生活垃圾处置园区安全与环境智慧平台的构建与实践

戴世金，李聪明，王凤侠，周 畅，兰吉武，杜玉凤

（1. 深圳市宝安区市容环境综合管理服务中心，广东 深圳 518101；2. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058；3.清华大学环境学院，北京 100084）

1 生活垃圾处置园区的背景

由于垃圾处置设施面临选址难、邻避效应严重等问题，近年来，城市生活垃圾处置已逐渐走向集中化、园区化，大气污染、水污染、填埋堆体稳定等问题是垃圾处置园区的重点问题。我国南方填埋场普遍堆体水位较高，高渗滤液水位可能会造成堆体失稳滑坡，带来安全隐患［1］。国内外正在运行的填埋场，多次发生堆体局部失稳和山体滑坡，造成大量垃圾和渗滤液外溢［2-3］。随着国内外数字化水平的提高及在线监测技术的成熟，信息技术已成为推进环境治理体系和治理能力现代化的重要手段。在线监测系统，可对填埋堆体、堤坝、山体边坡及其他关键构筑物进行实时安全监测与评估；同时也可监控园区臭气污染并提出针对性措施，提高园区周边大气环境质量［4-5］。近年来，智慧化管理技术广泛应用于矿山［6］、油田［7］、轨道交通［8］、垃圾清运［9］等行业，厦门、长沙等城市建立了智慧环卫平台，主要用于垃圾分类过程中的环卫车辆管理［10-11］。关于填埋场和垃圾处置园区的数字化和智慧化监管平台较少，亟需相关的智慧管理平台，为数字化填埋系统和智慧化垃圾处置园区提供范例和参考。

某环境园目前平均日处理生活垃圾已达8 000 t，包括生活垃圾焚烧、填埋、渗滤液处理、炉渣和飞灰处理等多种设施。本研究以该环境园为例，通过构建数字管理和智慧园区监控系统，形成垃圾处置园区安全和智慧化监控监管平台。该平台可实时监测相关数据，同时对监测结果进行实时汇总与分析，并对环境园区的稳定安全性进行实时评估。

2 智慧平台的构建

2.1 智慧平台的设计方案

垃圾处置园区智慧化系统建设的总体目标是实现园区安全运营，提升建设单位管理效益［12］。智慧化系统建设方案如下：①建设填埋场稳定安全在线监测系统，包括现场数据采集、网络传输及平台监控，实现对园区稳定安全与环境安全的自动化监控；②通过园区臭气浓度的在线监测，掌握园区实时环境安全情况，并及时预警，基于在线监测系统，进一步提高园区运营管控能力。总体建设方案如图1 所示。

图1 垃圾处置园区智慧化平台总体建设方案Figure 1 Overall construction plan of intelligent platform for MSW treatment park

2.2 环境监测智慧平台的监测布点

2.2.1 填埋堆体监测布点

环境园目前建设有一期和二期填埋场，其中一期填埋场已封场，二期填埋场实行分区建设和填埋，填埋物为生活垃圾和固化飞灰。为了掌握填埋堆体整体情况，对园区堆体、坝体和山体开展了人工监测及初步评估，并根据初步的评估结果确定填埋堆体稳定安全敏感点，为在线监测布点方案提供依据［13］。一期填埋场的布点设置如图2（a）所示，主要对堆体的表面位移和沉降、深层位移、水位、孔压、封场土饱和度等进行自动化监测［14］。二期填埋场的布点如图2（b）所示，除了对堆体的表面位移进行自动化监测之外，填埋场的边坡等区域也需进行布点监测，具体监测布点方案见图2（c）。

图2 填埋场堆体监测布点方案Figure 2 The monitoring points scheme for landfill pile

2.2.2 园区恶臭气体监测布点

填埋场作为恶臭产生的重点区域，空气质量较差，异味、恶臭等问题严重，是大气环境防控工作的重点［15-16］。为实现环境园大气环境质量的智慧化监测，设计在填埋场下风向现场作业站及下游生活区和工作区各布置1 个臭气浓度监测点，具体监测内容包括对硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）、氨气（NH3）、挥发性有机物（VOCs）等臭气含量及PM2.5、气象五要素（风速、风向、气压、气温及相对湿度）的监测。臭气监测点和视频监控点布置见图3。

图3 臭气监测点和视频监控点布置Figure 3 The odor monitoring points and video monitoring points layout

2.3 监测仪器和设备

根据环境园监测点布置情况，现场监测仪器和设施情况具体如表1 所示。

表1 垃圾处置园区全场监测设施统计Table 1 Statistics of all monitoring facilities for the MSW treatment park

填埋堆体表面位移监测采用测量机器人，并利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）进行测站基准矫正。测量机器人又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。监测站首先应具备良好的通视条件，且应建立在稳定基岩上。监测点尽量布设在能反映坡体变形特征且受外界干扰少的位置上，其中5个监测点位于潜在滑动范围外作为参照点。在监测点设置棱镜，为保证全场通视性和安全，将滑体的观测棱镜安装在框格梁、堆体和坝体上。

堆体沉降采用GNSS 地表位移监测站。GNSS 接收机能同时获取“北斗+GPS+格洛纳斯（GLONASS）”卫星信号，通过3G、4G、光纤等多种无线或有线的通讯方式将相关数据传输到指定的远程监测中心［5,11,17］。根据实际需求，环境园共有11 个GNSS 监测站，包含1 个基准站、10 个测站、2 台测量机器人、97 个棱镜、4 个控制点、93 个测量点，其布置情况如图4 所示。

图4 填埋堆体表面水平位移与沉降监测点位布置Figure 4 The horizontal displacement and settlement monitoring points layout on the surface of landfill pile

园区内共设置2 套大气在线监测设备，采用新西兰Aeroqual 公司环境空气质量监测站，其中1套位于距填埋场作业办公室门口50 m 左右的观光平台位置，另外1 套位于生活区和工作区附近。设备信息通过无线模块发送至管理所中控室，中控数据记录以离散点形式展示。

3 环境监测智慧平台的运行效果分析

环境智慧化系统平台考虑了现有的功能性需求和非功能性需求，同时还考虑了对后续系统功能扩展、可维护及系统性能的影响。与常规的系统类似，系统按照功能职责自下而上可分为末端设备、基础设施、数据层、业务支撑层、应用层5个部分［18-19］。主要从稳定与安全管理、环境监测模块、园区日常运营管理模块对环境监测智慧平台进行运行效果分析。本次监测时间为2020 年8月至2021 年7 月。

3.1 稳定与安全管理模块

稳定安全管理系统主要包括堆体稳定安全、堤坝稳定安全、山体边坡稳定安全模块。如图5所示，平台通过填埋堆体和堤坝的表面位移和深层位移监测、堆体和基层沉降监测、堆体水位监测、山体裂缝和倾角监测等项目的数据记录与分析，实现堆体稳定分析、紧急情况预警等功能。根据稳定分析确定的预警值，自动判断园区堆体及坝堤等的安全稳定情况，分等级进行预警。

图5 安全和环境智慧化平台界面Figure 5 The safety and environmental intelligence platform interface

1）实时显示。显示监测设备的实时数据以及某一段时间内的数据折线图，也可以显示某一时刻的等值线图。此外，可提供历史数据查询和导出，并且提供统计超标记录（最大超标值）的次数。实时接收数据自动采集系统传输的数据，并对数据进行处理和分析，及时给出堆体、坝体和山体等稳定安全性评估结果。

2）稳定与安全评估。可以按年、月和周自动生成稳定与安全评估报告，报告按照园区规划期数、区域和监测设备的类型，以图片、表格、图形等方式展现当前时间范围内的数据报告。

3）历史数据查看。根据监测设备类型分为表面位移监测、水位监测、深层位移监测、山体裂缝监测以及沉降监测。所有的历史数据都可以根据时间和监测区域进行查询和导出。

4）手动导入数据。系统预留手动导入数据功能以便对缺漏的数据进行人工补录或者对监测设备数据进行人工修正，提供评估报告的准确性和严谨性。

本次表面水平位移监测结果显示（表2）：一期已封场填埋场表面位移速率较小，年度表面水平位移累计值约为14.35～35.14 mm，累计位移速率为0.04～0.10 mm/d。

表2 一期已封场填埋场表面水平位移监测数据Table 2 Monitoring data of horizontal displacement of landfill surface in phase I sealed site

本次表面沉降监测结果显示（表3）：堆体沉降速率较小，年度累计沉降值为21.41～137.29 mm，经计算平均沉降值为73.52 mm。年度沉降速率为0.07～0.38 mm/d，经计算平均速率为0.21 mm/d，保持在CJJ 176—2012 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范中规定的10 mm/d 的警戒值之内。

表3 一期已封场填埋场表面沉降监测数据Table 3 Monitoring data of surface settlement of landfill surface in phase I sealed site

3.2 环境监测管理模块

环境监测模块中对应GB 16889—2008 生活垃圾填埋场污染控制标准中所要求的监测内容，基于臭气监测数据、气象数据，对臭气的影响范围、程度进行智能评价，实现气体（H2S、NH3）浓度的自动监测和扩散的智能分析［20-21］。如图6 所示，其主要内容包括气象数据监测、臭气及扩散监测等。

图6 环境监测管理模块Figure 6 Environmental monitoring management module

通过自动气象站设备可以实时精确地监测园区气象情况，比如温度、湿度、气压、降雨强度、风向和风速等。将每小时监测的数据并列展示，可以直观地了解园区的气象状况，可为分析园区气象环境、保障园区正常运营以及应急指挥提供基础数据支持。

本次对风向和风速的监测数据见图7。由图7可以看出，园区风向以东南风为主，主要风速在2 m/s 以下，极端有6.5 m/s 大风天气。通过持续分析臭气监测仪的监测数据，可以实时或选择时间范围生成臭气成分的散点图，也可以选择时间范围查询某一段时间的臭气监测历史数据。监测运行记录显示，本次园区臭气及扩散情况整体较好。

图7 园区风向和风速监测运行数据Figure 7 Monitoring operation data of wind direction and speed in the park

3.3 园区日常运营管理模块

园区日常运营管理模块主要用于园区日常运营数据的数字化统计，对生活垃圾处理进行庞大的数据收集和分析。该模块目前包含垃圾进场量管理、污水处理管理、发电厂管理、实时查看所有监控画面等。园区内进场垃圾主要以生活垃圾（其他垃圾）为主，进场车次约为1 300 次，平均每车次垃圾车进场量约为5.16 t（图8）。

图8 各类别垃圾进场车次统计Figure 8 The train number statistic of all types of MSW entered the park

4 数据应用与设施维护

4.1 数据应用

园区进场量管理、污水处理管理等数据将实时接入市、区级政府大数据管理系统，设立APP和微信公众号移动式监测平台，并接入政府大数据预警系统，针对安全隐患及时给出预警预报，及时采取相应控制措施。建立规范的园区数据统计分析体系，科学开展数据分析和统计决策工作，支撑城市垃圾处置大数据库管理和安全管理。

目前，该平台主要通过在线数据采集、辅助专业数据分析，为政府提供决策支撑。政府监测系统可通过历史垃圾量数据，及时发现异常数据，例如在稳定安全中水位预警中，通过边坡稳定计算专业软件，根据现场工程地质条件建模，基于现场监测结果进行计算得到警戒水位，并将其作为堆体稳定的水位控制条件，当监测水位超过警戒值时，平台会自动提醒，并由专业团队评估是否需要进行降水等措施，从而辅助园区决策。如发现垃圾量数据增长较快，可反映出是否有其他非生活垃圾混入，第一时间反馈到垃圾清运和处置企业，查明原因，缩短联动和响应时间。同时，各区域垃圾增长规律、各类垃圾比例变化情况等与各区经济、人口等情况数据相结合，可为经济社会发展分析提供辅助决策。未来，随着数据量的增多和决策分析模型的完善，将逐步拓展如臭气扩散预警等决策分析功能。

4.2 设施维护

对于在线监测系统传感设备来说，填埋场和垃圾处置园区环境相对恶劣，尤其是堆体内部的高温环境及渗滤液可能会损害传感设备，故运行期间需关注设备运行状态，及时发现异常，分析判断故障原因，提出维修方案，甚至更换设备。本设备平台由专门的运营队伍进行现场维护，以确保数据正常采集、传输、储存。表4 为系统运行第1 年度传感设备维护与维修记录。运行记录显示，在线设备整体运行较为正常，设备故障率不高。相对而言，水分测定仪和测斜仪器的故障率较高，需要有人员驻场维保，及时更换，保持在线监测设备正常运行。

表4 自动监测设备故障统计（2020 年8 月—2021 年7 月）Table 4 Breakdown statistics of automatic monitoring equipment from August 2020 to July 2021

5 结论

1）以生活垃圾处置园区为例，利用在线监测系统，对填埋堆体、堤坝、山体边坡及其他关键构筑物进行实时安全监测与评估，同时增加了园区水体、臭气等在线监测系统，提高园区环境保护水平和园区运行安全性。

2）通过将垃圾处置园区的生产运营数据数字化，建成了垃圾处置园区安全和智慧管理平台，实现了园区智慧监管“一张屏”，初步形成了垃圾处置园区的安全和智慧系统，对园区的远程管理和智能监控具有示范作用。

3）为期1 a 的实际运行情况表明，安全与环境在线监测系统整体运行较为正常，由于填埋堆体环境恶劣，水分测定仪和测斜仪器的故障率相对较高，需要定期维护，以保证系统正常稳定运行。