1 引言(Introduction)

好氧堆肥技术是畜禽粪便、农作物废弃物、污水处理厂脱水污泥、餐厨垃圾等有机固体废弃物最常用的处理方式之一.好氧堆肥是指在有氧条件下通过生物氧化的作用将有机物分解矿化并腐化, 得到稳定、无害的成熟有机肥, 使其具有一定的腐殖质特性, 且不含病原体、杂草种子等.好氧发酵可使基质中难降解的有机物被部分降解, 形成代表土壤肥力的腐殖质, 并使致病菌和杂草种子在高温阶段被灭活, 潜在的臭味危害被消除, 形成稳定、安全、有土壤肥力的终产物, 是有机物资源化的良好途径.

影响好氧发酵过程的因素可分为两类：一类是堆肥的组合配比, 如C/N比、pH值、粒径、孔隙度和含水率等；第二类是过程控制, 如氧气浓度、温度.在堆肥的过程中, 物理、化学和生物因素相互作用, 直接影响终产品肥料的品质.若过程控制不当, 可能会造成气味难闻、病原体未完全杀灭、肥料营养流失严重等问题.

堆肥化技术种类众多, 分类方式多样.根据堆肥物料的状态, 可分为静态堆肥和动态堆肥；根据堆体内微生物的生长环境, 可分为好氧堆肥和厌氧堆肥；根据堆肥的机械化程度, 可分为露天堆肥和快速堆肥；根据堆肥化技术的复杂程度, 可分为条垛式堆肥、强制通风静态垛式堆肥和反应器系统堆肥(Morgan et al., 1982).传统的好氧发酵工程技术模式一般采用槽式或条垛式, 发酵过程温室气体、臭气等产排量较大, 易造成环境的二次污染.

膜覆盖好氧发酵技术是近年来兴起的一种改良的静态垛堆肥技术, 其主要创新之处在于采用了具有防水、透气功能的半透膜, 可防止雨水、大风等天气因素对堆肥过程的影响, 并且能阻拦气体挥发, 极大地缓解臭气对周围环境的影响.

2 半透膜覆盖堆肥系统构成(The constitution of semi-permeable membrane-covered composting system)

膜覆盖好氧发酵技术, 其技术核心主要在3个方面：膜覆盖系统、微压送风系统、控制系统, 膜覆盖好氧发酵技术构成如图 1所示.

膜覆盖系统：好氧发酵覆盖膜使用ePTFE(聚四氟乙烯)材料, 膜上0.2 μm孔径的微孔是灰尘、气溶胶和微生物的有效物理屏障, 可阻止它们向外扩散.分子筛选膜表面高度疏水, 在处理过程中, 膜的内表面会生成一层冷凝水膜, 尾气中大多数的臭气物质, 如氨气、硫化氢、挥发性有机化合物(VOCs)等都会溶解于水膜中, 之后又随水滴回落到料堆上, 并在那里继续被微生物分解, 从而有效减小氮的损失, 阻隔臭气(陈佩芝等, 2016).膜覆盖系统还可以防止发酵系统受到外界气候的影响, 防止雨水渗进, 能将渗滤液与降水分开.渗滤液由一套沟槽系统收集, 可以被储存和回灌, 而降水被覆盖膜遮挡分流.膜覆盖系统还具有减少热量散失的功能, 使堆体能够达到更高的发酵温度, 维持高温持续时间, 从而缩短发酵周期.

微压送风系统：为了满足好氧微生物对O₂的基本需求, 膜覆盖好氧发酵技术一般采用强制通风方式, 使用鼓风机向堆体底部的通风沟鼓风, 气体受到膜的阻拦后, 会在堆体内部形成微压环境, 使气体分布更均匀, 气流穿透力增强, 所需通风量减少.同时不需翻堆, 便可减少堆体的厌氧区域.一般来说, 处理量越大, 通风布风系统越经济.

控制系统：控制系统由氧气检测系统、温度检测系统和风机控制系统组成, 通过氧气和温度的反馈数据控制通风量和通风时间以维持微生物的活性, 保障发酵过程高效进行.

膜覆盖好氧发酵介于开放式好氧发酵和封闭式好氧发酵之间, 并结合了两种系统的优势, 其简单与灵活的特性类似于开放式好氧发酵；但膜盖层为分解提供了与封闭式设备相同的控制条件, 环境可达到封闭式设备标准, 为好氧发酵创造了一个真正的“气候箱”, 使微生物在最短时间内将废弃物转换成高品质肥料, 形成独特、经济和有效的高温好氧发酵系统.

3 膜覆盖好氧发酵技术国内外研究现状(The research status of semi-permeable membrane-covered composting system at home and abroad) 3.1 膜覆盖好氧发酵技术国外研究现状

膜覆盖好氧发酵技术最早出现于20世纪80年代的德国, Baden-Baden推出了一种利用功能膜作为覆盖层, 将堆体与外界空气相隔绝进行好氧发酵的静态条垛堆肥方法(王涛, 2013).后期膜覆盖好氧发酵技术不断完善, 如今掌握最成熟技术的是德国UTV AG公司, 该公司成立于1996年, 其核心产品名为“GORE^Ⓡ Cover(戈尔膜覆盖系统)”.堆肥设备的年生产能力在10²~10⁶ t之间(陈佩芝等, 2016).UTV AG公司在原来的堆肥区的条槽中设置了U型混凝土成品件, 借助侧壁, 可使相同面积上的容量高出20%, 并且可以更整洁地分隔条槽, 分离渗滤液和雨水, 在冬季便于更简单地固定膜, 使地面上的膜不冻结.迄今为止, 该公司已在奥地利、加拿大、美国等世界不同气候带上的20多个国家建立了堆肥厂, 在我国云南、广东、西藏和内蒙古等地也已有多个试点, 主要以城市污水厂脱水污泥和畜禽粪便为处理对象, 2017年建造的呼伦贝尔市有机肥厂设计年产量1.4万m³, 已建造了5条堆肥槽.

美国加利福尼亚州洛杉矶卫生区(LACSD)Westlake Farms堆肥项目是目前世界最大的堆肥项目(王涛, 2013).该项目便采用UTV GORE^Ⓡ膜覆盖高温好氧堆肥处理系统, 以污水处理厂的脱水污泥为底物, 粉碎的园林垃圾为辅料, 经过为期4周的一次发酵和为期2周的二次发酵后, 在自然条件下陈化2周, 堆肥产品便可发酵得更加完全、稳定.堆肥周期持续2个月, 便能得到优质的有机肥料.发酵过程会产生少量渗滤液, 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, 不需额外的污水处理措施, 过程卫生、操作简单、一次性处理量大.

膜覆盖好氧堆肥技术起源于实际应用, 细致的理化性质变化、微生物群落结构、产品腐熟度评价等基础研究进行的较晚.自2010年以后, 国外学者才逐渐开展了对膜覆盖好氧堆肥的研究, 在发酵效果、微生物多样性变化、氨气等臭气挥发情况等方面(Li et al., 2020; Dhamodharan et al., 2019)证明了膜覆盖堆肥较传统静态垛堆肥效果更好.在发酵效果方面, González等(2016)以污泥为原料, 使用工业规模的膜覆盖半密闭堆肥系统与传统开放式堆肥进行对比研究, 发现膜覆盖使得高温维持更长时间, 可更快杀死病原体, 在膜覆盖条件下进行的堆肥过程可以缩短到30 d.在微生物作用方面, Robledo-Mahón等(2018; 2019)研究了半透膜对污泥堆肥过程中酶活性和细菌、真菌种群变化的影响, 发现膜覆盖可以有效杀灭病原体, 在膜覆盖条件下微生物的多样性有显著的变化, 这可能是膜覆盖可以缩短堆肥周期的原因, 证明了半透膜覆盖系统对污泥堆肥的适用性和有效性, 并指出微生物种群的变化及其与操作变量之间的相互关系可以作为监测堆肥过程的有用工具.在臭气排放等方面, Garcia-Gonzalez等(2015)采用半透膜覆盖法对猪粪中氮的回收进行了研究, 结果表明, 随着粪肥中有效NH₃含量的增加, 膜吸附了更多的氮, 说明膜覆盖是一种从粪便中回收氮的有用技术, 同时可以减少环境污染.

3.2 膜覆盖好氧发酵技术国内研究现状

国内对膜覆盖好氧发酵技术的研究起步较晚, 但近年来, 膜覆盖堆肥逐渐成为国内有机物好氧处理方向的研究热点, 在国内已有多个工程应用.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, 该项目于2010年建成, 位于青浦污水处理厂厂区内部, 总占地面积约6.67 hm², 处理规模100为t · d^-1, 工程投资1200万元, 运行成本150元· t^-1(Chiang et al., 2005).潮州市某处理规模225 t · d^-1(含水率80%污泥计)的污水处理厂采用重力浓缩+离心脱水+电渗析脱水+高温膜覆盖好氧发酵技术处理污泥, 含水率低于40%后外运, 污泥处理运行情况良好, 处理后的污泥外运作土地利用, 市场良好(林英等, 2019).之后奉贤等上海周边郊县的污水处理厂也采用了该工艺来处理脱水污泥, 并且膜覆盖好氧发酵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》, 为该技术在全国的推广起了示范作用.2013年5月, 北京建成国内第一座园林绿化废弃物膜覆盖好氧堆肥系统并投入使用(王涛, 2013).e-PTFE聚四氟乙烯膜的研发并不难, 自2010年, 青岛志腾科技有限公司便已研发出防水透气e-PTFE好氧堆肥膜, 后经不断改进已经达到了国际水平, 惠州市沃瑞科技有限公司研发的专门用于堆肥的Voir^Ⓡ CM168^TM膜也已具有较高水平, 在实际堆肥中效果良好.

随着膜覆盖好氧发酵技术在国内的推行与应用, 研究人员也陆续开展了对膜覆盖好氧发酵技术的原理探讨, 研究对象主要为城市污水厂的污泥(李广坤, 2016；朱海伟等, 2015；李海漪等, 2019).朱海伟等(2015)以上海奉贤污泥厂的生活污泥为研究对象, 使用膜覆盖好氧堆肥技术, 研究了不同粒径污泥与混合污泥的腐熟度之间的关系, 发现15~25 mm粒径污泥的腐熟程度较好.张燕剑等(2018)研究了污泥好氧发酵过程中功能膜对好氧发酵过程及好氧发酵效果的影响, 发现污泥经过膜发酵好氧发酵后, 重金属的总量和生物有效性都能得到很好的控制.崔鹏等研究发现, 用半透膜覆盖堆肥可以减少抗生素抗性基因扩散的风险(Cui et al., 2020).

国内学者也在通风方式、过程控制、堆体形状、膜性能等工艺设计上进行了大量研究(黄圆萍等, 2019；王涛, 2019).盛金良等(2013;2014)建立了污泥膜覆盖好氧发酵通风实验装置, 研究了通风方式和堆体形状对发酵效果的影响, 发现变频调节在调节性能和风机能耗上均优于节流调节, 堆体采用小拱形截面形状, 堆高2 m、宽8 m, 底部设置4条通风管, 实际运行效果良好.陶教东(2015)使用上海市奉贤区污泥处理厂污泥, 深入分析了通过调节通风量来控制膜覆盖高温好氧发酵工艺的重要方法, 发现由控制系统根据堆体温度和氧浓度的变化进行自动控制, 既克服了单一供氧方式的不足, 又保证了污泥好氧发酵的稳定性, 从而加快了堆体的升温速度, 缩短了发酵周期.邹锦林等(2016)针对纺织用PTFE膜和经过特殊加工的改性PTFE膜(ePTFE膜), 进行覆盖污泥好氧发酵对比试验, 证明相对普通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, 其对氨气的阻隔作用大大优于纺织用PTFE膜.孙晓曦等(2018)设计了一种适用于规模化生产的节能环保智能型膜覆盖好氧堆肥系统, 主要包括总控系统、风控系统、传感系统和覆膜系统, 从所监测的流量、频率、温度、压力、氧浓度等多元参数和总体性能来看, 与传统技术模式相比, 该系统智能化程度显著提升, 生产能耗和气体产排显著降低.

无论是在国内还是国外, 膜覆盖好氧堆肥目前的应用对象都较为单一, 集中在市政污泥的处理上, 对畜禽粪便、餐厨垃圾、农业废弃物等其它有机垃圾的研究还较少.中国农业大学工学院黄光群教授及其团队对畜禽粪便及农业废弃物的研究成果最为显著, 团队内的马双双、孙晓曦等使用半透膜好氧发酵系统研究了猪粪与秸秆混合发酵过程中的细菌变化和气体排放, 结果表明, 半透膜覆盖后, 细菌的总丰度降低, 多样性增加, 梭菌和假单胞菌相对丰度降低, 细胞弧菌相对丰度增加, C/N对细菌群落分布影响最大(Ma et al., 2018；2020)；且膜覆盖可使堆体内形成轻微的正压, 使得氧气分布更为均匀, 从而减少了堆体内的厌氧区, 使CH₄的产生和排放减少了22.42%, NH₃排放量减少了18.87%, 调节膜覆盖好氧堆肥过程中的曝气间隔时间是限制温室气体排放和影响细菌群落结构的有效策略(马双双等, 2017；Ma et al., 2018)；膜覆盖系统的排放水平低于以往研究中使用的大多数传统堆肥系统, 未来的研究应集中在微生物群落演化、化学成分转化及不同气体和膜的微观性质上(Sun et al., 2018).黄光群团队研发的功能型膜覆盖好氧发酵绿色堆肥系统已与企业合作, 在我国天津市、河北省、内蒙古自治区、黑龙江省、吉林省、辽宁省、浙江省等7省(市、区)10余地市推广应用近50套, 年处理猪粪、牛粪和鸡粪等畜禽养殖粪污及农作物秸秆等近千万吨.

3.3 国内外研究现状分析

好氧堆肥技术起源于实际应用, 目前有关膜覆盖好氧堆肥的基础研究报道较少, 国际上的相关研究并不多, 而国内自2013年之后才逐渐有相关的中文文章发表, 在中国知网上的检索结果仅有十几篇.综合分析国内外膜覆盖好氧发酵技术研究现状, 可以发现：

1) 膜覆盖好氧发酵较传统静态发酵具有如下优点：臭气排放量少, 可有效减少氮损失；高温持续时间长, 可有效杀灭病原体；能够缩短发酵周期, 提高腐熟效果等优点.C/N、有机质、孔隙度和通风条件都是影响微生物群落变化和堆肥过程的重要因素.

2) 国内外对膜覆盖好氧发酵的研究还较为浅显, 多为简单的工艺比较, 缺乏对堆肥全过程的工艺过程控制研究.国外已具备可大规模推广使用的成熟工艺, 而国内目前还没有具有代表性的、掌握成熟技术的公司或研发团队.

3) 目前膜覆盖系统的应用对象较为单一, 主要针对于污泥, 少部分应用于畜禽粪便的处理.我国是农业大国, 每年会产生大量的农业废弃物, 在东北等地区秸秆又难以直接还田, 其他资源化方式难以消纳数量巨大的秸秆.而膜覆盖好氧发酵系统具有基建设施少、移动方便、发酵周期短、臭味少的优点, 正适用于广阔的农田地区, 因此, 可探索膜覆盖处理不同有机废物的可行性, 如农作物秸秆、生活垃圾、沼渣等, 因地制宜地使用膜覆盖好氧发酵系统.

4 膜覆盖好氧发酵技术优缺点(The Pros and Cons of semi-permeable membrane-covered composting system)

膜覆盖好氧发酵技术与其它主要发酵方式对比的优缺点如表 1所示, 总体而言, 膜覆盖好氧发酵技术具有如下优点：①环保, 不滋生蚊蝇, 可杜绝病菌传播, 能够极大地缓解臭气对周围环境的影响；②适应性强, 移动方便, 不需要太多的基础建设, 适宜各类型地区的养殖场, 且不受雨雪、大风等气候的影响；③生产周期短, 升温、除臭迅速, 腐熟彻底；④操作简便、灵活, 对专业技术人员要求低(李剑等, 2018).

然而膜覆盖好氧堆肥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：①自动化程度低, 搅拌混合原料、进出料都需要耗费人工, 在发酵和陈化转移过程中翻堆困难, 条件控制不方便；②堆体表层在冬天受外界气温影响较大, 保温效果不如建筑厂房；③缺少翻堆过程, 表层物料水分散失快, 无法实现有效腐熟.

总的来说, 膜覆盖改良了静态好氧发酵技术, 主要在防止臭气挥发、密闭微压通风等方面发挥了作用, 但也存在一定的局限性.为了满足各种类型的堆肥需求, 未来应促进膜覆盖技术与机械化堆肥协同发展, 将两者结合, 研发如卷膜机、一体式发酵仓等自动化设备, 并研究膜覆盖好氧堆肥的工艺控制条件, 通过自动控制系统灵活调节, 扩大好氧发酵技术的适用性, 最大地提高发酵效能, 缩短发酵时间.

5 结论(Conclusions)

膜覆盖好氧堆肥技术因功能膜的优良性能具有独特的优势：系统设置灵活；高温维持时间长, 发酵时间短；可有效阻隔臭气, 不需设专门的除臭系统, 可节省大量投资和运行成本；适用于不同原料和设备规模的综合解决方案.膜覆盖技术也促进了机械化堆肥的发展, 两者结合使得堆肥化过程更加灵活、易控制.目前, 德国的膜覆盖技术较为成熟, 有大规模的推广和应用案例, 我国已有部分研究与工程应用, 但多引用或粗糙借鉴于国外技术, 还没有具有代表性的掌握核心技术的公司或研发团队, 未来研究人员对膜覆盖好氧堆肥技术的研究还需进一步深入, 加深对堆肥全过程的工艺过程控制研究, 并与中国国情相结合, 将膜覆盖堆肥应用于生活垃圾、农业废弃物等其它有机垃圾的处理中, 发展适用于国内的膜覆盖好氧堆肥系统.