软体沼气工程聚乙烯土工膜技术性能与成本分析

任寒硕，Muhammad Azeem，孙吉翠，张忠兰，杨守军

(1.中国农业大学 烟台研究院，山东 烟台 264670； 2.Department of Botany, University of Karachi, Pakistan Karachi 75270)

随着畜禽养殖业集约化程度的提高，意味着在相同时间、相同消纳范围内畜禽粪便量的增加，这不仅占用大量土地，而且已成为不可忽视的生态和环境保护的重要问题[1]。在国家大力提倡畜禽粪污资源化利用的政策背景下，固态粪便通过堆肥方式得到了有效处理，而占粪污一半以上的粪水处理则成为畜禽养殖业尤其是生猪饲养亟需解决的实际问题。

沼气工程在生产清洁绿色能源的同时，是实现粪便无害化处理的有效方式。目前使用较为广泛的沼气工程以钢筋混凝土沼气池、搪瓷拼装发酵罐以及软体沼气池为主。混凝土沼气池建设周期较长，用料、用工、投料及后期运行成本相对较高，并且产气不稳定、相关配套设备使用不方便等，而搪瓷拼装发酵罐易于实现规模化、自动化控制，但建设成本和技术要求高，后期管理维护复杂[2]。与混凝土沼气工程和搪瓷拼装罐相比，软体沼气具有经济耐用、价格低廉、投资少、见效快、安装便捷、使用维修方便等优点[3]。

目前软体沼气工程所用膜材料多为聚乙烯土工膜，聚乙烯土工膜又包括普通高密度聚乙烯土工膜、环保用光面高密度聚乙烯土工膜、环保用单糙面高密度聚乙烯土工膜、环保用双糙面高密度聚乙烯土工膜、低密度聚乙烯土工膜和环保用线型低密度土工膜[4-6]。不同的膜分类、不同的膜技术指标要求和不同的价格对软体沼气工程的投资成本、正常运行、无害化处理效果以及经济效益均产生不同的影响。关于软体沼气工程膜材料的性能及产品成本分析鲜有报道，因此本研究以生产上应用较为广泛的聚乙烯土工膜为研究对象，分别从不同厚度膜的产品成本、抗拉伸、抗穿刺、抗紫外线、抗老化性能等方面对进行对比分析，以期为软体沼气工程建设用膜提供科学的理论参考与建议。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究分别选取膜厚度为1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm的型号为GH-1的普通高密度聚乙烯土工膜、型号为GH-2S的环保用光面高密度聚乙烯土工膜、型号为GH-2T的环保用单/双糙面高密度聚乙烯土工膜、型号为GL-1的低密度聚乙烯土工膜为研究对象，所用土工膜由山东德州某环保材料有限公司提供，膜材料为聚乙烯树脂。

1.2 研究方法

从膜卷外端整幅宽度裁取长度不低于0.5 m的土工膜作为样品，委托当地产品质量监督检测中心进行检测。检测项目包拉伸屈服强度、拉伸断裂强度、抗穿刺强度、抗紫外线性能和抗老化能力，检测方法按照国标《GB/T 17643-2011 土工合成材料 聚乙烯土工膜》中的相关规定执行。不同规格的土工膜成本和使用年限通过市场调研和企业咨询获取，土工膜成本包括直接材料、直接工资、其他直接支出和制造费用。

1.3 数据统计分析

使用Excel 2003和SPSS 19.0对数据进行统计学分析，并使用最小显著差异法(LSD)处理显著差异性。

2 结果与分析

2.1 土工膜成本

由表1可知，随着土工膜厚度的增加，成本相应的升高，且不同厚度土工膜间成本差异显著。与1.00 mm厚度土工膜相比，1.50 mm和2.00 mm厚度土工膜的成本分别上升了48.8 %和82.0%。1.00 mm厚度的土工膜成本以GH-1和GL-1最低，分别是GH-2S和GH-2T的88.6%和77.6%。1.50 mm厚度的土工膜成本以GH-1最低，分别为GL-1，GH-2S和GH-2T的99.5%，88.6%和81.0 %；2.00 mm厚度的土工膜成本则以GH-2S最低，分别为GH-1，GL-1和GH-2T的96.8%，96.8%和92.4%。

表1 土工膜产品成本 (元·m-2)

2.2 土工膜抗拉伸性能

表2可以看出，膜的厚度与拉伸屈服强度和拉伸断裂强度呈现较好的正相关关系。不同厚度土工膜之间拉伸屈服强度和拉伸断裂强度差异显著。相同厚度膜拉伸屈服强度最低值为GL-1土工膜，最高值为GH-2T土工膜，其中1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm 厚度GL-1土工膜的拉伸屈服强度分别为GH-2T土工膜的71.7%，80.1%和74.0%。虽然膜拉伸断裂强度最低值同样为GL-1土工膜，但最高值为GH-2S土工膜。

2.3 土工膜抗穿刺强度分析

数据分析表明，膜的厚度与抗穿刺强度呈较好的正相关关系(见表3)。与1.00 mm厚度的土工膜相比，1.50 mm和2.00 mm厚度土工膜的平均抗穿刺强度分别增长了46.4%和99.1%。方差分析表明，不同厚度土工膜之间抗穿刺强度差异显著。4种土工膜以GL-1抗穿刺强度最低，GH-2S抗穿刺强度最高，其中1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm厚度的GL-1土工膜的抗穿刺强度分别为GH-2S土工膜的53.4%，55.6%和54.5%。

表3 土工膜抗穿刺强度

2.4 土工膜抗紫外线能力与抗老化性能分析

方差分析表明，膜厚度与抗紫外线和抗老化性能无显著相关性。与其他3种土工膜相比，GL-1土工膜的抗紫外线能力与抗老化性能最低。其中，1 mm厚度的GL-1土工膜的紫外线照射1600小时后OIT保留率和85℃热老化90 d后常压OIT保留率仅为平均值的62.9%和58.5%(见表4)。

表4 土工膜抗紫外线能力与抗老化性能

2.5 土工膜使用年限

由表5可知，不同膜厚度的GH-1和GL-1土工膜使用年限均为7年，GH-2S和GH-2T土工膜使用年限均为15年。数据说明，土工膜使用年限与膜厚度无显著相关性。

表5 土工膜使用年限

3 讨论

土工膜生产使用的材料分为中高密度聚乙烯树脂和低密度聚乙烯树脂，相同厚度的土工膜原材料成本差别很小，因此直接材料成本不是导致相同厚度土工膜产品成本差异的原因。数据表明，环保用高密度糙面土工膜的成本最高，主要是因为糙面土工膜加工过程中需通过复杂的特殊工艺使土工膜膜面起糙，进而增加了制造费用。产品成本与膜的厚度呈较好的正相关性，主要是因为随着膜厚度的增加，直接材料成本相应地增加，同时对生产工艺及设备设施也有更高要求，共同导致产品成本的升高。

拉伸性能和断裂强度是土工膜最重要、最基本的性能指标，也是土工膜质量控制、按照技术要求验收或拒收产品的重要技术参数之一[7-8]。研究表明，环保用高密度土工膜GH-2T具有最高的拉伸屈服强度，而GH-2S具有最高的拉伸断裂强度。这说明，高密度聚乙烯土工膜内部分子排布更加规整，破坏这种分子链排布需要的力大于低密度聚乙烯土工膜内部分子排布被破坏时受到的力，因此表现出更好的硬度和拉伸强度[9]。

土工膜的抗穿刺性能直接影响到软体沼气工程的稳定性[10]。土工膜一旦受到穿刺性破坏，将极大程度影响软体沼气工程的正常运行，带来重大安全隐患。与低密度聚乙烯土工膜相比，高密度聚乙烯土工模GH-2S具有最高的抗穿刺强度，主要是因为低密度聚乙烯支链的存在阻碍了分子链整齐地排布，而高密度聚乙烯分子链排布整齐，密度和力学强度较高[11]。

土工膜用作软体沼气工程覆膜材料时，会在高温、紫外线照射、与沼液直接接触等复杂的物理、化学、生化环境中发生较快的降解和老化[12]。一般情况下，土工膜中聚合物不会因温度变化而分解，但在粪水厌氧发酵产气过程中会因升温氧化和紫外线照射分解[13]。数据统计分析表明，膜的抗老化与膜的厚度无显著相关性，但与土工膜的生产工艺密切相关。这说明聚乙烯土工膜的抗老化性能取决于生产过程中添加的抗氧化剂、光稳定剂和深色物质碳等。

研究表明，土工膜的使用年限与膜厚度无显著相关，主要取决于沼气工程的科学运行和管理。高密度土工膜的使用年限明显高于低密度土工膜可能因为膜的原材料差异造成的。

4 结论

(1)从价格考虑，1.0 mm厚度的GH-1和GL-1土工膜成本最低。与GL-1土工膜相比，GH-1土工膜的抗拉伸性能、抗穿刺强度、抗紫外线能力与抗老化性能均具有优势；二者使用年限相同，均为7年。若使用周期较短、使用环境相对理想，推荐使用1.0 mm厚度的GH-1土工膜。

(2)从使用年限考虑，GH-2S和GH-2T土工膜使用年限是GH-1土工膜的两倍以上。成本上，GH-2S土工膜明显低于GH-2T土工膜。因此，GH-2S土工膜在长周期、工作环境较恶劣的情况下性价比更高。

(3)综合分析认为，在不同型号的土工膜中，2.0 mm厚度的GH-2S土工膜成本适中，在抗拉伸性能、抗穿刺强度、抗紫外线和抗老化能力及使用年限方面具有不同程度优势，较适合作为软体沼气工程的膜材料。