膜覆蓋好氧堆肥系統冷凝液和滲濾液二次污染防治

劉書洪 張 明 譚 竹 余紫凌

（1 湖南艾布魯環保科技股份有限公司，湖南長沙 410000；2 湖南省洞庭湖流域農業面源污染防治工程技術研究中心，湖南長沙 410000）

膜覆蓋好氧堆肥技術是在強制通風靜態垛式堆肥技術上加以改進，形成的獨特、經濟、有效的高溫好氧發酵系統， 是全國畜牧總站推薦的降低畜禽糞污處理養分損失的技術之一[1-2]。 膜覆蓋好氧堆肥系統可采用裝配式、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、微壓送風系統、智能控制系統和發酵槽組成。膜覆蓋系統由納米膜和壓邊設施組成；微壓送風系統由風機、曝氣管道組成；智能控制系統由PLC 控制器、溫度和氧氣傳感器等組成；發酵槽一般采用鋼筋混凝土結構，底板留槽。 膜覆蓋好氧堆肥系統可以露天運行、不建廠房，具有環保無臭、投資少、運行成本低、操作方便、適應性強等特點[3-7]。

膜覆蓋好氧堆肥系統被廣泛應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固廢堆肥[3]，國內已有大量關于發酵工藝、臭氣減排、控制系統等方面的基礎理論研究[5，8-9]。但是，在工程設計方面的研究并不充分，缺乏統一標準。目前，該技術在北方干旱少雨地區推廣較為成功，但在南方潮濕多雨地區應用時，如設計和使用不當，仍存在冷凝液、滲濾液二次污染風險。本文對冷凝液進行檢測分析， 在常規槽式膜覆蓋好氧堆肥系統基礎上進行優化設計，進一步提高該系統的適用性。

1 二次污染防治設計

1.1 冷凝液導流設計

納米膜是系統的核心組件， 是以聚酯膜等材料夾持特制膨脹聚四氟乙烯膜制成的復合膜， 有半透性， 能夠提高好氧堆肥發酵效果， 減少惡臭氣體排放，隔絕雨水對堆體的影響。 因膜的特殊作用，系統運行時自身會形成一個微高壓內腔， 促進堆體內氧氣的均布，提高堆體溫度，加快堆體腐熟，促進氨氮向硝酸鹽的轉化，減少NH3、H2S 等惡臭氣體的產生，且納米膜內壁會因半透性和內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化[10]。 研究表明，堆肥等工藝產生的惡臭氣體冷凝液中主要污染物是氨氮、H2S、揮發酸等[11-12]。 對不同批次牛糞-秸稈混合物膜覆蓋好氧堆肥冷凝液的采樣檢測結果表明，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 指標超過了污水綜合排放一級標準限值（表1），不能直接排放。因此，冷凝液回流設計對提高系統效能、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

冷凝液回流設計常見做法有2 種。 做法1 是在發酵槽槽壁頂部設導流槽， 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]，由于缺乏密封設計， 大量冷凝液都會順著膜內壁經納米膜與發酵槽槽頂的縫隙流到發酵槽外，見圖1（a）。做法2 是在發酵槽槽壁外部底端底板設置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 種方法雖然對冷凝液進行了一定程度的收集導排， 但都不能將冷凝液及時回流至堆體，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。 本文設計了優化做法3，見圖1（c），將發酵槽槽壁頂部設計為內傾式，并包裹特質的U 型導流護套。 導流護套采用EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）發泡板制作，具有良好的彈性、耐候性和耐腐蝕性[13]，成本低廉、環保且易于加工[14]。納米膜覆蓋壓邊時膜內壁與護套緊貼密封， 冷凝水從槽頂向內直接回流至堆體進而被生物轉化， 不會外流，降低了氮素損失，杜絕了二次污染。 發泡板還可提高系統密封性，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，延長納米膜使用壽命。

1.2 發酵槽底板防滲設計

膜覆蓋好氧堆肥系統發酵槽底板需堅實可靠，在滿足裝載機進出料、 曝氣管布設的基礎要求下，更需要滿足滲濾液導流和防滲需求[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，風壓損失大，不利于配氣；管溝處應力集中，極易因不均勻沉降產生裂縫，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， 施工復雜不經濟。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，不經濟。

在水利、交通、環保等領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，具有良好的抗滲性和穩定性[16]，其水蒸氣滲透系數低于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， 設計了組合式HDPE 膜防滲底板。 如圖2（c）所示，底板為鋼筋混凝土結構，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合度。膜下鋪設600 g/m2的無紡土工布作為下墊保護層，膜上管溝處鋪50 mm 素混凝土保護。 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。 該做法防滲性能優異、抗變形能力強、風壓損失小、施工簡便、較為經濟。

1.3 室外系統雨污分流設計

納米膜可有效隔絕雨水對發酵堆體的影響，因而室外膜覆蓋好氧堆肥系統的雨污分流設計主要體現在防外圍雨水倒灌和內部滲濾液導排方面。 發酵槽底板應設置一定的縱橫坡度， 一般采用管溝作為滲濾液縱向導排溝， 出口位置還應設置橫向截流導排溝，且置于膜覆蓋范圍內，杜絕雨水匯入增加滲濾液量。 當發酵槽較長時，可沿槽長方向分段雙向找坡，減少首尾高差。 底板澆筑時可用鋼管壓制20~30 mm 深的橫向集液槽， 減少滲濾液沿槽底匯流時間。 發酵槽周邊應設置雨水導排溝、擋水坎等設施，防止雨水侵入。

當采用多槽并列建設時， 不少工程案例將各槽滲濾液導排溝、導排管并聯匯總接入一個收集池，這是一種不恰當的做法。當某一槽空置且遇降雨時，雨水將通過滲濾液聯通管道， 倒灌至其他發酵槽和滲濾液收集池，造成滲濾液稀釋，增大處理難度，影響正常運行。因此，每一個發酵槽應當設置獨立的滲濾液排放管道和收集池（圖3）。

2 露天運行的污染防治措施

膜覆蓋好氧堆肥為續批式發酵，需進行預處理、堆肥、 出料等步驟。 預處理一般需在發酵槽原位攤鋪、混合、翻拋發酵物料，調節含水率、碳氮比、孔隙率等，發酵完成后揭膜出料[7]。系統不設遮雨棚時，預處理和出料為露天操作， 極易受到降雨影響產生滲濾液，是二次污染防治的重點。運行時應根據天氣條件靈活安排工序，并盡量壓縮露天作業時間。傳統鏟車、自走式翻拋機建堆和人工覆膜的方法耗時費力，市面已有覆膜翻堆一體機[18]，可同步進行快速翻拋和覆膜，減少暴露時間。當槽內物料或者肥料不能及時處理時，應臨時覆蓋發酵槽，減少臭氣散發、蚊蠅滋擾和降雨影響。當發酵槽清空時，應及時將滲濾液收集池內的滲濾液清運，關閉進水管。堆肥產生的滲濾液是一種高濃度堿性有機廢水，富含微生物，不能直接排放[19]。 收集后的滲濾液如進行達標處理十分繁瑣，可在原料含水率較低的情況下進行回噴，也可摻進后熟料或下一批堆體中[1，6]。連續生產時，由于管溝等部位殘存的有機肥、滲濾液難以清理完全，建議發酵槽始終保持臨時覆蓋狀態，避免污水產生。

3 遮雨棚的必要性

膜覆蓋好氧堆肥系統的一次進出料作業周期一般為25~30 d， 一般需建設多座發酵槽依次使用，以縮短建堆間隔時間，減少原料暫存量，達到近似連續生產的效果。 室外露天運行是膜覆蓋好氧堆肥系統的顯著優勢之一。工程實踐證明，采用前述優化設計可杜絕系統露天運行時的冷凝液、滲濾液二次污染問題。但當堆肥處理量較大時，露天作業流程不可避免地會受到降雨等惡劣天氣影響，頻繁的二次污染防治作業會造成堆肥中斷，影響堆肥連續性和產量，增大了暫存場的容積需求。根據運行經驗，在南方地區，當設計堆肥建堆間隔時間小于1 周時，建議為發酵槽加蓋遮雨棚，保證堆肥設施全天候運行，降低二次污染防治的勞動強度。 遮雨棚的建設需充分考慮運輸、覆膜、翻堆設備的操作便利性。 雖然遮雨棚的建設成本會增加， 但得益于膜覆蓋好氧堆肥系統的優點及其二次污染防治措施，遮雨棚無須密閉，其結構防腐要求也較低，使用壽命長，因而其全壽命周期成本低于其他開放式堆肥工藝。

4 結論

不同批次牛糞-秸稈混合物膜覆蓋好氧堆肥冷凝液的檢測結果表明，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 指標超過了污水綜合排放標準限值，不能直接排放。

U 型導流護套、內傾式槽壁頂的設計提高了常規膜覆蓋好氧堆肥發酵槽堆體密封性，使冷凝液實時回流至堆體轉化，杜絕了冷凝液外流，進一步減少了臭氣排放，保護了納米膜；組合式HDPE 膜防滲底板設計用材省，施工簡便，防滲性能優異；優化后的雨污分流設計、獨立的滲濾液導排和收集系統，壓縮暴露時間、臨時覆蓋、采用新型設備等運行期污染防治措施可有效減少系統露天運行時的滲濾液量；上述措施經工程實施檢驗可杜絕冷凝液、滲濾液的二次污染問題。 當堆肥處理量大、系統使用頻繁時，建議為發酵槽設置遮雨棚，有利于提高生產效率。