膜覆盖污泥堆肥技术在我国北方冬季的实验研究

李海漪，李成杰，王涛，孙言岩，李云飞

（机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

引言

膜覆盖污泥堆肥技术是功能性薄膜防水、透气性能对原有的静态堆肥技术的改良。目前，在上海地区的脱水污泥应急工程采用了此项技术，我国第一座园林绿化废弃物膜覆盖堆肥系统也在北京投入使用。静态堆肥作为传统的堆肥方式，适用于小型的堆肥的需求实用，但却存在着不足：占地面积较大，二次污染难控制和受天气影响严重等。膜覆盖污泥堆肥技术的出现可在有效控制以上不足的基础上，保留了静态堆肥灵活、可调的优点。

1 膜覆盖技术

膜覆盖功能膜的核心材料是膨体聚四氟乙烯（简称为e-PTFE，见图1），具有极稳定的化学性能，且适用于很宽的温度范围。膜表面有大量直径在0.2～1.0μm之间的微孔，微孔的尺寸在水珠尺寸的万分之一以下，同时比水蒸气分子大700倍以上，水蒸气分子能轻易通过，而即使再小的水珠也不能通过。e-PTFE织物具有良好的防水、透湿、防风功能，一般分为3-layer、2-layer、liner三种，堆肥领域一般采用3-layer或2-layer的复合膜，由于薄膜易损坏，需要在不影响其功能性的情况下包装其他材质来确保其寿命。

图1 e-PTFE功能膜

2 实验计划

2.1 实验目的

本次实验的主要目的是验证膜覆盖污泥堆肥技术在我国北方冬季的污泥好氧发酵过程中的可行性。e-PTFE这种功能膜的性能在理论上十分适合污泥堆肥，目前在实际中也有应用，但在寒冷干燥的北方冬季，室外是否适用还尚待研究。因此实验地点选择位于唐山市的丰润污泥处理厂，这里的气候属季风型大陆性气候，冬季天气比较寒冷、干燥，降水稀少，盛刮西到西北风。

2.2 实验装置与材料

实验装置的布置是在静态堆肥原有的基础上，增加了曝气装置及功能性薄膜。实验阶段堆体大小为长4m、宽2.5m、高1.4m，总体积不小于10m3，安息角为30°，堆形如图2所示。

图2 实验现场堆体

曝气装置采用底部中央管道曝气的方式，管道上每隔一定间距有圆孔，鼓风机采用功率在2.2kW的直叶式风机，将出风口和曝气管通过软管相连。填放物料时，底部为干料铺底，中部为混合料，顶部覆盖10cm左右的返混料，用以二次堆腐、吸收堆体顶部水分。

实验所选择的污泥为唐山市丰润地区的市政污泥。在发酵过程中需添加适当的干料为好氧发酵提供营养物质，添加适当的返料起到提高孔隙率的效果，具体添加比例见下表。

物料配比表

实验所选择的功能性覆盖膜是e-PTFE薄膜分别和两种不同材质加工后的覆盖膜。其中覆盖膜的功能性由e-PTFE提供，但由于e-PTFE薄膜厚度小、易损坏，因此需要对其和其他材质加工进行加厚保护处理。

2.3 实验方法

采用对比实验的方式，采用堆体1、堆体2除了覆盖膜表面加工材质不同外其他均相同的两个堆体，并且采用相同的曝气模式。实验过程中，每天通过温度传感器监测堆体温度和室温的变化，每3天测量和记录一次堆体的含水率和密度，每个堆体分别从前、中、后（曝气入口一侧为前）三个部位取样。到达高温阶段以后，根据以往的经验，调整曝气时长，寻找最佳的曝气方式。

比较实验前后物料的物性参数，分析堆肥过程中物料的关键参数随时间变化的情况。

3 实验数据及分析

3.1 温度

实验在每年11月至12月进行，室温在-10℃～10℃范围变化，见图3（a）。实验期间升温和高温阶段的温度变化情况以及后期温度的下降阶段见图3（b）。堆体起始温度较低，静置两天后开始曝气，温度逐步上升。第5天中午，两堆体温度均上升至50℃以上。第6天1号堆体最高温度65.1℃，2号堆体最高温度61.4℃，两堆体的温度都达到最高，并在50℃之上共持续了6天，温度变化曲线见图3（c）。

图3 温度变化曲线

通过图3温度的变化可看出：随着环境温度的逐日降低，堆体的温度随着堆肥过程逐步升高，并且在第5天温度就上升至50℃。温度经过长期曝气后趋于稳定，最高温度更是攀升至65℃，并且维持6～7天，可见环境温度的降低对堆肥影响不大；曲线中温度的突变，是由于测量含水率及改变温度传感器位置造成的。温度变化和用时相较于其他堆肥方式虽然有一定程度的降低和延长，但堆肥依旧能够维持正常运行。

3.2 含水率

实验中含水率的测量采用坩埚和微波炉进行烘干，前后两次称重，差值即为水分的减少值。忽略测试过程中的误差，通过图4的曲线可以看得出整个过程中的含水率变化趋势，最终达到出料的标准。

图4 含水率的变化

通过对含水率变化曲线的观察，可以发现在11月24日～12月1日的升温阶段，含水率的变化速率很快，这个阶段的温度逐渐升高，日平均气温在零度以上，薄膜内外温差小，物料中的水气能够顺利地通过薄膜蒸发出去，含水率降低至44.94%；12月2日～12月8日的高温阶段，含水率的变化速率降低，此时日平均气温在-2℃～0℃，薄膜内外温度差大，薄膜本身的温度也很低，物料中的大部分水气在蒸发过程中接触薄膜内壁，冷凝成水珠回落进堆体，因此含水率的减小速率变慢，还有升高的趋势，含水率至44.61%；12月8日～12月18日的降温阶段，环境温度也在逐渐降低，最低达到了-10℃，此时薄膜内壁凝结的水珠不断增加，延内壁滑落到堆体四周的地面，含水率逐渐降低至40.94%。

3.3 密度

实验过程中密度的测量采用电子秤和烧杯进行测量与计算。通过整个过程的实时测量，密度的整体变化趋势是降低的。但是从图5可看出，两个堆体的中间部分密度下降的速度缓慢，两侧下降的趋势更为明显。

图5 密度变化曲线

通过对物料密度的变化曲线观察，首先变化的不规律是由于实验前期的混料不均匀造成的；升温阶段随着物料水分的散失，密度也以较快的速率由554.6kg/m3降低至480.52kg/m3；高温阶段由于物料中的水分没有及时的散发出去，冷凝水又回落至堆体，导致物料压实、结块，密度也增加至500.17kg/m3；降温阶段随着含水率的降低，物料也逐渐松散，密度也随之降低至485.34kg/m3。堆肥过程中，污泥由最初的湿、臭、结块变成了后来的干、无气味、松散的状态，可见堆肥进行的是顺利的。

因此，通过实验的数据观察可以判断：污泥在气温零下的北方冬季，采用膜覆盖技术可以顺利地进行堆肥。

4 结论与展望

膜覆盖污泥堆肥技术在静态堆肥的基础上，保留了静态堆肥的优势，起到了减少气味散失，降低二次污染和保温的作用。通过20多天的现场实验，初步可以判定的是膜覆盖污泥堆肥技术在我国北方冬季的污泥堆肥工艺中是可用的。但是经过对数据的进一步整理和分析，发现该技术在应用中还存在着不足。

1）e-PTFE薄膜由于反复的掀、折进行取样，保温以及透气防水的性能有所衰减，使得实验后期的温度下降较快，含水率和密度的降低速率减慢，最终数值没有达到预想的结果。由此判断e-PTFE薄膜本身是有局限的；2）膜覆盖污泥堆肥技术虽然在我国北方冬季的低温情况下可以进行，但污泥的堆肥效果会受到低温的影响，并且堆肥周期有所延长；3）由于薄膜本身的局限性，使得该技术无论在工艺还是材料本身上都有待提升，不能完全地替代现有的工艺。

此次膜覆盖污泥堆肥实验体现了其性能便利、低成本等优势，但同时也暴露了诸多不足。面对其存在的不足，需要以现有的技术为基础，配合工艺参数进行改进，使其能够形成一套完整、便捷、快速的膜覆盖污泥堆肥系统，不仅可以补充大型污泥处理厂，还可以服务于污泥产量少、不集中的偏远地区。