工程的垃圾堆體勘測和成果驗證提供了方法和借鑒。