基于生態(tài)農(nóng)業(yè)背景下的農(nóng)村有機(jī)固廢厭氧消化及資源化利用模式探討

劉學(xué)軍 黃維 楊莎莎

(中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?武漢 430205)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)農(nóng)村的快速發(fā)展，農(nóng)村環(huán)境污染問題也日益凸顯，尤其是因有機(jī)固廢的非規(guī)范化處理而導(dǎo)致的環(huán)保事件頻頻發(fā)生。因此，如何在發(fā)展農(nóng)村、壯大農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，有效解決農(nóng)村的污染問題，實(shí)現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，是擺在新時(shí)代環(huán)保工作者面前的共同挑戰(zhàn)。面對(duì)農(nóng)村有機(jī)固廢數(shù)量增多、種類繁雜、性質(zhì)差異大等特點(diǎn)，如何尋找有效的解決之道，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村有機(jī)固廢的處理和資源化利用，則顯得尤為迫切。針對(duì)全國各地農(nóng)業(yè)發(fā)展的區(qū)域性和作物種植的差異性，本文主要以西南地區(qū)某大型蔬菜種植區(qū)為例，在生態(tài)農(nóng)業(yè)的背景下，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢的厭氧處理和資源化利用模式進(jìn)行探討。

1 生態(tài)農(nóng)業(yè)背景及有機(jī)固廢現(xiàn)狀

1.1 生態(tài)農(nóng)業(yè)背景

生態(tài)農(nóng)業(yè)是一個(gè)集農(nóng)業(yè)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)于一體的復(fù)合系統(tǒng)，它將農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)同農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)統(tǒng)一，以取得最大的生態(tài)經(jīng)濟(jì)整體效益。通過傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)代高科技技術(shù)成果的結(jié)合，解決人工生態(tài)工程協(xié)調(diào)發(fā)展與環(huán)境之間、資源利用與保護(hù)之間的矛盾，形成生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的統(tǒng)一。

隨著中國城市化進(jìn)程的加速和交通的快速發(fā)展，生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展空間將得到進(jìn)一步深化拓展?，F(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與高科技種植技術(shù)的深度融合，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鄉(xiāng)村環(huán)境治理提供了快速發(fā)展的平臺(tái)。因此，生態(tài)農(nóng)業(yè)是在適應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與持續(xù)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

1.2 農(nóng)業(yè)有機(jī)固廢種類及產(chǎn)量

農(nóng)業(yè)有機(jī)固廢是指在農(nóng)村農(nóng)民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)類固體廢物的總稱，主要包括以下4類[2]：①農(nóng)作物秸稈，主要包括玉米、水稻、小麥、豆類、薯類等作物秸稈；②畜禽糞便，主要包括奶牛、肉牛、生豬、肉雞、蛋雞等畜禽的糞便；③農(nóng)副加工業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢物，主要包括甘蔗渣、土豆渣、甜菜渣、果蔬廢棄物等；④農(nóng)民日常生活廢物，主要包括居民廚余垃圾和生活垃圾中經(jīng)過分類收集后產(chǎn)生的濕垃圾。

由于有機(jī)物含有大量的氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，以前農(nóng)村居民將產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢物進(jìn)行焚燒或漚肥處理后，作為肥料用于作物種植使用。隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的提高和規(guī)?；N養(yǎng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的有機(jī)廢物產(chǎn)量也逐漸增加。

根據(jù)《農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃(征求意見稿)》統(tǒng)計(jì)測(cè)算，2015年我國農(nóng)村主要有機(jī)固廢產(chǎn)生量巨大，其不同固廢的產(chǎn)生量、可收集量、可利用量詳見表1。

表1 主要不同種類有機(jī)固廢統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱《計(jì)劃》)中提到的農(nóng)村有機(jī)固廢資源化利用模式，在農(nóng)業(yè)發(fā)展和種植業(yè)污染防治中，要加大生物肥料的應(yīng)用，持續(xù)推進(jìn)農(nóng)藥、化肥減量使用。由此可知，美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)不僅要解決固廢處理的難題，更要實(shí)現(xiàn)后端產(chǎn)品的利用，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。結(jié)合表1中不同固廢的產(chǎn)氣潛力可知，有機(jī)固廢采取厭氧消化的處理方式，是農(nóng)村有機(jī)固廢無害化處理的重要方式之一。

2 有機(jī)固廢厭氧處理

2.1 農(nóng)村有機(jī)固廢的特性

農(nóng)村有機(jī)固廢從不同的產(chǎn)生來源和成分分析，主要有以下特征：

(1)物料成分的相似性。有機(jī)固廢均含有豐富的可降解有機(jī)物質(zhì)，最適宜采用生物法進(jìn)行處理。厭氧消化產(chǎn)沼氣是目前農(nóng)村有機(jī)固廢資源化利用最為普遍和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法[3]。

(2)主要來源的差異性。農(nóng)作物秸稈來源于種植業(yè)，畜禽糞便來源于養(yǎng)殖業(yè)，而農(nóng)副加工廢物來源主要以加工產(chǎn)業(yè)為主，由此可見不同有機(jī)固廢的主要產(chǎn)生源頭存在行業(yè)的差異性。

(3)主要產(chǎn)量的地域性。在長(zhǎng)江中下游地區(qū)和華南、東南地區(qū)主要以水稻種植為主，在黃淮和西北地區(qū)主要以小麥種植為主，在東北、黃淮地區(qū)主要以玉米種植為主[4]。

(4)厭氧處理的協(xié)同性。均可通過厭氧處理，實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢的處理和資源化利用，最終的產(chǎn)品具有一致性。通過物料之間的調(diào)配實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理，不僅能彌補(bǔ)單一物料存在的C/N不均衡，還能最大化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣量的增加和有機(jī)肥的利用。

2.2 有機(jī)固廢厭氧處理的工藝流程

由于不同物料來源的差異性，對(duì)于我國西南地區(qū)某蔬菜種植區(qū)而言，其主要的農(nóng)業(yè)有機(jī)固廢是果蔬廢棄物和農(nóng)作物秸稈(以小麥和玉米秸稈為主)。對(duì)于該類型的有機(jī)固廢厭氧處理，其主要工藝流程如圖1所示。

圖1 不同有機(jī)固廢協(xié)同厭氧消化處理工藝流程

果蔬廢棄物和農(nóng)作物秸稈首先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行破碎處理后再按照一定比例混合攪拌、調(diào)配均質(zhì)，然后通過進(jìn)料輸送設(shè)備進(jìn)入到厭氧消化系統(tǒng)。在保持恒定溫度的厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)攪拌狀態(tài)下，充分進(jìn)行厭氧消化。經(jīng)過20 d左右的發(fā)酵后，有機(jī)固廢發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入到氣柜中暫存。全廠的沼氣經(jīng)過脫硫系統(tǒng)后，除部分沼氣用于鍋爐燃燒為厭氧消化系統(tǒng)供熱外，大部分沼氣可通過管網(wǎng)系統(tǒng)，直接輸送至居民用戶作為燃?xì)馐褂?；或者作為?dòng)力能源，提純?cè)鰤汉笾瞥绍囉肅NG，供運(yùn)輸車輛使用。厭氧消化后的漿液進(jìn)入沼渣脫水系統(tǒng)，經(jīng)固液分離后產(chǎn)生脫水沼渣和沼液。經(jīng)過提純產(chǎn)生的高純度CO2氣體可加工成綠色CO2氣態(tài)肥，供大棚種植的作物夜間使用。脫水沼渣通過輔料混合進(jìn)入好氧堆肥系統(tǒng)，經(jīng)過后續(xù)的發(fā)酵、陳化、烘干、配菌、造粒等系列工藝流程后，可制成生物有機(jī)肥，通過采用測(cè)土配方施肥技術(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行施肥。沼液則經(jīng)過沉淀、降解、曝氣等工藝流程后制成液態(tài)肥，通過采用水肥一體化技術(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行滴灌施肥。

3 不同產(chǎn)品資源化利用模式探討

不同的有機(jī)固廢通過厭氧消化協(xié)同處理后，可產(chǎn)生不同的資源化利用產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)分類主要有：①固態(tài)的生物有機(jī)肥；②液態(tài)的沼液肥；③氣態(tài)的生物天然氣和CO2氣態(tài)肥。不同的產(chǎn)品原料不僅來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村的生產(chǎn)生活，又可作為資源化產(chǎn)品回饋到農(nóng)業(yè)農(nóng)村的生產(chǎn)生活中，與生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。在生態(tài)農(nóng)業(yè)的背景下，農(nóng)業(yè)有機(jī)固廢實(shí)現(xiàn)了無害化處理和資源化利用，通過與先進(jìn)高效的種植技術(shù)相結(jié)合，探索出新的利用模式，如圖2所示。

圖2 生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展下的有機(jī)固廢資源化利用模式

3.1 沼氣產(chǎn)品及其利用模式

有機(jī)固廢經(jīng)過厭氧消化協(xié)同處理后，產(chǎn)生的粗沼氣再經(jīng)過后續(xù)的脫硫處理，即通過脫硫塔除去沼氣中的H2S氣體后，就可以進(jìn)行資源化利用。產(chǎn)生的沼氣除部分用于厭氧工藝保溫和廠區(qū)供暖外，剩余其他沼氣可用于不同的模式，主要利用途徑有以下3種：

(1)沼氣發(fā)電，利用模式為“沼氣—脫硫—發(fā)電—上網(wǎng)”，該模式主要用于大規(guī)模有機(jī)固廢處理企業(yè)，且當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司具有接收沼氣發(fā)電意愿的情況。

(2)沼氣提純制備車用CNG，利用模式為“沼氣—脫硫—提純—增壓—加氣站—出租車/燃?xì)廛嚒?，該模式主要用于區(qū)域范圍內(nèi)工業(yè)燃?xì)鈨?chǔ)備能力不足，或需要新建加氣站的情況。

(3)沼氣用于管網(wǎng)用氣，利用模式為“沼氣—脫硫—管網(wǎng)—供氣站—住戶”，該模式主要用于農(nóng)村生活用氣的補(bǔ)充，需具備燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)到戶的基礎(chǔ)條件。

具體如何選擇3種不同的沼氣利用模式，既要結(jié)合當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展條件和市場(chǎng)缺口，也要考慮產(chǎn)業(yè)鏈的下游企業(yè)對(duì)沼氣產(chǎn)品的接納意愿，結(jié)合項(xiàng)目的投資成本，因地制宜、綜合考慮后作出選擇。

3.2 沼液產(chǎn)品及其利用模式

液態(tài)肥是厭氧消化處理后形成的主要產(chǎn)品之一，它是固液分離系統(tǒng)產(chǎn)生的濾液，經(jīng)過逐步的攪拌、預(yù)熱、配菌等流程處理后，生產(chǎn)的符合標(biāo)準(zhǔn)的液態(tài)有機(jī)肥料。

液態(tài)有機(jī)肥滴灌技術(shù)是通過滴灌系統(tǒng)在灌溉的同時(shí)，將肥料配對(duì)成肥液一起輸送到作物根部土壤，供作物根系直接吸收利用。該方法可以精確控制灌水量、施肥量和灌溉及施肥時(shí)間，顯著提高水和肥的利用率[5]。

水肥一體化滴灌技術(shù)和大田漫灌相比，具有顯著優(yōu)勢(shì)。尤其是應(yīng)用膜下滴灌措施可大量節(jié)水省肥，改良土壤理化特性，大幅度減少土壤表面水分蒸發(fā)，降低大棚內(nèi)濕度，有效控制蔬菜病害發(fā)生，減少人工看管成本[6]。對(duì)于西南地區(qū)的大型蔬菜種植區(qū)而言，尤其是對(duì)于水資源相對(duì)缺乏的種植區(qū)，液態(tài)肥滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)農(nóng)村生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

3.3 沼渣產(chǎn)品及其利用模式

《計(jì)劃》中提出，要深入推進(jìn)測(cè)土配方施肥和農(nóng)作物病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治，實(shí)現(xiàn)全程綠色防控，計(jì)劃到2020年，實(shí)現(xiàn)測(cè)土配方施肥技術(shù)覆蓋率達(dá)到90%以上。

測(cè)土配方是根據(jù)農(nóng)作物的種類、對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的利用率、所需營(yíng)養(yǎng)元素的比率等確定所需肥料的種類與數(shù)量。沼渣肥富含各種營(yíng)養(yǎng)元素，可根據(jù)不同作物的需要，選擇性調(diào)配和添加。在生態(tài)農(nóng)業(yè)的背景下，沼渣肥與測(cè)土配方施肥技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于助推生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到積極作用。生物有機(jī)肥的有效應(yīng)用，不僅既能提高農(nóng)作物產(chǎn)量，又能合理利用肥料，避免浪費(fèi)、保護(hù)環(huán)境。

不同的資源化產(chǎn)品有不同的利用模式，具體如何選擇適宜的模式，要結(jié)合適用條件的項(xiàng)目所在地因地制宜進(jìn)行選擇，具體的選擇條件見表2。

表2 不同資源化產(chǎn)品的利用模式及使用條件

續(xù)表2

4 結(jié)語

發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)對(duì)于建設(shè)美麗鄉(xiāng)村和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該利用模式的有效實(shí)施和推廣，既需要政府部門提供相應(yīng)政策支持和必要引導(dǎo)，也需要農(nóng)村居民的全體參與。同時(shí)，對(duì)于不同有機(jī)固廢的回收和處理，需要給予必要的收運(yùn)處置服務(wù)費(fèi)，以保障企業(yè)正常、穩(wěn)定的運(yùn)行支出和合理收益。

通過有機(jī)固廢厭氧消化協(xié)同處理工程的實(shí)施，有助于形成“有機(jī)固廢—收運(yùn)處理—產(chǎn)品加工—生態(tài)農(nóng)業(yè)—資源利用—再生循環(huán)”的農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源利用模式，有利于緩解農(nóng)業(yè)發(fā)展的壓力，加快農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，改善農(nóng)村環(huán)境污染現(xiàn)狀，為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施提供強(qiáng)有力保障。