飛灰袋裝化填埋處置工藝優(yōu)化研究＊

陳躍衛(wèi)，張美蘭，董 輝，鄭奇騰，馮世進(jìn)

（1.上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾清運(yùn)量超過2.2×108t/a，但隨著土地資源的日益緊缺，垃圾焚燒處理比例逐年升高，特別是部分沿海地區(qū)，逐步實(shí)現(xiàn)原生垃圾零填埋。2018 年《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，全國在運(yùn)行的生活垃圾焚燒廠331 座，每年處理量達(dá)到1.018 4×108t，占總處理量的45%［1］。飛灰產(chǎn)生量約占垃圾總量的2%～5%，其含有大量重金屬［2］，屬于危險(xiǎn)廢物，主要采用安全填埋的處置措施，即穩(wěn)定化預(yù)處理后填埋?！丁笆濉比珖擎?zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》 的出臺(tái)，更是凸顯了對(duì)垃圾焚燒飛灰處理技術(shù)和填埋工藝改進(jìn)的需求［3］。GB 18598—2001 危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了飛灰填埋的入場(chǎng)條件、運(yùn)行及監(jiān)測(cè)的環(huán)境保護(hù)要求，2019 年重新修訂了該標(biāo)準(zhǔn)（GB 18598—2019） 并嚴(yán)格了入場(chǎng)要求，例如鉛的浸出控制限值由5 mg/L 降為1.2 mg/L［4］。

我國飛灰填埋場(chǎng)的建設(shè)剛剛起步，大多參考生活垃圾填埋場(chǎng)的相關(guān)規(guī)范，但是固化飛灰與生活垃圾有著顯著的不同［5］，導(dǎo)致填埋處置中產(chǎn)生一些新的問題，如固化/穩(wěn)定化工藝多樣導(dǎo)致入場(chǎng)飛灰特性差異大［6］、飛灰質(zhì)量檢測(cè)耗時(shí)長并難以實(shí)現(xiàn)環(huán)保追溯。固化飛灰的填埋作業(yè)工藝可分為攤鋪式和吊裝式，由于飛灰顆粒粒徑小、間距大［7］，攤鋪式填埋作業(yè)易產(chǎn)生難處理的高鹽滲濾液和揚(yáng)塵等問題，影響周邊環(huán)境并威脅作業(yè)人員的健康。因此進(jìn)場(chǎng)飛灰袋裝化和吊裝式填埋將逐漸成為主流［8］。但是，當(dāng)前噸袋飛灰的吊裝工藝仍不成熟，且施工組織和運(yùn)營管理較為粗放，導(dǎo)致堆填效率低下，有必要開展現(xiàn)場(chǎng)吊裝工藝試驗(yàn)，提出科學(xué)、合理的飛灰袋裝化施工作業(yè)和數(shù)據(jù)化運(yùn)營管理方案，保障飛灰填埋場(chǎng)的運(yùn)行安全和環(huán)保安全。

2 噸袋飛灰現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)

為了研究袋裝化飛灰填埋吊裝效率，在上海老港填埋場(chǎng)綜合一期飛灰?guī)靺^(qū)南側(cè)，整平原散裝飛灰堆體后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)，試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，歷時(shí)25 d，包括標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)吊裝試驗(yàn)和長臂挖機(jī)吊裝試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，已有5 家焚燒廠采用飛灰袋裝化運(yùn)輸，每日安排若干袋裝飛灰運(yùn)輸車輛至試驗(yàn)區(qū)卸料。由于飛灰屬于危險(xiǎn)廢物，飛灰是直接從焚燒廠經(jīng)預(yù)處理后裝袋，運(yùn)輸時(shí)采用專用運(yùn)輸車輛。每月對(duì)各焚燒廠的入場(chǎng)飛灰抽查兩次，送至第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)浸出毒性，確保飛灰符合入場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 飛灰填埋場(chǎng)概況

上海老港綜合填埋場(chǎng)一期和二期工程建設(shè)有飛灰填埋庫區(qū)（圖1），于2013 年4 月投入運(yùn)行，截至2017 年底已累積處置生活垃圾焚燒飛灰約2.85×105t。目前，上海市除崇明區(qū)外的所有生活垃圾焚燒飛灰經(jīng)焚燒廠內(nèi)預(yù)處理后，全部納入老港綜合填埋場(chǎng)飛灰填埋庫區(qū)安全填埋，處置量約400 t/d，高峰可達(dá)500 t/d［9］。每個(gè)飛灰?guī)靺^(qū)沿東北-西南向設(shè)置3 條分隔堤，劃分4 個(gè)填埋區(qū)間；飛灰?guī)斓灼骄x地表以下5.0 m，計(jì)劃堆高至地表以上12.0 m（含1.0 m 覆蓋層），堆填厚度約16.0 m。綜合填埋場(chǎng)一期主要采用攤鋪式填埋作業(yè)工藝，二期擬采用吊裝式填埋作業(yè)工藝。

圖1 上海老港填埋場(chǎng)綜合一期和二期工程的飛灰?guī)靺^(qū)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)吊裝試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)間為2019 年5 月14 日至6 月22 日，配置1 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)和鋼板路基箱、專用爬梯等其他輔助設(shè)備，改裝原有挖斗，如圖2 所示，用于掛鉤1 個(gè)或2 個(gè)噸袋，并增加操作視野，以提升安全性、穩(wěn)定性和作業(yè)效率?，F(xiàn)場(chǎng)配置人員7 名，包括1 名現(xiàn)場(chǎng)指揮、1 名現(xiàn)場(chǎng)記錄、1 名挖機(jī)工和4 名裝卸輔助工（2 名卸車人員、2 名堆放人員）。試驗(yàn)均選在晴天或陰天等良好天氣狀態(tài)進(jìn)行（降雨影響作業(yè)視線、刮風(fēng)導(dǎo)致挖機(jī)搖晃，兩者均影響作業(yè)效率，因此大雨或大風(fēng)等不良天氣時(shí)庫區(qū)停止作業(yè)），分別研究標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)單次吊卸1 袋（8 d作業(yè)） 和吊卸2 袋（5 d 作業(yè)） 的工藝效率。

圖2 上海老港飛灰袋裝化現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)

2.3 長臂挖機(jī)吊裝試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)間為2019 年10 月28 日至11 月8 日，配置1 臺(tái)長臂挖機(jī)（臂長23 m） 和鋼板路基箱、專用爬梯等其他輔助設(shè)備，拆除原有挖斗，改裝成專用吊具，如圖2 所示，用于掛鉤1 個(gè)或2 個(gè)噸袋，并增加操作視野，以提升安全性、穩(wěn)定性和作業(yè)效率?，F(xiàn)場(chǎng)也配置1 名現(xiàn)場(chǎng)指揮、1 名現(xiàn)場(chǎng)記錄、1 名挖機(jī)工和4 名裝卸輔助工（2 名卸車人員、2 名堆放人員）?，F(xiàn)場(chǎng)指揮負(fù)責(zé)觀察情況，并現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)其他人員安全操作。為了降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，一般先讓掛鉤在運(yùn)輸車上部停好、停穩(wěn)，再由裝卸人員到運(yùn)輸車上作業(yè)，將噸袋掛至掛鉤上。試驗(yàn)均選在晴天或陰天等良好天氣狀態(tài)進(jìn)行，分別研究長臂挖機(jī)單次吊卸1 袋（7 d 作業(yè)） 和吊卸2 袋（5 d 作業(yè)） 的工藝效率。

3 噸袋吊裝試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 噸袋吊裝試驗(yàn)結(jié)果

圖3 對(duì)比了不同噸袋吊裝工藝的吊卸時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)每次只能在填埋層上堆積3 層噸袋，單次吊卸1 袋的平均時(shí)間為106 s/袋，隨著層數(shù)的增加，吊卸時(shí)間從第1 層的90 s/袋增加到第3 層的133 s/袋；單次吊卸2 袋的平均時(shí)間為80 s/袋，吊卸時(shí)間從第1 層的67 s/袋增加到第3 層的92 s/袋。長臂挖機(jī)可以吊卸堆積4 層噸袋，單次吊卸1 袋的平均時(shí)間為118 s/袋，其中第1 層吊卸時(shí)間為101 s/袋，到第4 層時(shí)吊卸時(shí)間升高至134 s/袋；單次吊卸2 袋的平均時(shí)間為103 s/袋，其中第1 層吊卸時(shí)間為97 s/袋，至第4 層時(shí)吊卸時(shí)間增加到105 s/袋。

圖3 不同噸袋工藝吊卸時(shí)間對(duì)比

對(duì)比吊裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，單次吊卸1 袋條件下，標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)的吊卸效率總體高于長臂挖機(jī)（平均吊卸效率高約11%），且隨著堆填層數(shù)的增加，兩者的吊卸效率逐步降低，標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)降低更快（平均每層約18%）。單次吊卸2 袋條件下，標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)的吊卸效率仍高于長臂挖機(jī)（平均吊卸效率高約29%），但是隨著堆填層數(shù)的增加，標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)吊卸效率平均每層降低約15%，而長臂挖機(jī)的第2、3、4 層的吊卸效率基本接近，較第1 層僅平均下降約8%。另外，采用單次吊卸2 袋，標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)的吊卸效率可以提升約33%，而長臂挖機(jī)提升約15%。總體上，吊卸效率為標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)單次吊卸2 袋（80 s/袋） ＞長臂挖機(jī)單次吊卸2 袋（103 s/袋） ＞標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)單次吊卸1 袋（106 s/袋） ＞長臂挖機(jī)單次吊卸1 袋（118 s/袋）。

雖然標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)的吊裝效率略高，但差距屬于可接受范圍，且作業(yè)時(shí)不同挖機(jī)需要的人力、物力相差不大。由于長臂挖機(jī)的最大臂長大于22 m，有效工作幅度離回轉(zhuǎn)中心大于15 m，作業(yè)面積更大且適用性更廣，可以解決地表以下填埋、第4層堆高和遠(yuǎn)距離吊裝等作業(yè)難題，仍建議采用購置成本較高的長臂挖機(jī)（單次吊卸2 袋） 作為飛灰噸袋吊裝的主要工作設(shè)備。

3.2 飛灰袋裝化填埋方案

進(jìn)場(chǎng)飛灰均需登記運(yùn)輸車牌號(hào)、運(yùn)輸單位、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、飛灰來源等，同時(shí)過磅稱量，然后運(yùn)輸至庫區(qū)進(jìn)行填埋，庫區(qū)日常作業(yè)包括作業(yè)道路修建、卸料吊裝、覆蓋和封場(chǎng)等。長臂挖機(jī)將是未來卸料吊裝的主要工作設(shè)備，不考慮吊卸準(zhǔn)備、吊卸結(jié)束、車輛離場(chǎng)和降雨等惡劣天氣，單次吊卸2 袋的工作效率為103 s/袋。以每車12 袋飛灰計(jì)，單輛運(yùn)輸車進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間取3 min，人員準(zhǔn)備2 min，吊卸耗時(shí)103 s/袋×12 袋/60=20.6 min，即每輛飛灰運(yùn)輸車耗時(shí)約25.6 min。

扣除填埋場(chǎng)作業(yè)道路及卸料平臺(tái)日常構(gòu)筑維護(hù)、作業(yè)設(shè)備等待和中間休息時(shí)間，飛灰吊裝作業(yè)從早上8 時(shí)至下午16 時(shí)，有效作業(yè)時(shí)間約6 h，單個(gè)卸點(diǎn)的日作業(yè)量為360 min/25.6 min/輛×12 t/輛=168 t/（卸點(diǎn)·d）。預(yù)計(jì)高峰時(shí)期，上海老港飛灰填埋場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)量可達(dá)500 t/d，因此每天需要設(shè)置3 個(gè)作業(yè)卸點(diǎn)，另備用1 個(gè)卸點(diǎn)，每個(gè)卸點(diǎn)、每班配置7 人。鋼板路基箱寬8 m，均為雙向兩車道，若鋼板路基箱足夠，4 個(gè)卸點(diǎn)需沿飛灰?guī)靺^(qū)的東北-西南方向鋪設(shè)間隔30 m（2 倍的長臂挖機(jī)作業(yè)半徑） 的兩條鋼板路。為了便于環(huán)保追溯，建議沿東北-西南向單層（1 m） 作業(yè)，填滿1 層后，再繼續(xù)向上堆填，直至4 m 高；然后，由中間向兩端拆除鋼板路基箱，邊退邊填埋4 m 高飛灰堆體；最后，向西北鋪設(shè)新的鋼板路基箱，重復(fù)上述堆填方案。

4 飛灰袋裝化填埋工藝優(yōu)化和數(shù)據(jù)化管理構(gòu)想

4.1 噸袋和吊卸工藝優(yōu)化構(gòu)想

上海老港飛灰填埋場(chǎng)對(duì)口8 家焚燒廠，各家焚燒廠采用由聚丙烯（PP） 等聚酯纖維紡織而成的柔性噸袋，無易降解或環(huán)保要求，但是各家噸袋尺寸不一（見表1） 且螯合后飛灰噸袋形狀各異，導(dǎo)致庫區(qū)堆填噸袋間留有較大空隙，既減少了庫容，也一定程度上影響了堆體穩(wěn)定性?，F(xiàn)有吊卸工藝需要較多的輔助人員，特別是吊卸第3、4 層時(shí)，具有一定安全隱患。

若想實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化吊裝，后續(xù)建議先統(tǒng)一各家焚燒廠噸袋的尺寸和規(guī)格，統(tǒng)一螯合飛灰的噸袋裝填工藝，采用高靜壓等預(yù)處理技術(shù)形成規(guī)則的飛灰噸袋，便于填埋［9-10］。在此基礎(chǔ)上，研制專門的噸袋挖斗，配置挖機(jī)吊卸影像，實(shí)現(xiàn)挖機(jī)司機(jī)自主卸袋；同時(shí)，為了提高卸袋精度，減少吊卸晃動(dòng)，可縮短噸袋吊繩長度。

表1 不同焚燒廠的噸袋尺寸 cm

4.2 飛灰袋裝化填埋數(shù)據(jù)化管理

飛灰袋裝化填埋的環(huán)保追溯機(jī)制與數(shù)據(jù)化管理強(qiáng)烈依賴于對(duì)飛灰填埋場(chǎng)的分區(qū)編號(hào)，考慮現(xiàn)場(chǎng)飛灰填埋管理的需求，可以采用數(shù)據(jù)庫記錄每一輛運(yùn)輸車飛灰的填埋情況，便于定位超標(biāo)飛灰位置。同時(shí)，建議固定焚燒廠家的飛灰應(yīng)相對(duì)集中于固定劃定的填埋區(qū)域，不同焚燒廠采用統(tǒng)一規(guī)格但不同顏色的噸袋，噸袋上貼有相關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保追溯，清晰劃分相應(yīng)責(zé)任，便于督察管理與事后追責(zé)，保障飛灰填埋場(chǎng)的運(yùn)行安全和環(huán)保安全。

依據(jù)第3.2 節(jié)的堆填方案，將整個(gè)飛灰?guī)靺^(qū)分區(qū)，設(shè)自東南向西北堆填單元編號(hào)為i=1，2，3，4，5，…，其中2，5，8…等為鋼板路基堆填分區(qū)，縱向長約8 m，其他分區(qū)縱向長為15 m；自西南到東北單元編號(hào)為j=1，2，3，4，5…，13；自下向上單元編號(hào)為k=1，2，3，4…，16，每層1 m；則各單元編號(hào)為i-j-k。第3.2 節(jié)的堆填方案數(shù)據(jù)化如下所示。

階段1：卸點(diǎn)1 先堆填西南面的1-1-1 單元，向東北堆填至1-13-1 單元，見圖4（a）；

階段2：向上堆填1-13-2 單元，然后向西南堆填至1-1-2 單元；

階段3 和4：重復(fù)堆高兩層，直至1-（1～13） -（1～4） 區(qū)間被填滿，回歸1-1-4 單元，與此同時(shí)，卸點(diǎn)2 的3-（1～13）-（1～4） 區(qū)間也被填滿，見圖4（b）；

階段5：開始卸掉鋼板路基箱，首先堆填中間2-7-（1～4），然后向東北、西南堆填至2-13-（1～4） 和2-1-（1～4） 區(qū)間，如圖4（c） 所示，至此（1～3）-（1～13）-（1～4）空間被填滿，然后向西北繼續(xù)重復(fù)上述方案。

定義“飛灰進(jìn)場(chǎng)車輛”“飛灰填埋單元”“吊裝挖機(jī)”3 個(gè)實(shí)體：飛灰進(jìn)場(chǎng)車輛包含飛灰編號(hào)、飛灰來源、飛灰質(zhì)量、噸袋數(shù)量、車牌號(hào)、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、檢測(cè)結(jié)果等屬性；飛灰填埋單元包含單元編號(hào)（i-j-k）、單元形狀、單元體積、單元作業(yè)時(shí)間、單元封閉時(shí)間、單元狀態(tài)（作業(yè)、空置、填滿） 等屬性；吊裝挖機(jī)的屬性包含挖機(jī)編號(hào)、挖機(jī)型號(hào)、挖機(jī)狀態(tài)等屬性。

圖4 飛灰袋裝化分區(qū)單元與堆填方案

圖5 為飛灰袋裝化填埋的實(shí)體- 關(guān)系示意（E-R 圖），圖中三角形代表實(shí)體，長方形代表實(shí)體的屬性，圓形代表實(shí)體之間的關(guān)系，即填埋登記，表示某運(yùn)輸車輛的袋裝飛灰被某吊裝挖機(jī)填埋至某一單元內(nèi)。采用E-R 圖構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的物理模型，模型需要滿足第三范式的要求，即表中的所有數(shù)據(jù)元素可以唯一地被主關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)，且相互獨(dú)立，不存在其他的函數(shù)關(guān)系，不能出現(xiàn)表中某些數(shù)據(jù)元素依賴于其他非關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)元素。因此，圖6 給出了修正物理模型，除了飛灰進(jìn)場(chǎng)車輛（主關(guān)鍵詞：飛灰編號(hào)）、飛灰填埋單元（主關(guān)鍵詞：單元編號(hào)） 和吊裝挖機(jī)（主關(guān)鍵詞：挖機(jī)編號(hào)） 3 個(gè)表，新增飛灰來源（主關(guān)鍵詞：車牌號(hào)）、填埋登記（主關(guān)鍵詞：填埋編號(hào)） 和單元類型（主關(guān)鍵詞：單元類型編號(hào)） 3 個(gè)表，滿足了第三范式的要求?；谏鲜鑫锢砟Ｐ?，可以采用MySQL 軟件建立飛灰填埋管理數(shù)據(jù)庫，配合現(xiàn)場(chǎng)的手持終端設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，對(duì)飛灰袋裝化填埋進(jìn) 行數(shù)據(jù)化管理和環(huán)保追溯。

圖5 飛灰袋裝化填埋實(shí)體-關(guān)系示意（E-R 圖）

圖6 飛灰袋裝化填埋物理模型

5 結(jié)論

1） 噸袋飛灰的吊卸效率由高到低分別為：標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)單次吊卸2 袋（80 s/袋） ＞長臂挖機(jī)單次吊卸2 袋（103 s/袋） ＞標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)單次吊卸1 袋（106 s/袋） ＞長臂挖機(jī)單次吊卸1 袋（118 s/袋）。

2） 雖然標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)的吊卸效率高于長臂挖機(jī)（平均高約29%），但是隨著堆填層數(shù)的增加，標(biāo)準(zhǔn)挖機(jī)吊卸效率平均每層減低約15%且僅可作業(yè)至第3 層；而長臂挖機(jī)第2～4 層的吊卸效率基本接近，較第1 層僅平均下降約8%，且有效工作半徑大于15 m，可以有效解決堆高作業(yè)和遠(yuǎn)距離吊裝難題，極具應(yīng)用潛力。

3） 飛灰袋裝化和吊裝式填埋宜采用分區(qū)、分單元的填埋方案，固定焚燒廠家的飛灰應(yīng)相對(duì)集中填埋于固定區(qū)域，便于督察管理與追責(zé)，同時(shí)統(tǒng)一不同焚燒廠的噸袋尺寸和規(guī)則形狀。結(jié)合一系列吊卸設(shè)備和工藝的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)吊裝，減少輔助工和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全隱患。

4） 基于數(shù)據(jù)庫理論，定義“飛灰進(jìn)場(chǎng)車輛”“飛灰填埋單元”“吊裝挖機(jī)”3 個(gè)實(shí)體和相關(guān)屬性，通過填埋登記進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了飛灰填埋數(shù)據(jù)化管理的物理模型，有助于實(shí)現(xiàn)飛灰填埋場(chǎng)高效、精細(xì)管理和最終的環(huán)保追溯。