膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)冷凝液和滲濾液二次污染防治

劉書洪 張 明 譚 竹 余紫凌

（1 湖南艾布魯環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南長(zhǎng)沙 410000；2 湖南省洞庭湖流域農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410000）

膜覆蓋好氧堆肥技術(shù)是在強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛式堆肥技術(shù)上加以改進(jìn)，形成的獨(dú)特、經(jīng)濟(jì)、有效的高溫好氧發(fā)酵系統(tǒng)， 是全國(guó)畜牧總站推薦的降低畜禽糞污處理養(yǎng)分損失的技術(shù)之一[1-2]。 膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)可采用裝配式、地面條垛式、槽體堆肥式，其中槽體堆肥式較常見，一般由膜覆蓋系統(tǒng)、微壓送風(fēng)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和發(fā)酵槽組成。膜覆蓋系統(tǒng)由納米膜和壓邊設(shè)施組成；微壓送風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、曝氣管道組成；智能控制系統(tǒng)由PLC 控制器、溫度和氧氣傳感器等組成；發(fā)酵槽一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板留槽。 膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)可以露天運(yùn)行、不建廠房，具有環(huán)保無臭、投資少、運(yùn)行成本低、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[3-7]。

膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于污水廠脫水污泥、生活垃圾、畜禽糞便、沼渣、餐廚垃圾、園林垃圾等廢棄物的有機(jī)固廢堆肥[3]，國(guó)內(nèi)已有大量關(guān)于發(fā)酵工藝、臭氣減排、控制系統(tǒng)等方面的基礎(chǔ)理論研究[5，8-9]。但是，在工程設(shè)計(jì)方面的研究并不充分，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前，該技術(shù)在北方干旱少雨地區(qū)推廣較為成功，但在南方潮濕多雨地區(qū)應(yīng)用時(shí)，如設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，仍存在冷凝液、滲濾液二次污染風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)冷凝液進(jìn)行檢測(cè)分析， 在常規(guī)槽式膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的適用性。

1 二次污染防治設(shè)計(jì)

1.1 冷凝液導(dǎo)流設(shè)計(jì)

納米膜是系統(tǒng)的核心組件， 是以聚酯膜等材料夾持特制膨脹聚四氟乙烯膜制成的復(fù)合膜， 有半透性， 能夠提高好氧堆肥發(fā)酵效果， 減少惡臭氣體排放，隔絕雨水對(duì)堆體的影響。 因膜的特殊作用，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自身會(huì)形成一個(gè)微高壓內(nèi)腔， 促進(jìn)堆體內(nèi)氧氣的均布，提高堆體溫度，加快堆體腐熟，促進(jìn)氨氮向硝酸鹽的轉(zhuǎn)化，減少NH3、H2S 等惡臭氣體的產(chǎn)生，且納米膜內(nèi)壁會(huì)因半透性和內(nèi)外溫差等原因形成冷凝水膜，溶解吸收堆體釋放的NH3、H2S 等臭氣，并回流于堆體重新被微生物利用或轉(zhuǎn)化[10]。 研究表明，堆肥等工藝產(chǎn)生的惡臭氣體冷凝液中主要污染物是氨氮、H2S、揮發(fā)酸等[11-12]。 對(duì)不同批次牛糞-秸稈混合物膜覆蓋好氧堆肥冷凝液的采樣檢測(cè)結(jié)果表明，冷凝液pH 值為8.6~9.2，呈堿性，氨氮含量為17.9~196.0 mg/L，COD 含量為102~230 mg/L， 硫化物含量為0.046~0.178 mg/L，pH 值、氨氮、COD 指標(biāo)超過了污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（表1），不能直接排放。因此，冷凝液回流設(shè)計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)效能、控制污染十分重要。

表1 牛糞-秸稈混合堆肥冷凝液污染物濃度

冷凝液回流設(shè)計(jì)常見做法有2 種。 做法1 是在發(fā)酵槽槽壁頂部設(shè)導(dǎo)流槽， 將冷凝液截流并引流出堆體，但不論是采用壓邊袋壓邊還是壓緊器壓邊[6]，由于缺乏密封設(shè)計(jì)， 大量冷凝液都會(huì)順著膜內(nèi)壁經(jīng)納米膜與發(fā)酵槽槽頂?shù)目p隙流到發(fā)酵槽外，見圖1（a）。做法2 是在發(fā)酵槽槽壁外部底端底板設(shè)置30~50 mm 深的集液槽， 在槽外引流冷凝液到滲濾液收集溝，見圖1（b）。 上述2 種方法雖然對(duì)冷凝液進(jìn)行了一定程度的收集導(dǎo)排， 但都不能將冷凝液及時(shí)回流至堆體，降低了堆體固氮效果，且外流冷凝液易形成雨污混合液造成二次污染。 本文設(shè)計(jì)了優(yōu)化做法3，見圖1（c），將發(fā)酵槽槽壁頂部設(shè)計(jì)為內(nèi)傾式，并包裹特質(zhì)的U 型導(dǎo)流護(hù)套。 導(dǎo)流護(hù)套采用EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）發(fā)泡板制作，具有良好的彈性、耐候性和耐腐蝕性[13]，成本低廉、環(huán)保且易于加工[14]。納米膜覆蓋壓邊時(shí)膜內(nèi)壁與護(hù)套緊貼密封， 冷凝水從槽頂向內(nèi)直接回流至堆體進(jìn)而被生物轉(zhuǎn)化， 不會(huì)外流，降低了氮素?fù)p失，杜絕了二次污染。 發(fā)泡板還可提高系統(tǒng)密封性，減少臭氣外泄，避免納米膜與混凝土槽壁直接接觸，緩解磨損，延長(zhǎng)納米膜使用壽命。

1.2 發(fā)酵槽底板防滲設(shè)計(jì)

膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)發(fā)酵槽底板需堅(jiān)實(shí)可靠，在滿足裝載機(jī)進(jìn)出料、 曝氣管布設(shè)的基礎(chǔ)要求下，更需要滿足滲濾液導(dǎo)流和防滲需求[15]，常見做法有2 種。 如圖2（a）所示，做法1 板厚為200 mm，管溝深度100 mm，支模澆筑成型或切縫加工，曝氣管管徑80 mm。 做法1 管溝淺，曝氣管管徑偏小，風(fēng)壓損失大，不利于配氣；管溝處應(yīng)力集中，極易因不均勻沉降產(chǎn)生裂縫，造成滲濾液外滲污染；如要加大管溝，需增加板厚或在此采用局部降板做法， 施工復(fù)雜不經(jīng)濟(jì)。如圖2（b）所示，做法2 底板總厚度300 mm，分2 層澆筑， 下層為鋼筋混凝土， 上層可采用素混凝土，按管溝布置分區(qū)澆筑并找坡；該做法防滲能力較好，管溝深度有利于布管和通氣，但底板材料消耗量大，不經(jīng)濟(jì)。

在水利、交通、環(huán)保等領(lǐng)域土工膜常用作防滲材料，工程中一般選用高密度聚乙烯（HDPE）材質(zhì)，具有良好的抗?jié)B性和穩(wěn)定性[16]，其水蒸氣滲透系數(shù)低于1.0×10-13g·cm/（cm2·s·Pa）[17]。 本文以HDPE 膜柔性防滲層替代鋼筋混凝土剛性防滲， 設(shè)計(jì)了組合式HDPE 膜防滲底板。 如圖2（c）所示，底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚200 mm，置于防滲膜上，并在管溝處完全斷開。 防滲膜采用1.5 mm 厚的GH-2T1 型單糙面HDPE 土工膜，糙面朝上以提高防滲膜與底板的結(jié)合度。膜下鋪設(shè)600 g/m2的無紡?fù)凉げ甲鳛橄聣|保護(hù)層，膜上管溝處鋪50 mm 素混凝土保護(hù)。 管溝有效深度150 mm，曝氣管采用DN125 的PE 穿孔管，通氣面積是DN80 通氣管的2.4 倍。 該做法防滲性能優(yōu)異、抗變形能力強(qiáng)、風(fēng)壓損失小、施工簡(jiǎn)便、較為經(jīng)濟(jì)。

1.3 室外系統(tǒng)雨污分流設(shè)計(jì)

納米膜可有效隔絕雨水對(duì)發(fā)酵堆體的影響，因而室外膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)的雨污分流設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在防外圍雨水倒灌和內(nèi)部滲濾液導(dǎo)排方面。 發(fā)酵槽底板應(yīng)設(shè)置一定的縱橫坡度， 一般采用管溝作為滲濾液縱向?qū)艤希?出口位置還應(yīng)設(shè)置橫向截流導(dǎo)排溝，且置于膜覆蓋范圍內(nèi)，杜絕雨水匯入增加滲濾液量。 當(dāng)發(fā)酵槽較長(zhǎng)時(shí)，可沿槽長(zhǎng)方向分段雙向找坡，減少首尾高差。 底板澆筑時(shí)可用鋼管壓制20~30 mm 深的橫向集液槽， 減少滲濾液沿槽底匯流時(shí)間。 發(fā)酵槽周邊應(yīng)設(shè)置雨水導(dǎo)排溝、擋水坎等設(shè)施，防止雨水侵入。

當(dāng)采用多槽并列建設(shè)時(shí)， 不少工程案例將各槽滲濾液導(dǎo)排溝、導(dǎo)排管并聯(lián)匯總接入一個(gè)收集池，這是一種不恰當(dāng)?shù)淖龇ā．?dāng)某一槽空置且遇降雨時(shí)，雨水將通過滲濾液聯(lián)通管道， 倒灌至其他發(fā)酵槽和滲濾液收集池，造成滲濾液稀釋，增大處理難度，影響正常運(yùn)行。因此，每一個(gè)發(fā)酵槽應(yīng)當(dāng)設(shè)置獨(dú)立的滲濾液排放管道和收集池（圖3）。

2 露天運(yùn)行的污染防治措施

膜覆蓋好氧堆肥為續(xù)批式發(fā)酵，需進(jìn)行預(yù)處理、堆肥、 出料等步驟。 預(yù)處理一般需在發(fā)酵槽原位攤鋪、混合、翻拋發(fā)酵物料，調(diào)節(jié)含水率、碳氮比、孔隙率等，發(fā)酵完成后揭膜出料[7]。系統(tǒng)不設(shè)遮雨棚時(shí)，預(yù)處理和出料為露天操作， 極易受到降雨影響產(chǎn)生滲濾液，是二次污染防治的重點(diǎn)。運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)天氣條件靈活安排工序，并盡量壓縮露天作業(yè)時(shí)間。傳統(tǒng)鏟車、自走式翻拋機(jī)建堆和人工覆膜的方法耗時(shí)費(fèi)力，市面已有覆膜翻堆一體機(jī)[18]，可同步進(jìn)行快速翻拋和覆膜，減少暴露時(shí)間。當(dāng)槽內(nèi)物料或者肥料不能及時(shí)處理時(shí)，應(yīng)臨時(shí)覆蓋發(fā)酵槽，減少臭氣散發(fā)、蚊蠅滋擾和降雨影響。當(dāng)發(fā)酵槽清空時(shí)，應(yīng)及時(shí)將滲濾液收集池內(nèi)的滲濾液清運(yùn)，關(guān)閉進(jìn)水管。堆肥產(chǎn)生的滲濾液是一種高濃度堿性有機(jī)廢水，富含微生物，不能直接排放[19]。 收集后的滲濾液如進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理十分繁瑣，可在原料含水率較低的情況下進(jìn)行回噴，也可摻進(jìn)后熟料或下一批堆體中[1，6]。連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，由于管溝等部位殘存的有機(jī)肥、滲濾液難以清理完全，建議發(fā)酵槽始終保持臨時(shí)覆蓋狀態(tài)，避免污水產(chǎn)生。

3 遮雨棚的必要性

膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)的一次進(jìn)出料作業(yè)周期一般為25~30 d， 一般需建設(shè)多座發(fā)酵槽依次使用，以縮短建堆間隔時(shí)間，減少原料暫存量，達(dá)到近似連續(xù)生產(chǎn)的效果。 室外露天運(yùn)行是膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)之一。工程實(shí)踐證明，采用前述優(yōu)化設(shè)計(jì)可杜絕系統(tǒng)露天運(yùn)行時(shí)的冷凝液、滲濾液二次污染問題。但當(dāng)堆肥處理量較大時(shí)，露天作業(yè)流程不可避免地會(huì)受到降雨等惡劣天氣影響，頻繁的二次污染防治作業(yè)會(huì)造成堆肥中斷，影響堆肥連續(xù)性和產(chǎn)量，增大了暫存場(chǎng)的容積需求。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在南方地區(qū)，當(dāng)設(shè)計(jì)堆肥建堆間隔時(shí)間小于1 周時(shí)，建議為發(fā)酵槽加蓋遮雨棚，保證堆肥設(shè)施全天候運(yùn)行，降低二次污染防治的勞動(dòng)強(qiáng)度。 遮雨棚的建設(shè)需充分考慮運(yùn)輸、覆膜、翻堆設(shè)備的操作便利性。 雖然遮雨棚的建設(shè)成本會(huì)增加， 但得益于膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及其二次污染防治措施，遮雨棚無須密閉，其結(jié)構(gòu)防腐要求也較低，使用壽命長(zhǎng)，因而其全壽命周期成本低于其他開放式堆肥工藝。

4 結(jié)論

不同批次牛糞-秸稈混合物膜覆蓋好氧堆肥冷凝液的檢測(cè)結(jié)果表明，冷凝液pH 值為8.6~9.2，呈堿性， 氨氮含量為17.9~196.0 mg/L，COD 含量為102~230 mg/L，硫化物含量為0.046~0.178 mg/L，pH 值、氨氮、COD 指標(biāo)超過了污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限值，不能直接排放。

U 型導(dǎo)流護(hù)套、內(nèi)傾式槽壁頂?shù)脑O(shè)計(jì)提高了常規(guī)膜覆蓋好氧堆肥發(fā)酵槽堆體密封性，使冷凝液實(shí)時(shí)回流至堆體轉(zhuǎn)化，杜絕了冷凝液外流，進(jìn)一步減少了臭氣排放，保護(hù)了納米膜；組合式HDPE 膜防滲底板設(shè)計(jì)用材省，施工簡(jiǎn)便，防滲性能優(yōu)異；優(yōu)化后的雨污分流設(shè)計(jì)、獨(dú)立的滲濾液導(dǎo)排和收集系統(tǒng)，壓縮暴露時(shí)間、臨時(shí)覆蓋、采用新型設(shè)備等運(yùn)行期污染防治措施可有效減少系統(tǒng)露天運(yùn)行時(shí)的滲濾液量；上述措施經(jīng)工程實(shí)施檢驗(yàn)可杜絕冷凝液、滲濾液的二次污染問題。 當(dāng)堆肥處理量大、系統(tǒng)使用頻繁時(shí)，建議為發(fā)酵槽設(shè)置遮雨棚，有利于提高生產(chǎn)效率。