膜覆盖条垛堆肥技术与应用案例

王 涛

（1.机械科学研究总院环保技术与装备研究所，北京 100044；2.机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

1 膜覆盖技术的起源与发展

膜覆盖技术（Membrane Cover Technology，可简称为MCT）指高温好氧发酵过程在功能膜（半透性柔性复合膜）覆盖的环境中进行，控制料堆与周围环境的物质与能量交换，使料堆排放的污染物（臭气、气溶胶）浓度低于规定的限值。从本质上讲，膜覆盖技术是一种改良的静态条垛堆肥技术。

早期工业化堆肥系统很多采用静态条垛堆肥技术，因为此类技术具有投资节省、处理规模可调、平面布置灵活等特点，目前在美国、加拿大等地仍有大量静态条垛式堆肥系统还保持运行状态。但由于静态条垛堆肥系统也存在占地面积大、受气候影响大、二次污染不易控制、自动化程度低等问题，因此在大多数条件下的应用受到了限制。

20世纪80年代，德国Baden-Baden推出了利用功能膜作为覆盖层，将堆体与周围空气相对隔离进行好氧发酵的一种静态条垛堆肥方法。这一技术的基本原理和运行方法与静态条垛技术类似，最主要的创新之处是采用了具有防水、透气功能的功能膜覆盖层，在不影响对条垛通风曝气和去除水分的同时，可防止雨水对堆肥过程的影响，并且可极大缓解臭气对周围环境的影响。随着膜覆盖静态条垛堆肥技术的不断完善，后期开发了卷膜机等机械化专用设备，为此类项目的推广提供了更加完善的设备条件。目前该类技术被广泛应用于污水处理厂脱水污泥、生活垃圾、畜禽粪便、沼渣、餐厨垃圾、园林垃圾等领域的有机固废堆肥，并被用于填埋场改建过程中的陈腐垃圾处理和土壤修复领域。

2010年11月，上海朱家角脱水污泥应急工程作为国内第一座采用膜覆盖工艺的污泥堆肥处理项目投入运行，之后奉贤等上海周边郊县的污水处理厂脱水污泥处理项目也采用了该工艺，并且膜覆盖技术作为主导工艺类型被编入上海市《城镇污水处理厂污泥高温好氧发酵处理技术规程》（待发布）。2013年5月，国内第一座园林绿化废弃物膜覆盖堆肥系统在北京投入使用。

2 膜覆盖系统工艺流程

膜覆盖技术主工艺过程与传统高温好氧发酵工艺过程类似，以脱水污泥处理为例，主要由脱水污泥和辅料的收集、储存、预处理、进料布料、一次发酵、二次发酵、出料和储存等工序组成。膜覆盖系统工艺流程如图1所示，系统的好氧发酵核心系统组成见图2。

图1 膜覆盖堆肥系统工艺流程图

图2 膜覆盖系统好氧发酵核心系统组成

3 膜覆盖系统核心技术

3.1 功能性覆盖膜

功能性覆盖膜的核心材料是ePTFE（中文名称：膨体聚四氟乙烯），其具有极其稳定的化学性能和很宽的温度适用范围，膜表面存在大量直径为0.2～1.0μm的微孔，孔的尺寸为水珠的万分之一以下，而比水蒸气分子大700倍以上，水汽分子能轻易通过，而即使最小的水珠（轻雾）也不能通过薄膜。ePTFE织物具有良好的防水、透湿、防风功能，常用于登山及御寒等户外衣着之用。此类功能膜的应用一般分为3-layer、2-layer、liner三类，堆肥领域一般采用3-layer或2-layer的复合膜。用于堆肥的功能性覆盖膜一般应满足下表所列的技术指标。

功能膜的技术指标表

3.2 曝气系统

膜覆盖系统只设置曝气系统而不设置引风除臭系统。其曝气系统是整个系统的核心，由鼓风机、通风管道和控制系统组成，曝气系统与覆盖膜共同形成了与周围环境相对隔离的封闭环境，发酵物料在这个环境内完成堆肥反应过程。

鼓风机采用传统离心式通风机即可，根据物料的高度选择风压，风量可根据物料来源不同按照0.5～2m3/m3堆料·h估算。

通风管道采用穿孔管、混凝土曝气槽或者专用预埋曝气管（如图3）。

图3 专用预埋曝气管（AEROFIX X in-floor）

控制系统由氧气检测系统、温度检测系统和风机控制PLC组成，通过氧气和温度的反馈数据控制风机的启动和停止。

3.3 卷膜设备

对于小型膜覆盖堆肥系统，可以人工操作膜的收卷和覆盖；大型膜覆盖堆肥系统则一般需要专用卷膜设备，除可节省人工外，也有益于延长膜的使用寿命。

卷膜设备一般分为两种，固定式（见图2）和移动式（如图4所示）。

图4 移动式卷膜设备示意图

4 膜覆盖技术的适用性

膜覆盖技术的优势：

（1）复杂性低、易操作，系统可靠性高；

（2）系统设置灵活，甚至可以租赁运行；

（3）模块化，相同需求领域可以快速升级，实现生产能力的快速扩展；

（4）设计、施工、安装周期短；

（5）不需设专门的除臭系统，可节省大量投资和运行成本。

膜覆盖技术同时存在着不足：

（1）从原理上，膜覆盖技术仍然属于静态条垛技术类型，同样避免不了静态条垛技术的问题：停留时间长，系统效率低；无法实现自动化进出料；维持物料间孔隙率需要添加大量辅料，尤其对于污泥堆肥处理过程更是这样；

（2）功能膜材料对于臭气的阻截作用无法达到除臭系统的效果，并且在一次发酵与二次发酵过程中的转垛过程中，臭气外溢无法控制；

（3）功能膜材料保温性能无法与建筑物相比，尤其是堆体表层受外界气温影响较大，再加上没有翻堆过程，表层物料在冬季无法实现有效腐熟。

通过对膜覆盖技术的优势与不足的分析，得到该技术的适用范围：

（1）各领域小规模堆肥处理设施；

（2）季节性堆肥处理设施，如园林绿化废弃物、农业废弃物堆肥设施；

（3）大型临时性堆肥处理设施，如存量污泥处理设施；

（4）正式、规范堆肥处理设施的备用系统。

5 膜覆盖技术应用案例

5.1 美国Westlake Farms堆肥项目

美国加利福尼亚州洛杉矶卫生区（LACSD）Westlake Farms堆肥项目是目前规划中世界最大的堆肥项目，位于Kings地区靠近Kettleman市，距离洛杉矶150多英里，总占地约200英亩（约合1200亩）。项目共分五期建设，总设计处理能力超过100万吨污泥/年（其中包括50万吨污泥/年和50万吨园林垃圾/年）。项目一期工程将在2013年开始试运行投产，设计处理能力为10万吨/年。

Westlake Farms项目采用UTV GORE®膜覆盖高温好氧堆肥处理系统。污泥与粉碎的园林垃圾混合后，通过铲车堆置成长50米、宽8米、高约3.5米的堆体，每堆槽铺设2根氧气通风管道。在堆体表面覆盖特制功能膜并固定，使用五点温度传感器和氧传感器实时监控堆体中的温度和氧气变化。在充分供氧及适宜水分条件下，经过4周完成一次发酵。一次发酵完成后，进行一次翻堆，经过2周完成二次发酵。二次发酵结束后，再进行一次翻堆，并在自然条件下，让其腐熟2周，以便发酵更加完全。污泥和园林垃圾经过8周的生物降解、转化、稳定，进而得到优质的有机肥料。发酵过程中产生的少量渗滤液，经由排水系统收集后，用于在原料含水率较低的情况下进行回喷。

该项目从2010年开始立项，在项目前期验证阶段，当地相关审查监管部门对整个系统进行了一系列的验证性试验，试验结果和数据表明膜覆盖系统的性能与当地物料条件相结合符合VOC排放控制的限制性规则和美国TMECC-2002堆肥产品质量标准。

5.2 上海朱家角脱水污泥应急工程

上海朱家角脱水污泥应急工程是国内最早采用膜覆盖堆肥工艺的污泥处理项目。该项目位于青浦污水处理厂厂区内部，总占地面积约6.67公顷；处理规模100吨/日；工程投资1200万元；运行成本150元/吨；最终处置方式为土地利用。作为上海市青浦污泥处理工程的应急工程（见图5），于2010年8开始建设，2010年12月底建成投入使用。

图5 上海朱家角脱水污泥应急工程现场（2011年9月拍摄）

6 结语

目前堆肥技术发展的主流方向是机械化堆肥，尤其是目前以SACT工艺为代表的全机械化流程为堆肥技术应用在大型工业化集中处理指明了发展方向。但堆肥技术的应用领域十分广阔，机械化堆肥技术在很多情况下无法发挥其特长，膜覆盖技术的出现成为机械化堆肥技术有益和必要的补充。可以预见：两者相结合，甚至在同一个项目中相互融合，应能探索出一条适合中国国情的、普遍适用的堆肥技术发展道路。

[1]盛金良，龚莹，宫宁，等.膜覆盖污泥好氧堆肥通风特性研究[J].环境工程学报，2013，7（2）：115-119.

[2]张永华.上海市污水处理厂污泥处理处置现状及发展趋势[J].城市道桥与防洪，2012，9：135-138.

[3]王涛.SACT污泥全机械化堆肥工艺与自动控制系统[J].中国环保产业，2010，（2）：32-34.

[4]王涛.城市污泥堆肥技术机械化工业化发展趋势与典型案例分析[J].城镇水务，2013，4（1）：17-21.