矿区土地恢复生态循环系统及其工艺设计

2017-06-20王善迪伍艳萍周萍尹芳王昌

现代农业科技 2017年9期

王善迪++伍艳萍++周萍++尹芳++王昌梅++赵兴玲++吴凯++刘士清++张无敌

摘要本文设计了一套以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统，城市废弃物通过厌氧消化工艺进行处理。所产生的沼气用作矿区土地恢复园区的生活燃气，多余的沼气用于发电，为恢复园区提供电能；所产生的沼渣制作成固态有机肥，用作园区发展生态农业所需肥料；所产生的沼液制作成液态有机肥，用作园区发展农业所需液肥，多余的液肥通过净化系统净化，用作园区的灌溉用水，实现零排放。园区所种植的有机农产品可供居民食用，从而建立可持续的农业生态循环系统。介绍了系统的设计方案、理论设计及计算方法，并对效益进行了分析，以期为矿区的土地恢复提供参考。

关键词生态循环系统；沼气工程；生态农业；土地恢复；节能减排；矿区

中图分类号 X75 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）09-0189-04

Abstract This paper designed a set of ecological circulation system for restoration of mining area land based on biogas engineering technology. Through the anaerobic digestion process，the biogas produced by municipal waste could be used as life gas，and redundant biogas could be used for electricity generation. The biogas residue could be used to make solid organic fertilizer for the development of the ecological agriculture. In addition，the biogas slurry could be used to make liquid organic fertilizer，and the redundant liquid fertilizer could be purified through the purification system and used for irrigation water，thus achieved zero emission.The organic agricultural products could serve the residents in this area，to establish a sustainable agricultural ecological circulation system. This paper introduced the design scheme，theoretical design and calculation method of the system，and analyzed the benefits of the system，in order to provide references for the land restoration in the mining area.

Key words ecological circulation system；biogas engineering technology；eco-agriculture；land restoration；energy saving and emission reduction；mining area

由于對矿产资源开采会带来许多生态问题，开采以后的矿区多数变成废地等难以利用的土地，因而如何恢复和利用这些因矿变废的土地是目前需要解决的问题[1-2]。世界上发达国家矿区治理的土地面积基本上可以达到因开矿变废土地的1/2以上，甚至有的国家可以达到3/4。我国在这方面的工作远远落后于发达国家，但近年来也有了较大的进步，自恢复2%达到2012年复垦15%，但依然远远落后于发达国家的复垦率，特别是近年来矿区荒废地的面积依然在持续增加，总面积达到200万hm2 [3-6]。

在矿区荒废地持续增加的同时，我国的人口也在持续增加，人均耕地面积仅0.1 hm2 [7]，特别是近年来，全国耕地面积逐年减少，逼近1.2亿hm2耕地红线[8]。因此，矿区废弃土地的治理与改善，能够补充当地农耕地的不足，保障粮食安全[9]。

同时，随着城镇化的不断推进，城市废弃物处理的问题呈现两大特点，即数量庞大和处理效果不佳。如果建立以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统，实现城市废弃物的资源化利用，利用所产生的沼肥替代化肥农药，发展现代化的可持续农业，实现矿区土地的恢复是非常有必要的，不但恢复了矿区土地，解决了粮食危机和食品安全，而且解决了城区的环境问题[10-11]。

1 设计方案

将城市居民所产生的废弃物（如公厕粪便、餐厨垃圾、生活污水）收集到预混加热池，通过以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统加热后，把废弃物加入自行设计的气液联合搅拌新型CSTR反应器。经过厌氧消化后，所产生的沼气一部分用作矿区土地恢复园区的生活燃气，多余沼气用于发电，为园区提供电能，并对发电余热进行回收；将产生的沼渣制作成固态有机肥，用作园区发展生态农业所需肥料；将产生的沼液，一部分制作成液态有机肥，用作园区发展生态农业所需液肥，剩余部分利用光伏水泵打入到高位水池，依次通过自流的方式进入自行设计的软硬双床AF和双填料好氧净化器，实现达标排放，用作园区的灌溉用水。园区可以建设采摘园、发展休闲农业和旅游观光，为居民提供有机食品，实现了物质循环和能量流动，建立了一套完整的矿区土地恢复生态循环系统（图1）。

2 理论设计及计算

本作品设计400 hm2的矿区恢复土地，其中66.67 hm2用于屋舍的建立，主要包括4层多功能综合楼（一层展示厅、二楼会议室、三楼办公室、四楼研发实验室）、冷库、接待宾馆、小型休闲娱乐公园、特色餐厅、产品交易大厅、园工宿舍、露天活动场所、道路景观等；剩余333.33 hm2用于发展现代化生态有机农业。

2.1 矿区土地恢复工艺设计

本作品设计用于发展农业的有效土地面积为333.33 hm2，以平均1 hm2土地每年约需150 t沼肥计算，每年需要沼肥5万t。本作品拟建立5 000 m3的气液联合搅拌CSTR反应器，采用中温30 ℃发酵，水力滞留时间为15 d，每天可处理大约300 t的城市废弃物，年产沼渣约5 000 t（15 t/d），用于农业发展所需基肥，年产沼液约10万t（285 t/d），其中5万t用于农业发展所需追肥，剩余5万t通过软硬双床AF和双填料好氧净化器处理（其中软硬双床AF为300 m3，HRT=2 d；双填料好氧净化器为150 m3，HRT=1 d），实现达标排放，用于发展农业及其园区绿化的灌溉用水，年产沼气约120万m3（3 500 m3/d），每天平均约1 500 m3的沼气用于生活燃气（餐厅和有机肥加工所用），2 000 m3的沼气用于发电，为园区设施提供电能。

2.2 矿区土地恢复热电联产加热系统的设计

本作品设计以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统，由于云南当地有较好的光照条件，所以选择以太阳能与沼气发电余热回收加热为主、热泵为辅的加热方式。每天加热约300 m3的物料，配备循环水箱为60 m3，对于沼气工程，由能量守恒定律可知，输出（损失）的能量和输入（获得）的能量应相等，才能保证整个系统的温度恒定。沼气工程每天损失的能量主要是厌氧消化罐及管道散热和每天新增投料所需热量，发酵产生的生物化学热量相对于外加热量小得多，故忽略不计[12]。

2.2.1 每天沼气发酵所需热量的计算。

（1）厌氧消化罐投料损失的热量[12]。厌氧消化罐投料损失的热量计算公式：

Q1=cm（TD-TS）

式中：c—料液的比热容（新鲜料液质量分数为4%～6%，可近似取水的比热容），为4.2 kJ/（kg·℃）；m—每天进入沼气池的新鲜料液量，为300 t；TD—沼气发酵罐内料液的温度，为30 ℃；TS—新鲜料液的温度，为5 ℃。经计算，Q1=315 000 00 kJ。

（2）厌氧消化罐散热损失的热量。厭氧消化罐散热损失的热量计算公式：

Q2=24×（TD-TA）/[∑bi/（λi×Si）+1/（α×S0）]

式中：Q2—罐内向罐外散发的热量，即罐体散热损失，单位为kJ；Si—罐顶、罐壁和罐底散热面积分别为314、1 256、314 m2；S0—罐顶和罐壁散热总面积，为1 570 m2；TA—罐外介质温度，10 ℃；α—罐外壁热转移系数，为10 W/（m2·℃）；bi—罐体各部结构层，保温板厚度为100 mm，罐底基础为钢筋砼，厚度为1 000 mm；λi—罐体各部结构层，保温板导热系数为0.042 W/（m·℃），钢筋砼导热系数为1.3 W/（m·℃）。经计算，Q2=240 000 kJ。

（3）循环水箱及其管道散热损失的热量。循环水箱散热损失的热量计算公式：

Q3=24×（TN-TA）/[∑bx /（λi×Sx）]

式中：Q3—箱内向箱外散发的热量，即箱体散热损失，单位为kJ；Sx—箱顶、箱壁和箱底散热面积，分别为12、63、12 m2；TN—箱内水体温度，为35 ℃；TA—箱外介质温度，为10 ℃；bx—箱体保温板厚度，为100 mm；λi—箱体保温板导热系数，为0.042 W/（m·℃）。经计算，Q3=22 000 kJ。

水管的热量损失较小，可忽略不计。因此，每天沼气发酵罐总的热损失为Q=Q1+Q2+Q3=31 762 MJ。

2.2.2 以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统的设计。

（1）沼气发电余热回收的计算[13-14]。沼气发电余热利用是指在沼气热电联产过程中，通过回收发电余热中的热量来加热发酵料液。本作品设计每天大约有2 000 m3的沼气用于发电，如果采用国产沼气发电机组，1 m3沼气大约可发电1.5 kW·h，则每天可产生电能3 000 kW·h，按55% CH4含量计算，1 m3沼气燃烧放热为20 MJ，则沼气燃烧可产生热量Q热=40 000 MJ，沼气发电与烟气回收所产生的余热利用率为50%左右，则每天发电余热回收为Q余=0.45×Q热=20 000 MJ。

（2）太阳能加热循环水的计算[15-17]。每天沼气发酵罐所需热量为31 762 MJ，沼气发电余热回收热量为20 000 MJ，所以还需太阳能提供11 762 MJ的热量，本作品设计利用太阳能加热时间为4 h。太阳能热管加热系统日均集热量公式：

式中：A—集热器采光面积（m2）；I—集热面上日平均辐射强度，为22 MJ/（m2·d）；ηj—集热器全日集热效率，取0.55；ηs—管路及储水箱热损失率，取0.1。经计算，A=2 200 m2。

（3）空气源热泵加热循环水的计算[18-19]。由于太阳能热水系统受平均日辐射量、日照时间、气温、气象特点、气候等因素影响较大，不能全天候工作，须设置其他热源联合或辅助加热装置。本作品采用空气源热泵辅助加热，实现高效节能的新型热水系统。一旦太阳能热水器受到天气影响，则空气源热泵启动，代替太阳能热水器工作，需要输出11 762 MJ的热量，即3 293 kW·h。一般情况下，2 200～2 600 W都可称为1匹。本作品拟设定空气源热泵的工作时间为5 h，2.2 kW为1匹，由以下公式计算：

N=Q/（T·W）

可得N=300。故空气源热泵应匹配300匹。

2.3 以沼气发电和光伏水泵为基础的联合进料泵系统的设计

本系统拟设计软硬双床AF的日进料量为150 t，每天的有效光照时间为8 h。因此，在内至少要抽水150 m3，拟配备8 h内抽水200 m3的泵系统，即每小时25 m3，总扬程为8 m，以预防天气影响，需有150 m3的蓄水池，拟建高位蓄水池为180 m3，如果出现连续阴天或低温天气，则利用沼气发电系统辅助。

提水系统水功率的计算公式[20-21]：

式中：Npf—提水系统水功率（W）；Q—水泵所需流量（m3/h）；H—系统总扬程（m）；g—重力加速度（m/s2）；ρ—水密度（kg/m3）；k1—流量修正系数；k2—提水机具形式修正系数；k3—电力传动形式修正系数。经计算，得Npf=968 W≈1 kW。

光伏阵列容量计算公式：

N=k4k5Npf

式中：N—光伏阵列的容量（W）；k2—太阳能资源修正系数；k3—光伏阵列跟踪太阳方式修正系数。经计算，得N=800 W。

相关工艺模型见图2。

3 效益分析

3.1 矿区土地恢复工艺系统的效益分析

本作品拟建立气液联合搅拌新型CSTR反应器5 000 m3，软硬双床AF 300 m3，双填料好氧净化器150 m3，年产沼气约120万m3，年产沼渣约5 000 t，年产沼液约10万t，其中5万t用于农业发展所需追肥，剩余5万t通过软硬双床AF和双填料好氧净化器处理，实现达标排放，用作发展农业及其园区绿化的灌溉用水。

本作品采用自行研发的气液联合搅拌新型CSTR反应器，避免了传统的CSTR反应器叶轮易腐蚀、维修费用高、气密性差等问题，在沼液的净化上采用自行设计的软硬双床AF和双填料好氧折流沟，利用高位差，实现自流净化，可达到二级排放标准。具体工艺处理效率见表1。

厌氧消化工艺减排符合清洁发展机制CDM“可再生能源替代化石燃料”和“甲烷回收”2个规定项目[22]。其减排量是“替代煤炭的减排”“回收甲烷的减排”和“燃用沼气的排放”三者之和，即CDM减排量计算公式：E1+E2-E3=E。计算如下[23]：

（1）替代煤炭的减排E1。本作品年产沼气约120万m3，沼气的折标煤系数为0.714 kg/m3，即相当于856.8 t的标煤。根据《京都议定书的三机制及其方法学》标煤—2.658二氧化碳排放系数计算：标煤856.8t×2.658=2 277 t二氧化碳。

（2）回收粪便自然分解释放甲烷而形成的减排E2。以厌氧消化工艺的产气量直接计算甲烷的回收量。厌氧消化工艺总产气量为120万m3，其中甲烷含量为60%，即72万m3、518 t（甲烷密度0.72 kg/m3），按甲烷21倍碳当量计算，本作品回收甲烷每年减排二氧化碳10 878 t。

（3）燃用沼气产生的二氧化碳排放E3。燃烧72万m3甲烷产生72万m3、1 420 t二氧化碳（二氧化碳密度1.972 kg/m3）；另外，120万m3沼气中还含35%、42万m3、830 t的CO2。因此，燃烧120 m3沼气共排放二氧化碳1 420 t+830 t=2 250 t/年。

由此，每台沼气池每年形成的二氧化碳减排量：2 277+10 878-2 250≈1万t。

本作品设计年产沼肥5.5万t，可供333.33 hm2土地施肥1年，可以替代333.33 hm2土地1年所用的化肥、农药，有效解决了食品安全问题。本作品年产灌溉用水5万t，节约园区5万t的水资源。

3.2 矿区土地恢复热电联产加热系统的效益分析

本作品设计以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统，其中沼气发电余热回收热量为20 000 MJ/d，以空气源热泵辅助的太阳能加热系统产生的热量为11 762 MJ/d。

蒲小东等[24]通过一个猪场废水处理沼气工程，研究3种不同加热方式的经济效益，发现沼气发电余热利用加热方式明显优于其他加热方式。因此，本作品优先采用沼气发电余热回收的热量对沼气工程系统进行加热。因为云南具有得天独厚的太阳能资源，所以剩余所需热量由以空气源热泵辅助的太阳能加热系统进行加热。本文对刘荣向等[25]统计的加热系统的效益数据进行了分析总结，所得具体参数见表2。

由表2可知，从运行费用上看，使用燃煤热水锅炉和空气源热泵热水+太阳能两者运行费用很接近，最为经济，但是从环保角度考虑使用空气源热泵热水+太阳能最为环保。综合考虑，以空气源热泵热水辅助太阳能加热系统最为经济、环保。

3.3 以沼气发电和光伏水泵为基础的联合进料泵系统的效益分析

本系統以光伏水泵进料为主，在出现连续阴天或低温天气，并导致辐射强度较弱时，采用沼气发电辅助进料。光伏水泵系统一般由光伏阵列、控制逆变器和水泵3个部分组成，其中光伏阵列由多个光伏组件串并联而成，其作用是将太阳光辐射能转换成直流电；控制逆变器的作用则是将直流电变为交流电，并对水泵进行自动化控制；而水泵的作用是将水从低处提到高处，它一般为三相交流水泵[26]。

光伏水泵系统与传统的柴油机水泵系统和交流电水泵系统相比具有较大的经济优势[27]。本作品采用水泵额定功率为1 kW的提水系统，采用不同的发电系统，建造成本也不相同，其中光伏水泵系统最高，为1.47万元；交流电水泵系统最低，为0.04万元。但运行25年的费用，光伏水泵系统最低，为0元；而柴油机水泵系统最高，为11.68万元。因此，虽然光伏水泵系统建造成本最高，但运行和维护成本都最低，25年运行下来，光伏水泵系统最为经济适用。光伏水泵系统相对于柴油机水泵系统和交流电水泵系统的这种经济优势在一些无电的山区更为明显[28]。

4 推广应用前景

本作品采用的厌氧消化工艺是完全密封的，不会对空气造成污染，而且可以保留有机物中的氮素，所产生的沼肥对今后发展有机农业、可持续农业起着至关重要的作用，建立以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统，发展现代化的可持续农业，带动采摘、旅游观光、休闲娱乐等服务业是未来矿区土地恢复的一种高效模式[29]，具有良好的经济效益、社会效益、生态效益、能源效益。而且，本作品采用的新型工艺系统适用于很多有机废弃物的处理，如养殖场废弃物、公厕粪便、屠宰场废水、酒精厂废水、蔬菜废弃物等，具有良好的推广应用前景。

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