2014年我国污泥年产量已达到3 600万t,城市污泥的处理处置问题日益突出,污泥的安全处理处置成为我国水污染控制领域的薄弱环节^[1]。据统计,目前重点流域城市污泥大多仅实现了脱水处理,最终处置方面66%采用填埋,不适当的处理处置极易带来二次污染。 长期以来,污泥好氧发酵技术在我国污泥处理处置方式中发挥着重要作用^[2]。而膜覆盖高温好氧发酵工艺技术是近年来发展的一种新工艺,其核心是将一种特制功能膜作为垃圾好氧发酵处理覆盖物的工艺技术,特制功能膜能够在鼓风的作用下,在发酵体内能够形成一个微高压内腔,使堆体供氧均匀充分,温度分布均匀,为好氧发酵构建了一个适宜的小环境,同时,水蒸气和二氧化碳能够借助功能膜的微孔结构扩散出去,维持了发酵堆体膜内外的气流平衡,保证好氧发酵进行得更加充分彻底,致病性微生物得到有效杀灭,以确保发酵物的卫生化水平。同时,膜的分子过滤微孔结构,可将灰尘、细菌等与外界隔离,好氧发酵过程产生的重要臭气来源———氨气,可通过膜内壁的水膜隔绝吸收,并通过微生物的降解作用得到控制。 近年来,膜覆盖污泥好氧发酵技术已经在我国上海奉贤、朱家角等污泥处理厂得到成功应用,其独特的优势正得到业界的广泛关注^[3]。

　　 目前,市面可购买到的PTFE膜多为纺织用膜,其在制造冲锋衣等领域已有广泛应用,由于其低廉的价格,已在膜覆盖好氧发酵工程得到一定应用,但其在阻隔臭气方面仍存在一定问题。本次试验针对普通纺织用PTFE膜和经过特殊加工的改性PT-FE膜(ePTFE膜)进行对比试验,探索ePTFE膜对污泥发酵过程中硫化氢、氨气等气体浓度变化规律的影响。

　　 本次试验装置采用直径0.25m,高0.6m圆筒式试验仪器,侧壁不同高度开设3个取样孔,顶部可开启,将膜固定在反应器顶部,顶部可通过导气管将好氧发酵产生的气体收集并送入在线检测设备,底部通过鼓风机进行鼓风。由于罐体尺寸小,好氧发酵无法通过自身堆体产生的热量上升至高温发酵区,因此采用水浴方式对好氧发酵过程的温度进行模拟,见图1。

　　 将污泥与调理剂混合均匀后放入发酵罐中,每个罐体均含有2kg原污泥和1kg粒径在10~15mm的浮石(一种多孔且吸水结构的调理剂,可调节堆体孔隙率和含水率,可回收再利用),装入罐体后开始通风,为减少通风量对堆体升温及氨气挥发的影响,整个发酵过程中通风速率均控制为400mL/min。堆体初始温度为室温28 ℃,水温设为25 ℃。

　　 如表1所示,共设置3组试验,一组空白,两组对照,分别采用普通膜和功能膜。

　　 由于本次试验装置为水浴控温模拟发酵过程温度,其堆体温度变化并不大。但仍可以根据温度差别,找到膜覆盖对发酵温度的影响。

　　 由图2可以看出3个堆体在发酵前期温度迅速上升,在100h内达到50 ℃以上,升温期过程中3个堆体的温度差异较小。各堆体保持在50 ℃以上达到120h,膜2在108h温度达到最高54.2 ℃,其温度在整个高温期均高于其他两个堆体。高温期后,堆体温度逐渐降低,在整个降温期,膜2堆体温度依然稍高于其他2个堆体。这说明,膜2对堆体的保温效果比膜1较好。这与发酵膜孔径及厚度有关,由于ePTFE膜较普通膜具有孔隙率更致密,厚度更厚的特点,其保温性能更加突出。

　　 本次试验所用污泥含水率84.31%(6 次取平均,105 ℃,24h重量法)。如图3 所示,在发酵初期,调理剂可以调节发酵物料的含水率,污泥含水率迅速下降,在此过程中,温度较低,蒸发作用较弱;两天后随着温度的升高,调理剂的吸水作用减弱,水分蒸发增强,污泥中的含水率迅速下降,尤其在4~6d,含水率下降最快,堆体中的水分以水蒸气的形式随着气流上升,在罐体上方的斜面上凝结成水滴,并流入水槽中,通过导管可以排出罐体。但由于膜的阻碍作用,水分在膜的内表面凝结,从罐体中排出的水分减少,因此膜1和膜2所在堆体的污泥含水率高于空白,尤其是在降温期,二者的差距逐渐增大,在此过程中,膜1所在堆体的污泥含水率略高于膜2,这说明,膜1对水分蒸发的阻碍作用大于膜2。

　　 如图4所示,发酵物料含水率下降趋势与污泥含水率下降趋势类似,在发酵前期三者迅速下降且相互之间的差距较小,在高温期空白含水率迅速下降,而膜1和膜2所在堆体物料含水率下降缓慢,且膜1高于膜2,这与污泥含水率变化规律相同,均可说明膜覆盖对水分的阻碍作用,且膜1的阻碍作用大于膜2。

　　 从图5可以看出,污泥pH初始值为6.25,弱酸性,这与污泥中的有机质酸化有关。在发酵初期,pH迅速上升,在第2天上升到8.5以上,这与污泥中剧烈的氨化反应有关,氨化反应产生的NH₃溶解在污泥中,水解生成NH₄⁺和OH^-,使污泥中的pH迅速上升。三者的pH均在高温期达到最高,且相互之间差距微小。从高温期后期,即第6天开始,膜1和膜2所在堆体污泥pH开始高于空白,并且差距随时间增大,到发酵结束时,空白降至7.85,而膜1和膜2分别为7.95和8.19。这可能与膜2对氨气的阻碍作用大于膜1有关,氨气在膜2的阻挡下并未随空气散发,而是在膜内表面被冷凝水吸收,随后随冷凝水回到污泥中,导致pH上升。

　　 本试验过程中挥发的氨气通过硼酸吸收,测定每天的氨气产生量,并计算其累积量如图6所示。

　　 从图6可以看出,膜覆盖对于氨气的挥发具有明显的抑制作用,尤其是膜2的效果较为显著。在发酵初期,氨气挥发较慢,膜1和膜2几乎没有氨气挥发,随着温度的上升,氨气挥发量快速增加,膜2对氨气挥发的阻碍作用开始明显大于膜1。在整个高温期,尤其是10d之前,膜2的氨气挥发量低于空白氨气挥发量的1/2,即发酵产生的氨气有一半以上被膜阻挡,没有挥发。在此过程中,膜内表面形成水膜,发酵释放的氨气可溶于水膜中,达到阻止氨气挥发的目的,但从上述污泥含水率的变化来看,虽然膜对污泥发酵过程中的水分蒸发有一定阻碍作用,但污泥含水率仍有大幅下降,这说明水可以穿过膜,氨气溶于水中,也可随水分的散失穿过膜。因此在发酵后期,随着膜2所在堆体污泥含水率的降低,膜内表面的水膜减少,氨气出现第2个浓度峰值。

　　 从图7可以看出,膜覆盖对硫化氢的释放具有明显的抑制作用,膜2的作用大于膜1。在发酵初期,由于污泥本身的特征,臭味严重。随着堆体的不断曝气,厌氧反应受到抑制,硫化氢产生量逐渐减少,5d后3个堆体的硫化氢均在0的水平。膜覆盖对于硫化氢释放的阻碍作用主要体现在发酵初期,在添加膜覆盖后,膜2的第1天硫化氢浓度是空白的36.43%,除第3天外,其他时间膜2硫化氢浓度均低于空白。这说明膜2可以有效阻挡堆体中硫化氢的挥发,减少发酵过程中的臭味释放。

　　 高浓度的硫化氢在膜的阻隔作用下,其挥发浓度可较无膜覆盖的条件下降低60% 左右。但应该指出的是,尽管膜覆盖可有效降低发酵堆体中硫化氢挥发浓度,但根据《恶臭污染物排放标准》二级标准规定,硫化氢厂界标准值为0.06mg/m³(约0.04ppm),而上述试验表明,好氧发酵初始阶段,由于厌氧环境产生的硫化氢浓度高达14ppm,膜覆盖后其后初始硫化氢浓度可降低至6ppm左右,但仍离厂界标准有很大差距,而好氧发酵5d后,硫化氢浓度迅速降低到较低水平,其臭气浓度可以达到《恶臭污染物排放标准》二级标准。应当指出的是,由于本次试验为全封闭条件下臭气收集分析,实际工程中臭气散发至周边大气中,其浓度将大大降低,而厂界浓度会进一步降低,因此实际工程中测定臭气浓度往往大大小于本次试验臭气散发浓度。尽管如此,随着环保要求的逐渐提高,污泥膜覆盖好氧发酵初期产生的高浓度臭气应予以足够重视并加以控制。

　　 (1)相对普通PTFE膜,ePTFE膜具有更佳的堆体保温性能,同时具备更好的透气性能。

　　 (2)膜覆盖好氧发酵可显著降低堆体外排臭气中氨气和硫化氢浓度,相比普通PTFE膜,ePTFE膜在阻隔硫化氢排放浓度方面较为接近,但其对高浓度氨气的阻隔作用明显优于普通纺织用PTFE膜。

　　 (3)尽管膜覆盖好氧发酵技术可显著降低好氧发酵过程中氨气和硫化氢等浓度,但并不能完全阻隔臭气的散发,建议实际工程中应注重发酵初期高浓度臭气的控制。