膜覆蓋污泥堆肥技術在我國北方冬季的實驗研究

李海漪，李成杰，王濤，孫言巖，李云飛

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

引言

膜覆蓋污泥堆肥技術是功能性薄膜防水、透氣性能對原有的靜態堆肥技術的改良。目前，在上海地區的脫水污泥應急工程采用了此項技術，我國第一座園林綠化廢棄物膜覆蓋堆肥系統也在北京投入使用。靜態堆肥作為傳統的堆肥方式，適用于小型的堆肥的需求實用，但卻存在著不足：占地面積較大，二次污染難控制和受天氣影響嚴重等。膜覆蓋污泥堆肥技術的出現可在有效控制以上不足的基礎上，保留了靜態堆肥靈活、可調的優點。

1 膜覆蓋技術

膜覆蓋功能膜的核心材料是膨體聚四氟乙烯（簡稱為e-PTFE，見圖1），具有極穩定的化學性能，且適用于很寬的溫度范圍。膜表面有大量直徑在0.2～1.0μm之間的微孔，微孔的尺寸在水珠尺寸的萬分之一以下，同時比水蒸氣分子大700倍以上，水蒸氣分子能輕易通過，而即使再小的水珠也不能通過。e-PTFE織物具有良好的防水、透濕、防風功能，一般分為3-layer、2-layer、liner三種，堆肥領域一般采用3-layer或2-layer的復合膜，由于薄膜易損壞，需要在不影響其功能性的情況下包裝其他材質來確保其壽命。

圖1 e-PTFE功能膜

2 實驗計劃

2.1 實驗目的

本次實驗的主要目的是驗證膜覆蓋污泥堆肥技術在我國北方冬季的污泥好氧發酵過程中的可行性。e-PTFE這種功能膜的性能在理論上十分適合污泥堆肥，目前在實際中也有應用，但在寒冷干燥的北方冬季，室外是否適用還尚待研究。因此實驗地點選擇位于唐山市的豐潤污泥處理廠，這里的氣候屬季風型大陸性氣候，冬季天氣比較寒冷、干燥，降水稀少，盛刮西到西北風。

2.2 實驗裝置與材料

實驗裝置的布置是在靜態堆肥原有的基礎上，增加了曝氣裝置及功能性薄膜。實驗階段堆體大小為長4m、寬2.5m、高1.4m，總體積不小于10m3，安息角為30°，堆形如圖2所示。

圖2 實驗現場堆體

曝氣裝置采用底部中央管道曝氣的方式，管道上每隔一定間距有圓孔，鼓風機采用功率在2.2kW的直葉式風機，將出風口和曝氣管通過軟管相連。填放物料時，底部為干料鋪底，中部為混合料，頂部覆蓋10cm左右的返混料，用以二次堆腐、吸收堆體頂部水分。

實驗所選擇的污泥為唐山市豐潤地區的市政污泥。在發酵過程中需添加適當的干料為好氧發酵提供營養物質，添加適當的返料起到提高孔隙率的效果，具體添加比例見下表。

物料配比表

實驗所選擇的功能性覆蓋膜是e-PTFE薄膜分別和兩種不同材質加工后的覆蓋膜。其中覆蓋膜的功能性由e-PTFE提供，但由于e-PTFE薄膜厚度小、易損壞，因此需要對其和其他材質加工進行加厚保護處理。

2.3 實驗方法

采用對比實驗的方式，采用堆體1、堆體2除了覆蓋膜表面加工材質不同外其他均相同的兩個堆體，并且采用相同的曝氣模式。實驗過程中，每天通過溫度傳感器監測堆體溫度和室溫的變化，每3天測量和記錄一次堆體的含水率和密度，每個堆體分別從前、中、后（曝氣入口一側為前）三個部位取樣。到達高溫階段以后，根據以往的經驗，調整曝氣時長，尋找最佳的曝氣方式。

比較實驗前后物料的物性參數，分析堆肥過程中物料的關鍵參數隨時間變化的情況。

3 實驗數據及分析

3.1 溫度

實驗在每年11月至12月進行，室溫在-10℃～10℃范圍變化，見圖3（a）。實驗期間升溫和高溫階段的溫度變化情況以及后期溫度的下降階段見圖3（b）。堆體起始溫度較低，靜置兩天后開始曝氣，溫度逐步上升。第5天中午，兩堆體溫度均上升至50℃以上。第6天1號堆體最高溫度65.1℃，2號堆體最高溫度61.4℃，兩堆體的溫度都達到最高，并在50℃之上共持續了6天，溫度變化曲線見圖3（c）。

圖3 溫度變化曲線

通過圖3溫度的變化可看出：隨著環境溫度的逐日降低，堆體的溫度隨著堆肥過程逐步升高，并且在第5天溫度就上升至50℃。溫度經過長期曝氣后趨于穩定，最高溫度更是攀升至65℃，并且維持6～7天，可見環境溫度的降低對堆肥影響不大；曲線中溫度的突變，是由于測量含水率及改變溫度傳感器位置造成的。溫度變化和用時相較于其他堆肥方式雖然有一定程度的降低和延長，但堆肥依舊能夠維持正常運行。

3.2 含水率

實驗中含水率的測量采用坩堝和微波爐進行烘干，前后兩次稱重，差值即為水分的減少值。忽略測試過程中的誤差，通過圖4的曲線可以看得出整個過程中的含水率變化趨勢，最終達到出料的標準。

圖4 含水率的變化

通過對含水率變化曲線的觀察，可以發現在11月24日～12月1日的升溫階段，含水率的變化速率很快，這個階段的溫度逐漸升高，日平均氣溫在零度以上，薄膜內外溫差小，物料中的水氣能夠順利地通過薄膜蒸發出去，含水率降低至44.94%；12月2日～12月8日的高溫階段，含水率的變化速率降低，此時日平均氣溫在-2℃～0℃，薄膜內外溫度差大，薄膜本身的溫度也很低，物料中的大部分水氣在蒸發過程中接觸薄膜內壁，冷凝成水珠回落進堆體，因此含水率的減小速率變慢，還有升高的趨勢，含水率至44.61%；12月8日～12月18日的降溫階段，環境溫度也在逐漸降低，最低達到了-10℃，此時薄膜內壁凝結的水珠不斷增加，延內壁滑落到堆體四周的地面，含水率逐漸降低至40.94%。

3.3 密度

實驗過程中密度的測量采用電子秤和燒杯進行測量與計算。通過整個過程的實時測量，密度的整體變化趨勢是降低的。但是從圖5可看出，兩個堆體的中間部分密度下降的速度緩慢，兩側下降的趨勢更為明顯。

圖5 密度變化曲線

通過對物料密度的變化曲線觀察，首先變化的不規律是由于實驗前期的混料不均勻造成的；升溫階段隨著物料水分的散失，密度也以較快的速率由554.6kg/m3降低至480.52kg/m3；高溫階段由于物料中的水分沒有及時的散發出去，冷凝水又回落至堆體，導致物料壓實、結塊，密度也增加至500.17kg/m3；降溫階段隨著含水率的降低，物料也逐漸松散，密度也隨之降低至485.34kg/m3。堆肥過程中，污泥由最初的濕、臭、結塊變成了后來的干、無氣味、松散的狀態，可見堆肥進行的是順利的。

因此，通過實驗的數據觀察可以判斷：污泥在氣溫零下的北方冬季，采用膜覆蓋技術可以順利地進行堆肥。

4 結論與展望

膜覆蓋污泥堆肥技術在靜態堆肥的基礎上，保留了靜態堆肥的優勢，起到了減少氣味散失，降低二次污染和保溫的作用。通過20多天的現場實驗，初步可以判定的是膜覆蓋污泥堆肥技術在我國北方冬季的污泥堆肥工藝中是可用的。但是經過對數據的進一步整理和分析，發現該技術在應用中還存在著不足。

1）e-PTFE薄膜由于反復的掀、折進行取樣，保溫以及透氣防水的性能有所衰減，使得實驗后期的溫度下降較快，含水率和密度的降低速率減慢，最終數值沒有達到預想的結果。由此判斷e-PTFE薄膜本身是有局限的；2）膜覆蓋污泥堆肥技術雖然在我國北方冬季的低溫情況下可以進行，但污泥的堆肥效果會受到低溫的影響，并且堆肥周期有所延長；3）由于薄膜本身的局限性，使得該技術無論在工藝還是材料本身上都有待提升，不能完全地替代現有的工藝。

此次膜覆蓋污泥堆肥實驗體現了其性能便利、低成本等優勢，但同時也暴露了諸多不足。面對其存在的不足，需要以現有的技術為基礎，配合工藝參數進行改進，使其能夠形成一套完整、便捷、快速的膜覆蓋污泥堆肥系統，不僅可以補充大型污泥處理廠，還可以服務于污泥產量少、不集中的偏遠地區。