任寒碩，Muhammad Azeem，孫吉翠，張忠蘭，楊守軍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 煙臺研究院，山東 煙臺 264670； 2.Department of Botany, University of Karachi, Pakistan Karachi 75270)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化程度的提高，意味著在相同時間、相同消納范圍內(nèi)畜禽糞便量的增加，這不僅占用大量土地，而且已成為不可忽視的生態(tài)和環(huán)境保護的重要問題[1]。在國家大力提倡畜禽糞污資源化利用的政策背景下，固態(tài)糞便通過堆肥方式得到了有效處理，而占糞污一半以上的糞水處理則成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)尤其是生豬飼養(yǎng)亟需解決的實際問題。

沼氣工程在生產(chǎn)清潔綠色能源的同時，是實現(xiàn)糞便無害化處理的有效方式。目前使用較為廣泛的沼氣工程以鋼筋混凝土沼氣池、搪瓷拼裝發(fā)酵罐以及軟體沼氣池為主?；炷琳託獬亟ㄔO周期較長，用料、用工、投料及后期運行成本相對較高，并且產(chǎn)氣不穩(wěn)定、相關配套設備使用不方便等，而搪瓷拼裝發(fā)酵罐易于實現(xiàn)規(guī)?；?、自動化控制，但建設成本和技術要求高，后期管理維護復雜[2]。與混凝土沼氣工程和搪瓷拼裝罐相比，軟體沼氣具有經(jīng)濟耐用、價格低廉、投資少、見效快、安裝便捷、使用維修方便等優(yōu)點[3]。

目前軟體沼氣工程所用膜材料多為聚乙烯土工膜，聚乙烯土工膜又包括普通高密度聚乙烯土工膜、環(huán)保用光面高密度聚乙烯土工膜、環(huán)保用單糙面高密度聚乙烯土工膜、環(huán)保用雙糙面高密度聚乙烯土工膜、低密度聚乙烯土工膜和環(huán)保用線型低密度土工膜[4-6]。不同的膜分類、不同的膜技術指標要求和不同的價格對軟體沼氣工程的投資成本、正常運行、無害化處理效果以及經(jīng)濟效益均產(chǎn)生不同的影響。關于軟體沼氣工程膜材料的性能及產(chǎn)品成本分析鮮有報道，因此本研究以生產(chǎn)上應用較為廣泛的聚乙烯土工膜為研究對象，分別從不同厚度膜的產(chǎn)品成本、抗拉伸、抗穿刺、抗紫外線、抗老化性能等方面對進行對比分析，以期為軟體沼氣工程建設用膜提供科學的理論參考與建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究分別選取膜厚度為1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm的型號為GH-1的普通高密度聚乙烯土工膜、型號為GH-2S的環(huán)保用光面高密度聚乙烯土工膜、型號為GH-2T的環(huán)保用單/雙糙面高密度聚乙烯土工膜、型號為GL-1的低密度聚乙烯土工膜為研究對象，所用土工膜由山東德州某環(huán)保材料有限公司提供，膜材料為聚乙烯樹脂。

1.2 研究方法

從膜卷外端整幅寬度裁取長度不低于0.5 m的土工膜作為樣品，委托當?shù)禺a(chǎn)品質量監(jiān)督檢測中心進行檢測。檢測項目包拉伸屈服強度、拉伸斷裂強度、抗穿刺強度、抗紫外線性能和抗老化能力，檢測方法按照國標《GB/T 17643-2011 土工合成材料 聚乙烯土工膜》中的相關規(guī)定執(zhí)行。不同規(guī)格的土工膜成本和使用年限通過市場調(diào)研和企業(yè)咨詢獲取，土工膜成本包括直接材料、直接工資、其他直接支出和制造費用。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Excel 2003和SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，并使用最小顯著差異法(LSD)處理顯著差異性。

2 結果與分析

2.1 土工膜成本

由表1可知，隨著土工膜厚度的增加，成本相應的升高，且不同厚度土工膜間成本差異顯著。與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別上升了48.8 %和82.0%。1.00 mm厚度的土工膜成本以GH-1和GL-1最低，分別是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，分別為GL-1，GH-2S和GH-2T的99.5%，88.6%和81.0 %；2.00 mm厚度的土工膜成本則以GH-2S最低，分別為GH-1，GL-1和GH-2T的96.8%，96.8%和92.4%。

表1 土工膜產(chǎn)品成本 (元·m-2)

2.2 土工膜抗拉伸性能

表2可以看出，膜的厚度與拉伸屈服強度和拉伸斷裂強度呈現(xiàn)較好的正相關關系。不同厚度土工膜之間拉伸屈服強度和拉伸斷裂強度差異顯著。相同厚度膜拉伸屈服強度最低值為GL-1土工膜，最高值為GH-2T土工膜，其中1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm 厚度GL-1土工膜的拉伸屈服強度分別為GH-2T土工膜的71.7%，80.1%和74.0%。雖然膜拉伸斷裂強度最低值同樣為GL-1土工膜，但最高值為GH-2S土工膜。

2.3 土工膜抗穿刺強度分析

數(shù)據(jù)分析表明，膜的厚度與抗穿刺強度呈較好的正相關關系(見表3)。與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強度分別增長了46.4%和99.1%。方差分析表明，不同厚度土工膜之間抗穿刺強度差異顯著。4種土工膜以GL-1抗穿刺強度最低，GH-2S抗穿刺強度最高，其中1.00 mm，1.50 mm，2.00 mm厚度的GL-1土工膜的抗穿刺強度分別為GH-2S土工膜的53.4%，55.6%和54.5%。

表3 土工膜抗穿刺強度

2.4 土工膜抗紫外線能力與抗老化性能分析

方差分析表明，膜厚度與抗紫外線和抗老化性能無顯著相關性。與其他3種土工膜相比，GL-1土工膜的抗紫外線能力與抗老化性能最低。其中，1 mm厚度的GL-1土工膜的紫外線照射1600小時后OIT保留率和85℃熱老化90 d后常壓OIT保留率僅為平均值的62.9%和58.5%(見表4)。

表4 土工膜抗紫外線能力與抗老化性能

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土工膜使用年限均為7年，GH-2S和GH-2T土工膜使用年限均為15年。數(shù)據(jù)說明，土工膜使用年限與膜厚度無顯著相關性。

表5 土工膜使用年限

3 討論

土工膜生產(chǎn)使用的材料分為中高密度聚乙烯樹脂和低密度聚乙烯樹脂，相同厚度的土工膜原材料成本差別很小，因此直接材料成本不是導致相同厚度土工膜產(chǎn)品成本差異的原因。數(shù)據(jù)表明，環(huán)保用高密度糙面土工膜的成本最高，主要是因為糙面土工膜加工過程中需通過復雜的特殊工藝使土工膜膜面起糙，進而增加了制造費用。產(chǎn)品成本與膜的厚度呈較好的正相關性，主要是因為隨著膜厚度的增加，直接材料成本相應地增加，同時對生產(chǎn)工藝及設備設施也有更高要求，共同導致產(chǎn)品成本的升高。

拉伸性能和斷裂強度是土工膜最重要、最基本的性能指標，也是土工膜質量控制、按照技術要求驗收或拒收產(chǎn)品的重要技術參數(shù)之一[7-8]。研究表明，環(huán)保用高密度土工膜GH-2T具有最高的拉伸屈服強度，而GH-2S具有最高的拉伸斷裂強度。這說明，高密度聚乙烯土工膜內(nèi)部分子排布更加規(guī)整，破壞這種分子鏈排布需要的力大于低密度聚乙烯土工膜內(nèi)部分子排布被破壞時受到的力，因此表現(xiàn)出更好的硬度和拉伸強度[9]。

土工膜的抗穿刺性能直接影響到軟體沼氣工程的穩(wěn)定性[10]。土工膜一旦受到穿刺性破壞，將極大程度影響軟體沼氣工程的正常運行，帶來重大安全隱患。與低密度聚乙烯土工膜相比，高密度聚乙烯土工模GH-2S具有最高的抗穿刺強度，主要是因為低密度聚乙烯支鏈的存在阻礙了分子鏈整齊地排布，而高密度聚乙烯分子鏈排布整齊，密度和力學強度較高[11]。

土工膜用作軟體沼氣工程覆膜材料時，會在高溫、紫外線照射、與沼液直接接觸等復雜的物理、化學、生化環(huán)境中發(fā)生較快的降解和老化[12]。一般情況下，土工膜中聚合物不會因溫度變化而分解，但在糞水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程中會因升溫氧化和紫外線照射分解[13]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，膜的抗老化與膜的厚度無顯著相關性，但與土工膜的生產(chǎn)工藝密切相關。這說明聚乙烯土工膜的抗老化性能取決于生產(chǎn)過程中添加的抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和深色物質碳等。

研究表明，土工膜的使用年限與膜厚度無顯著相關，主要取決于沼氣工程的科學運行和管理。高密度土工膜的使用年限明顯高于低密度土工膜可能因為膜的原材料差異造成的。

4 結論

(1)從價格考慮，1.0 mm厚度的GH-1和GL-1土工膜成本最低。與GL-1土工膜相比，GH-1土工膜的抗拉伸性能、抗穿刺強度、抗紫外線能力與抗老化性能均具有優(yōu)勢；二者使用年限相同，均為7年。若使用周期較短、使用環(huán)境相對理想，推薦使用1.0 mm厚度的GH-1土工膜。

(2)從使用年限考慮，GH-2S和GH-2T土工膜使用年限是GH-1土工膜的兩倍以上。成本上，GH-2S土工膜明顯低于GH-2T土工膜。因此，GH-2S土工膜在長周期、工作環(huán)境較惡劣的情況下性價比更高。

(3)綜合分析認為，在不同型號的土工膜中，2.0 mm厚度的GH-2S土工膜成本適中，在抗拉伸性能、抗穿刺強度、抗紫外線和抗老化能力及使用年限方面具有不同程度優(yōu)勢，較適合作為軟體沼氣工程的膜材料。