我国农村生活垃圾填埋技术应用现状与特征分析＊

时间：2024-05-22

郭楠，宋薇，伏凯

（1.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；2.住建部环境卫生工程技术研究中心，北京100120）

0 引言

农村生活垃圾处理是我国城乡环境治理中的薄弱环节，也是新阶段垃圾分类推行和“无废城市”建设的重点攻坚方向。目前全国农村生活垃圾产生量尚无官方公开数据，通常认为已超过1.0×108t/a［1］。基于广大农村地区的特点，农村生活垃圾处理技术的选择需要考虑技术适用性、建设投资费用、运行维护难易程度以及碳排放强度（“双碳”背景下）。由于填埋技术对于处理规模适用性强［2］，且通常认为填埋建设投资与运行费用相对较低、运行管理相对简单，因此填埋是农村生活垃圾处理的主要技术方法。根据住房城乡建设部城乡建设统计信息管理系统数据，填埋技术处理垃圾量占农村生活垃圾无害化处理垃圾总量的80% 以上。但这种建设运行水平较低的小型填埋场一般难以达到现行标准要求，且填埋场建设运行费用低的认知也是建立在其建设运行水平低的基础上。本研究针对目前小型填埋场调研中发现的问题，对小型填埋场的技术、经济以及碳排放等应用特征与适用条件进行总结，以期为各地建设与运行此类小型填埋场提供技术支撑，也为相关政策制定提供依据。

1 调研方法与调研案例

本次实地调研主要以小型填埋场为对象。GB/T 51435—2021 农村生活垃圾收运和处理技术标准中对小型卫生填埋场的总库容、使用年限、单位面积库容指标提出要求，而在实际应用时，部分生活垃圾产生较少的地区建有诸多更小规模的填埋场，根据工程经验，当填埋场库容超过4×105m3时，建设与运行费用相对稳定，通常视为正常规模的填埋场。

本研究实地调研15 座小型填埋场，调研内容主要有填埋场基本情况（包括规模、处理能力、使用年限）、填埋场二次污染控制措施（包括渗滤液以及填埋气的处理）以及填埋场的相关费用（包括建设投资和日常运行），具体情况见表1。

表1 生活垃圾小型填埋场调研基本情况Table 1 Basic situation of investigation on small-scale domestic waste landfill

根据现场调研，小型填埋场普遍存在渗滤液处理不当、填埋气未收集等环境问题。在渗滤液处理方面，73%的小型填埋场主要采用调节池+回灌工艺，仅有约25% 的小型填埋场采用膜生物反应器（MBR）处理；在填埋气收集处理方面，87%的填埋场通过石笼导排填埋气，且未经处理直接进入大气，仅有13%的填埋场设置了填埋气收集+火炬处理系统；设有渗滤液MBR 处理和填埋气收集处理的小型填埋场，其运行费用显著高于其他小型填埋场。

2 结果与讨论

2.1 填埋技术小型化应用特性

1）村镇级填埋场普遍难以达到无害化目标，通过开展非正规堆放点整治逐步关停。村镇建设的填埋场基本上都是简易填埋场，或称之为一类非正规生活垃圾堆放点。本次调研中，约70% 以上是简易填埋场，其建设与运行都没有按照目前现行的卫生填埋场相关技术标准要求进行，因此也无法实现垃圾无害化处理的目标。“十三五”期间，通过全国开展生活垃圾存量治理工作，绝大多数地区已消除非正规生活垃圾堆放点［3］。相应地，村镇垃圾的无害化填埋处理则是通过县级卫生填埋场得以实现。

2）新建与运行的小型卫生填埋场主要位于西部地区。目前新建与运行的小型填埋场主要是县级填埋场，或西部偏远地区几个镇合建的填埋场。对于城镇层面，国家引导采用焚烧技术，《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》提出仅在西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古等省（区）的人口稀疏地区，受运输距离、垃圾产生规模等因素制约，经评估暂不具备建设焚烧设施条件的，可适度规划建设符合标准的兜底保障填埋设施［3］。

3）小型卫生填埋场建设水平不高。受限于经济、技术与专业技术人员不足等条件，部分小型填埋场的建设规范性差，主要表现在：①建设施工最重要的防渗系统施工未采用专业队伍，渗滤液穿透风险较高；②小型填埋场主要采用调节池+回灌工艺，调研项目普遍存在运行管理不规范、日常覆盖作业不到位、雨污分流效果不佳等问题，导致渗滤液产生量高于渗滤液处理设施设计能力，且回灌操作不规范，给垃圾堆体造成了较大的安全隐患。在填埋气收集处理方面，调研的填埋场多数通过石笼导排直接进入大气，仅有少数设置了填埋气收集+火炬处理系统。由于小型填埋场产气量较少，而填埋气收集处理系统对于填埋场建设以及覆盖等作业要求较高，大多数小型填埋场难以达到以上要求。在臭气方面，由于填埋气没有有效收集与处理的设施，导致填埋气中少部分NH3、H2S 等恶臭气体散逸于大气中，对周围环境造成影响。

4）运行维护管理水平普遍较低。为达到有效控制填埋过程中的污染影响、保证堆体稳定安全、充分利用库容等基本要求，填埋规范作业过程较为复杂，而且需要人工和机械配合作业，对作业人员技术水平、配套机械设备及运行维护要求较高。但是实际中小型填埋场设备与技术人员难以达到上述要求，导致存在部分小型填埋场作业机械设备配置不到位、堆填摊铺压实作业粗放、堆填高度低、土地利用率低，覆盖作业不到位、暴露面大、厂区环境恶劣，雨水分流措施不到位、渗滤液产生量大且处理不规范等问题，致使这类设施环境风险隐患大。

2.2 填埋技术小型化经济特性

2.2.1 建设投资

根据实地调研，并结合以往工程建设与运行经验，填埋场建设投资见表2。除去工程造价地区差异，填埋场在全国大部分地区建设投资差异性不大。填埋场的单位投资为60～150 元/m3，其影响因素主要有填埋场规模、防渗系统结构以及渗滤液处理方式。

表2 填埋场建设规模与投资Table 2 Construction scale and investment of landfill

1）填埋场规模的影响。填埋场建设内容主要包括场底构建（土石方、防渗及渗滤液导排）、雨水及地下水导排系统、渗滤液处理系统、其他（管理区）/坝体、道路/填埋气导排及处理系统。其中，投资最大的是防渗系统建设。填埋场规模越小，设计堆高越低，有效库容越小，导致各项建设内容对应的单位库容摊销大。

2）防渗系统的影响。小型填埋场配套系统建设费用相对较低，相应防渗系统投资占比较高。根据工程项目经验：小于5.0×104m3的填埋场，其防渗系统建设成本占总投资的70% 左右；大型填埋场占40% 以上。因此，防渗系统是决定小型填埋场建设投资的主要因素。防渗系统采用的结构主要与填埋场地质条件有关。根据地质条件不同，可采用的防渗结构有天然防渗结构、HDPE 膜+压实土壤、HDPE 膜+GCL、双层防渗结构4 类，各类具体应用条件及费用见表3，这4 类防渗结构的综合单价范围分别为10～20、70～75、100～105、145～155 元/m2。目前在实际工程中，通常采用HDPE 膜+GCL，少数地区需要采用双层防渗结构，如比较有代表性的喀斯特地貌。通常在选址上应该避开这类地形，但若确需建设时应采用双层防渗，因此其建设投资将提高75～85 元/m2。

表3 防渗系统应用条件及费用Table 3 Application conditions and fees of anti-seepage system

3）渗滤液处理方式。按照标准规范要求建设的填埋场，渗滤液处理系统建设也是填埋场建设投资中的大项。渗滤液处理系统费用主要取决于工艺与规模，目前我国填埋场采用的渗滤液处理工艺建设及运行费用情况见表4。本次调研的小型填埋场多数仅设置调节池，采用渗滤液回灌方式，只有少数建设有生化处理-MBR-纳滤-反渗透系统，基本不会设置浓缩液深度处理单元。但对于一些地区由于渗滤液产生量较高，采用回灌方式难以消纳所有渗滤液，需处理后外排，会增加渗滤液处理系统建设与运行费用。

表4 渗滤液处理单元及运行费用Table 4 Leachate treatment unit and operation cost

根据GB 50869—2013 生活垃圾卫生填埋处理技术规范附录B 渗滤液产生量计算方法，其主要由降雨入渗量和垃圾自身降解或压缩产生渗滤液量两部分组成。降雨入渗量则主要取决于区域降雨条件、表面覆盖层渗透性以及雨污分流措施落实情况。在雨污分流措施得当、日常作业覆盖及时的规范作业条件下，可有效控制降雨入渗量。垃圾自身产生的渗滤液则取决于垃圾初始含水率与在填埋场降解及压缩后田间持水量之间的差值，当进场垃圾初始含水率低于田间持水率（小型填埋场为30%～35%），则不会产生此部分渗滤液，并且会消纳部分入浸降雨。

对于小型填埋场，渗滤液产生量相对较小，在特定条件下“达到渗滤液产生量小于厂内消纳量时”可采用回灌方式。在实际工程中，干旱地区（分布于新疆、内蒙古高原西部、青藏高原西北部）与半干旱地区（内蒙古高原、黄土高原的部分、青藏高原大部分草原）的部分填埋场可以满足这一条件［4］。此外，从理论上分析，填埋对象为分类后的其他垃圾，其含水率低于田间持水率也有可能达到这一条件。

2.2.2 运行费用

填埋场运行费用主要包括耗材与折旧、渗滤液处理与人工费用等，根据相关工程项目调研，填埋场建设规模与运行费用见表5。小型简易填埋场通常不设置专门的作业与管理人员，未配置渗滤液处理设施，因此运行费用相对较低。另外，设有渗滤液处理系统的小型填埋场通常采用“调节池+回灌-MBR-纳滤-反渗透”工艺，基本不会设置浓缩液深度处理单元。

表5 填埋场建设规模与运行费用Table 5 Landfill construction scale and operation cost

由上可知，填埋处理的全费用为150～270 元/m3；垃圾密度按0.7 t/m3计，则为214～386 元/t，小型正规填埋场的处理费用约是正常规模填埋场（≥4×105m3）的1.4 倍。

2.3 填埋技术小型化碳排放特性

按照《2006 年IPCC 国家温室气体排放清单指南》［5］，利用质量平衡法对填埋技术的碳排放进行核算，在此计算边界仅包括生活垃圾处理阶段，不包括收集和转运部分。生活垃圾在填埋过程中，仅厨余垃圾易被降解为填埋气，其他垃圾由于相对惰性，不易发生降解。一般来说，填埋气体中CH4含量约占55%、CO2含量约占45%，但是CO2的产生主要来源于有机物的分解，属于生物成因，不计为温室气体排放［6］。因此在进行生活垃圾填埋场碳排放量的计算时主要计算CH4的量，计算方法见公式（1）、公式（2）。

式中：ECH4为CH4排放量，t；MSW 为生活垃圾产生量，t；η为填埋垃圾占生活垃圾产生总量的比例，%；L0为甲烷产生潜势，t/t；f为填埋气收集利用比例（送入火炬燃烧或作其他用途），%；OX 为氧化系数；MCF 为甲烷修正因子；DOC 为垃圾中可降解有机碳的含量，%；DOCf为垃圾中可降解有机碳的分解比例，%；16/12 为CH4与C的转换系数；F为产生的垃圾填埋气中CH4比例，%。

根据我国农村大部分小型填埋场的运行现状，填埋场对填埋气体无收集利用，所以f取0；OX取0；同时结合IPCC 国家温室气体排放清单指南其他指标推荐参数：MCF 取0.5、DOC 取0.15、DOCf取0.7、F取55%。由此可计算出小型填埋场的甲烷产生量为38.5 kg/t。因CH4产生的温室效应是相同质量CO2的25 倍，则小型填埋的碳排放强度为0.97 tCO2eq/t。

相比填埋气收集处理的卫生填埋场，若填埋气收集利用比例f为0.5；按照指标推荐参数，OX取0.1；MCF 取0.95；DOC 取0.15；DOCf取0.7；F取经验值55%，则卫生填埋场的碳排放强度为0.82 tCO2eq/t。

生活垃圾焚烧碳排放强度ECO2计算方法见公式（3）。

式中：ECO2为CO2排放量，t；MSW 为生活垃圾产生量，t；η为焚烧垃圾占生活垃圾产生量的比例，%；WFi为垃圾中成分i的比例，%；dmi为成分i中的干物质含量，%；CFi为成分i的干物质中的碳比例，%；FCFi为成分i的碳总含量中矿物碳的比例，%；OFi为氧化因子；44/12 为CO2/C 分子量比率。

结合各种城市生活垃圾成分数据以及IPCC 推荐值，生活垃圾焚烧碳排放计算取值见表6，同时第i种成分焚烧炉的氧化因子OFi取值为1，则计算可得生活垃圾焚烧的碳排放强度为0.47 tCO2eq/t。由此可见，小型填埋的碳排放强度显著高于卫生填埋以及焚烧。

表6 生活垃圾焚烧碳排放计算取值Table 6 Data values for calculating carbon emissions from MSW incineration

我国“双碳”工作正在加速推进中，“双碳”目标下的农村生活垃圾填埋技术小型化应用的减污降碳可从以下两个方面提高：①加强村镇生活垃圾填埋场的运行管理，设置有效的填埋气收集措施，避免甲烷气体的无组织排放；②有条件的农村地区推进垃圾分类实施，减少进入填埋场的厨余垃圾，从而减少甲烷气体的产生量，鼓励有机垃圾就地就近生化处理再利用。

2.4 适用区域分析

填埋处理技术是一种对于垃圾组成、处理规模、地域条件均无约束性条件限制的适应性较强的生活垃圾处置技术，适用于所有农村地区的生活垃圾处理。填埋技术在农村地区大范围应用主要是因为建设运维相对简单，且在运行不规范，如渗滤液处理、填埋气收集处理、除臭等二次污染控制不到位的情况下费用较低。但目前我国村镇小规模填埋场与城市中大型的填埋场采用相同的技术标准，包括污染物排放要求、设施建设与作业运行技术要求。在符合当前技术规范要求的情况下，填埋这项技术的处理费用并不低，说明填埋小型化时规模效益变差明显，规范填埋作业的实际费用是较高的。近年来，中央环保督察中出现问题最多的是填埋场，很大原因是运行经费不足导致作业不规范。经过几年的填埋场整治提升，填埋处理费用高已取得普遍共识。

根据国家相关政策要求，目前填埋技术宜用在：①不适宜建焚烧厂的地区，如《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》中提到的“西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古等省（区）的人口稀疏地区，受运输距离、垃圾产生规模等因素制约，经评估暂不具备建设焚烧设施条件的”；②可以降低建设与运行费用的地区，如厂内渗滤液消纳条件好的干旱与半干旱地区以及限制原生垃圾直接填埋的地区。