膜覆蓋條垛堆肥技術與應用案例

王 濤

（1.機械科學研究總院環(huán)保技術與裝備研究所，北京 100044；2.機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

1 膜覆蓋技術的起源與發(fā)展

膜覆蓋技術（Membrane Cover Technology，可簡稱為MCT）指高溫好氧發(fā)酵過程在功能膜（半透性柔性復合膜）覆蓋的環(huán)境中進行，控制料堆與周圍環(huán)境的物質與能量交換，使料堆排放的污染物（臭氣、氣溶膠）濃度低于規(guī)定的限值。從本質上講，膜覆蓋技術是一種改良的靜態(tài)條垛堆肥技術。

早期工業(yè)化堆肥系統(tǒng)很多采用靜態(tài)條垛堆肥技術，因為此類技術具有投資節(jié)省、處理規(guī)模可調、平面布置靈活等特點，目前在美國、加拿大等地仍有大量靜態(tài)條垛式堆肥系統(tǒng)還保持運行狀態(tài)。但由于靜態(tài)條垛堆肥系統(tǒng)也存在占地面積大、受氣候影響大、二次污染不易控制、自動化程度低等問題，因此在大多數(shù)條件下的應用受到了限制。

20世紀80年代，德國Baden-Baden推出了利用功能膜作為覆蓋層，將堆體與周圍空氣相對隔離進行好氧發(fā)酵的一種靜態(tài)條垛堆肥方法。這一技術的基本原理和運行方法與靜態(tài)條垛技術類似，最主要的創(chuàng)新之處是采用了具有防水、透氣功能的功能膜覆蓋層，在不影響對條垛通風曝氣和去除水分的同時，可防止雨水對堆肥過程的影響，并且可極大緩解臭氣對周圍環(huán)境的影響。隨著膜覆蓋靜態(tài)條垛堆肥技術的不斷完善，后期開發(fā)了卷膜機等機械化專用設備，為此類項目的推廣提供了更加完善的設備條件。目前該類技術被廣泛應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、園林垃圾等領域的有機固廢堆肥，并被用于填埋場改建過程中的陳腐垃圾處理和土壤修復領域。

2010年11月，上海朱家角脫水污泥應急工程作為國內第一座采用膜覆蓋工藝的污泥堆肥處理項目投入運行，之后奉賢等上海周邊郊縣的污水處理廠脫水污泥處理項目也采用了該工藝，并且膜覆蓋技術作為主導工藝類型被編入上海市《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高溫好氧發(fā)酵處理技術規(guī)程》（待發(fā)布）。2013年5月，國內第一座園林綠化廢棄物膜覆蓋堆肥系統(tǒng)在北京投入使用。

2 膜覆蓋系統(tǒng)工藝流程

膜覆蓋技術主工藝過程與傳統(tǒng)高溫好氧發(fā)酵工藝過程類似，以脫水污泥處理為例，主要由脫水污泥和輔料的收集、儲存、預處理、進料布料、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵、出料和儲存等工序組成。膜覆蓋系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)的好氧發(fā)酵核心系統(tǒng)組成見圖2。

圖1 膜覆蓋堆肥系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 膜覆蓋系統(tǒng)好氧發(fā)酵核心系統(tǒng)組成

3 膜覆蓋系統(tǒng)核心技術

3.1 功能性覆蓋膜

功能性覆蓋膜的核心材料是ePTFE（中文名稱：膨體聚四氟乙烯），其具有極其穩(wěn)定的化學性能和很寬的溫度適用范圍，膜表面存在大量直徑為0.2～1.0μm的微孔，孔的尺寸為水珠的萬分之一以下，而比水蒸氣分子大700倍以上，水汽分子能輕易通過，而即使最小的水珠（輕霧）也不能通過薄膜。ePTFE織物具有良好的防水、透濕、防風功能，常用于登山及御寒等戶外衣著之用。此類功能膜的應用一般分為3-layer、2-layer、liner三類，堆肥領域一般采用3-layer或2-layer的復合膜。用于堆肥的功能性覆蓋膜一般應滿足下表所列的技術指標。

功能膜的技術指標表

3.2 曝氣系統(tǒng)

膜覆蓋系統(tǒng)只設置曝氣系統(tǒng)而不設置引風除臭系統(tǒng)。其曝氣系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，由鼓風機、通風管道和控制系統(tǒng)組成，曝氣系統(tǒng)與覆蓋膜共同形成了與周圍環(huán)境相對隔離的封閉環(huán)境，發(fā)酵物料在這個環(huán)境內完成堆肥反應過程。

鼓風機采用傳統(tǒng)離心式通風機即可，根據(jù)物料的高度選擇風壓，風量可根據(jù)物料來源不同按照0.5～2m3/m3堆料·h估算。

通風管道采用穿孔管、混凝土曝氣槽或者專用預埋曝氣管（如圖3）。

圖3 專用預埋曝氣管（AEROFIX X in-floor）

控制系統(tǒng)由氧氣檢測系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)和風機控制PLC組成，通過氧氣和溫度的反饋數(shù)據(jù)控制風機的啟動和停止。

3.3 卷膜設備

對于小型膜覆蓋堆肥系統(tǒng)，可以人工操作膜的收卷和覆蓋；大型膜覆蓋堆肥系統(tǒng)則一般需要專用卷膜設備，除可節(jié)省人工外，也有益于延長膜的使用壽命。

卷膜設備一般分為兩種，固定式（見圖2）和移動式（如圖4所示）。

圖4 移動式卷膜設備示意圖

4 膜覆蓋技術的適用性

膜覆蓋技術的優(yōu)勢：

（1）復雜性低、易操作，系統(tǒng)可靠性高；

（2）系統(tǒng)設置靈活，甚至可以租賃運行；

（3）模塊化，相同需求領域可以快速升級，實現(xiàn)生產能力的快速擴展；

（4）設計、施工、安裝周期短；

（5）不需設專門的除臭系統(tǒng)，可節(jié)省大量投資和運行成本。

膜覆蓋技術同時存在著不足：

（1）從原理上，膜覆蓋技術仍然屬于靜態(tài)條垛技術類型，同樣避免不了靜態(tài)條垛技術的問題：停留時間長，系統(tǒng)效率低；無法實現(xiàn)自動化進出料；維持物料間孔隙率需要添加大量輔料，尤其對于污泥堆肥處理過程更是這樣；

（2）功能膜材料對于臭氣的阻截作用無法達到除臭系統(tǒng)的效果，并且在一次發(fā)酵與二次發(fā)酵過程中的轉垛過程中，臭氣外溢無法控制；

（3）功能膜材料保溫性能無法與建筑物相比，尤其是堆體表層受外界氣溫影響較大，再加上沒有翻堆過程，表層物料在冬季無法實現(xiàn)有效腐熟。

通過對膜覆蓋技術的優(yōu)勢與不足的分析，得到該技術的適用范圍：

（1）各領域小規(guī)模堆肥處理設施；

（2）季節(jié)性堆肥處理設施，如園林綠化廢棄物、農業(yè)廢棄物堆肥設施；

（3）大型臨時性堆肥處理設施，如存量污泥處理設施；

（4）正式、規(guī)范堆肥處理設施的備用系統(tǒng)。

5 膜覆蓋技術應用案例

5.1 美國Westlake Farms堆肥項目

美國加利福尼亞州洛杉磯衛(wèi)生區(qū)（LACSD）Westlake Farms堆肥項目是目前規(guī)劃中世界最大的堆肥項目，位于Kings地區(qū)靠近Kettleman市，距離洛杉磯150多英里，總占地約200英畝（約合1200畝）。項目共分五期建設，總設計處理能力超過100萬噸污泥/年（其中包括50萬噸污泥/年和50萬噸園林垃圾/年）。項目一期工程將在2013年開始試運行投產，設計處理能力為10萬噸/年。

Westlake Farms項目采用UTV GORE?膜覆蓋高溫好氧堆肥處理系統(tǒng)。污泥與粉碎的園林垃圾混合后，通過鏟車堆置成長50米、寬8米、高約3.5米的堆體，每堆槽鋪設2根氧氣通風管道。在堆體表面覆蓋特制功能膜并固定，使用五點溫度傳感器和氧傳感器實時監(jiān)控堆體中的溫度和氧氣變化。在充分供氧及適宜水分條件下，經(jīng)過4周完成一次發(fā)酵。一次發(fā)酵完成后，進行一次翻堆，經(jīng)過2周完成二次發(fā)酵。二次發(fā)酵結束后，再進行一次翻堆，并在自然條件下，讓其腐熟2周，以便發(fā)酵更加完全。污泥和園林垃圾經(jīng)過8周的生物降解、轉化、穩(wěn)定，進而得到優(yōu)質的有機肥料。發(fā)酵過程中產生的少量滲濾液，經(jīng)由排水系統(tǒng)收集后，用于在原料含水率較低的情況下進行回噴。

該項目從2010年開始立項，在項目前期驗證階段，當?shù)叵嚓P審查監(jiān)管部門對整個系統(tǒng)進行了一系列的驗證性試驗，試驗結果和數(shù)據(jù)表明膜覆蓋系統(tǒng)的性能與當?shù)匚锪蠗l件相結合符合VOC排放控制的限制性規(guī)則和美國TMECC-2002堆肥產品質量標準。

5.2 上海朱家角脫水污泥應急工程

上海朱家角脫水污泥應急工程是國內最早采用膜覆蓋堆肥工藝的污泥處理項目。該項目位于青浦污水處理廠廠區(qū)內部，總占地面積約6.67公頃；處理規(guī)模100噸/日；工程投資1200萬元；運行成本150元/噸；最終處置方式為土地利用。作為上海市青浦污泥處理工程的應急工程（見圖5），于2010年8開始建設，2010年12月底建成投入使用。

圖5 上海朱家角脫水污泥應急工程現(xiàn)場（2011年9月拍攝）

6 結語

目前堆肥技術發(fā)展的主流方向是機械化堆肥，尤其是目前以SACT工藝為代表的全機械化流程為堆肥技術應用在大型工業(yè)化集中處理指明了發(fā)展方向。但堆肥技術的應用領域十分廣闊，機械化堆肥技術在很多情況下無法發(fā)揮其特長，膜覆蓋技術的出現(xiàn)成為機械化堆肥技術有益和必要的補充。可以預見：兩者相結合，甚至在同一個項目中相互融合，應能探索出一條適合中國國情的、普遍適用的堆肥技術發(fā)展道路。

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