功能膜法好氧堆肥技術研究進展

孫曉曦，黃光群，何雪琴，井天軍，鄭永軍

中國農業大學工學院，北京 100083

0 引言

畜禽糞污是農村地區重要的環境污染源和疾病傳播源，含有有機物、氮磷等營養物質，也是一種農業生物質資源。據農業農村部數據統計，我國每年畜禽糞污產出量可達38 億噸?！度珖r業可持續發展規劃（2015—2030年》提出“2030年養殖廢棄物綜合利用率達到90.00%以上，規?；B殖場畜禽糞污基本資源化利用，實現生態消納或達標排放”。2021年初發布的《中共中央國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》，即2021年《中央一號文件》再次強調了“推進農業綠色發展，加強畜禽糞污資源化利用”。好氧堆肥是實現農業有機固廢無害化、減量化和資源化利用的重要途徑[1]。國內外常見的好氧堆肥技術模式有條垛式、靜態垛式、槽式和反應器式[2]。作為一種改良型的強制通風靜態垛式好氧堆肥模式，功能膜法好氧堆肥較條垛式、槽式好氧堆肥，可有效解決發酵空間不均勻、產排大量臭氣等問題，近年來受到了廣泛關注[3，4]。此外，好氧堆肥過程存在NH3逸散和滲濾液滲漏等現象，這一現象同時也伴隨著氮磷鉀等營養元素的流失。據報道，堆肥過程中總氮損失可占初始氮素含量的40.00%～60.00%[5]，其中以NH3排放形成產生的氮損失可達16.00%～76.00%[6，7]。功能膜法好氧堆肥因其在堆體上覆蓋了具有選擇透過性功能的膜，實現了堆肥過程氣體減排，提升了發酵效率，減緩了養分損失[4]。

本文針對功能膜法好氧堆肥的技術起源、發展歷程、技術特點、工程應用等方面，詳細綜述分析了其研究現狀，以期促進該技術模式向綠色化和智慧化方向發展。

1 功能膜法好氧堆肥技術起源與發展

功能膜法好氧堆肥技術主要起源于20世紀90年代的德國，代表公司有UTV AG等（圖1）。UTV AG公司在強制通風靜態垛式好氧堆體上，覆蓋由適宜紡織材料制成的功能膜，以經濟高效的解決好氧堆肥過程中產生的臭氣和污染問題，初步形成以功能膜覆蓋為主的好氧堆肥技術[4]。近20 年來，功能膜法好氧堆肥技術發展從選用最優和適用的膜覆蓋紡織材料，到改良升級堆肥通風排水系統，至引入智能控制管理系統以及配套設備升級。該技術的系統結構已趨于完善，并被不同氣候帶的20 多個國家推廣使用[4]。

圖1 德國UTV AG功能膜法好氧堆肥系統

2010年，我國上海朱家角污水處理廠引進了國內首例功能膜覆蓋好氧堆肥系統，用于污泥的堆肥化處理[8]，自此功能膜覆蓋好氧堆肥技術被引入我國。之后，內蒙古、青海、西藏和福建等地也相繼引入了該技術模式。然而，引進國外功能膜堆肥系統設備的附加成本過高，以中國農業大學工學院為代表的科研單位對功能膜法好氧堆肥技術開展了自主研發和本土化應用推廣工作（圖2）。目前該技術模式已經作為國家農機新產品試點陸續進入了北京、河北和山東等地方的農機購置補貼目錄，并于2021年進入了農業農村部遴選的農業主推技術名單。

圖2 國內代表性功能膜覆蓋好氧堆肥系統

2 功能膜法好氧堆肥技術特點

功能膜法好氧堆肥技術的設備體系主要包括覆膜系統、強制通風系統和智能控制系統3 部分，如圖3所示，根據其基建方式的差異，一般分為垛式（圖3a）和槽式（圖3b）兩種形態。

圖3 功能膜覆蓋好氧堆肥系統結構示意

2.1 覆膜系統

覆膜系統的核心材料為功能膜。功能膜具有3 層結構，內外兩層為保護層，材料為聚酯纖維，中間1層為功能層，材料為膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）。e-PTFE上分布有微米級別的微孔（平均孔徑0.2 μm左右）[9，10]，微孔比水在不同形態的液體下的直徑小幾百倍到幾萬倍，比水在氣態下的直徑大數百倍（表1），故e-PTFE具備良好的防水透濕性能。這一防水透濕性能可使堆體在發酵的過程中既可以不受外界環境（雨水、濕度）的影響，又可以保證好氧堆肥過程中的水分蒸發。除此之外，0.2 μm的微孔孔徑可對部分有害物質選擇透過，分子直徑偏大的病原菌、微塵、氣溶膠以及部分有害氣體的揮發和排放過程都將受到抑制。功能膜的內外兩層具備良好的抗拉、防輻射和耐腐蝕作用，可對中間的膜層材料起到保護和延長其使用壽命的作用（圖4）。

圖4 功能膜結構示意圖

表1 水在不同形態下的直徑分布[9]

另外，功能膜內部空間呈現縱向不規則彎曲排列，這一特征使得風不易透過，故膜材具備良好的防風和保溫性能[11]，從而確保功能膜覆蓋好氧堆肥系統可以廣泛的適應各種氣候及天氣條件。綜合而言，該膜的各項特性都貼合好氧堆肥的實際生產需求。表2中列出了德國Gore膜、某國產膜及《JB∕T 13739—2019 中華人民共和國機械行業標準 堆肥用功能性覆蓋膜》中對該功能膜的性能參數技術要求。

表2 功能膜詳細性能參數對照表

覆膜系統的另一部分是覆膜密封系統，既保證膜與外界隔絕的密封手段，通過密封可有效控制膜內有害氣體的泄露，也可保證膜內堆體處于“微正壓”狀態。目前采用的密封手段主要包括重物壓實封邊（圖5a）和“繩索+卡扣”固定密封（圖5b），前者一般適用于平地建堆的功能膜覆蓋好氧堆肥系統，后者則常用于建有堆肥槽的功能膜覆蓋好氧堆肥系統。

覆膜方式分為人工覆膜和機械覆膜兩種，機械覆膜一般采用卷膜機，卷膜機因其工作原理不同可分為全自動自走式卷覆膜機（圖5c）、牽引式卷膜機以及騎墻式卷膜機3 種。將翻堆機與覆膜機的功能模塊進行結合則又可衍生出兼具翻堆和覆膜功能的自走式覆膜翻堆機（圖5d）。

與此同時，關于進度管理還要格外關注于預防工期索賠的產生，確保借助相應的經濟手段來全面管控現有的基本施工進度。作為施工企業而言，其本身有必要認識到進度管理對于全過程水利施工具備的重要價值以及重要意義。只有做到上述的進度管理，最終才能保障合理性以及科學性更強的水利施工進度能夠得以實現。

圖5 功能膜法好氧堆肥覆膜密封系統

2.2 強制通風系統

強制通風系統主要包括供氧風機和運輸空氣的布氣管道?？諝馔ㄟ^風機經所設置的布氣管路對物料進行通風供氧保障堆體好氧發酵過程中的微生物活動。風機一般采用節能型離心風機。布氣管路則根據項目的實際情況分為有/無基建，專用/通用曝氣管路等。圖6a所示為有基礎建設的專用布氣管路，圖6b為無基礎建設的通用布氣管路。

圖6 功能膜法好氧堆肥布氣管路

2.3 智能控制系統

智能控制系統，主要包括控制系統（圖7a、b）和傳感系統（圖7c）兩部分。傳感系統依托于溫度、氧氣等堆肥專用傳感器，一般采用探桿插入式傳感器，獲取好氧堆肥過程中的溫度、O2濃度、壓力和水分等技術參數?？刂葡到y根據傳感系統獲取參數信息，智能實時調整好氧堆肥工藝參數（曝氣/翻堆/配料/出料），以實現好氧堆肥的過程良性化[10～13]?？刂葡到y，基于可編程控制器（PLC）對風機等設備進行智能調控，包括風機頻率、流量以及翻堆作業等。在實際應用中，控制系統一般有分體固定式（圖7a）和一體可移動式（圖7b）兩種，操作一般通過電腦端（圖7d）或手機端（7e）實現。

圖7 智能控制系統

3 國內外相關研究現狀

功能膜法好氧堆肥技術問世20 多年，主要作為一種工程技術模式被推廣，用于無害化、資源化處理有機固廢。其中，功能膜法好氧堆肥系統（Gore Cover System）的裝備技術被不斷研發、升級和應用，包含Gore膜、曝氣系統、傳感器（溫-氧-壓）、智能管理系統和配套設備（卷膜機）等多個系統[7，12]。在應用過程中發現，該技術模式可實現良好的除臭減排效果包括97.00%的臭味去除率、90.00%的VOCs去除率以及98.00%的病原菌溶膠和粉塵顆粒去除率[13]；可將堆肥效率提升至普通條垛式的3～4 倍[13]；結合其前期建廠投入成本、運營過程中的管理成本以及其裝備技術特點，被認為是一種兼具環保性和經濟性、操作簡單、拓展性強以及適應性較強的好氧堆肥技術模式[7]。其技術的節能減排機制可概括為通過優選具備防水透濕、防風保溫和選擇性透過的功能性半滲透膜，結合強制布氣系統以及智能化的堆肥管理工藝，在膜下產生獨特的堆肥氣候，如膜下的水膜可以吸收回流NH3。這種獨特的堆肥氣候以及膜下的“微正壓”可以有效減少臭氣排放，提高供氧效率[7，14]。然而，功能膜法好氧堆肥模式的技術核心具有商業保密性。其核心的節能減排原理尚不完全明晰。

綜上，通過總結近5 年國內外學者的已經發表的研究成果，主要涉及到技術綜合性應用評價、工藝研究、裝備技術和機理闡釋4 個方面，以期闡明功能膜法好氧堆肥技術的機理機制，為功能膜法好氧堆肥技術發展提供參考。

3.1 技術應用綜合性評價

技術應用綜合性評價主要源于技術在實際應用或試驗過程中的科學評價，其一般是指功能膜法好氧堆肥系統在使用過程中所表現出的特點或者優勢，評價過程中所涉及的指標則主要包括與堆肥理化指標以及經濟性指標等。

從發酵角度來講，功能膜法好氧堆肥可促使堆體快速升溫，延長堆體高溫期，加快無害化進程[15～17]；提升堆肥效率，短時間內（30 天）即可完成相關有機質的降解[18]，對半纖維素的降解效率提升明顯[15]；縮短發酵時間，將使用功能膜覆蓋好氧堆肥系統發酵30 天生產的堆肥與使用條垛式好氧堆肥系統發酵90～270 天生產的堆肥產品做比較，前者腐熟度更高[19]；保氮增效，功能膜覆蓋好氧堆肥會起到一定的固氮作用，并可在一定程度上促使氮元素的形態和空間轉移[16，20，21]。此外，功能膜具備良好的透濕能力，但也會對水分逸散起到一定的阻礙作用[15]，可能會導致堆體表層出現恒濕層，不利于堆體發酵[16]。

從環保的角度而言，功能膜法好氧堆肥系統可有效控制堆肥過程中的臭氣逸散。González等[18]的研究結果顯示，功能膜覆蓋可有效控制堆肥過程中90%的臭氣排放，Biasioli等[22]的研究結果同樣表明，堆肥過程中，覆膜期間（0～20 天）膜外臭氣指數（750 ou/m3）遠低于移除膜之后（20～55 天）的臭味指數（3 400 ou/m3）。NH3是堆肥過程中臭氣的主要來源之一，使用功能膜覆蓋好氧堆肥系統后，NH3的排放同樣會得到有效控制，李廣坤的[20]研究中NH3可減排60%，Li等[21]研究中也表明覆膜會減少58.64%的NH3排放，馬雙雙等[23]研究中顯示，實驗室規模中，膜堆肥反應器系統比普通反應器堆肥系統NH3排放低18.87%，工廠化規模下，膜外NH3排放速率比膜內低65.12%[16]。H2S是另一種堆肥過程中臭氣的主要來源，在覆膜之后也可減少排放38.13%[21]。對于溫室氣體，功能膜覆蓋好氧堆肥系統減排效果依然顯著，Ma等[15]研究結果表明，在實驗室規模下，膜堆肥反應器系統比普通反應器堆肥系統CH4的排放少38.67%，在工廠化規模下，功能膜覆蓋好氧堆肥系統膜外CO2、CH4和N2O的排放速率分別比膜內低73.43%、95.57%和79.75%[16]，相比于靜態堆肥，功能膜覆蓋好氧堆肥過程中的CH4和N2O排放速率則分別低99.89%和60.48%[24]。

Levis等[25，26]綜合經濟性和環保性指標對8 種具有代表性的處理技術（條垛堆肥、反應器堆肥、厭氧發酵和填埋等）進行生命周期評價研究，結果表明，使用功能膜覆蓋好氧堆肥系統進行餐廚垃圾處理，可以很好的平衡處理過程中對環保性和經濟性的共同需求。

在工程應用研究中，王軍軍[27]從功能膜覆蓋好氧堆肥系統實用性的角度做出了評價，由于項目地靠近海邊，所以膜的實際使用壽命受到了很大影響，由正常的8～10 年縮減為2 年；同時配套的控制傳感設備易損壞，設備返修率較高；最后，項目地采用的覆膜密封方式為沙袋壓實方法，在覆膜密封環節存在勞動強度大的問題。

3.2 工藝技術研究

通風供氧是堆肥工藝中的核心控制參數，對于功能膜法好氧堆肥系統而言更是不可或缺，前文已經提及功能膜覆蓋好氧堆肥系統一般通過風機結合布氣管路對堆體進行強制通風供氧，所以通風工藝的調整則圍繞風機、管路以及配套系統展開。盛金良等[28]以實用性為導向對通風系統及通風工藝進行了優化研究，在實驗室條件下模擬功能膜法好氧堆肥系統通風工藝，結果顯示，試驗裝置內不同深度的風壓是一致的，反映了功能膜法好氧堆肥系統內供氧相對均勻；功能膜法好氧堆肥試驗裝置的管路特性曲線近似為直線，與理論的拋物線存在一定差別；從通風調節方式而言，變頻調節相比節流調節更適用于功能膜覆蓋好氧堆肥系統。采用流場模擬的手段并結合工程應用對功能膜法好氧堆肥系統的通風方式進行優化，結果表明，堆體形狀設為拱形更利于通風供氧，管道的布置數量設為4 條，既可有效保證通風效果也可保證工程造價的經濟性[29]。功能膜法好氧堆肥過程中，通風速率與NH3逸散速率成正相關[20]，短間歇（通10 min-關10 min）相比長間歇（通10 min-關30 min）可提高堆肥細菌群落的豐富度和多樣性，易于揮發性固體的降解并可降低全球溫室潛勢[30]。此外，通風對氣體的排放貢獻較大，相比于通風期，間歇期內CO2、CH4、N2O和NH3的排放量分別低64.23%、70.07%、54.87%和11.32%[24]。

功能膜材質的差異同樣會對堆肥過程產生差別性影響。普通的PTFE膜（紡織用）與e-PTFE膜（改性堆肥專用）相比，透氣性差，對高濃度NH3阻隔效果差，但對H2S阻隔性能卻相同[31]。同樣的e-PTFE膜，也會存在因為其內在構造、生產工藝以及質量把控的差異，造成CO2、N2O和NH3減排效果的差別[32，33]。

通過調整發酵原料改善功能膜法好氧堆肥工藝可起到一定的有益效果。在發酵原料中添加一定比例的沸石可進一步減少NH3的排放，功能膜法耦合添加沸石堆肥工藝要比單一的功能膜法好氧堆肥工藝可減少10.00%的NH3排放[20]。將腐熟堆肥鋪設在堆體底層和覆蓋在堆體表層，可有效抑制液體回流造成的恒濕層對發酵過程的影響，且腐熟堆肥作為返料摻混可替代翻堆過程和大量填充劑的使用[34]。

3.3 裝備技術研究

如前文所述，功能膜法好氧堆肥裝備技術的體現主要以商業應用為主。王濤[34]研發了一種裝配式膜堆肥技術（PMCT），其核心裝備由功能性覆蓋膜、曝氣中樞、曝氣器、連接組件、擋墻板以及擋墻支撐組成，核心特點在于完整可裝配特性和高度智能化。既在不破壞場地的前提下，系統所有部件可拆裝重復使用，并且無需專業施工安裝人員即可實現全部裝配。同時，通過內部控制軟件及遠程數據可實現一鍵啟動“發酵中樞”進入自動堆肥模式，無需專業人員即可完成堆肥過程。孫曉曦等[35]研發了一種智能型膜覆蓋好氧堆肥反應器，包含以Gore 膜為核心的覆膜系統、可變頻精確曝氣的布氣系統以及可實現堆體多點溫度、O2、壓力和氣體實時監測和智能化反饋的控制系統，反應器有效容積90 L，可用于實驗室規模的功能膜覆蓋好氧堆肥試驗研究。在規?；a層面，孫曉曦等[36]也基于傳統槽式翻拋堆肥系統，升級改良設計了一種適用于規模化生產的節能環保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統，核心模塊主要包括總控系統、風控系統、傳感系統和覆膜系統4 個部分，具備在線監測、數據導出、無線通訊和智能反饋控制功能。

3.4 機理機制探究

機理探究涉及到對功能膜法好氧堆肥技術在應用過程中表象產生原因的揭示。通常，在覆膜之后，膜下堆體內存在一定的“微正壓”，堆體內O2充足，以CH4為主的厭氧氣體的排放量便會偏低[37]。堆體在不同時空的酸堿度、水分以含氮離子的變化趨勢和分布特征則間接驗證了膜下獨特堆肥氣候的存在——膜下水膜對以NH3為代表性的易溶于水的氣體有一定吸收作用并可以液態形式回流至堆體表層。結合膜內外氣體排放速率和濃度差異性進行分析，可說明功能膜對不同類型氣體所表現出的減排能力及方式也存在一定的差異性[16]。

在微觀層面，堆體內微生物群落的演替、數量動態變化及其相關活動中物質的變化轉移往往反映了堆肥過程的特定變化。堆肥前期出現特定的酶，如蛋白酶和脫氫酶則意味著堆肥前期有機質降解的活性很強，而進入中溫期后放線菌和桿菌則是最具代表性的微生物[17，38]。相比傳統好氧堆肥系統，功能膜法好氧堆肥系統中檢測出了可降解纖維素的纖維弧菌目，找到了功能膜法好氧堆肥系統對提高有機質降解效率的作用微生物[15]。病原菌的動態變化可有效的監測堆肥腐熟進程，在功能膜法好氧堆肥系統中，病原菌的去除往往更加高效[39]。在水解反應最激烈的階段，功能膜法好氧堆肥系統中的臭味也可得到有效控制，僅為4 OUE/S[17]。堆肥過程中的氣體產排也與微生物息息相關。功能膜覆蓋處理不利于氨氧化細菌的生長但卻益于硫酸鹽還原細菌的生長，所以功能膜覆膜處理對NH3和H2S起到了一定的減排作用[21]。功能膜覆蓋處理會在高溫期減少產甲烷菌的生長，在降溫期促進甲烷氧化菌的生長，進一步解釋了不同時期覆膜對CH4產生的影響[37]，功能膜覆蓋處理同時可促進反硝化細菌的活性提升，并益于N2O的減排[40]。

4 總結與展望

好氧堆肥作為一種有機固體廢棄物無害化、減量化和資源化利用的重要技術途徑，正在受到廣泛關注?，F有的好氧堆肥技術模式尚存在堆體發酵不均勻、局部厭氧、能耗較大等問題，從而導致好氧堆肥過程大量溫室氣體、氨氣、臭氣和顆粒粉塵逸散造成二次污染的問題。功能膜法好氧堆肥系統相比傳統的技術模式，具有生產能耗低、溫室氣體等逸散少、堆體發酵均勻和周期減短效率高等優點，正在成為未來的重要的技術途徑。

目前，隨著功能膜法好氧堆肥技術的發展，市面上出現了很多價格不一、質量層次不齊的功能膜法好氧堆肥裝備產品，為奠定行業的規范化和可持續發展，功能膜法好氧堆肥裝備的機械行業標準的制定也在籌備中。此外，結合功能膜材料特性與智能化的好氧堆肥工藝特點，探索有機質高效降解、節能減排機制并開展機理研究尚鮮見報道，應系統加強相關研究，為完善功能膜法好氧堆肥技術體系、闡釋機理、升級研發先進適用的成套化裝備提供理論和方法學支撐。