飞灰袋装化填埋处置工艺优化研究＊

陈跃卫，张美兰，董 辉，郑奇腾，冯世进

（1.上海老港废弃物处置有限公司，上海 201302；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092）

1 引言

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾清运量超过2.2×108t/a，但随着土地资源的日益紧缺，垃圾焚烧处理比例逐年升高，特别是部分沿海地区，逐步实现原生垃圾零填埋。2018 年《中国城乡建设统计年鉴》显示，全国在运行的生活垃圾焚烧厂331 座，每年处理量达到1.018 4×108t，占总处理量的45%［1］。飞灰产生量约占垃圾总量的2%～5%，其含有大量重金属［2］，属于危险废物，主要采用安全填埋的处置措施，即稳定化预处理后填埋。《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》 的出台，更是凸显了对垃圾焚烧飞灰处理技术和填埋工艺改进的需求［3］。GB 18598—2001 危险废物填埋污染控制标准规定了飞灰填埋的入场条件、运行及监测的环境保护要求，2019 年重新修订了该标准（GB 18598—2019） 并严格了入场要求，例如铅的浸出控制限值由5 mg/L 降为1.2 mg/L［4］。

我国飞灰填埋场的建设刚刚起步，大多参考生活垃圾填埋场的相关规范，但是固化飞灰与生活垃圾有着显著的不同［5］，导致填埋处置中产生一些新的问题，如固化/稳定化工艺多样导致入场飞灰特性差异大［6］、飞灰质量检测耗时长并难以实现环保追溯。固化飞灰的填埋作业工艺可分为摊铺式和吊装式，由于飞灰颗粒粒径小、间距大［7］，摊铺式填埋作业易产生难处理的高盐渗滤液和扬尘等问题，影响周边环境并威胁作业人员的健康。因此进场飞灰袋装化和吊装式填埋将逐渐成为主流［8］。但是，当前吨袋飞灰的吊装工艺仍不成熟，且施工组织和运营管理较为粗放，导致堆填效率低下，有必要开展现场吊装工艺试验，提出科学、合理的飞灰袋装化施工作业和数据化运营管理方案，保障飞灰填埋场的运行安全和环保安全。

2 吨袋飞灰现场吊装试验

为了研究袋装化飞灰填埋吊装效率，在上海老港填埋场综合一期飞灰库区南侧，整平原散装飞灰堆体后进行现场吊装试验，试验分为两个阶段，历时25 d，包括标准挖机吊装试验和长臂挖机吊装试验。试验期间，已有5 家焚烧厂采用飞灰袋装化运输，每日安排若干袋装飞灰运输车辆至试验区卸料。由于飞灰属于危险废物，飞灰是直接从焚烧厂经预处理后装袋，运输时采用专用运输车辆。每月对各焚烧厂的入场飞灰抽查两次，送至第三方检测机构检测浸出毒性，确保飞灰符合入场标准。

2.1 飞灰填埋场概况

上海老港综合填埋场一期和二期工程建设有飞灰填埋库区（图1），于2013 年4 月投入运行，截至2017 年底已累积处置生活垃圾焚烧飞灰约2.85×105t。目前，上海市除崇明区外的所有生活垃圾焚烧飞灰经焚烧厂内预处理后，全部纳入老港综合填埋场飞灰填埋库区安全填埋，处置量约400 t/d，高峰可达500 t/d［9］。每个飞灰库区沿东北-西南向设置3 条分隔堤，划分4 个填埋区间；飞灰库底平均离地表以下5.0 m，计划堆高至地表以上12.0 m（含1.0 m 覆盖层），堆填厚度约16.0 m。综合填埋场一期主要采用摊铺式填埋作业工艺，二期拟采用吊装式填埋作业工艺。

图1 上海老港填埋场综合一期和二期工程的飞灰库区

2.2 标准挖机吊装试验

试验时间为2019 年5 月14 日至6 月22 日，配置1 台标准挖机和钢板路基箱、专用爬梯等其他辅助设备，改装原有挖斗，如图2 所示，用于挂钩1 个或2 个吨袋，并增加操作视野，以提升安全性、稳定性和作业效率。现场配置人员7 名，包括1 名现场指挥、1 名现场记录、1 名挖机工和4 名装卸辅助工（2 名卸车人员、2 名堆放人员）。试验均选在晴天或阴天等良好天气状态进行（降雨影响作业视线、刮风导致挖机摇晃，两者均影响作业效率，因此大雨或大风等不良天气时库区停止作业），分别研究标准挖机单次吊卸1 袋（8 d作业） 和吊卸2 袋（5 d 作业） 的工艺效率。

图2 上海老港飞灰袋装化现场吊装试验

2.3 长臂挖机吊装试验

试验时间为2019 年10 月28 日至11 月8 日，配置1 台长臂挖机（臂长23 m） 和钢板路基箱、专用爬梯等其他辅助设备，拆除原有挖斗，改装成专用吊具，如图2 所示，用于挂钩1 个或2 个吨袋，并增加操作视野，以提升安全性、稳定性和作业效率。现场也配置1 名现场指挥、1 名现场记录、1 名挖机工和4 名装卸辅助工（2 名卸车人员、2 名堆放人员）。现场指挥负责观察情况，并现场指导其他人员安全操作。为了降低作业风险，一般先让挂钩在运输车上部停好、停稳，再由装卸人员到运输车上作业，将吨袋挂至挂钩上。试验均选在晴天或阴天等良好天气状态进行，分别研究长臂挖机单次吊卸1 袋（7 d 作业） 和吊卸2 袋（5 d 作业） 的工艺效率。

3 吨袋吊装试验结果与讨论

3.1 吨袋吊装试验结果

图3 对比了不同吨袋吊装工艺的吊卸时间。标准挖机每次只能在填埋层上堆积3 层吨袋，单次吊卸1 袋的平均时间为106 s/袋，随着层数的增加，吊卸时间从第1 层的90 s/袋增加到第3 层的133 s/袋；单次吊卸2 袋的平均时间为80 s/袋，吊卸时间从第1 层的67 s/袋增加到第3 层的92 s/袋。长臂挖机可以吊卸堆积4 层吨袋，单次吊卸1 袋的平均时间为118 s/袋，其中第1 层吊卸时间为101 s/袋，到第4 层时吊卸时间升高至134 s/袋；单次吊卸2 袋的平均时间为103 s/袋，其中第1 层吊卸时间为97 s/袋，至第4 层时吊卸时间增加到105 s/袋。

图3 不同吨袋工艺吊卸时间对比

对比吊装试验数据发现，单次吊卸1 袋条件下，标准挖机的吊卸效率总体高于长臂挖机（平均吊卸效率高约11%），且随着堆填层数的增加，两者的吊卸效率逐步降低，标准挖机降低更快（平均每层约18%）。单次吊卸2 袋条件下，标准挖机的吊卸效率仍高于长臂挖机（平均吊卸效率高约29%），但是随着堆填层数的增加，标准挖机吊卸效率平均每层降低约15%，而长臂挖机的第2、3、4 层的吊卸效率基本接近，较第1 层仅平均下降约8%。另外，采用单次吊卸2 袋，标准挖机的吊卸效率可以提升约33%，而长臂挖机提升约15%。总体上，吊卸效率为标准挖机单次吊卸2 袋（80 s/袋） ＞长臂挖机单次吊卸2 袋（103 s/袋） ＞标准挖机单次吊卸1 袋（106 s/袋） ＞长臂挖机单次吊卸1 袋（118 s/袋）。

虽然标准挖机的吊装效率略高，但差距属于可接受范围，且作业时不同挖机需要的人力、物力相差不大。由于长臂挖机的最大臂长大于22 m，有效工作幅度离回转中心大于15 m，作业面积更大且适用性更广，可以解决地表以下填埋、第4层堆高和远距离吊装等作业难题，仍建议采用购置成本较高的长臂挖机（单次吊卸2 袋） 作为飞灰吨袋吊装的主要工作设备。

3.2 飞灰袋装化填埋方案

进场飞灰均需登记运输车牌号、运输单位、进场时间、飞灰来源等，同时过磅称量，然后运输至库区进行填埋，库区日常作业包括作业道路修建、卸料吊装、覆盖和封场等。长臂挖机将是未来卸料吊装的主要工作设备，不考虑吊卸准备、吊卸结束、车辆离场和降雨等恶劣天气，单次吊卸2 袋的工作效率为103 s/袋。以每车12 袋飞灰计，单辆运输车进出场时间取3 min，人员准备2 min，吊卸耗时103 s/袋×12 袋/60=20.6 min，即每辆飞灰运输车耗时约25.6 min。

扣除填埋场作业道路及卸料平台日常构筑维护、作业设备等待和中间休息时间，飞灰吊装作业从早上8 时至下午16 时，有效作业时间约6 h，单个卸点的日作业量为360 min/25.6 min/辆×12 t/辆=168 t/（卸点·d）。预计高峰时期，上海老港飞灰填埋场的进场量可达500 t/d，因此每天需要设置3 个作业卸点，另备用1 个卸点，每个卸点、每班配置7 人。钢板路基箱宽8 m，均为双向两车道，若钢板路基箱足够，4 个卸点需沿飞灰库区的东北-西南方向铺设间隔30 m（2 倍的长臂挖机作业半径） 的两条钢板路。为了便于环保追溯，建议沿东北-西南向单层（1 m） 作业，填满1 层后，再继续向上堆填，直至4 m 高；然后，由中间向两端拆除钢板路基箱，边退边填埋4 m 高飞灰堆体；最后，向西北铺设新的钢板路基箱，重复上述堆填方案。

4 飞灰袋装化填埋工艺优化和数据化管理构想

4.1 吨袋和吊卸工艺优化构想

上海老港飞灰填埋场对口8 家焚烧厂，各家焚烧厂采用由聚丙烯（PP） 等聚酯纤维纺织而成的柔性吨袋，无易降解或环保要求，但是各家吨袋尺寸不一（见表1） 且螯合后飞灰吨袋形状各异，导致库区堆填吨袋间留有较大空隙，既减少了库容，也一定程度上影响了堆体稳定性。现有吊卸工艺需要较多的辅助人员，特别是吊卸第3、4 层时，具有一定安全隐患。

若想实现半自动化吊装，后续建议先统一各家焚烧厂吨袋的尺寸和规格，统一螯合飞灰的吨袋装填工艺，采用高静压等预处理技术形成规则的飞灰吨袋，便于填埋［9-10］。在此基础上，研制专门的吨袋挖斗，配置挖机吊卸影像，实现挖机司机自主卸袋；同时，为了提高卸袋精度，减少吊卸晃动，可缩短吨袋吊绳长度。

表1 不同焚烧厂的吨袋尺寸 cm

4.2 飞灰袋装化填埋数据化管理

飞灰袋装化填埋的环保追溯机制与数据化管理强烈依赖于对飞灰填埋场的分区编号，考虑现场飞灰填埋管理的需求，可以采用数据库记录每一辆运输车飞灰的填埋情况，便于定位超标飞灰位置。同时，建议固定焚烧厂家的飞灰应相对集中于固定划定的填埋区域，不同焚烧厂采用统一规格但不同颜色的吨袋，吨袋上贴有相关信息，以实现环保追溯，清晰划分相应责任，便于督察管理与事后追责，保障飞灰填埋场的运行安全和环保安全。

依据第3.2 节的堆填方案，将整个飞灰库区分区，设自东南向西北堆填单元编号为i=1，2，3，4，5，…，其中2，5，8…等为钢板路基堆填分区，纵向长约8 m，其他分区纵向长为15 m；自西南到东北单元编号为j=1，2，3，4，5…，13；自下向上单元编号为k=1，2，3，4…，16，每层1 m；则各单元编号为i-j-k。第3.2 节的堆填方案数据化如下所示。

阶段1：卸点1 先堆填西南面的1-1-1 单元，向东北堆填至1-13-1 单元，见图4（a）；

阶段2：向上堆填1-13-2 单元，然后向西南堆填至1-1-2 单元；

阶段3 和4：重复堆高两层，直至1-（1～13） -（1～4） 区间被填满，回归1-1-4 单元，与此同时，卸点2 的3-（1～13）-（1～4） 区间也被填满，见图4（b）；

阶段5：开始卸掉钢板路基箱，首先堆填中间2-7-（1～4），然后向东北、西南堆填至2-13-（1～4） 和2-1-（1～4） 区间，如图4（c） 所示，至此（1～3）-（1～13）-（1～4）空间被填满，然后向西北继续重复上述方案。

定义“飞灰进场车辆”“飞灰填埋单元”“吊装挖机”3 个实体：飞灰进场车辆包含飞灰编号、飞灰来源、飞灰质量、吨袋数量、车牌号、进场时间、检测结果等属性；飞灰填埋单元包含单元编号（i-j-k）、单元形状、单元体积、单元作业时间、单元封闭时间、单元状态（作业、空置、填满） 等属性；吊装挖机的属性包含挖机编号、挖机型号、挖机状态等属性。

图4 飞灰袋装化分区单元与堆填方案

图5 为飞灰袋装化填埋的实体- 关系示意（E-R 图），图中三角形代表实体，长方形代表实体的属性，圆形代表实体之间的关系，即填埋登记，表示某运输车辆的袋装飞灰被某吊装挖机填埋至某一单元内。采用E-R 图构建数据库的物理模型，模型需要满足第三范式的要求，即表中的所有数据元素可以唯一地被主关键字标识，且相互独立，不存在其他的函数关系，不能出现表中某些数据元素依赖于其他非关键字数据元素。因此，图6 给出了修正物理模型，除了飞灰进场车辆（主关键词：飞灰编号）、飞灰填埋单元（主关键词：单元编号） 和吊装挖机（主关键词：挖机编号） 3 个表，新增飞灰来源（主关键词：车牌号）、填埋登记（主关键词：填埋编号） 和单元类型（主关键词：单元类型编号） 3 个表，满足了第三范式的要求。基于上述物理模型，可以采用MySQL 软件建立飞灰填埋管理数据库，配合现场的手持终端设备数据输入，对飞灰袋装化填埋进 行数据化管理和环保追溯。

图5 飞灰袋装化填埋实体-关系示意（E-R 图）

图6 飞灰袋装化填埋物理模型

5 结论

1） 吨袋飞灰的吊卸效率由高到低分别为：标准挖机单次吊卸2 袋（80 s/袋） ＞长臂挖机单次吊卸2 袋（103 s/袋） ＞标准挖机单次吊卸1 袋（106 s/袋） ＞长臂挖机单次吊卸1 袋（118 s/袋）。

2） 虽然标准挖机的吊卸效率高于长臂挖机（平均高约29%），但是随着堆填层数的增加，标准挖机吊卸效率平均每层减低约15%且仅可作业至第3 层；而长臂挖机第2～4 层的吊卸效率基本接近，较第1 层仅平均下降约8%，且有效工作半径大于15 m，可以有效解决堆高作业和远距离吊装难题，极具应用潜力。

3） 飞灰袋装化和吊装式填埋宜采用分区、分单元的填埋方案，固定焚烧厂家的飞灰应相对集中填埋于固定区域，便于督察管理与追责，同时统一不同焚烧厂的吨袋尺寸和规则形状。结合一系列吊卸设备和工艺的优化，实现半自动吊装，减少辅助工和现场作业安全隐患。

4） 基于数据库理论，定义“飞灰进场车辆”“飞灰填埋单元”“吊装挖机”3 个实体和相关属性，通过填埋登记进行关联，构建了飞灰填埋数据化管理的物理模型，有助于实现飞灰填埋场高效、精细管理和最终的环保追溯。