污泥堆肥功能性覆蓋膜阻氨特性的研究

王濤，李成杰，李海漪

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所，北京 100044；2.機(jī)械工業(yè)有機(jī)固廢生物處理與資源化利用工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

前言

防水透濕織物（Waterproof And Moisture Permeable Fabric）也稱防水透氣織物、可呼吸的織物。最早的防水透濕織物是20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的文泰爾防雨布：防雨布一旦潤(rùn)濕，棉纖維膨脹，空隙縮小，可以保護(hù)織物不被雨水進(jìn)一步滲透。1969年聚四氟乙烯（PTFE）微孔薄膜研制成功，薄膜微孔的直徑范圍使得水蒸汽能通過(guò)而水滴不能通過(guò)，這標(biāo)志著防水透濕技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。目前根據(jù)工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的差異，防水透濕織物可分為高密度織物、涂層織物和層壓織物三種類型。

防水透濕織物因兼具防水和透氣兩方面特性，主要作為服裝面料使用。在20世紀(jì)80年代，德國(guó)Baden-Baden出現(xiàn)了利用防水透濕織物作為功能性覆蓋膜，將堆體與周圍空氣相對(duì)隔離進(jìn)行好氧發(fā)酵的一種靜態(tài)條垛堆肥方法，在不影響對(duì)條垛通風(fēng)曝氣和去除水分的同時(shí)，防止雨水對(duì)堆肥過(guò)程的影響，并且能極大緩解臭氣對(duì)周圍環(huán)境的影響，此類技術(shù)被稱為膜覆蓋技術(shù)（Membrane Cover Technology，簡(jiǎn)稱MCT）。目前MCT被廣泛應(yīng)用于污水處理廠脫水污泥、生活垃圾、畜禽糞便、沼渣、餐廚垃圾、園林垃圾等領(lǐng)域有機(jī)固體廢物堆肥，并被用于垃圾填埋場(chǎng)改建過(guò)程中的陳腐垃圾處理和土壤修復(fù)領(lǐng)域[1]。

有效阻控臭氣排放是現(xiàn)代堆肥技術(shù)的重要特征之一，尤其在污泥堆肥領(lǐng)域，氨氣的排放控制是關(guān)鍵。MCT相對(duì)于傳統(tǒng)靜態(tài)通風(fēng)條垛技術(shù)而言，在這方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；但功能性覆蓋膜的核心材料源自服裝面料，功能參數(shù)也集中于防水性和透濕性方面。參考已發(fā)布的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高溫好氧發(fā)酵處理技術(shù)規(guī)程》（DB31/T 675—2012）和即將發(fā)布的工業(yè)和信息化部標(biāo)準(zhǔn)《堆肥用功能性覆蓋膜》（2015-1135T-JB），核心功能參數(shù)包括：靜水壓、透濕量、濕阻抗三項(xiàng)，但對(duì)于氨氣的阻控性能指標(biāo)沒(méi)有規(guī)定。因而有必要進(jìn)一步探討功能性覆蓋膜的阻氨性能，以及影響功能性覆蓋膜阻氨性能的因素。

1 功能性覆蓋膜阻氨機(jī)理

功能性覆蓋膜是通過(guò)不同的加工工藝所形成的高聚物薄膜，主要分為微孔型防水透濕薄膜、無(wú)孔型防水透濕薄膜兩大類。在堆肥中應(yīng)用最廣的PTFE微孔型防水透濕薄膜，是一層很薄的高分子聚合物薄膜，上面有大量細(xì)小且相通的直徑一般小于2μm的微孔。因此，直徑在100μm左右的水滴不能透過(guò)微孔織物表面的孔。而如果薄膜的內(nèi)、外表面存在適當(dāng)?shù)臐舛忍荻龋睆綖?.0004μm的水蒸汽和空氣能通過(guò)氣體的擴(kuò)散和對(duì)流自由地通過(guò)曲折的孔道。海綿狀微孔結(jié)構(gòu)PTFE膜外表面電鏡照片如圖1所示。

圖1 海綿狀微孔結(jié)構(gòu)PTFE膜外表面電鏡照片

氨的分子量為17.031，氣體分子直徑0.365～0.38nm，功能性覆蓋膜微孔直徑為0.2～2.0μm，因此功能性覆蓋膜對(duì)于氨汽的阻隔并非物理過(guò)程，這一過(guò)程是物理化學(xué)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程有兩個(gè)先決條件：1）功能性覆蓋膜上密布一定直徑范圍的微孔，氣態(tài)水分子可以通過(guò)而液態(tài)水分子將被截留；2）常溫常壓下，氨在水中的溶解度為700。

污泥好氧堆肥過(guò)程中，由于C/N值偏低，N以氨氣的形式與水蒸汽和少量其他氣體一起，從堆體中逸出；當(dāng)混合氣體到達(dá)功能性覆蓋膜內(nèi)表面時(shí)，因?yàn)槟づc堆體環(huán)境存在溫差，一部分水蒸汽遇冷凝結(jié)成小液滴，因膜孔徑較小使直徑較大的液滴無(wú)法穿過(guò)而被截留下來(lái)；由于氨氣極易溶解于水，因此接觸到液態(tài)水的氨氣溶解于水并隨后落回堆體，從而完成氨氣的阻控（圖2）。

圖2 功能性覆蓋膜阻氨機(jī)理圖

由于功能性覆蓋膜微孔直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氨氣分子，因此就像材料的透氣特性一樣，部分氨氣也會(huì)穿過(guò)微孔，進(jìn)入到大氣環(huán)境中。為進(jìn)一步揭示功能性覆蓋膜阻氨特性和效果，有關(guān)研究中心（OWTR）于2017年第四季度在唐山排水集團(tuán)污泥處理廠進(jìn)行了MCT工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其中包括功能性覆蓋膜阻氨性能實(shí)驗(yàn)。

2 功能性覆蓋膜阻氨實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證MCT系統(tǒng)功能性覆蓋膜對(duì)于污泥堆肥過(guò)程的氨氣阻控的有效性，并初步得出實(shí)驗(yàn)材料效率。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由堆體、風(fēng)機(jī)、功能性覆蓋膜及附屬材料構(gòu)成。堆體底部投影邊長(zhǎng)4.0m、寬2.5m，堆體高約1.6m，縱剖面呈近似三角形（圖3）。實(shí)驗(yàn)選用曝氣風(fēng)機(jī)型號(hào)為HG370s，實(shí)驗(yàn)時(shí)堆體的實(shí)際曝氣量為90～100m3/h。檢測(cè)儀表選用TR-1005-1/50941型氨氣在線監(jiān)測(cè)儀。實(shí)驗(yàn)采用兩種型號(hào)的功能性覆蓋膜，規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

表1 實(shí)驗(yàn)發(fā)酵膜類型

2.2.2 物料初始條件

實(shí)驗(yàn)用污泥和返料來(lái)自唐山排水集團(tuán)污泥處理廠，干料為花生殼粉，按照表2的比例混合后，待堆物料初始含水率為60%。

表2 初始物料配比

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論

對(duì)功能性覆蓋膜阻氨特性的研究是一個(gè)完整MCT實(shí)驗(yàn)的一部分，控制點(diǎn)位在兩個(gè)堆體覆蓋膜內(nèi)、外各設(shè)置1處，共4處。當(dāng)堆體穩(wěn)定升溫，曝氣系統(tǒng)按計(jì)劃運(yùn)行正常后，定時(shí)采集各控制點(diǎn)氨氣濃度，經(jīng)數(shù)據(jù)匯總處理后，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 A型膜氨氣阻控實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 B型膜氨氣阻控實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖4、圖5中可以看出，功能性覆蓋膜的使用對(duì)于氨氣的阻控具有明顯效果，尤其在曝氣過(guò)程中，對(duì)于氨氣的去除率：A型膜為63.1%，B型膜為66.7%。

3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

近些年，國(guó)內(nèi)外對(duì)于功能性覆蓋膜阻氨特性也進(jìn)行了研究：一項(xiàng)由德國(guó)聯(lián)邦基金會(huì)（DBU）和University of Stuttgart's Insitute資助的研究表明，強(qiáng)制通風(fēng)膜覆蓋堆肥工藝相對(duì)于傳統(tǒng)開放式通風(fēng)條垛堆肥工藝中臭氣排放總量減少89.9%。李廣坤[2]等利用污泥混合玉米秸稈、木屑、樹葉等干料進(jìn)行MCT堆肥實(shí)驗(yàn)，并特別對(duì)于功能性覆蓋膜阻氨特性進(jìn)行了針對(duì)性研究，結(jié)論認(rèn)為，功能膜的存在能夠使氨氣逸散量減少約57%，并提高堆肥產(chǎn)物的含氮量，能起到一定的固氮作用；堆肥期間氨氣的逸散濃度與通風(fēng)量呈正相關(guān)關(guān)系，但在MCT系統(tǒng)中，這種關(guān)聯(lián)程度要低得多，如圖6所示。

圖6 氨氣累計(jì)逸散量

4 結(jié)論

4.1 功能性覆蓋膜對(duì)于氨氣的阻控是有效的

無(wú)論從國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)，還是唐山排水廠實(shí)驗(yàn)，采用不同規(guī)格功能性覆蓋膜材料，氨氣的去除率在57%至89.9%區(qū)間內(nèi)，平均值為70.6%。由此可證明，功能性覆蓋膜對(duì)于氨氣的阻控是有效的。

4.2 功能性覆蓋膜對(duì)于氨氣的阻控是有限的

從氨氣的去除效率57%～89.9%上看，絕對(duì)差32.9%，相對(duì)差57.7%，這固然有膜孔徑、結(jié)構(gòu)等材料方面的問(wèn)題，但必須面對(duì)膜孔徑大于氨氣分子直徑2～3個(gè)量級(jí)這一機(jī)理層面的問(wèn)題。

4.3 功能性覆蓋膜的性能有待提升

功能性覆蓋膜從根本上具有防水和透氣兩個(gè)看似矛盾的性能：減小膜孔徑提升防水性能可實(shí)現(xiàn)阻氨性能的提升，如德國(guó)堆肥采用的功能膜平均孔徑是普通服裝面料的1/5～1/3，使阻氨性能提升了38.5%，因此在膜加工過(guò)程中對(duì)工藝的要求十分重要。當(dāng)然，提升防水性能也就意味著降低透視性能，在堆肥系統(tǒng)上反映為停留時(shí)間增加、占地面積增加、系統(tǒng)效率降低等，因此引入?yún)f(xié)同堆肥理念，控制初始C/N才是阻氨“治本”的方法。

5 結(jié)語(yǔ)

MCT工藝是跨學(xué)科領(lǐng)域環(huán)保應(yīng)用的一個(gè)典型技術(shù)，為堆肥行業(yè)整體技術(shù)進(jìn)步提供了全新思路，尤其適合中小型分散就地堆肥系統(tǒng)使用。作為MCT技術(shù)核心，應(yīng)正確看待功能性覆蓋膜：1）功能性覆蓋膜應(yīng)用于堆肥領(lǐng)域，就像超濾膜、反滲透膜用于水處理領(lǐng)域一樣，期待材料領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，為MCT工藝提供使用壽命更長(zhǎng)、效率更高、更適應(yīng)堆肥條件的功能性覆蓋膜材料；2）應(yīng)正確認(rèn)識(shí)功能性覆蓋膜，其僅是MCT工藝的一個(gè)組成部分，仍需與其他組成部分一起，方可彌補(bǔ)自身的短板，發(fā)揮最大的作用。