含污泥坑生活垃圾填埋场竖向扩容工程稳定沉降分析

黄志亮; 郭晓静; 蔡小平; 刘靖; 蒲诃夫; 陈训龙

doi:10.12030/j.cjee.202103004

含污泥坑生活垃圾填埋场竖向扩容工程稳定沉降分析

1.
北京泾渭环境科技有限公司，北京 100041
2.
华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074

作者简介: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com

通讯作者: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com;

基金项目:
国家重点研发计划(2019YFC1806000)
中图分类号: X705

Analysis of the stabilization and settlement of vertical expansion project for municipal solid waste landfill with sludge pit

1.
BeiJing Jingwei Environmental Technology Co. Ltd., Beijing 100041, China
2.
School of Civil and Hydraulic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Corresponding author: HUANG Zhiliang, gshatty2005@163.com ;

摘要: 为减少生活垃圾填埋场内污泥坑的存在给填埋场后期竖向扩容工程带来的难度，以辽宁省某含污泥坑生活垃圾填埋场为例，对其竖向扩容工程进行了工艺设计和验证分析。根据工程目标和相关规范，合理确定了扩容后填埋场整体平面布置和填埋堆高等参数，选用原位固化技术对污泥进行了加固处理，并确定了处理后污泥的力学参数设计值。使用Geo-Slope软件，建立了扩容后填埋场堆体边坡的计算模型，并分析和评价了3种不同工况边坡抗滑稳定性的影响。基于理正岩土软件，对填埋场垃圾堆体进行了沉降计算，并根据沉降分析结果进一步确定了防渗系统设计方案。结果表明：污泥坑加固处理后，各工况下的垃圾堆体边坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求；固化处理后污泥的相关强度等指标均满足垃圾堆体竖向扩容设计要求；防渗系统最大伸长率为0.4%，满足规范要求；防渗结构中设置了抗沉降加筋层，可抵抗垃圾堆体的不均匀沉降。本研究成果可为国内同类型生活垃圾填埋场的竖向扩容工程工艺设计提供参考和借鉴。
- 生活垃圾填埋场 /
- 污泥原位固化 /
- 竖向扩容 /
- 沉降 /
- 边坡稳定性
Abstract: The existing sludge pit in municipal solid waste (MSW) landfill significantly increases the difficulty of the design and construction in its post vertical expansion. In this study, a MSW landfill with sludge pit in Liaoning Province was taken as a case, and the process of its vertical expansion project was designed, verified and analysed. According to the engineering objectives and relevant specifications, the overall layout of the landfill and the engineering parameters (e.g., landfill height) were reasonably determined. The in-situ solidification technology was selected to treat the sludge, and the design values of mechanical parameters of the treated sludge were determined. The Geo-slope software was used to establish the calculation model of landfill slope stability, and the effects of three different conditions on the slope stability were analysed and evaluated. The settlement of the landfill was calculated based on the Lizheng geotechnical software, and the design scheme of the anti-seepage liner system was determined based on the settlement analysis. The results show that all the safety factors of stability of landfill slope under three conditions met the requirements of the technical code after sludge pit in-situ solidification. The strength and other indexes of the solidified sludge met the design requirements of the landfill vertical expansion. The maximum elongation of the anti-seepage liner system was 0.4%, which met the requirements of the specification. The anti-settlement reinforced layer embedded in the anti-seepage structure could resist the uneven settlement of the garbage mount. The research results can provide some references for the technological design of the vertical expansion project of similar domestic MSW landfills.
- municipal solid waste landfill /
- in-situ solidification of sludge /
- vertical expansion /
- settlement /
- slope stability

随着城市化进程的加快，城市绿化也因其在提高城市环境质量、维持城市生态平衡等方面的重要作用得以迅速发展。我国城市园林绿化产生的落叶、剪草、枯枝等绿色废弃物，年产量已增加到3.5×10⁸ t左右^[1]。堆肥化处理由于可以将废弃物转化为对植物生长和土壤改良有促进效果的堆肥产品，已成为高效处理并实现废弃物再利用的重要途径。绿化废弃物含有丰富的有机物质，这一特点使其腐熟后更容易获得高养分的肥料；但另一方面，绿化废弃物中大量结构紧密的木质纤维素成分使他们不易被微生物分解^[2]，而且处理不当会造成腐熟缓慢，产生气味污染以及堆肥产品降解不完全等问题。

由于堆肥是以微生物为主导的有机废弃物降解过程，因此，可以通过添加微生物菌剂来加快木质纤维素降解。杭怡琼等^[3]研究发现，白腐真菌能够有效且有选择性地降解植物纤维原料中的木质素。黄丹莲^[4]发现，木霉菌等真菌不仅能分泌胞外酶，还可以利用菌丝穿插破坏纤维素结构，实现对纤维素的高效分解。此外，纤维素酶作为一种可以促进木质纤维素糖化的酶制剂，在动物饲料和纸浆生产等领域已被广泛应用^[5-6]并显示出良好的降解效果，但是在堆肥领域却鲜有关于纤维素酶的应用研究。同时，有研究^[2,7-9]表明，适宜的粒径可以提高堆肥期间的微生物活性，从而加快大分子物质的降解速度。过大的粒径会导致通风过度，热量散失；过小的粒径会使持水量过高，通氧量不足，这些都不利于微生物进行代谢活动。已有研究^[10]提出的最佳堆肥粒径为5~30 mm，没有统一的标准；而且大部分研究^[11-12]缺少对微生物指标的分析或是采用传统的DGGE技术进行微生物检测，无法准确地反映粒径与微生物群落结构和堆肥腐熟效果的关系。因此，初始粒径对绿化废弃物堆肥的影响仍需进一步研究，这也影响着外源添加剂的作用效果。

本研究采用由白腐真菌和木霉菌组成的微生物菌剂，结合纤维素酶制成外源添加剂，进行不同粒径的绿化废弃物堆肥，通过分析堆肥的理化性质和细菌群落结构，探究不同初始粒径和外源添加剂对绿化废弃物堆肥腐熟度的促进效果，并提出最优参数组合，为提高绿化废弃物堆肥质量提供了参考。

1. 材料与方法

1.1 实验材料和仪器

实验材料：作为堆肥原材料的绿化废弃物主要来自于北京市城市景观维护过程中产生的枯枝落叶和修剪的枝条(多为柳树、槐树、杨树等)，分别粉碎至2 mm和5 mm；微生物菌剂包括木霉菌和白腐真菌，推荐接种量(g/g)为3%~5%；纤维素酶的酶活为2×10⁴ U·g⁻¹；干羊粪用于调整原料的C/N至28左右；发芽实验选择白菜种子进行。供试材料和堆肥初始性质如表1所示。

表 1 供试原料基本性质

Table 1. Basic properties of raw materials for compost

供试材料	pH	有机碳/(g·kg⁻¹)	全氮/(g·kg⁻¹)	碳氮比
绿化废弃物	6.76	480.2	8.9	54
干羊粪	7.41	261.2	13.9	18.8
2 mm绿化废弃物堆肥	7.75	336.4	11.6	29
5 mm绿化废弃物堆肥	7.66	340.2	12.6	27

| Show Table

DownLoad: CSV

实验仪器：恒温培养箱(RXZ-500A，宁波江南仪器有限公司)；精密pH/EC仪(MP522，上海精密科学仪器有限公司)；TOC分析仪(TOC-5000A，日本岛津公司)；紫外可见分光光度计(TU-1810DS，北京普析通用仪器有限责任公司)。

1.2 实验设计和取样

实验共有8个处理(T1~T8)(表2)，设计2 mm和5 mm 2种粒径，纤维素酶和菌剂的接种量(g/g)分别设置为物料干质量的0、2%和0、2%、4%，按表2所示的比例混配后作为外源添加剂。所有处理重复3次。每个处理按设计参数混配1 000 g(干质量)混合物，放入塑料长方体(35 cm×22 cm×10 cm)发酵容器中，添加蒸馏水，将每个处理的水分含量统一调节至65%，最后将发酵容器密封，并置于恒温培养箱中，于50 ℃下发酵22 d。每3 d进行翻堆和补水，以保证每个容器中的堆肥有适宜的氧气和水分。堆肥结束后，于每个处理的顶部、中部和底部共取样200 g，混合均匀。一部分样品作风干处理用于有机碳、全氮、pH、电导率(EC)和腐殖指标的测定；剩余新鲜样品与去离子水按1∶10(g∶mL)混合，振荡2 h浸提后过滤，在25 ℃恒温的培养箱内培养白菜种子，放置48 h后，取出记录发芽种子个数和根长，计算发芽指数^[13]。实验第2天、12天、22天，对T1~T8实验组取样进行细菌高通量分析，分别标注为T1D2~T8D2、T1D12~T8D12和T1D22~T8D22，代表初期堆肥、中期堆肥和末期堆肥。

表 2 实验因素水平设计

Table 2. Standard parameters of composting

处理组	粒径/mm	纤维素酶∶菌剂
T1	2	0∶0
T2	2	0∶4
T3	2	2∶2
T4	2	2∶4
T5	5	0∶0
T6	5	0∶4
T7	5	2∶2
T8	5	2∶4

| Show Table

DownLoad: CSV

1.3 检测和分析方法

有机碳、全氮、pH和EC值参照文献的方法^[14]测定：有机碳采用外加热法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；使用pH/EC仪测定pH和EC值。微生物指标参照MAO等^[15]的方法测定，并在门水平注释其群落的物种信息。根据鲍士旦^[16]的方法提取腐殖质和胡敏酸，提取液使用TOC分析仪分别测定得腐殖质和胡敏酸含量^[17]；腐殖质提取液采用紫外可见分光光度计测定吸光度比值(E₄/E₆)^[14]。

腐殖质系数^[12]按式(1)计算，发芽指数^[18]按式(2)计算。

$F_{\rm{HI}} = \frac{{C_{\rm{HA}}}}{{C_{\rm{T}}}} \times 100\%$

$(1)$

$F_{\rm{GI}} = \frac{{S_{\rm{T}} \cdot L_{\rm{T}}}}{{S_{\rm{C}} \cdot L_{\rm{C}}}} \times 100\%$

$(2)$

式中：F_HI为腐殖质系数；C_HA为胡敏酸含量，g·kg⁻¹，C_T为总有机碳含量，g·kg⁻¹；F_GI为发芽指数；S_T为处理组平均发芽数量；L_T为处理组平均根长，mm；S_C为对照组平均发芽数量；L_C为对照组平均根长，mm。

使用CANOCO 5软件进行RDA分析，采用SPSS 23软件进行方差分析和主成分提取，依据参考文献的方法^[19]进行主成分分析。

2. 结果与讨论

2.1 初始粒径和外源添加剂对碳氮比的影响

在堆肥过程中，微生物不断分解利用有机物质进行繁殖和代谢，作为其主要能量来源的碳素以远大于氮素的速度被消耗，C/N整体呈下降趋势，与堆肥产品的腐熟程度密切相关。由图1可知，堆肥结束后，除对照组T1外的所有处理C/N均低于20，满足腐熟要求^[20]。各处理C/N降幅排序为T3>T7>T4>T2>T8>T1>T6>T5。2 mm粒径组平均降幅较5 mm处理组提高12.7%，说明2 mm粒径更有利于有机质降解活动的进行；同时，添加纤维素酶和菌剂的处理T3和T7在各自粒径组中降幅最大，这是因为菌剂可以直接扩大微生物数量；另外，纤维素酶可以有针对性地提高纤维素的水解效率，生成更利于被微生物分解的单糖^[21]，进而提高微生物活性，在二者共同作用下，对促进腐熟起到协同效果。

图 1 不同处理组的C/N比值

Figure 1. C/N ratio of different treatment groups

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 初始粒径和外源添加剂对pH和EC的影响

pH与堆肥微生物的活性关系密切。有研究^[22-23]指出，pH为7~8.5时，堆肥常见微生物的活性和繁殖力最强。如图2所示，堆肥结束后，所有处理的pH都呈弱碱性，从大到小顺序为T1>T5>T4>T2>T3>T8>T7>T6，2种粒径组对照处理的pH均高于同组其他处理。这说明添加剂对降低pH有一定影响。原因是，当有机化合物被分解时，具有外源添加剂的处理可促使微生物生成有机酸^[24]。从粒径对pH的影响来看，2 mm处理组pH更高。这可能是由于2 mm处理的绿化废弃物在堆肥过程中，有利于能促进有机酸分解的微生物的生长，从而影响了发酵环境酸碱度。

图 2 不同处理组的pH和EC值

Figure 2. pH and EC values of different treatment groups

下载: 全尺寸图片幻灯片

EC反映了堆肥产品中总盐的含量，可用作有机物分解动力学的判定指标^[15]。在本研究中，堆肥末期各处理的EC值排序依次为T5>T2>T4>T7>T1>T3>T8>T6，2 mm粒径组的平均EC较5 mm粒径组高8.6%。这表明具有较小粒径的堆肥含有较多的盐和小分子物质^[25]。这一结果可能是因为小粒径堆肥的较高比表面积增加了离子交换能力造成的^[26]。

2.3 初始粒径和外源添加剂对发芽指数的影响

未腐熟堆肥中的毒性物质会抑制植物的生长，因此，堆肥浸提液对植物生长的影响可用于评价堆肥的植物毒性，用发芽指数^[27](GI)表示。图3显示，GI值从大到小依次为T3>T8>T4>T6>T5>T7>T2>T1，所有堆肥的GI均大于60%，高于腐熟标准要求的50%的阈值^[28]。在2 mm粒径处理中，具有外源添加剂的处理组GI值较对照组增加了15%~36%；在5 mm粒径处理中，增加了2%~16%。这表明纤维素酶和菌剂的添加对有机毒物的降解产生了积极影响，能有效改善GI，2 mm粒径更有利于增强添加剂的作用效果。

图 3 不同处理组的发芽指数GI

Figure 3. GI value of different treatment groups

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.4 初始粒径和外源添加剂对吸光度比值的影响

腐殖酸在波长465 nm和665 nm处具有特异吸收峰值。在堆肥过程中，2个波长处的吸光度比值(E₄/E₆)随着腐殖酸分子缩合度的增大而减小^[29]，成为评价堆肥结构稳定性的重要参数之一。如图4所示，堆肥结束时，各处理堆肥的E₄/E₆排序为T5>T7>T3>T2>T4>T8>T1>T6，在5 mm处理组中获得相对较高的E₄/E₆比值，较2 mm组高11.1%。这说明2 mm处理可使堆肥中的腐殖酸有更高的聚合度和稳定性，品质更佳。

图 4 不同处理组的吸光度比值E₄/E₆

Figure 4. E₄/E₆ ratio of different treatment groups

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.5 初始粒径和外源添加剂对腐殖化指标的影响

堆肥是大分子碳水化合物通过微生物转化为腐殖质的过程。图5显示，堆肥末期，2 mm处理的腐殖质和胡敏酸的平均含量分别比5 mm处理高17.9%和3.7%。这可能是由于小粒径处理中的纤维素材料更容易被分解，为氧化和芳香结构的形成提供了丰富的底物。在相同的粒度组中，对照组的腐殖质和胡敏酸含量最小，这归因于添加纤维素酶和菌剂能增加相关功能菌的数量，促进腐殖质的形成。除了腐殖质含量的变化，腐殖化系数(HI)被认为可以更准确地反映腐殖化程度^[30]。在堆肥过程中，腐殖化系数呈上升趋势，分子质量较低的富里酸在矿化过程中降解，并浓缩成结构更复杂的大分子胡敏酸，使腐殖质更加稳定。在堆肥结束时，腐殖化系数排序为T4>T3>T8>T6>T2>T7>T1>T5，纤维素酶和菌剂对腐殖化系数有显著影响(P=0.001<0.05)，说明二者的添加对提高堆肥腐熟程度有重要作用。

图 5 不同处理组的腐殖质含量、胡敏酸含量和腐殖化系数

Figure 5. Humic substance content, humic acid content and humic index of different treatment groups

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.6 初始粒径和外源添加剂对微生物的影响

堆肥理化指标的分析表明，2 mm粒径和外源添加剂处理组对改善堆肥理化性质有积极作用。为了从微生物角度解释粒径和添加剂对理化性质的影响，对粒径和添加剂对微生物群落组成以及特定功能微生物的影响进行了分析。好氧堆肥中的细菌被公认是堆腐基质中数量最大、分布最广泛的微生物类群，不仅分解单糖效率高，也兼具了真菌和放线菌分解木质纤维素的能力^[31]。由图6(a)可知，整个堆肥过程的优势菌门的排序为厚壁菌门(Firmicutes)>绿弯菌门(Chloroflexi)>变形菌门(Proteobacteria)>放线菌门(Actinobacteria)>芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)。堆肥初期，能有效地利用碳水化合物的厚壁菌门是优势菌种，平均丰度高达87.8%；堆肥中期，随着碳水化合物的减少，厚壁菌门丰度下降，变形菌门丰度增加至23.4%；堆肥末期，绿弯菌门平均丰度迅速增加到52.5%，放线菌门和芽单胞菌门也成为主要菌种。在堆肥过程中，具有降解纤维素功能的放线菌^[32]的相对丰度持续上升，各个处理放线菌的增长比例排序为T3>T4>T8>T1>T2>T7>T5>T6，2 mm处理是5 mm处理的3.15倍。可见，2 mm更适合具有分解纤维素能力的细菌生长繁殖。在同粒径组中，只添加菌剂的处理表现不佳。其原因可能是，外源菌的介入对原生菌群的演替有一定影响，而同时具有纤维素酶和菌剂的外源添加剂处理与对照处理相比，放线菌数量有明显提升。这说明纤维素酶对降解功能菌的繁殖代谢有积极作用，从而有效优化堆肥性质。

图 6 细菌群落结构与RDA分析

Figure 6. Bacterial community structure and redundancy analysis

下载: 全尺寸图片幻灯片

为进一步研究细菌群落组成与理化性质之间的关系，对堆肥理化性质与堆肥样品的主要菌门进行了RDA分析(图6(b))。结果显示，C/N、pH、GI和胡敏酸与细菌群落呈显著相关(P<0.05)。C/N和pH分别与厚壁菌门和变形菌门呈正相关，发芽指数和胡敏酸与成熟阶段的主要细菌活性相关。通过分析不同堆肥时期的主导菌群发现，在堆肥初期和中期，与5 mm相比，2 mm处理组中主导菌群(厚壁菌门和变形菌门)数量更多。这表明2 mm粒径能为这些微生物提供更适合生长繁殖的环境，加快堆肥进程。在腐熟阶段，2个粒径组与能促进腐殖化的末期主导细菌(放线菌门、芽单胞菌门)^[28]的相关性分别为T3>T4>T2>T1和T7>T8>T5>T6。在同粒径组中，同时添加纤维素酶和菌剂的处理与腐殖功能菌相关性更大，对其生长繁殖有积极作用，从而提高了GI、腐殖质和胡敏酸含量。这说明添加纤维素酶和菌剂能促进堆肥后期熟化，与腐殖化分析所得结论一致。因此，粒径和添加剂可以通过影响细菌群落来优化理化性质，2 mm处理组和同时具有纤维素酶与菌剂的处理组能有效促进相关功能菌增长，改善堆肥质量。

2.7 堆肥产品腐熟效果的综合评价

为避免单个指标评价的偏差和片面性，本研究采用主成分分析法，综合8项理化指标对所有处理进行综合量化评价，以更全面客观地评估不同处理的堆肥质量。分析共提取3个主成分，方差贡献率累计达85.676%，满足大于85%的要求^[19]。主成分提取结果见表3，各处理的主成分综合评分见表4。

表 3 堆肥指标主成分提取

Table 3. Principal component extraction of compost index

主成分	分析指标	特征根	贡献率/%	累计贡献率/%
第1主成分	pH、EC、腐殖化系数、胡敏酸含量	3.204	40.055	40.055
第2主成分	C/N、GI、E₄/E₆	2.054	25.673	65.728
第3主成分	腐殖质含量	1.596	19.948	85.676

| Show Table

DownLoad: CSV

表 4 堆肥主成分综合评分

Table 4. Principal component comprehensive score of composts

处理组	F1得分	F2得分	F3得分	F得分	F排名
T1	−1.476	−1.244	−0.666	−1.174	8
T2	−0.734	−0.155	1.500	0.080	4
T3	1.460	0.519	1.527	1.178	1
T4	1.029	−0.880	1.145	0.452	3
T5	−3.352	1.574	−0.209	−0.893	7
T6	1.803	−0.698	−1.938	−0.049	5
T7	−0.152	0.699	−0.911	−0.094	6
T8	1.421	0.210	−0.448	0.508	2

| Show Table

DownLoad: CSV

由表4可知，所有处理从优至劣依次是T3>T8>T4>T2>T6>T7>T5>T1，表现最好的是处理T3，即2 mm粒径添加由2%纤维素酶和2%菌剂组成的外源添加剂，综合分数为1.178分；表现最差的是2 mm粒径不加外源添加剂的处理T1，综合分数为−1.174分。2 mm粒径组平均得分高于5 mm粒径组，2 mm粒径组内排序为T3>T4>T2>T1，5 mm粒径组内排序为T8>T6>T7>T5。2种粒径组中有外源添加剂的处理表现均好于对照处理。其中，2 mm的最优处理是T3，纤维素酶和菌剂比例为2∶2；5 mm的最优处理是T8，纤维素酶和菌剂比例为2∶4。

主成分分析结果表明，2 mm处理组的表现整体优于5 mm处理组。究其原因可能包括2个方面：一是绿化废弃物含有大量结构紧密的纤维素和半纤维素，粒径决定了酶与这些大分子物质的接触面积和降解效率，2 mm粒径处理可以增加堆料表面积，提升酶解效果和速率；二是在孔隙率、温度和湿度等方面，2 mm粒径组为微生物提供了更好的生长代谢环境。张璐^[14]曾提出，适当的粒径可以提高绿化废弃物堆料的通气透水性，并减少水从表面蒸发，改善微生物活动的物理微环境。

在同样添加4%菌剂的条件下，混配纤维素酶的外源添加剂效果优于只具有菌剂的外源添加剂。具体表现在：添加2%纤维素酶的T4组和T8组较不添加纤维素酶的T2组和T6组分别高0.372分和0.557分，表明纤维素酶对促进堆肥腐熟有至关重要的作用。其原因可能是，外源酶可以补充堆料中纤维素酶数量的不足，提升胞外纤维素酶的活力；同时，针对无法直接利用纤维素的微生物，纤维素酶作为中间介质将纤维素分解成微生物易利用的单糖，能有效提高生物质的水解。

在同样添加2%纤维素酶的条件下，分别混配2%和4%的菌剂，在不同粒径条件下的堆肥效果有明显差异。在2 mm粒径组中，添加2%菌剂的T3组效果优于添加4%菌剂的T4组，而5 mm粒径条件下则刚好相反。这可能归因于2 mm较5 mm粒径条件更适合高温堆肥细菌群落，并促进具有降解纤维素能力的细菌的生长和繁殖，添加过多菌剂导致微生物数量过多，发酵过程中的微生物环境平衡被破坏，微生物活性受到抑制^[33]；相反，5 mm条件下接种更多菌剂可以在合理范围内增加微生物数量，促进堆肥的腐熟。这也说明粒径对添加剂的作用效果有重要影响，相似观点是ZHANG等^[34]的研究，在不同堆肥粒径下，添加鼠李糖脂，堆肥性质表现出显著差异。

3. 结论

1) 2 mm粒径的堆肥处理较5 mm能促进C/N和E₄/E₆值下降，提高腐殖质含量、胡敏酸含量和腐殖化系数，有利于堆肥腐殖化和稳定化；外源纤维素酶和菌剂可以降低C/N，提高发芽指数和各项腐殖化指标，促进了有机质降解，提高了堆肥质量。

2)厚壁菌门、绿弯菌门、变形菌门、放线菌门和芽单胞菌门是堆肥的主要菌门。2 mm处理组和同时具有纤维素酶与菌剂的处理组能通过促进功能菌增长，优化堆肥理化性质。

3)采用主成分分析法进行综合评价可得：纤维素酶和菌剂混配的促腐效果好于单一成分的外源添加剂，2 mm粒径可以增强添加剂的作用效果；T3组(2 mm粒径添加配比为2∶2的外源添加剂)综合评分最高，是最优堆肥处理。

图 1 垃圾填埋场污泥坑的平面布置图

Figure 1. Layout plan of sludge pit in the landfill site

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 A-A截面处扩容后填埋场设计剖面图

Figure 2. Design profile of section A-A of the landfill after expansion

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 B-B截面处扩容后填埋场设计剖面图

Figure 3. Design profile of section B-B of the landfill after expansion

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 防渗衬垫系统结构设计

Figure 4. Structural design of seepage control system

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 各材料物理力学参数

Table 1. Values of physical and mechanical parameters of various materials

土层	厚度/m	容重/(kN·m⁻³)	抗剪强度参数
土层	厚度/m	容重/(kN·m⁻³)	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)
新填埋垃圾	25	10	29	13
浅层垃圾体	5~8	12	16	25
深层垃圾体	5~8	13	5	30
浅层固化污泥	5~7	14	23	20
深层固化污泥	3~5	13	21	18
固化沼渣	3~7	14	23	20
覆盖层1	0.3	20	20	10
覆盖层2	0.6	1	0	12
隔堤	—	20	200	50
基础土层	6~14	16	25	18
注：黏聚力和内摩擦角数据采用不固结不排水测试获得。

下载: 导出CSV

表 2 污泥原位固化药剂成分

Table 2. Ingredients for in-situ curing of sludge

序号	药剂成分	添加量¹⁾/(kg·m⁻³)
1	水泥	90~135
2	石灰	60~90
3	粉煤灰	45~65
4	硫酸亚铁	80~120
5	硫酸铝	24~36
注：1)污泥固化药剂质量与污泥体积比例。

下载: 导出CSV

表 3 处理后污泥的目标参数及实际参数

Table 3. Required and real values of target parameters of treated sludge

类型	含水率/%	pH	抗剪强度/kPa	地基承载力/kPa
目标值	<60	5~10	≥60	≥90
实际值	42~58	7.8~9.5	60.64~72.37	95~116

下载: 导出CSV

表 4 抗剪强度验证与计算结果

Table 4. Verification and calculation results of shear strength

污泥层	有效附加应力/kPa	抗剪强度/kPa
浅层固化污泥	122	67.40
深层固化污泥	122	60.64
注：有效附加应力 $\sigma$ 的计算是基于垃圾堆体渗沥液浸润线为0.5倍垃圾堆体高度这一条件^[13]。

污泥层	有效附加应力/kPa	抗剪强度/kPa
浅层固化污泥	122	67.40
深层固化污泥	122	60.64
注：有效附加应力 $\sigma$ 的计算是基于垃圾堆体渗沥液浸润线为0.5倍垃圾堆体高度这一条件^[13]。

下载: 导出CSV

表 5 各条件下堆体边坡的抗滑稳定安全系数计算结果

Table 5. Calculation results of safety factor for landfill slope stability under various conditions

工况条件	坡面类别	A-A剖面模型		B-B剖面模型
工况条件	坡面类别	左侧	右侧	左侧	右侧
静力	一期	3.018	3.847	3.222	6.408
静力	二期	2.732	3.432	5.028	2.618
静力+最高渗沥液水位	一期	3.018	3.847	3.222	6.408
静力+最高渗沥液水位	二期	1.887	2.321	4.291	2.406
地震力+最高渗沥液水位	一期	2.319	2.740	2.419	3.822
地震力+最高渗沥液水位	二期	1.220	1.333	2.230	1.550

下载: 导出CSV

表 6 堆体边坡抗滑稳定最小安全系数

Table 6. Minimum safety factor for anti-seepage and stability of landfill slope

运用条件	安全等级
运用条件	一级	二级	三级
正常运用条件	1.35	1.30	1.25
非常运用条件I	1.30	1.25	1.20
非常运用条件II	1.15	1.10	1.05
注：安全等级包括一级（堆体边坡坡高≥60 m）、二级（30 m≤堆体边坡坡高<60 m）和三级（堆体边坡坡高<30 m）。

下载: 导出CSV

表 7 堆体边坡抗滑稳定性评价结果

Table 7. Evaluation results of landfill slope stability

工况条件	堆体的计算安全系数	最小安全系数要求值	评价结果
静力	2.618	1.30	稳定且满足要求
静力+最高渗沥液水位	1.887	1.25	稳定且满足要求
最高渗沥液水位+地震力	1.220	1.10	稳定且满足要求

下载: 导出CSV

[1]	裴习君. “无废城市”理念下我国城市生活垃圾处理模式探析[J]. 长沙大学学报, 2019, 33(3): 30-32.
[2]	周卫文. 城市生活垃圾焚烧处理污染防治方法探讨[J]. 技术与市场, 2018, 25(4): 106-107. doi: 10.3969/j.issn.1006-8554.2018.04.045
[3]	陈亮. 生活垃圾填埋场老场扩建方式探讨[J]. 环境工程, 2013, 31(5): 117-120.
[4]	潘颖雅, 李昀涛. 广州市兴丰生活垃圾卫生填埋场扩容工程设计[J]. 环境卫生工程, 2015, 23(1): 69-72. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2015.01.021
[5]	何耀忠. 生活垃圾卫生填埋场扩容工程案例[J]. 广东化工, 2019, 46(5): 170-171. doi: 10.3969/j.issn.1007-1865.2019.05.074
[6]	王刚. 广州兴丰生活垃圾卫生填埋场渗滤液扩容工程工艺设计[J]. 广东化工, 2013, 40(13): 143-144. doi: 10.3969/j.issn.1007-1865.2013.13.073
[7]	王艳明, 张乾飞. 老填埋场竖向加高扩容工程的沉降计算与分析[J]. 环境工程, 2007, 25(4): 59-62. doi: 10.3969/j.issn.1000-8942.2007.04.018
[8]	冯兵强, 林守忠, 兰军利. 高边坡的垃圾填埋场扩容设计与施工技术[J]. 建筑安全, 2015, 30(1): 38-40. doi: 10.3969/j.issn.1004-552X.2015.01.011
[9]	张婷. 某垃圾填埋场坝体稳定性分析与工程措施[J]. 环境卫生工程, 2013, 21(2): 48-50. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2013.02.015
[10]	周小文, 蒋浩然, 周密, 等. 垂直扩容垃圾挡坝稳定性离心机试验与数值仿真[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2020, 52(11): 157-166. doi: 10.11918/201905067
[11]	芦业磊, 姚达, 王金鹏. GCL复合垂直柔性防渗墙在垃圾填埋场应用及施工工艺探讨[J]. 江苏水利, 2019(3): 52-55.
[12]	罗小勇, 王艳明, 熊建英, 等. 垃圾填埋场污泥坑原位修复工程实践[J]. 环境工程学报, 2018, 12(9): 285-294.
[13]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范: CJJ 176-2012[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.
[14]	张会文, 朱伟, 包建平, 等. 污泥原位固化-稳定化处理中试研究[J]. 环境工程, 2014, 31(8): 101-104.
[15]	冯源, 罗小勇, 詹良通, 等. 处置库污泥工程特性测试研究[J]. 岩石力学, 2013, 34(1): 115-122.
[16]	陈赟, 王亮, 郑智杰. 江苏某垃圾填埋场污泥库特殊性土的分析与评价[J]. 环境卫生工程, 2020, 28(1): 43-49.
[17]	李湛江, 苏兴国, 宋树祥. 兴丰生活垃圾卫生填埋场污泥原位固化工程案例分析[J]. 环境卫生工程, 2020, 28(4): 70-75.
[18]	张芳. 污泥原位固化处置技术的应用[J]. 环境卫生工程, 2017, 25(3): 45-46. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2017.03.015
[19]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质: GB/T 23485-2009[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.
[20]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 生活垃圾填埋污染控制标准: GB 16889-2008[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
[21]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范: GB 50011-2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
[22]	胡敏云, 陈云敏, 温振统. 城市垃圾填埋场垃圾土压缩变形的研究[J]. 岩土工程学报, 2001, 23(1): 123-126. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2001.01.029

点击查看大图

图( 4) 表( 7)

计量

文章访问数: 4662
HTML全文浏览数: 4662
PDF下载数: 85
施引文献: 0

1. 材料与方法
1.1 实验材料和仪器
1.2 实验设计和取样
1.3 检测和分析方法
2. 结果与讨论
2.1 初始粒径和外源添加剂对碳氮比的影响
2.2 初始粒径和外源添加剂对pH和EC的影响
2.3 初始粒径和外源添加剂对发芽指数的影响
2.4 初始粒径和外源添加剂对吸光度比值的影响
2.5 初始粒径和外源添加剂对腐殖化指标的影响
2.6 初始粒径和外源添加剂对微生物的影响
2.7 堆肥产品腐熟效果的综合评价
3. 结论

全文HTML

近年来，随着“无废城市”理念及相关政策的推出，我国城市生活垃圾的处置正从以填埋为主向以焚烧为主转变^[1]。城市生活垃圾填埋处置正在逐步减少，但是，由于当前绝大多数城市的生活垃圾焚烧设施的建设未能及时跟上城市生活垃圾处置的需要，大量生活垃圾不得不继续采用填埋方式进行处置^[2]。生活垃圾的填埋会浪费大量土地资源，而当前我国城市的用地本就越发紧张，这使得多数城市生活垃圾填埋场的新场选址变得越来越困难。相比而言，国内目前更倾向于利用现有生活垃圾填埋场进行竖向或横向扩容^[3-4]。因此，如何在现有垃圾填埋场的基础上进行安全有效且经济环保的扩容是当前面临的一个重要工程问题。

目前，已有一些工程师和学者对垃圾填埋场扩容工程进行了工艺设计和相关工程技术的研究，并取得了一定的成果。何耀忠^[5]以广东省某县级市生活垃圾填埋场为例，针对该填埋区积水水位过高且存在溃坝隐患的问题，进行了扩容工程的工程设计和分析。王刚^[6]以广州兴丰生活垃圾卫生填埋场为例，根据扩容工程目标，对该扩容工程的工艺进行了设计和验证。王艳明等^[7]针对老填埋场竖向扩容时垃圾堆体沉降机理的特殊性，结合工程实例，对沉降计算公式中有关参数取值进行了探讨，并对扩容垃圾荷载作用下原垃圾堆体的沉降发展趋势进行了分析。冯兵强等^[8]在高陡边坡山谷地形的垃圾填埋场扩容工程中，采取工程设计、施工以及旧场在施工期继续使用等措施，解决了扩容与填埋场稳定性问题。张婷^[9]对某垃圾填埋场扩容过程中垃圾坝的现状进行了稳定性分析和评价，分析了坝后垃圾堆体起坡点距坝体的距离和渗沥液水位对坝体稳定性的影响，并根据分析结果制定了相应的工程措施。周小文等^[10]采用离心机实验和数值仿真模拟方法对垂直扩容垃圾填埋场的挡土土坝稳定性进行了研究。芦业磊等^[11]以定远县炉桥镇垃圾填埋场为例，对其中GCL复合垂直柔性防渗墙工程的施工工艺进行了分析。然而，在扩容工程设计中，垃圾堆体的沉降、堆体边坡稳定性以及防渗系统的设计等仍然存在着诸多问题，尤其是垃圾堆体内混填了市政污泥的填埋场问题更多；同时，含污泥坑生活垃圾填埋场的竖向扩容工程的工艺设计尚少有可借鉴的成熟案例^[12]。

基于上述原因，本研究以辽宁省某含污泥坑生活垃圾填埋场为例，对其竖向扩容工程进行了工艺设计和验证分析；拟选用原位固化技术对污泥进行处理，并给出处理后污泥的力学参数设计值；使用Geo-Slope软件，建立扩容后填埋场堆体边坡的计算模型，并对3种不同工况下的边坡抗滑稳定性进行了分析和评价；基于理正岩土软件，对填埋场垃圾堆体进行了沉降计算，并根据沉降分析结果进一步给出了防渗系统设计方案。

2. 堆体边坡抗滑稳定性分析与评价

2.1. 堆体边坡工况条件

根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176-2012)^[13]的规定，垃圾堆体边坡的稳定性分析应考虑以下3种条件。

1)正常运用条件。填埋场工程投入运行后，经常发生或长时间持续的情况包括：①填埋场垃圾填埋过程；②填埋场封场后的情况；③填埋场渗沥液水位处于正常水位。

2)非正常运用条件Ⅰ。遭遇强降雨等引起的渗沥液水位显著上升。

3)非正常运用条件Ⅱ。正常运用条件下遭遇地震。

结合本工程特点，本项目拟分析的3种对应条件包括静力条件、静力+最高渗沥液水位条件、地震力+最高渗沥液水位条件。根据要求，该堆体边坡抗滑稳定性分析中考虑的最高渗沥液水位应控制在堆体高度的0.5倍。同时，根据本工程条件及《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)^[21]，该填埋场的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g(g为重力加速度)，抗震验算采用拟静力法进行计算。

2.2. 堆体边坡抗滑稳定性分析

由图2和图3可以看出，垃圾填埋场一期现存垃圾堆体存在堆体坡面，而新垃圾堆体的堆填和隔堤的建设会对现有坡体产生稳定性影响。因此，应针对一期现有堆体和二期扩容后堆体的坡面分别进行稳定性计算和分析。根据图2和图3以及表1的计算参数，采用Geo-Slope软件进行了建模计算和分析。该软件不仅具有非圆弧滑动面自动搜索功能，而且能够解决穿过软弱夹层或界面的滑动面搜索问题。采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度破坏准则，分析中选用广泛采用的极限平衡法(Morgenstern-Price)计算堆体边坡的稳定安全系数。由此，计算得到上述3种工况条件下堆体边坡的抗滑稳定安全系数，结果见表5。

2.3. 堆体边坡稳定性评价

针对堆体边坡的抗滑稳定性评价问题，可参考《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176-2012)^[13]的相关规定。根据垃圾堆体边坡工程的坡高及失稳后可能造成后果的严重性等因素，按照表5中的安全系数，确定出该堆体边坡抗滑稳定的最小安全系数要求值(表6)，通过对比分析，进行堆体边坡的抗滑稳定性评价。

考虑到本工程扩容后垃圾堆体总高度为35~42 m，可以判定该堆体边坡的安全等级属于二级。然后，结合表5中对应的最小安全系数要求值，得到对比结果(表7)，其中堆体边坡计算安全系数为各坡面计算安全系数的统计最小值。由此可见，各工况下堆体边坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，说明本设计方案合理。

4. 结论

1)本项目通过分层堆填来完成近25 m高的垃圾填埋场竖向扩容工程，并选用原位固化技术处理填埋场内的污泥和沼渣；结合现场勘察、实验测试以及参考规范和相关研究，确定的浅层固化污泥和深层固化污泥在有效应力作用下抗剪强度≥ 60 kPa，地基承载力≥ 90 kPa。上述参数均满足垃圾堆体竖向扩容要求。

2)扩容后垃圾填埋场堆体边坡的抗滑稳定性分析模型计算结果表明，垃圾堆体在正常运用条件、非正常运用条件Ⅰ和非正常运用条件Ⅱ不同情况下，垃圾堆体边坡抗滑稳定安全系数均满足相关工程技术规范的要求。

3)通过沉降计算得出，库容竣工后，加载25 m高的垃圾堆体产生的沉降值为0.319 m，而堆体最终总沉降为1.499 m，由此得到的防渗系统最大伸长率为0.4%，可满足规范相关工程技术要求。通过设置抗沉降加筋层，可抵抗垃圾堆体下方地基产生的不均匀沉降。

参考文献 (22)

含污泥坑生活垃圾填埋场竖向扩容工程稳定沉降分析

作者简介: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com

通讯作者: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com;

Analysis of the stabilization and settlement of vertical expansion project for municipal solid waste landfill with sludge pit

Corresponding author: HUANG Zhiliang, gshatty2005@163.com ;

1. 材料与方法

1.1 实验材料和仪器

1.2 实验设计和取样

1.3 检测和分析方法

2. 结果与讨论

2.1 初始粒径和外源添加剂对碳氮比的影响

2.2 初始粒径和外源添加剂对pH和EC的影响

2.3 初始粒径和外源添加剂对发芽指数的影响

2.4 初始粒径和外源添加剂对吸光度比值的影响

2.5 初始粒径和外源添加剂对腐殖化指标的影响

2.6 初始粒径和外源添加剂对微生物的影响

2.7 堆肥产品腐熟效果的综合评价

3. 结论

计量

出版历程

含污泥坑生活垃圾填埋场竖向扩容工程稳定沉降分析

通讯作者: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com;

作者简介: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com 1. 北京泾渭环境科技有限公司，北京 100041 2. 华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074

English Abstract

Analysis of the stabilization and settlement of vertical expansion project for municipal solid waste landfill with sludge pit

Corresponding author: HUANG Zhiliang, gshatty2005@163.com ;

全文HTML

1.1. 工程概况

1.2. 工程设计与参数取值

2.1. 堆体边坡工况条件

2.2. 堆体边坡抗滑稳定性分析

2.3. 堆体边坡稳定性评价

3.1. 垃圾堆体沉降计算

3.2. 防渗衬垫系统设计

目录

全文HTML

1.1. 工程概况

1.2. 工程设计与参数取值

2.1. 堆体边坡工况条件

2.2. 堆体边坡抗滑稳定性分析

2.3. 堆体边坡稳定性评价

3.1. 垃圾堆体沉降计算

3.2. 防渗衬垫系统设计

作者简介: 黄志亮(1986—)，男，硕士，高级工程师，gshatty2005@163.com
1. 北京泾渭环境科技有限公司，北京 100041

2. 华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074