軟體沼氣工程聚乙烯土工膜技術(shù)性能與成本分析

任寒碩，Muhammad Azeem，孫吉翠，張忠蘭，楊守軍

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670； 2.Department of Botany, University of Karachi, Pakistan Karachi 75270)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化程度的提高，意味著在相同時(shí)間、相同消納范圍內(nèi)畜禽糞便量的增加，這不僅占用大量土地，而且已成為不可忽視的生態(tài)和環(huán)境保護(hù)的重要問題[1]。在國(guó)家大力提倡畜禽糞污資源化利用的政策背景下，固態(tài)糞便通過堆肥方式得到了有效處理，而占糞污一半以上的糞水處理則成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)尤其是生豬飼養(yǎng)亟需解決的實(shí)際問題。

沼氣工程在生產(chǎn)清潔綠色能源的同時(shí)，是實(shí)現(xiàn)糞便無害化處理的有效方式。目前使用較為廣泛的沼氣工程以鋼筋混凝土沼氣池、搪瓷拼裝發(fā)酵罐以及軟體沼氣池為主。混凝土沼氣池建設(shè)周期較長(zhǎng)，用料、用工、投料及后期運(yùn)行成本相對(duì)較高，并且產(chǎn)氣不穩(wěn)定、相關(guān)配套設(shè)備使用不方便等，而搪瓷拼裝發(fā)酵罐易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、自動(dòng)化控制，但建設(shè)成本和技術(shù)要求高，后期管理維護(hù)復(fù)雜[2]。與混凝土沼氣工程和搪瓷拼裝罐相比，軟體沼氣具有經(jīng)濟(jì)耐用、價(jià)格低廉、投資少、見效快、安裝便捷、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。

目前軟體沼氣工程所用膜材料多為聚乙烯土工膜，聚乙烯土工膜又包括普通高密度聚乙烯土工膜、環(huán)保用光面高密度聚乙烯土工膜、環(huán)保用單糙面高密度聚乙烯土工膜、環(huán)保用雙糙面高密度聚乙烯土工膜、低密度聚乙烯土工膜和環(huán)保用線型低密度土工膜[4-6]。不同的膜分類、不同的膜技術(shù)指標(biāo)要求和不同的價(jià)格對(duì)軟體沼氣工程的投資成本、正常運(yùn)行、無害化處理效果以及經(jīng)濟(jì)效益均產(chǎn)生不同的影響。關(guān)于軟體沼氣工程膜材料的性能及產(chǎn)品成本分析鮮有報(bào)道，因此本研究以生產(chǎn)上應(yīng)用較為廣泛的聚乙烯土工膜為研究對(duì)象，分別從不同厚度膜的產(chǎn)品成本、抗拉伸、抗穿刺、抗紫外線、抗老化性能等方面對(duì)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為軟體沼氣工程建設(shè)用膜提供科學(xué)的理論參考與建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究分別選取膜厚度為1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm的型號(hào)為GH-1的普通高密度聚乙烯土工膜、型號(hào)為GH-2S的環(huán)保用光面高密度聚乙烯土工膜、型號(hào)為GH-2T的環(huán)保用單/雙糙面高密度聚乙烯土工膜、型號(hào)為GL-1的低密度聚乙烯土工膜為研究對(duì)象，所用土工膜由山東德州某環(huán)保材料有限公司提供，膜材料為聚乙烯樹脂。

1.2 研究方法

從膜卷外端整幅寬度裁取長(zhǎng)度不低于0.5 m的土工膜作為樣品，委托當(dāng)?shù)禺a(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目包拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸斷裂強(qiáng)度、抗穿刺強(qiáng)度、抗紫外線性能和抗老化能力，檢測(cè)方法按照國(guó)標(biāo)《GB/T 17643-2011 土工合成材料 聚乙烯土工膜》中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。不同規(guī)格的土工膜成本和使用年限通過市場(chǎng)調(diào)研和企業(yè)咨詢獲取，土工膜成本包括直接材料、直接工資、其他直接支出和制造費(fèi)用。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2003和SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并使用最小顯著差異法(LSD)處理顯著差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土工膜成本

由表1可知，隨著土工膜厚度的增加，成本相應(yīng)的升高，且不同厚度土工膜間成本差異顯著。與1.00 mm厚度土工膜相比，1.50 mm和2.00 mm厚度土工膜的成本分別上升了48.8 %和82.0%。1.00 mm厚度的土工膜成本以GH-1和GL-1最低，分別是GH-2S和GH-2T的88.6%和77.6%。1.50 mm厚度的土工膜成本以GH-1最低，分別為GL-1，GH-2S和GH-2T的99.5%，88.6%和81.0 %；2.00 mm厚度的土工膜成本則以GH-2S最低，分別為GH-1，GL-1和GH-2T的96.8%，96.8%和92.4%。

表1 土工膜產(chǎn)品成本 (元·m-2)

2.2 土工膜抗拉伸性能

表2可以看出，膜的厚度與拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系。不同厚度土工膜之間拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸斷裂強(qiáng)度差異顯著。相同厚度膜拉伸屈服強(qiáng)度最低值為GL-1土工膜，最高值為GH-2T土工膜，其中1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm 厚度GL-1土工膜的拉伸屈服強(qiáng)度分別為GH-2T土工膜的71.7%，80.1%和74.0%。雖然膜拉伸斷裂強(qiáng)度最低值同樣為GL-1土工膜，但最高值為GH-2S土工膜。

2.3 土工膜抗穿刺強(qiáng)度分析

數(shù)據(jù)分析表明，膜的厚度與抗穿刺強(qiáng)度呈較好的正相關(guān)關(guān)系(見表3)。與1.00 mm厚度的土工膜相比，1.50 mm和2.00 mm厚度土工膜的平均抗穿刺強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了46.4%和99.1%。方差分析表明，不同厚度土工膜之間抗穿刺強(qiáng)度差異顯著。4種土工膜以GL-1抗穿刺強(qiáng)度最低，GH-2S抗穿刺強(qiáng)度最高，其中1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm厚度的GL-1土工膜的抗穿刺強(qiáng)度分別為GH-2S土工膜的53.4%，55.6%和54.5%。

表3 土工膜抗穿刺強(qiáng)度

2.4 土工膜抗紫外線能力與抗老化性能分析

方差分析表明，膜厚度與抗紫外線和抗老化性能無顯著相關(guān)性。與其他3種土工膜相比，GL-1土工膜的抗紫外線能力與抗老化性能最低。其中，1 mm厚度的GL-1土工膜的紫外線照射1600小時(shí)后OIT保留率和85℃熱老化90 d后常壓OIT保留率僅為平均值的62.9%和58.5%(見表4)。

表4 土工膜抗紫外線能力與抗老化性能

2.5 土工膜使用年限

由表5可知，不同膜厚度的GH-1和GL-1土工膜使用年限均為7年，GH-2S和GH-2T土工膜使用年限均為15年。數(shù)據(jù)說明，土工膜使用年限與膜厚度無顯著相關(guān)性。

表5 土工膜使用年限

3 討論

土工膜生產(chǎn)使用的材料分為中高密度聚乙烯樹脂和低密度聚乙烯樹脂，相同厚度的土工膜原材料成本差別很小，因此直接材料成本不是導(dǎo)致相同厚度土工膜產(chǎn)品成本差異的原因。數(shù)據(jù)表明，環(huán)保用高密度糙面土工膜的成本最高，主要是因?yàn)椴诿嫱凉つぜ庸み^程中需通過復(fù)雜的特殊工藝使土工膜膜面起糙，進(jìn)而增加了制造費(fèi)用。產(chǎn)品成本與膜的厚度呈較好的正相關(guān)性，主要是因?yàn)殡S著膜厚度的增加，直接材料成本相應(yīng)地增加，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)工藝及設(shè)備設(shè)施也有更高要求，共同導(dǎo)致產(chǎn)品成本的升高。

拉伸性能和斷裂強(qiáng)度是土工膜最重要、最基本的性能指標(biāo)，也是土工膜質(zhì)量控制、按照技術(shù)要求驗(yàn)收或拒收產(chǎn)品的重要技術(shù)參數(shù)之一[7-8]。研究表明，環(huán)保用高密度土工膜GH-2T具有最高的拉伸屈服強(qiáng)度，而GH-2S具有最高的拉伸斷裂強(qiáng)度。這說明，高密度聚乙烯土工膜內(nèi)部分子排布更加規(guī)整，破壞這種分子鏈排布需要的力大于低密度聚乙烯土工膜內(nèi)部分子排布被破壞時(shí)受到的力，因此表現(xiàn)出更好的硬度和拉伸強(qiáng)度[9]。

土工膜的抗穿刺性能直接影響到軟體沼氣工程的穩(wěn)定性[10]。土工膜一旦受到穿刺性破壞，將極大程度影響軟體沼氣工程的正常運(yùn)行，帶來重大安全隱患。與低密度聚乙烯土工膜相比，高密度聚乙烯土工模GH-2S具有最高的抗穿刺強(qiáng)度，主要是因?yàn)榈兔芏染垡蚁┲ф湹拇嬖谧璧K了分子鏈整齊地排布，而高密度聚乙烯分子鏈排布整齊，密度和力學(xué)強(qiáng)度較高[11]。

土工膜用作軟體沼氣工程覆膜材料時(shí)，會(huì)在高溫、紫外線照射、與沼液直接接觸等復(fù)雜的物理、化學(xué)、生化環(huán)境中發(fā)生較快的降解和老化[12]。一般情況下，土工膜中聚合物不會(huì)因溫度變化而分解，但在糞水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程中會(huì)因升溫氧化和紫外線照射分解[13]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，膜的抗老化與膜的厚度無顯著相關(guān)性，但與土工膜的生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。這說明聚乙烯土工膜的抗老化性能取決于生產(chǎn)過程中添加的抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和深色物質(zhì)碳等。

研究表明，土工膜的使用年限與膜厚度無顯著相關(guān)，主要取決于沼氣工程的科學(xué)運(yùn)行和管理。高密度土工膜的使用年限明顯高于低密度土工膜可能因?yàn)槟さ脑牧喜町愒斐傻摹?/p>

4 結(jié)論

(1)從價(jià)格考慮，1.0 mm厚度的GH-1和GL-1土工膜成本最低。與GL-1土工膜相比，GH-1土工膜的抗拉伸性能、抗穿刺強(qiáng)度、抗紫外線能力與抗老化性能均具有優(yōu)勢(shì)；二者使用年限相同，均為7年。若使用周期較短、使用環(huán)境相對(duì)理想，推薦使用1.0 mm厚度的GH-1土工膜。

(2)從使用年限考慮，GH-2S和GH-2T土工膜使用年限是GH-1土工膜的兩倍以上。成本上，GH-2S土工膜明顯低于GH-2T土工膜。因此，GH-2S土工膜在長(zhǎng)周期、工作環(huán)境較惡劣的情況下性價(jià)比更高。

(3)綜合分析認(rèn)為，在不同型號(hào)的土工膜中，2.0 mm厚度的GH-2S土工膜成本適中，在抗拉伸性能、抗穿刺強(qiáng)度、抗紫外線和抗老化能力及使用年限方面具有不同程度優(yōu)勢(shì)，較適合作為軟體沼氣工程的膜材料。