生活垃圾處置園區(qū)安全與環(huán)境智慧平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)踐

戴世金，李聰明，王鳳俠，周 暢，蘭吉武，杜玉鳳

（1. 深圳市寶安區(qū)市容環(huán)境綜合管理服務(wù)中心，廣東 深圳 518101；2. 浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

1 生活垃圾處置園區(qū)的背景

由于垃圾處置設(shè)施面臨選址難、鄰避效應(yīng)嚴(yán)重等問題，近年來，城市生活垃圾處置已逐漸走向集中化、園區(qū)化，大氣污染、水污染、填埋堆體穩(wěn)定等問題是垃圾處置園區(qū)的重點(diǎn)問題。我國南方填埋場普遍堆體水位較高，高滲濾液水位可能會(huì)造成堆體失穩(wěn)滑坡，帶來安全隱患［1］。國內(nèi)外正在運(yùn)行的填埋場，多次發(fā)生堆體局部失穩(wěn)和山體滑坡，造成大量垃圾和滲濾液外溢［2-3］。隨著國內(nèi)外數(shù)字化水平的提高及在線監(jiān)測技術(shù)的成熟，信息技術(shù)已成為推進(jìn)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要手段。在線監(jiān)測系統(tǒng)，可對(duì)填埋堆體、堤壩、山體邊坡及其他關(guān)鍵構(gòu)筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測與評(píng)估；同時(shí)也可監(jiān)控園區(qū)臭氣污染并提出針對(duì)性措施，提高園區(qū)周邊大氣環(huán)境質(zhì)量［4-5］。近年來，智慧化管理技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦山［6］、油田［7］、軌道交通［8］、垃圾清運(yùn)［9］等行業(yè)，廈門、長沙等城市建立了智慧環(huán)衛(wèi)平臺(tái)，主要用于垃圾分類過程中的環(huán)衛(wèi)車輛管理［10-11］。關(guān)于填埋場和垃圾處置園區(qū)的數(shù)字化和智慧化監(jiān)管平臺(tái)較少，亟需相關(guān)的智慧管理平臺(tái)，為數(shù)字化填埋系統(tǒng)和智慧化垃圾處置園區(qū)提供范例和參考。

某環(huán)境園目前平均日處理生活垃圾已達(dá)8 000 t，包括生活垃圾焚燒、填埋、滲濾液處理、爐渣和飛灰處理等多種設(shè)施。本研究以該環(huán)境園為例，通過構(gòu)建數(shù)字管理和智慧園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，形成垃圾處置園區(qū)安全和智慧化監(jiān)控監(jiān)管平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總與分析，并對(duì)環(huán)境園區(qū)的穩(wěn)定安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。

2 智慧平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 智慧平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

垃圾處置園區(qū)智慧化系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)園區(qū)安全運(yùn)營，提升建設(shè)單位管理效益［12］。智慧化系統(tǒng)建設(shè)方案如下：①建設(shè)填埋場穩(wěn)定安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸及平臺(tái)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)穩(wěn)定安全與環(huán)境安全的自動(dòng)化監(jiān)控；②通過園區(qū)臭氣濃度的在線監(jiān)測，掌握園區(qū)實(shí)時(shí)環(huán)境安全情況，并及時(shí)預(yù)警，基于在線監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)一步提高園區(qū)運(yùn)營管控能力?？傮w建設(shè)方案如圖1 所示。

圖1 垃圾處置園區(qū)智慧化平臺(tái)總體建設(shè)方案Figure 1 Overall construction plan of intelligent platform for MSW treatment park

2.2 環(huán)境監(jiān)測智慧平臺(tái)的監(jiān)測布點(diǎn)

2.2.1 填埋堆體監(jiān)測布點(diǎn)

環(huán)境園目前建設(shè)有一期和二期填埋場，其中一期填埋場已封場，二期填埋場實(shí)行分區(qū)建設(shè)和填埋，填埋物為生活垃圾和固化飛灰。為了掌握填埋堆體整體情況，對(duì)園區(qū)堆體、壩體和山體開展了人工監(jiān)測及初步評(píng)估，并根據(jù)初步的評(píng)估結(jié)果確定填埋堆體穩(wěn)定安全敏感點(diǎn)，為在線監(jiān)測布點(diǎn)方案提供依據(jù)［13］。一期填埋場的布點(diǎn)設(shè)置如圖2（a）所示，主要對(duì)堆體的表面位移和沉降、深層位移、水位、孔壓、封場土飽和度等進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測［14］。二期填埋場的布點(diǎn)如圖2（b）所示，除了對(duì)堆體的表面位移進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測之外，填埋場的邊坡等區(qū)域也需進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測，具體監(jiān)測布點(diǎn)方案見圖2（c）。

圖2 填埋場堆體監(jiān)測布點(diǎn)方案Figure 2 The monitoring points scheme for landfill pile

2.2.2 園區(qū)惡臭氣體監(jiān)測布點(diǎn)

填埋場作為惡臭產(chǎn)生的重點(diǎn)區(qū)域，空氣質(zhì)量較差，異味、惡臭等問題嚴(yán)重，是大氣環(huán)境防控工作的重點(diǎn)［15-16］。為實(shí)現(xiàn)環(huán)境園大氣環(huán)境質(zhì)量的智慧化監(jiān)測，設(shè)計(jì)在填埋場下風(fēng)向現(xiàn)場作業(yè)站及下游生活區(qū)和工作區(qū)各布置1 個(gè)臭氣濃度監(jiān)測點(diǎn)，具體監(jiān)測內(nèi)容包括對(duì)硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）、氨氣（NH3）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等臭氣含量及PM2.5、氣象五要素（風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫及相對(duì)濕度）的監(jiān)測。臭氣監(jiān)測點(diǎn)和視頻監(jiān)控點(diǎn)布置見圖3。

圖3 臭氣監(jiān)測點(diǎn)和視頻監(jiān)控點(diǎn)布置Figure 3 The odor monitoring points and video monitoring points layout

2.3 監(jiān)測儀器和設(shè)備

根據(jù)環(huán)境園監(jiān)測點(diǎn)布置情況，現(xiàn)場監(jiān)測儀器和設(shè)施情況具體如表1 所示。

表1 垃圾處置園區(qū)全場監(jiān)測設(shè)施統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of all monitoring facilities for the MSW treatment park

填埋堆體表面位移監(jiān)測采用測量機(jī)器人，并利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）進(jìn)行測站基準(zhǔn)矯正。測量機(jī)器人又稱自動(dòng)全站儀，是一種集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測角與測距、自動(dòng)目標(biāo)跟蹤、自動(dòng)記錄于一體的測量平臺(tái)。監(jiān)測站首先應(yīng)具備良好的通視條件，且應(yīng)建立在穩(wěn)定基巖上。監(jiān)測點(diǎn)盡量布設(shè)在能反映坡體變形特征且受外界干擾少的位置上，其中5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位于潛在滑動(dòng)范圍外作為參照點(diǎn)。在監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置棱鏡，為保證全場通視性和安全，將滑體的觀測棱鏡安裝在框格梁、堆體和壩體上。

堆體沉降采用GNSS 地表位移監(jiān)測站。GNSS 接收機(jī)能同時(shí)獲取“北斗+GPS+格洛納斯（GLONASS）”衛(wèi)星信號(hào)，通過3G、4G、光纖等多種無線或有線的通訊方式將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ倪h(yuǎn)程監(jiān)測中心［5,11,17］。根據(jù)實(shí)際需求，環(huán)境園共有11 個(gè)GNSS 監(jiān)測站，包含1 個(gè)基準(zhǔn)站、10 個(gè)測站、2 臺(tái)測量機(jī)器人、97 個(gè)棱鏡、4 個(gè)控制點(diǎn)、93 個(gè)測量點(diǎn)，其布置情況如圖4 所示。

圖4 填埋堆體表面水平位移與沉降監(jiān)測點(diǎn)位布置Figure 4 The horizontal displacement and settlement monitoring points layout on the surface of landfill pile

園區(qū)內(nèi)共設(shè)置2 套大氣在線監(jiān)測設(shè)備，采用新西蘭Aeroqual 公司環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站，其中1套位于距填埋場作業(yè)辦公室門口50 m 左右的觀光平臺(tái)位置，另外1 套位于生活區(qū)和工作區(qū)附近。設(shè)備信息通過無線模塊發(fā)送至管理所中控室，中控?cái)?shù)據(jù)記錄以離散點(diǎn)形式展示。

3 環(huán)境監(jiān)測智慧平臺(tái)的運(yùn)行效果分析

環(huán)境智慧化系統(tǒng)平臺(tái)考慮了現(xiàn)有的功能性需求和非功能性需求，同時(shí)還考慮了對(duì)后續(xù)系統(tǒng)功能擴(kuò)展、可維護(hù)及系統(tǒng)性能的影響。與常規(guī)的系統(tǒng)類似，系統(tǒng)按照功能職責(zé)自下而上可分為末端設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)支撐層、應(yīng)用層5個(gè)部分［18-19］。主要從穩(wěn)定與安全管理、環(huán)境監(jiān)測模塊、園區(qū)日常運(yùn)營管理模塊對(duì)環(huán)境監(jiān)測智慧平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)行效果分析。本次監(jiān)測時(shí)間為2020 年8月至2021 年7 月。

3.1 穩(wěn)定與安全管理模塊

穩(wěn)定安全管理系統(tǒng)主要包括堆體穩(wěn)定安全、堤壩穩(wěn)定安全、山體邊坡穩(wěn)定安全模塊。如圖5所示，平臺(tái)通過填埋堆體和堤壩的表面位移和深層位移監(jiān)測、堆體和基層沉降監(jiān)測、堆體水位監(jiān)測、山體裂縫和傾角監(jiān)測等項(xiàng)目的數(shù)據(jù)記錄與分析，實(shí)現(xiàn)堆體穩(wěn)定分析、緊急情況預(yù)警等功能。根據(jù)穩(wěn)定分析確定的預(yù)警值，自動(dòng)判斷園區(qū)堆體及壩堤等的安全穩(wěn)定情況，分等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

圖5 安全和環(huán)境智慧化平臺(tái)界面Figure 5 The safety and environmental intelligence platform interface

1）實(shí)時(shí)顯示。顯示監(jiān)測設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及某一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)折線圖，也可以顯示某一時(shí)刻的等值線圖。此外，可提供歷史數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出，并且提供統(tǒng)計(jì)超標(biāo)記錄（最大超標(biāo)值）的次數(shù)。實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，及時(shí)給出堆體、壩體和山體等穩(wěn)定安全性評(píng)估結(jié)果。

2）穩(wěn)定與安全評(píng)估?？梢园茨?、月和周自動(dòng)生成穩(wěn)定與安全評(píng)估報(bào)告，報(bào)告按照園區(qū)規(guī)劃期數(shù)、區(qū)域和監(jiān)測設(shè)備的類型，以圖片、表格、圖形等方式展現(xiàn)當(dāng)前時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)告。

3）歷史數(shù)據(jù)查看。根據(jù)監(jiān)測設(shè)備類型分為表面位移監(jiān)測、水位監(jiān)測、深層位移監(jiān)測、山體裂縫監(jiān)測以及沉降監(jiān)測。所有的歷史數(shù)據(jù)都可以根據(jù)時(shí)間和監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行查詢和導(dǎo)出。

4）手動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)預(yù)留手動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)功能以便對(duì)缺漏的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工補(bǔ)錄或者對(duì)監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修正，提供評(píng)估報(bào)告的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

本次表面水平位移監(jiān)測結(jié)果顯示（表2）：一期已封場填埋場表面位移速率較小，年度表面水平位移累計(jì)值約為14.35～35.14 mm，累計(jì)位移速率為0.04～0.10 mm/d。

表2 一期已封場填埋場表面水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of horizontal displacement of landfill surface in phase I sealed site

本次表面沉降監(jiān)測結(jié)果顯示（表3）：堆體沉降速率較小，年度累計(jì)沉降值為21.41～137.29 mm，經(jīng)計(jì)算平均沉降值為73.52 mm。年度沉降速率為0.07～0.38 mm/d，經(jīng)計(jì)算平均速率為0.21 mm/d，保持在CJJ 176—2012 生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的10 mm/d 的警戒值之內(nèi)。

表3 一期已封場填埋場表面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of surface settlement of landfill surface in phase I sealed site

3.2 環(huán)境監(jiān)測管理模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊中對(duì)應(yīng)GB 16889—2008 生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)中所要求的監(jiān)測內(nèi)容，基于臭氣監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，對(duì)臭氣的影響范圍、程度進(jìn)行智能評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)氣體（H2S、NH3）濃度的自動(dòng)監(jiān)測和擴(kuò)散的智能分析［20-21］。如圖6 所示，其主要內(nèi)容包括氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測、臭氣及擴(kuò)散監(jiān)測等。

圖6 環(huán)境監(jiān)測管理模塊Figure 6 Environmental monitoring management module

通過自動(dòng)氣象站設(shè)備可以實(shí)時(shí)精確地監(jiān)測園區(qū)氣象情況，比如溫度、濕度、氣壓、降雨強(qiáng)度、風(fēng)向和風(fēng)速等。將每小時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)并列展示，可以直觀地了解園區(qū)的氣象狀況，可為分析園區(qū)氣象環(huán)境、保障園區(qū)正常運(yùn)營以及應(yīng)急指揮提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

本次對(duì)風(fēng)向和風(fēng)速的監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7。由圖7可以看出，園區(qū)風(fēng)向以東南風(fēng)為主，主要風(fēng)速在2 m/s 以下，極端有6.5 m/s 大風(fēng)天氣。通過持續(xù)分析臭氣監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)或選擇時(shí)間范圍生成臭氣成分的散點(diǎn)圖，也可以選擇時(shí)間范圍查詢某一段時(shí)間的臭氣監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測運(yùn)行記錄顯示，本次園區(qū)臭氣及擴(kuò)散情況整體較好。

圖7 園區(qū)風(fēng)向和風(fēng)速監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)Figure 7 Monitoring operation data of wind direction and speed in the park

3.3 園區(qū)日常運(yùn)營管理模塊

園區(qū)日常運(yùn)營管理模塊主要用于園區(qū)日常運(yùn)營數(shù)據(jù)的數(shù)字化統(tǒng)計(jì)，對(duì)生活垃圾處理進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)收集和分析。該模塊目前包含垃圾進(jìn)場量管理、污水處理管理、發(fā)電廠管理、實(shí)時(shí)查看所有監(jiān)控畫面等。園區(qū)內(nèi)進(jìn)場垃圾主要以生活垃圾（其他垃圾）為主，進(jìn)場車次約為1 300 次，平均每車次垃圾車進(jìn)場量約為5.16 t（圖8）。

圖8 各類別垃圾進(jìn)場車次統(tǒng)計(jì)Figure 8 The train number statistic of all types of MSW entered the park

4 數(shù)據(jù)應(yīng)用與設(shè)施維護(hù)

4.1 數(shù)據(jù)應(yīng)用

園區(qū)進(jìn)場量管理、污水處理管理等數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)接入市、區(qū)級(jí)政府大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，設(shè)立APP和微信公眾號(hào)移動(dòng)式監(jiān)測平臺(tái)，并接入政府大數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)，針對(duì)安全隱患及時(shí)給出預(yù)警預(yù)報(bào)，及時(shí)采取相應(yīng)控制措施。建立規(guī)范的園區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析體系，科學(xué)開展數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)決策工作，支撐城市垃圾處置大數(shù)據(jù)庫管理和安全管理。

目前，該平臺(tái)主要通過在線數(shù)據(jù)采集、輔助專業(yè)數(shù)據(jù)分析，為政府提供決策支撐。政府監(jiān)測系統(tǒng)可通過歷史垃圾量數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，例如在穩(wěn)定安全中水位預(yù)警中，通過邊坡穩(wěn)定計(jì)算專業(yè)軟件，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件建模，基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到警戒水位，并將其作為堆體穩(wěn)定的水位控制條件，當(dāng)監(jiān)測水位超過警戒值時(shí)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)提醒，并由專業(yè)團(tuán)隊(duì)評(píng)估是否需要進(jìn)行降水等措施，從而輔助園區(qū)決策。如發(fā)現(xiàn)垃圾量數(shù)據(jù)增長較快，可反映出是否有其他非生活垃圾混入，第一時(shí)間反饋到垃圾清運(yùn)和處置企業(yè)，查明原因，縮短聯(lián)動(dòng)和響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，各區(qū)域垃圾增長規(guī)律、各類垃圾比例變化情況等與各區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口等情況數(shù)據(jù)相結(jié)合，可為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展分析提供輔助決策。未來，隨著數(shù)據(jù)量的增多和決策分析模型的完善，將逐步拓展如臭氣擴(kuò)散預(yù)警等決策分析功能。

4.2 設(shè)施維護(hù)

對(duì)于在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感設(shè)備來說，填埋場和垃圾處置園區(qū)環(huán)境相對(duì)惡劣，尤其是堆體內(nèi)部的高溫環(huán)境及滲濾液可能會(huì)損害傳感設(shè)備，故運(yùn)行期間需關(guān)注設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，分析判斷故障原因，提出維修方案，甚至更換設(shè)備。本設(shè)備平臺(tái)由專門的運(yùn)營隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)，以確保數(shù)據(jù)正常采集、傳輸、儲(chǔ)存。表4 為系統(tǒng)運(yùn)行第1 年度傳感設(shè)備維護(hù)與維修記錄。運(yùn)行記錄顯示，在線設(shè)備整體運(yùn)行較為正常，設(shè)備故障率不高。相對(duì)而言，水分測定儀和測斜儀器的故障率較高，需要有人員駐場維保，及時(shí)更換，保持在線監(jiān)測設(shè)備正常運(yùn)行。

表4 自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)（2020 年8 月—2021 年7 月）Table 4 Breakdown statistics of automatic monitoring equipment from August 2020 to July 2021

5 結(jié)論

1）以生活垃圾處置園區(qū)為例，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)填埋堆體、堤壩、山體邊坡及其他關(guān)鍵構(gòu)筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測與評(píng)估，同時(shí)增加了園區(qū)水體、臭氣等在線監(jiān)測系統(tǒng)，提高園區(qū)環(huán)境保護(hù)水平和園區(qū)運(yùn)行安全性。

2）通過將垃圾處置園區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)營數(shù)據(jù)數(shù)字化，建成了垃圾處置園區(qū)安全和智慧管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)智慧監(jiān)管“一張屏”，初步形成了垃圾處置園區(qū)的安全和智慧系統(tǒng)，對(duì)園區(qū)的遠(yuǎn)程管理和智能監(jiān)控具有示范作用。

3）為期1 a 的實(shí)際運(yùn)行情況表明，安全與環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)整體運(yùn)行較為正常，由于填埋堆體環(huán)境惡劣，水分測定儀和測斜儀器的故障率相對(duì)較高，需要定期維護(hù)，以保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。