对生活垃圾填埋场存在的危险性因素分析

对生活垃圾填埋场存在的危险性因素分析
1.1垃圾填埋场的基本构成及工艺流程概述
生活垃圾从不同地方运到垃圾填埋场，经过称重、卸车、碾压摊平、覆土、灭虫等处理，最后的垃圾由填埋场封场，或者垃圾焚烧或者其他利用方式进行处理。

垃圾填埋场的基本组成部分包括底部衬层系统、填埋单元、雨水排放系统、渗滤液收集系统、沼气收集系统和封盖。

一般垃圾填埋场运行的基本工艺流程见图1.1。

填埋场会产生两大处理难点是渗滤液和填埋气体，渗滤液将有处理系统进行处理达标排放；而填埋场所产生的气体则需要集气系统将填埋气收集起来，通过燃烧处理或者其他方式进行利用。

填埋场的所有构成的基本运行系统里，有些环节就会出现本课题要分析的危险源。

垃圾填埋场一般存在的危险因素，从危害物质方面来分，有三类危险因素，分别是渗滤液、
废气有毒有害气体、填埋气里面的爆炸性气体；从结构设施方面来讲，主要就是垃圾堆体边坡稳定性隐患。

图1.1 垃圾填埋工艺
1.2生活垃圾填埋场危险性分析
1.1.1渗滤液的环境危害分析
1.1.1.1渗滤液特性及其来源
垃圾渗滤液是指垃圾在进入填埋场后，堆放和填埋过程由于发酵和雨水的淋溶、冲刷、以及地表水和地下水的浸泡而滤出来的污水，其形成过程为生物、化学、微生物降解等过程。

渗滤液是一种有机废水，具有高浓度性。

由于其浓度高，流动缓慢，所以渗滤液会持续渗漏，对周围地下水、地表水以及土壤均会造成严重的污染，其污染延续时间相当长，可以持续几十年到几百年。

试验研究显示，城市垃圾填埋场渗滤液有机污染物高达77 种，其中芳烃类29种，烯烃类18种，酸类8种，酯类5种，醇、酚类6种，酮、醛类4种，酞胺类2种，其它5种[9]。

另外，张兰英等人采用GC-MS-DS联用技术鉴定出，在垃圾渗滤液中有93种有机化合物[10]，其中22 种被列人我国和美国环保局环境优先控制污染物的“黑名单”中。

垃圾渗滤液中主要污染物及其浓度范围[11,12]见表1.1）。

表1.1 渗滤液的化学成分
化学成分浓度化学成分浓度
碱度0-20 850 COD 0-89520 Al 0.5-85.0 电导率480-72500 Sb 0-3.19 Cu 0-9.9
As 0-70.2 氰化物0-6
Ba 0-11.5 氟化物0.1-1.3 Be 0-0.36 硬度0.1-225 BOD 0-195 Fe 0-42000
B 0.413 Pb 0-14.2
Cd 0-1.16 Mg 115600 Ca 5-4080 Mn 0.05-1400 氯化物11375 Hg 0-3
Cr 0-21.5 氨氮0-1250 化学成分浓度化学成分浓度
硝氮0-9.8 Na 0-8000
亚硝氮0-1.46 Tl 0-0.32
有机氮0-1000 Sn 0-0.16
凯氏氮3320 TDS 584-55000
Ni 0-7.5 TSS 140900
苯酚0.17-6.6 TOC 335000
总磷0-234 TV A 0-19000
磷酸盐0.01-154 混浊度40-500
pH 1.5-9.5 硫酸盐0-1850
K 0.16-370 Zn 0-1000
Se 0-1.85
Ag 0-1.96
渗滤液的特性一般有以下几点：水质复杂，危害性大；
COD（化学需氧量）和BOD（生化需氧量）浓度高；氨氮含量高；色度深，有恶臭；水质变化大。

新陈渗滤液比较：新鲜垃圾渗滤液无论是主要污染指标浓度还是其动态衰减规律均较老年垃圾渗滤液高或者复杂的多，如新鲜垃圾中CODcr、CI副负离子分别是陈垃圾中相应祖坟浓度的10.84和5.42倍；垃圾淋滤过程中这两种组分经历了由低到高，再由高到低的过程，即垃圾填埋过程中经历了好氧分解、兼性好氧分解及完全厌氧分解等三个阶段；新鲜垃圾淋滤液在初期呈酸性的还原状态，中期呈弱酸性的还原状态，后期呈践行的弱氧化环境，陈垃圾淋滤液在整个淋滤过程中则呈碱性的氧化或弱还原环境。

渗滤液的来源[13]：第一，大气降水和径流，它是渗滤液产生的主要来源。

降水包括降雪和降雨，影响渗滤液产生数量的降雨特性有降水量、降水强度、降水频率、降水持续时间等，而对于降雪则受积雪期、升华量、融雪速度等影响。

径流量取决于填埋场地周围的地势、覆土材料的种类及渗透性能、场地的植被情况及排水设施的完善程度等。

第二，是
填埋垃圾含水，包括垃圾本身携带的水分以及收运填埋过程中从大气和雨水中的吸附量。

第三，是垃圾填埋后由于微生物发酵分解作用而产生的水，垃圾中的有机组分在填埋场内经厌氧分解会产生水分，其产生量与垃圾的组成、pH值、温度和所携带的微生物菌群等因素有关。

1.1.1.2渗滤液对环境的污染
垃圾填埋场周围地下水、地表水的污染与垃圾渗滤液密切相关。

渗滤液对地表水、地下水的污染特点主要表现在：水体混浊，有臭味，油、酚等有毒有机物污染严重，COD、三氮含量高，细菌、大肠菌超标等。

垃圾渗滤液中含有高浓度氨态氮[14] ，当渗滤液下渗到地下水中，造成严重的氮污染。

由于地下水处于还原状态，故主要以NH3-N污染为主。

使用受渗滤液污染的水体灌溉农田会引起富营养化和生态毒理效应，对农作物造成不良影响，如使水稻出现贪青徒长现象，空穗率、批谷率增加，导致产量减50%-70 %[15]。

此外，渗滤液往往含有多种金属离子，生活垃圾与工业垃圾混埋，金属离子将更高。

由于渗滤液的产量从填埋期一封顶
期一封闭后期逐渐下降，因此其对地下水的污染也逐渐减缓，但污染是一个长期的过程。

填埋场封场后，生物分解的过程仍然会进行一段时间，大概会持续10～20年，即使在封场后70～100年的时间仍可能有渗滤液渗出。

目前，国内外关于渗滤液对周围土壤和植物污染的报道较为少见。

主要包括：垃圾渗滤液对周边土壤和植物环境污染特点的研究；垃圾渗滤液对周边土壤中重金属元素生物有效性等地球化学行为影响的研究。

城市垃圾填埋场周边土壤的污染特点结果表明[15,17] ：受垃圾渗滤液的浸蚀影响，垃圾区周围土壤酸性增大，土壤有机质和其它养分含量明显增加。

离堆体越近，土壤有机物增加越明显，说明垃圾渗滤液改变了周围土壤的性状；垃圾场周围土壤重金属含量明显高于对照土壤，表明垃圾区周围土壤已受到渗滤液的重金属污染。

1.1.1.3渗滤液水量和水质影响因素分析
垃圾渗滤液产量估算和分析：
垃圾填埋场是一个敞开的作业系统，渗滤液的产生受气
候和季节变化影响较大，产生量最大值和最小值之比甚至可达10∶1以上，而且其变化呈明显的无周期性[18]。

在填埋场内，渗滤液产量可以根据进出物料平衡，从而用公式进行估算：
()A
-
Q⨯
+
+
=（1.1）
-
E
I
S
W
G
式中:
Q—渗滤液水量；
A—填埋场汇水面积；
I—降雨；
G—单位面积地下水渗入；
W—单位面积垃圾及覆土的含水量；
S—单位面积地表径流量；
E—单位面积自然蒸发量。

埋场场构造、降雨、径流、水量等各方面因素都会影响填埋场渗滤液的产量。

渗滤液水质的影响因素分析
（1）填埋垃圾组成成分的影响：填埋垃圾的物理组成对渗滤液水质的影响很大，渗滤液中COD、BOD 浓度的高低是直接受垃圾中厨渣含量的高低所影响的。

灰渣对渗滤液中污染物具有吸附、过滤作用，因此垃圾中灰渣的含量也会影响渗滤液COD、BOD浓度的高低。

（2）填埋工艺的影响：渗滤液水质也受填埋操作运行方式如覆盖、压实、分区、单元填埋等所影响。

临时覆盖与及时覆盖可减少雨水的浸入量，减少渗滤液水量，渗滤液中污染物负荷增加。

增加填埋垃圾的压实密度和填埋深度，可延迟垃圾中污染物的溶出，从而使渗滤液中污染物负荷降低，渗滤液污染时间延长。

此外，不同的填埋方式也会造成不同的渗滤液水质特征。

厌氧填埋和好氧填埋相比，厌氧填埋所产生的渗滤液中有机物含量较高且处理相对较难。

（3）填埋时间的影响：垃圾填埋场内一直存在着生物反应，填埋初期渗滤液污染物浓度高，并一直延续至封场，封场以后便随着填埋时间的延续而降低，其关系可以用微生物
代谢一级反应速率方程描述，反应式如下:
t t K C C -=0 (1.2)
式中:
t C —t 时污染物浓度，mg/L ；
0C —0 时污染物 浓度，mg/L ； t —反应时间，（月）；
K —降解速率常数。

填埋场渗滤液的水质除受上述因素影响外，当地的气候条件、地形地貌也对渗滤液水质有一定的影响。

填埋场渗滤液污染指数变化与降雨量呈一定的负相关性，夏季降雨频繁雨水充沛，渗滤液污染指数较低，而冬季降雨量较少渗滤液污染指数较高。

1.1.2对垃圾填埋场周边废气污染的危害分析
1.1.1.1大气污染的主要方式和填埋废气主要成分
造成污染的主要方式。

一是固体废弃物中的有机成分在微生物作用下发生分解并释放出有害气体而污染大气；二是固体废弃物中细粒、粉末在风力作用下可加重大气粉尘污染；三是一些易燃性固体废弃物在自然堆放时易发生自燃产生大量的有害气体而污染大气。

填埋场中的废气大致由50%~60%的4CH ,40%~50%的2CO 以及少量的3NH 、2N 和S H 2组成，垃圾填埋场造成大气污染的污染物主要有以下两类： 一类是气溶胶状态污染物，如粉尘；一类是气体状态污染物,如含硫化合物(硫化氢、甲硫醇等)、含氮化合物(氨等)、碳的化合物(一氧化碳、二氧化 碳)、其他化合物(臭氧、甲醛、甲烷等)[6]。

根据 (CJJ T3037 -95)《生活垃圾填埋场环境监测技术 标准》的规定,生活垃圾填埋场环境影响评价报告的分析结论及实验室长期监测的结果，将以下污染物确定为重点污染因子：硫化氢、氨、甲硫醇、 甲烷、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、总悬浮颗粒物、 臭气强度[6]。

1.1.1.2废气污染造成的危害
对人体造成的直接危害：人体需要以呼吸维持生命。

因
此，大气污染对人体的直接危害是多方面的。

主要表现在呼吸道疾病、生理机能障碍和眼鼻等粘膜组织受到刺激而患的各种疾病。

大气中污染物的浓度很高时，会造成急性污染中毒，或使病状恶化，甚至在几天内夺去成百上千人的生命。

其实，即使大气中污染物浓度不高，但人体成年累月呼吸这种受废气污染了的空气，也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等疾病。

对植物的危害：大气污染物，尤其是二氧化硫、氟化物等对植物的危害是十分严重的。

当污染物浓度很高时，会对植物产生急性危害，使植物叶表面产生伤斑，或者直接使叶枯萎脱落；当污染物浓度不高时，会对植物产生慢性危害，使植物叶片褪绿，或者表面上看不见什么危害症状，但植物的生理机能已受到了影响，造成植物产量下降，品质变坏。

对天气和气候的影响：减少到达地面的太阳辐射量、增加大气降水量、下酸雨等。

甲烷和二氧化碳同属于“温室气体”，填埋气中甲烷含量高于二氧化碳含量，人们只知道二氧化碳造成温室效应，但是实际上甲烷对温室效应的影响
更大。

1.1.1.3废气产量及其对环境污染程度的影响因素分析
所填埋的垃圾在整个分解过程中，废气的产生量与垃圾的成分、温度、湿度、PH 值、有毒物形成等因素都有关系，所以，填埋方式、覆盖层、空气温度、降雨量、压力、地形、水文等因素也直接影响垃圾填埋场废气的产生量。

垃圾填埋场中，对环境污染影响较大的恶臭气体主要是3NH 和S H 2，除了废气本身组成的不同程度对环境污染会有不同影响之外，这些恶臭毒害气体对环境的影响程度还与其所在位置、地形点和风向等因素有关。

通常，填埋场内的固体有机废物经微生物分解产生的恶臭气体的影响范围与废气源强、温度成正比，与垃圾填埋时间成反比[19]。

综上所述，从污染源排到大气中的污染物的传输和扩散过程，与污染源本身的特性、气象条件、地面特征和填埋场周边建筑物分布等因素都有密切关系，特别是与气象条件的关系更为密切。

气象要素主有温度、空气湿度、风向、风速、气压、降雨量等，这些气象要素都是从观测中直接获得。

随
着气象要素的变化，污染物在大气中的扩散稀释情况千差万别，所造成的污染程度也有很大不同。

1.1.3填埋场火灾爆炸危险性分析
1.1.3.1垃圾填埋场发生的爆炸种类特性
生活垃圾填埋场里面所产生的气体成分中，存在可燃爆炸性气体，这种气体的主要是沼气，它的主要成分是甲烷和二氧化碳。

若对填埋场的管理控制不当，则可能发生火灾甚至发生更为严重的爆炸。

填埋场的爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸[20]。

物理性爆炸：物理爆炸是由于甲烷在垃圾层中大量积聚，形成了强大的能量当积聚的压力大于覆盖层压力时，在瞬间将垃圾以迅猛速度突出，发生减压的膨胀。

发生物理爆炸事故，除垃圾产生甲烷是必要条件外，填埋的深度、覆盖层的厚度和层数，以及覆盖层的透气性都是影响爆炸的因素。

如果垃圾层上面不进行覆盖，一般情况下由于垃圾的透气性较好，甲烷的迁移会垂直向上进入大气中，在垃圾层中不会积
累大量甲烷，其气体压力不足以将垃圾层顶起。

如果垃圾上覆盖土层或填埋深度增加，透气性受到影响，垃圾中容易积累甲烷而增加爆炸的危险性。

另外，在特定的条件下，比如连绵的阴雨或是结冰等都可能影响透气度，从而也可能会导致填埋场发生物理爆炸事故。

化学性爆炸：当大量释放与扩散可燃性填埋气体没有立即遇到火源时，这些气体大量聚集，在相当大的空间范围内形成云状气团，并不断扩散，当遇到火源时，则可能被点燃，由于外界环境、火源特性不同，产生的爆炸也不同[3]。

可燃气与空气混合后，其浓度处于爆炸范围内，遇到明火等合适的点火条件而发生激烈的放热反应，产生大量的热量，气体受热膨胀，将垃圾抛到高空和远处。

由此可见，垃圾化学爆炸必须同时满足前面提到的可燃气浓度、引火温度和氧气浓度三个条件。

如果甲烷排入大气或积聚在建筑物内，且浓度处在爆炸范围，那么引火温度达到650℃以上时，甲烷就会发生化学爆炸；如果空气进入垃圾层中，和那里积聚的甲烷混合形成爆炸性气体，那么也可能会由于垃圾中存在没有熄
灭的香烟头、煤球等，而引起垃圾化学爆炸；当然，在甲烷与空气的混合气在浓度比例合适时，雷电也会引起填埋场发生化学性燃烧爆炸事故的。

由于外界环境和火源特性等因素的不同，产生的爆炸也不同，填埋场发生的火灾爆炸事故基本为蒸汽云爆炸和闪火。

利用事件树分析（ETA）填埋场发生的主要爆炸后果类型见图1.2。

图1.2 填埋场火灾爆炸事件树
1.1.3.2垃圾填埋场发生火灾爆炸的危害
首先，是对工作人员直接的危害。

从生活垃圾填埋场的运作工艺来看，填埋场中垃圾的卸车、碾压摊平、覆土、灭虫等工序都需要工作人员来进行操作，而当填埋场中突然发生火灾爆炸事故的时候，就极有可能对在场工作人员造成直接的伤害。

其次，填埋场发生的火灾爆炸还会对场内的设施设备造成损坏，使场内工作不能正常运行，影响填埋场对管理片区的垃圾处理效率，继而还可能引发其他事故，造成巨大的损失。

再次，是对填埋场的基本结构造成破坏。

不论是垃圾填埋场内部发生的物理爆炸，还是聚集气体发生的化学性爆炸，其产生的破坏力极有可能对填埋场的结构产生影响。

比如垃圾堆体本身，若因爆炸使其经正常工艺填埋的结构遭到破坏，则可能会造成垃圾山体坍塌类事故；填埋场爆炸也会对填埋场的边坡产生影响，填埋场的边坡设计时即便有考虑到类似的震动影响，但是也会对其使用寿命有一定的影响；再有就是对填埋场设计的其他系统比如集气系统、排水系统
之类的产生破坏，因此而造成的不良影响。

1.1.3.3垃圾填埋场发生火灾爆炸的影响因素分析
本文将从两个大的方面分析填埋场发生火灾爆炸的影响因素。

首先从燃烧爆炸的条件着手，填埋气体发生爆炸必须具备三个条件。

一是一定的甲烷浓度，一般在5％～15％之间，最强烈的爆炸发生在甲烷浓度为9.5％左右的时候。

二是甲烷的点火温度，一般认为甲烷的点火温度为650～750℃，明火、电气火花、雷电火花、吸烟甚至撞击产生的火花等，都可以点燃甲烷，造成填埋场的燃烧爆炸，甲烷的浓度不同，则甲烷能被点燃的温度也有所差异，甲烷浓度在6.58％时最容易被点燃，即引火需求温度最低。

三是氧气的浓度，燃气爆炸极限与氧气浓度有很大的关系，氧气浓度增加，则气体的爆炸极限范围增大，尤其是上限，氧气浓度增加时爆炸上限增加相对更快；当氧气浓度降低时，燃气爆炸下限缓慢增高，但是上限却迅速降低，氧气浓度降低到12％时，甲烷混合气体则失去爆炸性，即使施以点火也不会爆炸。

其次，是管理因素。

管理得不得当，很大地影响到填埋
场发不发生火灾爆炸。

管理的切入方向主要是气体收集效率和气体的引火条件，若填埋场气体收集系统效率很高，则很不容易形成气体聚集的条件。

点火条件是火灾爆炸管理的重点，填埋场火种的管理、场内动火作业的管理、以及雷电防避的管理都影响到火灾爆炸的发生率，若在此方面管理很到位，则能大大降低火灾爆炸的发生率。

1.1.4填埋场垃圾堆体、边坡危险性分析
1.1.4.1垃圾堆体稳定性概述
垃圾堆体稳定问题包括垃圾填埋场边坡的稳定和垃圾堆体自身的稳定。

无论是填埋场边坡的稳定性还是垃圾自身堆体的稳定性，都与垃圾(土)的抗剪强度、重力密度、坡高、坡角以及孔隙水应力等因素有关；如果是边坡位置多层衬垫系统和覆盖系统的稳定性问题，还与这些衬垫系统中不同接触面上的抗剪强度有关[7]。

1.1.4.2垃圾堆体、边坡稳定性破坏造成的危害后果
一是填埋场结构性的破坏。

垃圾填埋场结构性的破坏直接影响到填埋场的垃圾填埋，垃圾堆体坍塌影响垃圾堆体的密度，若处理不善则会影响到其他垃圾堆体的稳定性。

填埋场边坡如果遭到破坏，则会影响到垃圾填埋场的使用年限等。

二是由于垃圾堆体坍塌、边坡失稳破坏后造成的其他事故。

最主要的危害就是垃圾填埋场垃圾水、渗滤液的泄露，填埋场产生的渗滤液等具有危害性的物质，正常的情况下经过填埋场设计的系统能安全处理，一旦边坡破坏，则可能造成泄露，从而污染填埋场附近环境。

1.1.4.3边坡稳定性分析方法介绍
边坡稳定分析方法通常有传统的确定性方法和考虑变量不确定性的随机方法。

由于垃圾土工程性质的统计指标变化范围都比较大，说明垃圾土参数具有较大的不确定性，理论上讲垃圾土边坡稳定分析最好采用考虑变量不确定性的随机方法。

但相关方法和规范都尚未达到能在实际中应用的程度，因此都是采用传统确定性方法进行分析的。

用于边坡
稳定分析的确定性方法有极限平衡法和有限元法两种，对工程实践而言,极限平衡法是被推荐和常用的方法。

极限平衡分析包括两个方面:一、用条分法计算边坡稳定安全系数；二、搜索最危险滑动面( 即安全系数最低值)[7]。

在求得垃圾堆体的最小安全系数后,还需对其进行安全判别,也就是如何确定其允许安全系数。

对于允许安全系数：《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）对坝坡抗滑稳定最小安全系数的规定选定，对不同计算方法规定了不同的最小安全系数。

1.1.4.4垃圾填埋场稳定性分析
不同计算方法、堆高、坡度、渗沥液水位、接触面强度参数、加筋作用、地震因素等对垃圾填埋场的稳定性分析有着不同程度的影响。

计算方法的影响：目前有关边坡稳定计算的允许安全系数都只规定一个允许值Fp，SL274—2001指出对可以同时利用有效应力法和总应力法计算的情况，以较小的安全系数为准,即按照Fs≥Fp作为控制条件，而F′s较大的情况则作为安
全富裕度来考虑。

垃圾土的抗剪强度受控于有效应力σ′，而不是总应力σ。

有效应力强度指标比较稳定可靠，应作为基本方法来计算垃圾堆体的稳定状况，但是,由于垃圾堆体中浸润线和孔隙水压力状况很难真正模拟，有效应力法运用起来较困难。

实际分析时，通常采用以总应力计的固结不排水抗剪强度指标，认为垃圾堆体内孔隙水压力不消散、不排水来分析垃圾堆体的稳定状况。

垃圾堆体高度的影响：有关研究表明，随着垃圾堆体增高，无论是有无地震作用因素，垃圾边坡稳定安全系数Fs 逐渐减少，但增加到某高度后，Fs不减反增，Fs的最小值不是相应于最大填埋标高，而是位于中间某一堆高。

对有地震作用下的稳定分析来说，这可能是由于垃圾堆体的自振频率在中间某个堆高时与地震频率接近或相同而引起共振，使其安全性降低。

地震烈度越大时,相应的中间堆高值也越低。

无地震时最危险工况不在最大堆高时的原因，与稳定分析时所考虑的渗沥液水位有关。

垃圾堆体高度越高，浸润线埋深越大,当堆体增加到某个高度后，浸润线以上垃圾堆体所提供
的抗滑力开始起主导作用,而由浸润线以下饱和垃圾堆体所引起的滑动力所占比例逐渐减小，从而导致抗滑力的增加比例要比滑动力的增加比例大,使得垃圾堆体安全系数开始增加。

比滑动力的增加比例大，使得垃圾堆体安全系数开始增加。

垃圾堆体坡度的影响：垃圾堆体边坡坡度的大小对堆体稳定性成反相关关系，坡度越小，安全系数越大。

从稳定安全的角度来看，边坡越缓越好，但太缓会影响填埋场的库容，故应综合考虑。

渗沥液水位的影响：所有垃圾堆体的失稳破坏几乎都与暴雨有较大联系，主要是由于暴雨引起垃圾堆体渗沥液浸润线上升，垃圾堆体处于饱和状况。

甚至类似于“浮”在水中这样一种状态，致使有效应力降低，安全性下降。

有关分析发现浸润线位置对垃圾堆体稳定有较大影响，降低浸润线可以有效提高垃圾边坡的稳定性。

因此，凡是能够减少垃圾填埋场渗沥液产生量和有效排出渗沥液使浸润线下降的工程措施，都有利于改善垃圾边坡的稳定状况。