污泥堆肥功能性覆蓋膜阻氨特性的研究

王濤，李成杰，李海漪

（1.機械科學研究總院環保技術與裝備研究所，北京 100044；2.機械工業有機固廢生物處理與資源化利用工程技術研究中心，北京 100044）

前言

防水透濕織物（Waterproof And Moisture Permeable Fabric）也稱防水透氣織物、可呼吸的織物。最早的防水透濕織物是20世紀40年代出現的文泰爾防雨布：防雨布一旦潤濕，棉纖維膨脹，空隙縮小，可以保護織物不被雨水進一步滲透。1969年聚四氟乙烯（PTFE）微孔薄膜研制成功，薄膜微孔的直徑范圍使得水蒸汽能通過而水滴不能通過，這標志著防水透濕技術取得了突破性進展。目前根據工業化生產技術的差異，防水透濕織物可分為高密度織物、涂層織物和層壓織物三種類型。

防水透濕織物因兼具防水和透氣兩方面特性，主要作為服裝面料使用。在20世紀80年代，德國Baden-Baden出現了利用防水透濕織物作為功能性覆蓋膜，將堆體與周圍空氣相對隔離進行好氧發酵的一種靜態條垛堆肥方法，在不影響對條垛通風曝氣和去除水分的同時，防止雨水對堆肥過程的影響，并且能極大緩解臭氣對周圍環境的影響，此類技術被稱為膜覆蓋技術（Membrane Cover Technology，簡稱MCT）。目前MCT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、園林垃圾等領域有機固體廢物堆肥，并被用于垃圾填埋場改建過程中的陳腐垃圾處理和土壤修復領域[1]。

有效阻控臭氣排放是現代堆肥技術的重要特征之一，尤其在污泥堆肥領域，氨氣的排放控制是關鍵。MCT相對于傳統靜態通風條垛技術而言，在這方面具有明顯優勢；但功能性覆蓋膜的核心材料源自服裝面料，功能參數也集中于防水性和透濕性方面。參考已發布的上海市地方標準《城鎮污水處理廠污泥高溫好氧發酵處理技術規程》（DB31/T 675—2012）和即將發布的工業和信息化部標準《堆肥用功能性覆蓋膜》（2015-1135T-JB），核心功能參數包括：靜水壓、透濕量、濕阻抗三項，但對于氨氣的阻控性能指標沒有規定。因而有必要進一步探討功能性覆蓋膜的阻氨性能，以及影響功能性覆蓋膜阻氨性能的因素。

1 功能性覆蓋膜阻氨機理

功能性覆蓋膜是通過不同的加工工藝所形成的高聚物薄膜，主要分為微孔型防水透濕薄膜、無孔型防水透濕薄膜兩大類。在堆肥中應用最廣的PTFE微孔型防水透濕薄膜，是一層很薄的高分子聚合物薄膜，上面有大量細小且相通的直徑一般小于2μm的微孔。因此，直徑在100μm左右的水滴不能透過微孔織物表面的孔。而如果薄膜的內、外表面存在適當的濃度梯度，直徑為0.0004μm的水蒸汽和空氣能通過氣體的擴散和對流自由地通過曲折的孔道。海綿狀微孔結構PTFE膜外表面電鏡照片如圖1所示。

圖1 海綿狀微孔結構PTFE膜外表面電鏡照片

氨的分子量為17.031，氣體分子直徑0.365～0.38nm，功能性覆蓋膜微孔直徑為0.2～2.0μm，因此功能性覆蓋膜對于氨汽的阻隔并非物理過程，這一過程是物理化學過程。實現這一過程有兩個先決條件：1）功能性覆蓋膜上密布一定直徑范圍的微孔，氣態水分子可以通過而液態水分子將被截留；2）常溫常壓下，氨在水中的溶解度為700。

污泥好氧堆肥過程中，由于C/N值偏低，N以氨氣的形式與水蒸汽和少量其他氣體一起，從堆體中逸出；當混合氣體到達功能性覆蓋膜內表面時，因為膜與堆體環境存在溫差，一部分水蒸汽遇冷凝結成小液滴，因膜孔徑較小使直徑較大的液滴無法穿過而被截留下來；由于氨氣極易溶解于水，因此接觸到液態水的氨氣溶解于水并隨后落回堆體，從而完成氨氣的阻控（圖2）。

圖2 功能性覆蓋膜阻氨機理圖

由于功能性覆蓋膜微孔直徑要遠遠大于氨氣分子，因此就像材料的透氣特性一樣，部分氨氣也會穿過微孔，進入到大氣環境中。為進一步揭示功能性覆蓋膜阻氨特性和效果，有關研究中心（OWTR）于2017年第四季度在唐山排水集團污泥處理廠進行了MCT工藝驗證實驗，其中包括功能性覆蓋膜阻氨性能實驗。

2 功能性覆蓋膜阻氨實驗

2.1 實驗目的

驗證MCT系統功能性覆蓋膜對于污泥堆肥過程的氨氣阻控的有效性，并初步得出實驗材料效率。

2.2 實驗條件

2.2.1 實驗裝置

實驗裝置由堆體、風機、功能性覆蓋膜及附屬材料構成。堆體底部投影邊長4.0m、寬2.5m，堆體高約1.6m，縱剖面呈近似三角形（圖3）。實驗選用曝氣風機型號為HG370s，實驗時堆體的實際曝氣量為90～100m3/h。檢測儀表選用TR-1005-1/50941型氨氣在線監測儀。實驗采用兩種型號的功能性覆蓋膜，規格及主要技術參數如表1所示。

圖3 實驗裝置系統圖

表1 實驗發酵膜類型

2.2.2 物料初始條件

實驗用污泥和返料來自唐山排水集團污泥處理廠，干料為花生殼粉，按照表2的比例混合后，待堆物料初始含水率為60%。

表2 初始物料配比

2.3 實驗數據與結論

對功能性覆蓋膜阻氨特性的研究是一個完整MCT實驗的一部分，控制點位在兩個堆體覆蓋膜內、外各設置1處，共4處。當堆體穩定升溫，曝氣系統按計劃運行正常后，定時采集各控制點氨氣濃度，經數據匯總處理后，結果如圖4、圖5所示。

圖4 A型膜氨氣阻控實驗結果

圖5 B型膜氨氣阻控實驗結果

從圖4、圖5中可以看出，功能性覆蓋膜的使用對于氨氣的阻控具有明顯效果，尤其在曝氣過程中，對于氨氣的去除率：A型膜為63.1%，B型膜為66.7%。

3 國內外相關研究

近些年，國內外對于功能性覆蓋膜阻氨特性也進行了研究：一項由德國聯邦基金會（DBU）和University of Stuttgart's Insitute資助的研究表明，強制通風膜覆蓋堆肥工藝相對于傳統開放式通風條垛堆肥工藝中臭氣排放總量減少89.9%。李廣坤[2]等利用污泥混合玉米秸稈、木屑、樹葉等干料進行MCT堆肥實驗，并特別對于功能性覆蓋膜阻氨特性進行了針對性研究，結論認為，功能膜的存在能夠使氨氣逸散量減少約57%，并提高堆肥產物的含氮量，能起到一定的固氮作用；堆肥期間氨氣的逸散濃度與通風量呈正相關關系，但在MCT系統中，這種關聯程度要低得多，如圖6所示。

圖6 氨氣累計逸散量

4 結論

4.1 功能性覆蓋膜對于氨氣的阻控是有效的

無論從國內外研究文獻，還是唐山排水廠實驗，采用不同規格功能性覆蓋膜材料，氨氣的去除率在57%至89.9%區間內，平均值為70.6%。由此可證明，功能性覆蓋膜對于氨氣的阻控是有效的。

4.2 功能性覆蓋膜對于氨氣的阻控是有限的

從氨氣的去除效率57%～89.9%上看，絕對差32.9%，相對差57.7%，這固然有膜孔徑、結構等材料方面的問題，但必須面對膜孔徑大于氨氣分子直徑2～3個量級這一機理層面的問題。

4.3 功能性覆蓋膜的性能有待提升

功能性覆蓋膜從根本上具有防水和透氣兩個看似矛盾的性能：減小膜孔徑提升防水性能可實現阻氨性能的提升，如德國堆肥采用的功能膜平均孔徑是普通服裝面料的1/5～1/3，使阻氨性能提升了38.5%，因此在膜加工過程中對工藝的要求十分重要。當然，提升防水性能也就意味著降低透視性能，在堆肥系統上反映為停留時間增加、占地面積增加、系統效率降低等，因此引入協同堆肥理念，控制初始C/N才是阻氨“治本”的方法。

5 結語

MCT工藝是跨學科領域環保應用的一個典型技術，為堆肥行業整體技術進步提供了全新思路，尤其適合中小型分散就地堆肥系統使用。作為MCT技術核心，應正確看待功能性覆蓋膜：1）功能性覆蓋膜應用于堆肥領域，就像超濾膜、反滲透膜用于水處理領域一樣，期待材料領域技術進步，為MCT工藝提供使用壽命更長、效率更高、更適應堆肥條件的功能性覆蓋膜材料；2）應正確認識功能性覆蓋膜，其僅是MCT工藝的一個組成部分，仍需與其他組成部分一起，方可彌補自身的短板，發揮最大的作用。