常熟垃圾焚烧飞灰安全填埋场工程设计

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2010年08月27日10:48:59

【大中小】2010中国煤制天然气/煤层气（国际）高峰论坛中国化工网资讯中心—会议中心2010年“十二五”中国精细化工产业发展研讨会中国化工网资讯中心—石化产业分布图垃圾焚烧处理较好地达到了减量化、无害化、资源化治理生活垃圾的目标，已成为发达国家普遍关注和采用的城市生活垃圾的处理方法之一。常熟市新建的垃圾焚烧发电厂，已于2007年6月投入运行，设计处理能力为600t/d。此后，垃圾均进入焚烧发电厂处理，而垃圾焚烧产生的飞灰则需经预处理后进入安全填埋场处理。1飞灰的产生及其特性1.1飞灰的产生生活垃圾经焚烧后，会产生占垃圾总量23%左右的底灰及3%～5%的飞灰。其中，飞灰是由焚烧炉产生的烟气经反应塔进行中和、净化后，掺以一定量的吸附剂，再由高效除尘分离器分离，在反应塔底部及分离器分离而产生。飞灰经由上述各设施的底部密闭输送至飞灰储存仓。[1]1.2飞灰的基本特性飞灰主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3和硫酸盐、钠盐、钾盐等反应物，还有Hg、Mn、Mg、Sn、Cd、Pb、Cr等重金属元素以及痕量级二噁英类的有机物，另加其他种类污染物，属于危险废物。飞灰呈碱性，其形状像煤灰一样大小，粒径介于0.01～0.15mm范围内。飞灰有2/3以上的化学物质是硅酸盐与钙。另外，生活垃圾焚烧烟气中，含有一定量的未燃尽有机物，故飞灰中的热灼减量在10%左右。[2-4]1.3飞灰中的污染物[1，4-8]由于生活垃圾成分的复杂性、多样性、不均匀性，在整个焚烧过程中会发生许多不同的化学反应，所以在焚烧烟气中除了一定量的过剩空气和二氧化碳外，还含有对人体及环境有直接或间接危害的成分。根据烟气污染物的不同性质，可将其分成颗粒物、酸性气体、重金属、有机污染物几大类。上述烟气中的污染物经焚烧炉、后续烟气处理系统的反应、吸附、分离后，除酸性气体已被反应中和外，大部分集聚于飞灰之中，对人体及环境造成了危害，故国家已明确把生活垃圾焚烧飞灰列为危险废弃物管理范围之列。2飞灰的处理方法国家的《危险废物污染防治技术政策》中对飞灰处置作了规定：生活垃圾焚烧产生的飞灰必须单独收集，不得与生活垃圾、焚烧残渣等其它废物混合，也不得与其它危险废物混合；生活垃圾焚烧飞灰不得在产生地长期贮存，不得进行简易处置，不得排放；生活垃圾焚烧飞灰在产生地必须进行必要的固化和稳定化处理之后方可运输，运输需使用专用运输工具，运输工具必须密闭；生活垃圾焚烧飞灰须进行安全填埋处置。飞灰一般经适当预处理后，进入危险废物填埋场填埋处理。飞灰的预处理主要有热固化技术、固化技术与化学稳定化技术[1]。化学稳定化技术是指向飞灰中添加稳定剂和水，均匀混合后形成不溶性化合物，从而固定重金属的方法。该法一般具有效果较好，具有长期稳定性、设备投资低、处理过程简单、最终处理量小的优点。常见的稳定剂有Na2S、Al2(SO4)3等无机物和水溶性螯合高分子。另外，磷酸盐作为稳定剂应用越来越广泛，PO3-4可以和飞灰中的30多种元素形成大约300多种自然界中存在的矿物质，这些物质对于pH的变化有着相当高的稳定性。本工程的飞灰预处理采用化学稳定化技术，一种新的飞灰稳定化处置工艺。即将焚烧厂产生的飞灰，装入飞灰槽罐车后，直接运输至填埋坑，用车载空气压缩机产生压缩空气，通过管道将飞灰送入专门设计的混合器，混合器的另一入口连接螯合剂管道，螯合剂由液压泵提供一定的压力，灰、液经混合器喷射而出，利用二者速度差产生吸附作用，并起到充分混合效果，混合料直接进入填埋坑，然后进行摊平、压实作业。螯合剂采用磷酸盐化合物。3填埋库区的工程设计3.1库容确定常熟垃圾焚烧发电厂处理规模为600t/d，其飞灰产量约为焚烧量的3%～5%(设计取4%)，每年实际运行时间为8000h。常熟市垃圾焚烧飞灰安全填埋场工程于2006年6月启用后，平均进场飞灰约为21.8t/d。根据实测数据和以往经验，填埋后的飞灰容重取1.0t/m3。填埋场一期工程使用年限为5年，可利用填埋区面积为0.56万m2，设计为4个填埋单元坑，坑深7.1m，库容为4万m3。3.2库区防渗结构设计飞灰安全填理场处理的首要问题，是防止填埋场附近地下水及地表水受到渗沥液的污染。在合理选址的基础上，必须考虑防渗系统的设计。根据场址的工程地质和水文地质情况，对填埋场底部进行防渗处理，其目的一方面是防止渗沥液进入地下，污染地下水；另一方面是防止地下水进入填埋场，造成渗沥液水量的大幅度上升。防渗处理需因地制宜，选择不同的防渗方式。本填埋场场址范围内，地下水位较高，位于不透水层以上，且基础层饱和渗透系数大于1.0×10-5cm/s，设计采用钢筋混凝土与柔性人工衬层组合的刚性防渗结构。填埋坑底板防渗系统，采用地下水导流层+膜下保护层+钢筋混凝土坑体+渗沥液检测层+土工膜主防渗层+渗沥液导流层+过滤层+防渗保护层的防渗结构；填埋坑侧壁板防渗系统采用膜下保护层+钢筋混凝土坑体+土工膜主防渗层+防渗保护层的防渗结构。地下水导流层采用100mm厚碎石垫层；膜下保护层采用4500g/m2膨润土防水毯(GCL)，GCL设置在钢筋混凝土坑体外侧，可以有效地降低地下水进入填埋坑体内的可能性，同时避免了设置在坑体内侧所引起的膨润土颗粒脱落对排水系统的堵塞，GCL下设置100mm厚的素砼保护层；钢筋混凝土坑体按抗渗结构进行设计，按裂缝宽度进行验算，其抗渗系数应≤10-6cm/s；渗沥液检测层采用6mm厚复合土工网，膜间水最终通过穿孔HDPE管排至膜间水收集井，库底设计0.4%坡度的坡向穿孔管；主防渗层设计采用2.0mm厚光面HDPE土工膜；渗沥液导流层设计为300mm厚碎石渗沥液导流层+6mm厚复合土工网，其中土工网下面复合的土工织物采用500g/m2聚酯无纺布作为土工膜保护层；过滤层设计采用200g/m2聚酯无纺布；防渗保护层采用经预处理后的袋装飞灰。3.3防雨、防尘与防风措施如大雨接连不断，飞灰则会因含水量过高而无法压实。在运行初期，由于填埋飞灰量较少，填埋坑内飞灰甚至会形成泥浆，使得填埋操作无法进行。冬春季节，天气干燥且大风天气较为常见，夏季，台风经常光临，坑内飞灰易形成扬尘飘出，污染场内外环境。设计要采用防雨、防尘与防风措施：(1)填埋作业时，将飞灰集中在一个区域内填埋，保持填埋面形成一定的坡度，雨季时加强排水，确保坑内飞灰难以形成泥浆；(2)工程设计，在每个单元坑边，建设一个防雨操作平台，可确保小雨时固化工作的顺利实施；(3)设置飞灰稳定化储存罐，暴雨季节将飞灰储存在罐内，待天气转好，再实施填埋；(4)如遇连续暴雨，则停止填埋坑内作业，将飞灰稳定化后放置在临时堆放场储存，天气转好后，再实施填埋；(5)在填埋坑四周设置自动喷淋装置，以在大风和干燥天气增加飞灰含水率，防止出现扬尘，填埋操作亦需考虑渗沥液回灌增湿；(6)因该地区主要为东南-西北风向，在填埋坑体南北两边设置5m宽网架结构大棚，在坑体南北两侧道路边设置夹竹桃等和藤本植物隔离带，以减小风力和扬尘飘出量，同时可美化环境，兼有景观功能。3.4场区雨、污分流系统设计为确保场区安全防洪以及减少由于雨水渗入垃圾而产生的垃圾渗沥液量上升，场区设置了雨、污分流系统。3.4.1挡水墙填埋坑外侧设置防洪沟或挡水墙，可防止场外雨水进入填埋坑。本工程设计混凝土坑体顶标高于地坪标高50cm，场内道路均坡向填埋坑外侧，即可减少渗沥液产生量。3.4.2分区作业填埋库区分为四个坑体，作业时，未填埋坑体内所积雨水可直接外排；已填埋飞灰的坑体将实施封场，不会有渗沥液产生；仅有正在实施填埋作业的坑体才会有渗沥液产生。3.4.3坡面排水当填埋场内某个单元坑飞灰填满后，立即实施封场工程，植树绿化。为形成表面雨水径流，宜设置一定的坡向。在填埋场终期作业时，应整体设置场顶坡向以利于雨水排出场外，坡度均应大于2%。3.5渗沥液储存与处理设计采用三日暴雨量计算法可得，库区产生的最大渗沥液为160m3/d，道路区收集的最大初期雨水量为68m3/d，则最大暴雨时，第一日最大污水产生量为228m3/d，以后为160m3/d；采用年降雨量计算法计算得出工程产生的总渗沥液量为3407m3/a。飞灰稳定化时，需加入约30%的水分，则每年需水量为7957×0.3=2387m3。同时，为保持坑体卫生条件，避免大风天气扬尘，需定期往坑内洒水。飞灰稳定化用水可回用渗沥液，剩余渗沥液可通过回灌至填埋场，保持飞灰湿度，并最终通过自然蒸发处理，而无需建设渗沥液处理设施，即可实现污水零排放。渗沥液通过导排层，排入渗沥液收集井，最终通过水泵提升，排入污水储存罐。渗沥液储存罐设计2个，单个尺寸为<10m×7.6m。污水储存罐总容积为2×<10m×7.6m=1194m3>228m3+160m3×6=1188m3，可以储存3d最大暴雨条件下的7d产生的污水。3.6封场设计填埋场运行结束后，需进行封场，以利于生态恢复和土地再利用。本设计采用的封场结构由下到上依次为：200g/m2无纺土工布+1.0mm厚HDPE土工膜+6mm厚复合土工排水网+300mm厚碎石雨水导排层(生物阻挡层)+600mm厚素土层+植被。3.7坑体结构设计工程所有混凝土均采用C30砼，采用等截面池壁，外池壁厚400mm，内池壁厚350mm。根据池壁受力特点，每隔4m设一壁柱，底板为整体现浇，厚500mm。由于池体纵横向尺寸较大，纵横向各设两道后浇带。后浇带宽2m，用C35砼内掺高效防水剂浇筑，两侧设3mm厚钢板止水带。池体埋深7.1m，根据勘察报告所提供的地下水位情况，对池体的抗浮处理采用抗拔桩。桩为预制静压桩，尺寸为250mm×250mm，有效桩长4m。库区共设置1886根抗拔桩。4设计特点4.1预处理方法本工程飞灰预处理采用新的飞灰稳定化处置工艺，预处理为磷酸盐稳定法。利用该法处理飞灰，废物增容比低，药剂消耗少，运行费用也较低，还可以省去预处理厂房和设施的建设费用，节省了工程投资。根据目前对预处理飞灰浸出液毒性的检测，该法对飞灰的预处理符合国家相关规范要求。4.2防渗结构针对高地下水位地区安全填埋场的地质特点，采用柔性衬层和刚性混凝土池体结合的防渗结构。通过设置双层土工合成的防渗衬层和地下水、膜间水与渗沥液导流层，可以确保填埋坑的防渗功能。同时，柔性衬层通过机械锚固方式和刚性池体紧密结合，整个库区构成一个整体结构，可以防止库区沉降对防渗衬层的破坏。4.3土工合成材料的应用库区填埋坑防渗保护层采用膨润土防水毯(GCL)，GCL在特定的环境下(如不均匀沉降、干湿循环、冻融循环)，仍可以保持良好的抗渗性能，而且可以大大的节省库容。GCL设置在刚性坑体外侧，采用外贴法施工，施工时坑体四周采用井点降水法以防止GCL提前水化。设计同时要求施工时将GCL的有纺布表面贴在刚性坑体上，具有良好导水性能的无纺布表面则和地下水导流层接触。这样，在GCL遇水膨胀后，可以利用无纺布导水较好的特点来导排地下水。渗沥液检测层采用6mm厚三维土工复合排水网。垃圾焚烧飞灰具有颗粒小、压实密度大的特点，相比普通的双肋土工排水网，三维土工排水网在较高的压力荷载下，仍能保持良好的导水能力，且不易堵塞，应用于飞灰安全填埋场具有较高的优势。4.4渗沥液处理方法设计时考虑工程产生的渗沥液回用处理。