农村和农业有机废物综合利用工艺研究

2015-03-27宫渤海徐家英庞立习王楠楠

环境卫生工程 2015年4期

宫渤海，徐家英，庞立习，王楠楠

（青岛市环境卫生科研所，山东青岛 266071）

1 农村和农业有机废物现状

1.1 农村和农业有机废物来源和特点

农村和农业有机废物是指在农村农民生活和农业生产过程中产生的有机类废物的总称［1］，主要包括以下4类：①植物性来源有机废物（包括稻草、玉米、豆类、花生等农作物秸秆，林业生产过程中残余的树枝木条、落叶、干枯藤蔓、杂草、果壳等），我国年产生量为1.0×109t左右；②动物性来源废物，主要是指牛粪、猪粪、羊粪、家禽粪等畜禽粪便，我国年产生量为2.7×109t左右；③农副加工业产生的有机废物（甘蔗渣、土豆渣、甜菜渣、肉食加工工业产生的屠宰污血等废物）；④农民日常生活废物，包括居民粪便和生活垃圾。

我国是一个传统的农业大国，农村和农业有机废物有以下4个特点：①数量大。农村和农业有机废物产生量世界第一，年产生量超出4.0×109t，主要来自种植业和养殖业［2］。②品质差。可利用成分较少，有害物质含量高。③价格低。没有明确的发展方向，产品价值不高。④危害多。农村和农业有机废物引发的污染事件逐年增加，利用率不升反降，随意排放现象普遍。研究农村和农业有机废物综合利用工艺，可以系统解决农村环境污染与能源短缺问题，促进现代农业和城乡一体化发展。

1.2 农村和农业有机废物处理现状

以前，我国农村主要将农村和农业有机废物用作农家肥，既能促进物质能量循环，又可以维持培肥地力。但随着经济社会的发展，传统意义上将农村和农业有机废物有机肥料化利用越来越少。一方面随着农民生活水平提高，农村和农业有机废物成分已与过去有很大不同，并且，随着农业生产水平的不断提高，这种传统的废物用作有机肥料的处理方法已经不适应现代农业发展和社会的需要，种植业逐渐由粗放型向集约型转变，农家肥需要堆积、存放，这种技术已和现代农业的发展不相适应。农村和农业有机废物的利用量不升反降，大量的农业废物堆积，已经成为严重污染农村生态环境的污染源之一。主要表现在：①随意堆放（目前约10%秸秆随意堆放在路边、沟渠）和露天焚烧（约有30%秸秆被露天焚烧）产生大量臭气和温室气体，造成了空气污染；②废弃农膜等“白色污染”、重金属、有毒有害物质和农药化肥残留，造成了地下水和土壤污染；③废物中含有病原微生物，也会产生有毒化学成分，造成病毒传播，引起疾病；④农村和农业有机废物没有经过无害化处理随意排放到环境中，产生大量污水，造成了水体污染［3］。

我国农村和农业有机废物产生总量逐年增加，由此引发的资源浪费和环境污染问题也日益突出，农村和农业有机废物资源化利用发展迟缓。造成这种现象主要是由于人们还没有树立农村和农业有机废物资源化利用的观念，没有充分认识到资源化利用带来的经济、环境和社会价值；资源化利用过程中存在安全性问题，缺乏技术保障；政策引导不力、投入不足等问题［1，4］。

2 国内外农村和农业有机废物综合利用工艺

2.1 国外农村和农业有机废物综合利用工艺

从20世纪70年代起，欧美等发达国家就认识到了农村和农业有机废物资源化利用的重要性，开始了有机废物资源化利用的探索，已具备了成熟的技术，并有许多成功的实践经验。巴西于1975年开始利用甘蔗渣生产酒精燃料，1976年德国开始实施生态补偿政策，美国颁布实施《资源保护和回收法》。美国、日本、英国、德国等发达国家以及菲律宾、印度尼西亚等发展中国家都相继制定了农村和农业有机废物循环利用有效管理措施。

农业强国丹麦自20世纪90年代初就制定了一系列农村和农业有机废物资源化利用的法律法规，规定所有可燃性废物禁止填埋，必须进行资源化回收利用；畜禽粪便必须经过无害化处理才能还田，要求粪肥还田后12 h内必须犁入土壤，每个农场的粪便贮纳能力要达到贮纳9个月产粪量等。经过几十年的探索发展，利用秸秆发电技术已走在世界前列，被联合国列为重点项目。阿维多发电厂是世界上首座利用秸秆发电的发电厂。近10年新建立的热电联产项目都是利用生物质作为燃料，其中有130家秸秆发电厂。2002年丹麦能源消耗量的81%来自生物质能［5］。厌氧消化在德国、奥地利、瑞典、芬兰、瑞士等国家发展尤其迅速，日本荏原公司在日本建立了首座厌氧消化示范工程，工艺技术从欧洲引进。

2.2 我国农村和农业有机废物综合利用及处理现状

我国农业循环经济历史悠久，利用农业有机废物堆肥产沼技术就起源于我国，现已被广泛发展应用，从全国生态农业示范县收集到的370多个生态农业实用模式中，就有1/3是以农业废物循环利用技术为纽带联结形成的高效生产模式［6-7］。关于农业废物的利用目前主要有以下几种工艺。

2.2.1 肥料化利用

肥料化利用是一种综合利用的生产技术，主要包括以下方式：①将作物秸秆和粪便等直接施入田间，该传统技术操作简单，但缺乏创新，推广价值不高，有效利用率低。②利用微生物将有机废物发酵后产生有机肥还田，包括好氧堆肥、厌氧产沼、兼性厌氧沤肥等。其中好氧堆肥和沤肥由于简单易操作被广泛应用，厌氧发酵投入较大，对设备要求较高，应用较少。③进一步加工生产有机和无机复合肥。将有机废物经过高温高压等一系列工艺处理，加工成同时含有有机成分和无机成分的有机无机复合肥料，该肥料具有“三无”（无毒无菌无臭）特点，并便于贮存和运输，可同时实现元素平衡和有机无机平衡，具有较大优越性［8］。农村和农业有机废物的肥料化既可以提高土壤肥力，又可以补充土壤有机质，提供N、P等元素，改善土壤理化性质和结构。

近年来，农村和农业有机废物肥料还田技术的研究热点包括：秸秆等植物性来源有机废物还田技术；畜禽粪便资源化利用生产土壤修复剂和有机肥料技术；高温堆肥处理畜禽粪便和其他有机废物生产复混肥技术；不同有机废物好氧堆肥技术；高效发酵微生物鉴定筛选技术；有机肥配以添加剂生产高效有机肥技术；通过生物技术实现农村和农业有机废物的高效高值转化研究。

2.2.2 饲料化

按照利用原料不同包括植物性来源有机废物（农业秸秆类物质）饲料化和动物性来源有机废物（畜禽粪便和肉食加工下脚料）饲料化2种。农业秸秆中含有丰富的有机质、纤维类物质，N、P等营养物质和少量的蛋白质，可直接饲养牲畜，也可经过技术处理，制成有机饲料应用。主要的饲料化技术包括：生产蛋白饲料和其他微生物蛋白产品的技术；无毒的农业废物茎杆发酵青贮后增加饲料营养成分的技术；利用微生物发酵糖化饲料技术；在碱液作用下碱化饲料技术；通过含氨物质与秸秆混合发生氨化反应，增加含氨量、粗蛋白量等营养含量，提高有机物消化率和采食率的氨化技术［9］。动物性来源有机废物的直接饲料化必须经过无害化处理以消除安全隐患。

2.2.3 厌氧发酵沼气化

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。人畜粪便、秸秆、污水等各种农村和农业有机废物在密闭的沼气池内，在厌氧条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气，不仅可显著提高热效率，还可使各种有机废物中不能直接燃烧的物质转化后得到充分利用。沼气是一种生物能源气体，可以净化提纯后用作燃气或燃烧发电。但沼气发酵通常对原料有一定的要求，通常需经过预处理才能满足处理条件，另外北方寒冷天气对沼气化有一定的影响。

2.2.4 热能回收利用

热能回收利用主要包括2种工艺，一种是焚烧，在氧气充足的状态下，废物高温燃烧，生成高温烟气与少量固体残渣，通过对烟气中热量的回收，发电或供热，实现能源回收利用。焚烧的过程可杀灭病毒细菌，实现无害化。焚烧的主要优点是无害化、减量化、资源化的效果好，可以达到较大的处理规模。另一种是热解气化，在缺氧、高温的状态下，将废物中可挥发性成分变成可燃气体，同时产生部分固体废物，可燃气体主要成分为一氧化碳等，可用作燃料或发电等，实现热能的回收利用。

2.2.5 其他利用方式

除了上述几种利用方式外，农村和农业有机废物综合利用还包括材料化、基质化、综合生态化等方式。

材料化是指利用农村和农业有机废物生产生物质材料的方式，例如生产人造纤维板、建材板等，美国ERT公司利用有机废物制造废物清洁油污地面的方法，以及利用木质纤维素原料研制燃料乙醇、微生物制氢技术等。

基质化是指将秸秆、树皮等农村和农业有机废物经过一定的处理后作栽培花卉和食用菌、养殖蚯蚓和高蛋白蝇蛆的基质原料，栽培效果好。

综合生态化是指将农村和农业有机废物作为产业链的一个环节，通过多次转化和多重循环，提高能源利用率，最终实现提高整体效益和废弃资源利用率的利用技术［8］。例如桑基鱼塘、果基鱼塘、猪-沼-鱼模式、秸秆-食用菌-猪-沼气-肥田、猪-沼-果模式等。

3 相关案例介绍

3.1 即墨移风店上泊村户用沼气工程

该工程建设800m3厌氧消化器及附属设施，柔性囊式气柜400 m3。年生产沼渣、沼液约11 680 t，建设配套的沼液综合利用设施，年产沼气2.92×105m3于集中供气，满足400户居民用气需求。

处理工艺：牛粪经粉碎机破碎后进入调粪池，调粪池内设搅拌机，经调解、搅拌达到一定浓度，然后由螺杆泵泵入厌氧反应器。为了提高物料进入厌氧反应器的温度，将调粪池置于预处理间内。厌氧反应器内设搅拌器，确保反应充分进行。经厌氧反应器出来的沼气经脱硫、干燥等处理后进入沼气贮柜，输入沼气输配系统；反应器内出来的沼渣沼液进入沼渣沼液池，经二次发酵后输出，供应周边农户使用。

本工程将沼渣沼液池与气柜合建，优点有：①由于合建，延长了沼渣沼液的二次发酵时间，增加了10%～15%的产气量；②较湿式气柜既解决了冬季沼渣沼液上冻问题，又减少了气柜保温、防腐等费用投资；③沼渣沼液池里安装潜水搅拌机，避免沼渣沉积，经二次发酵后一并抽出农用，减少了后续处理。

3.2 新密市生活垃圾无害化处理项目

该项目生活垃圾处理规模为400 t/d。原料50 t/d，调配至125 t（TS为10%）后，经除砂、除渣分离出杂质7.5 t/d（TS约40%），作为制砖系统的原料，其余浆料117.5 t/d进入厌氧消化系统，厌氧消化的产物为沼气及沼渣沼液。

工艺流程：生活垃圾经前段分选出粒径30～60 mm的物料，通过地下长廊皮带机输送至地下料仓，而后由螺旋输送机提升至粉碎机上部的接料斗，经粉碎机粉碎至粒径8～10 mm，落入其下部的匀浆罐，匀浆罐设置桨式搅拌机，将粉碎后的物料与回流沼液在此充分混合、调匀成TS约10%的浆料。匀浆罐设置锥底，由除砂泵定期排砂。罐内物料出料前经回转式细格栅截留浆料中的轻质漂浮杂质（塑料片、竹木片、泡沫块、碎布片等），撇除至螺旋压榨机压除水分后，送往热解气化系统。匀浆罐中的物料经螺杆泵打入水力旋流除砂器进一步水力破碎和分离重质杂物，有效去除各级砂粒，本项目设置两级水力旋流除砂，去除的砂石等重物质收集于砂箱中，匀浆罐底部设置锥斗和排砂口，底部沉砂排入砂水分离器，除去水分后收集于砂箱中，除去的砂石定期运往制砖车间，除砂后的有机浆料进入水解酸化池（后期可作为投加城市污泥等其他原料的调浆池）。设置原位脱硫装置将脱硫剂加入水解酸化池，与物料一同由进料泵打入CSTR厌氧反应器，经中温厌氧发酵产生沼气、回收生物能源。沼气经气水分离、脱硫、净化提纯、CNG压缩后制取车用燃气，沼渣沼液一部分由出料泵压力泵入制砖系统，另一部分回流用于物料调配（循环一段时间后，当氨氮浓度超过2 000 mg/L时，停止回流循环，采用清水连续调质3 d，之后恢复沼液回流，如此循环往复）。

厌氧系统所需热量由制砖系统废热供给，为保证热量供给的稳定性，设置热储罐1座。

3.3 山东汶上蒙牛万头奶牛大型沼气工程

该项目粪污处理规模：牛粪350 t，尿液200 t，污水250 t。核心工艺采用预处理+高位调粪+旋流沉砂+机械除草工艺。

厌氧工艺：3 500 m3钢结构USR反应器3个（采取水力破壳技术）。

贮气柜：2 000 m3钢制低压湿式气柜。

沼气：发电（1 000 kW装机容量发电机）+燃用取暖。

沼液：灌溉牧草场。

沼渣：生产沼渣有机肥。

日产沼气 8 000～10 000 m3，可日产 1.2×104～1.5×104kWh电；2 000多hm2牧草场施肥；年产3×104t沼渣有机肥。域、行业等限制，对各种废物的资源化利用进行统筹考虑与安排，整合多种废物，规划建设多种废物协同资源化利用与处理的循环经济产业园，构建适宜的循环链条，充分发挥规模效益与协同效应，实现废物的循环化、集约化利用。

4）积极引入与发展信息化等先进技术。研究与引入互联网、物联网、地理信息系统等先进技术，以信息化带动与支撑行业发展。如建立废物在线服务与交易平台，将供求信息实时化、透明化，为供求双方搭建降低成本的交易平台，以有效解决诸如秸秆焚烧项目原料采购困难、价格波动大等难题。