膜覆蓋污泥堆肥技術(shù)在我國(guó)北方冬季的實(shí)驗(yàn)研究

李海漪，李成杰，王濤，孫言巖，李云飛

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

引言

膜覆蓋污泥堆肥技術(shù)是功能性薄膜防水、透氣性能對(duì)原有的靜態(tài)堆肥技術(shù)的改良。目前，在上海地區(qū)的脫水污泥應(yīng)急工程采用了此項(xiàng)技術(shù)，我國(guó)第一座園林綠化廢棄物膜覆蓋堆肥系統(tǒng)也在北京投入使用。靜態(tài)堆肥作為傳統(tǒng)的堆肥方式，適用于小型的堆肥的需求實(shí)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(yán)重等。膜覆蓋污泥堆肥技術(shù)的出現(xiàn)可在有效控制以上不足的基礎(chǔ)上，保留了靜態(tài)堆肥靈活、可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

1 膜覆蓋技術(shù)

膜覆蓋功能膜的核心材料是膨體聚四氟乙烯（簡(jiǎn)稱(chēng)為e-PTFE，見(jiàn)圖1），具有極穩(wěn)定的化學(xué)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(wàn)分之一以下，同時(shí)比水蒸氣分子大700倍以上，水蒸氣分子能輕易通過(guò)，而即使再小的水珠也不能通過(guò)。e-PTFE織物具有良好的防水、透濕、防風(fēng)功能，一般分為3-layer、2-layer、liner三種，堆肥領(lǐng)域一般采用3-layer或2-layer的復(fù)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(zhì)來(lái)確保其壽命。

圖1 e-PTFE功能膜

2 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證膜覆蓋污泥堆肥技術(shù)在我國(guó)北方冬季的污泥好氧發(fā)酵過(guò)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(shí)際中也有應(yīng)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇位于唐山市的豐潤(rùn)污泥處理廠，這里的氣候?qū)偌撅L(fēng)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(fēng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

實(shí)驗(yàn)裝置的布置是在靜態(tài)堆肥原有的基礎(chǔ)上，增加了曝氣裝置及功能性薄膜。實(shí)驗(yàn)階段堆體大小為長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(fēng)機(jī)采用功率在2.2kW的直葉式風(fēng)機(jī)，將出風(fēng)口和曝氣管通過(guò)軟管相連。填放物料時(shí)，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(shí)驗(yàn)所選擇的污泥為唐山市豐潤(rùn)地區(qū)的市政污泥。在發(fā)酵過(guò)程中需添加適當(dāng)?shù)母闪蠟楹醚醢l(fā)酵提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，添加適當(dāng)?shù)姆盗掀鸬教岣呖紫堵实男Ч?，具體添加比例見(jiàn)下表。

物料配比表

實(shí)驗(yàn)所選擇的功能性覆蓋膜是e-PTFE薄膜分別和兩種不同材質(zhì)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(duì)其和其他材質(zhì)加工進(jìn)行加厚保護(hù)處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，采用堆體1、堆體2除了覆蓋膜表面加工材質(zhì)不同外其他均相同的兩個(gè)堆體，并且采用相同的曝氣模式。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每天通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)堆體溫度和室溫的變化，每3天測(cè)量和記錄一次堆體的含水率和密度，每個(gè)堆體分別從前、中、后（曝氣入口一側(cè)為前）三個(gè)部位取樣。到達(dá)高溫階段以后，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整曝氣時(shí)長(zhǎng)，尋找最佳的曝氣方式。

比較實(shí)驗(yàn)前后物料的物性參數(shù)，分析堆肥過(guò)程中物料的關(guān)鍵參數(shù)隨時(shí)間變化的情況。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 溫度

實(shí)驗(yàn)在每年11月至12月進(jìn)行，室溫在-10℃～10℃范圍變化，見(jiàn)圖3（a）。實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖3（b）。堆體起始溫度較低，靜置兩天后開(kāi)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(hào)堆體最高溫度65.1℃，2號(hào)堆體最高溫度61.4℃，兩堆體的溫度都達(dá)到最高，并在50℃之上共持續(xù)了6天，溫度變化曲線見(jiàn)圖3（c）。

圖3 溫度變化曲線

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

3.2 含水率

實(shí)驗(yàn)中含水率的測(cè)量采用坩堝和微波爐進(jìn)行烘干，前后兩次稱(chēng)重，差值即為水分的減少值。忽略測(cè)試過(guò)程中的誤差，通過(guò)圖4的曲線可以看得出整個(gè)過(guò)程中的含水率變化趨勢(shì)，最終達(dá)到出料的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 含水率的變化

通過(guò)對(duì)含水率變化曲線的觀察，可以發(fā)現(xiàn)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(gè)階段的溫度逐漸升高，日平均氣溫在零度以上，薄膜內(nèi)外溫差小，物料中的水氣能夠順利地通過(guò)薄膜蒸發(fā)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(shí)日平均氣溫在-2℃～0℃，薄膜內(nèi)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(fā)過(guò)程中接觸薄膜內(nèi)壁，冷凝成水珠回落進(jìn)堆體，因此含水率的減小速率變慢，還有升高的趨勢(shì)，含水率至44.61%；12月8日～12月18日的降溫階段，環(huán)境溫度也在逐漸降低，最低達(dá)到了-10℃，此時(shí)薄膜內(nèi)壁凝結(jié)的水珠不斷增加，延內(nèi)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中密度的測(cè)量采用電子秤和燒杯進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算。通過(guò)整個(gè)過(guò)程的實(shí)時(shí)測(cè)量，密度的整體變化趨勢(shì)是降低的。但是從圖5可看出，兩個(gè)堆體的中間部分密度下降的速度緩慢，兩側(cè)下降的趨勢(shì)更為明顯。

圖5 密度變化曲線

通過(guò)對(duì)物料密度的變化曲線觀察，首先變化的不規(guī)律是由于實(shí)驗(yàn)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(méi)有及時(shí)的散發(fā)出去，冷凝水又回落至堆體，導(dǎo)致物料壓實(shí)、結(jié)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(guò)程中，污泥由最初的濕、臭、結(jié)塊變成了后來(lái)的干、無(wú)氣味、松散的狀態(tài)，可見(jiàn)堆肥進(jìn)行的是順利的。

因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)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(shù)可以順利地進(jìn)行堆肥。

4 結(jié)論與展望

膜覆蓋污泥堆肥技術(shù)在靜態(tài)堆肥的基礎(chǔ)上，保留了靜態(tài)堆肥的優(yōu)勢(shì)，起到了減少氣味散失，降低二次污染和保溫的作用。通過(guò)20多天的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，初步可以判定的是膜覆蓋污泥堆肥技術(shù)在我國(guó)北方冬季的污泥堆肥工藝中是可用的。但是經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步整理和分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在應(yīng)用中還存在著不足。

1）e-PTFE薄膜由于反復(fù)的掀、折進(jìn)行取樣，保溫以及透氣防水的性能有所衰減，使得實(shí)驗(yàn)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(shù)值沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的結(jié)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(shù)雖然在我國(guó)北方冬季的低溫情況下可以進(jìn)行，但污泥的堆肥效果會(huì)受到低溫的影響，并且堆肥周期有所延長(zhǎng)；3）由于薄膜本身的局限性，使得該技術(shù)無(wú)論在工藝還是材料本身上都有待提升，不能完全地替代現(xiàn)有的工藝。

此次膜覆蓋污泥堆肥實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了其性能便利、低成本等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也暴露了諸多不足。面對(duì)其存在的不足，需要以現(xiàn)有的技術(shù)為基礎(chǔ)，配合工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠形成一套完整、便捷、快速的膜覆蓋污泥堆肥系統(tǒng)，不僅可以補(bǔ)充大型污泥處理廠，還可以服務(wù)于污泥產(chǎn)量少、不集中的偏遠(yuǎn)地區(qū)。