四川省农村有机废物能源化的区域管理规划方案——以崇州地区为例

恽云波，邓欧平

（1.德国亚琛工业大学水和固体废物管理研究所，德国亚琛 52056；2.四川农业大学资源学院，成都 611130）

我国正处于发展中国特色农业结构的关键阶段。农村有机废弃物的资源化利用是中国特色农业建设进程中、以及发展农村绿色循环经济中的重要组成部分[1-2]。中国作为世界上农业废弃物产出量最大的国家，自十二、十三五规划以来，在实现对农村地区有机废弃物的可持续管理方面已取得初步效果，但目前仍存在资源总量不清、政策法规执行力度缺乏以及技术装备未成熟等问题[2-3]。未来中国在农村有机废弃物资源化管理模式及技术领域的发展将对中国的可持续生态环境发展之路产生至关重要的影响。

崇州地区作为四川省以及中国典型的以农业为主的地区，有机废弃物数量及其所蕴藏潜能均非常可观目前由于种种因素限制，崇州地区的有机废弃物并未得到充分利用。为此为该地区建立起系统的有机废弃物区域管理方案是首要任务。由德国联邦教研部资助的中德联合科研项目WAYS旨在为中国长江上游地区提供可持续的水资源管理技术及服务，其子项目之一将为以项目地点崇州市为例，研究其区域内有机废弃物的利用途径，并以此制定区域内有机废弃物资源及能效化利用的综合管理方案。研究目标废弃物主要为该地区典型有机废弃物，如农作物秸秆及畜禽粪便等。此外城镇餐厨垃圾作为新兴有机废弃物，亦在本文研究范围内。鉴于其巨大产生量，需对其环保化的处理寻求一条可持续性的解决途径[4]。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

崇州市为四川省成都市下辖的县级市之一，距成都25 km，东部位于成都平原之上。属亚热带湿润季风气候，年平均气温约16℃。崇州总人口约67万人，其中城市人口占约30%左右。全市面积1 096 hm2，其中山区占总面积的43%且无长居人口，丘陵区占总面积的5%，平原区占总面积的52%，约563 hm2。平原区域可进一步细分：约427 km2为可耕地、25 km2为城市及乡镇地区，剩余区域为河流、街道、果树种植区域等。通过地理信息系统（GIS）软件可绘制的崇州土地利用情况（见图1）。其中绿色部分为森林覆盖区域，即山区，紫色为城区，剩余为平原地区。为便于开展区域废弃物资源管理规划研究，根据崇州市地形及城镇中心分布情况，平原地区被划分为5个子区域。

1.2 数据来源及方法

图1 崇州土地利用图Figure 1 Land use map of Chongzhou

数据信息获取是废弃物区域管理方案规划的重要前提。方案规划过程中除使用崇州地区废弃物相关数据外，亦涉及崇州市地质地貌、土地利用、水文信息、基础设施等信息。主要信息来源于自身实地调研考察，部分信息数据由崇州市环保局、崇州市农业局、崇州市沼气办公室、崇州市经济信息办公室以及四川农业大学等相关部门及科研机构提供。本研究采用的方法如下：文献分析与实地调研相结合，对大区域深入了解及分类；利用GIS等软件工具划分及确认典型目标区域；对目标区域内有机废弃物资源潜能进行科学统计及预估、为典型案例区域规划系统研究方案；通过理论数据及软件工具相结合的方式确定废弃物利用种类和地点，通过废弃物产能计算模型规划设计沼气样板工程，为崇州地区制定有机物能源化具体技术方案。

2 废弃物资源潜能估算

2.1 崇州废弃物管理现状及资源化需求

根据实地调研所获取的信息，崇州地区农田收割后的残留物大部分仍未进行有效能源化利用，取而代之的是田地内直接焚烧等低效措施。小型农场中产生的粪肥一般还需在深沟中保存数月后，再施入农田。其间，农民多烧煤来保障烹饪或取暖需要。厨余垃圾大多用于喂养牲畜，而由于其在食物链中积聚过多有害物质，该利用途径在已被相关法律禁止，因此为能源化利用提供了可能[5]。区域有机废弃物资源管理中的一项重要因素是当地对于资源化过程中产生的衍生产品，如热、电、肥料、沼气、天然气或其他产品的需求[6-7]。崇州属于农业发展区域，夏季月份（5—9月）几乎仅种植大米，冬季月份（10月—次年4月）主要种植小麦和油菜。由此推论，当地对肥料的需求为主导需求。此外还调研了家庭用于烹饪及照明的人均用气量数据。在城镇地区该值约为0.41 m3/（人·d），在农村地区该值约为0.34 m3/（人·d）。结合城镇当量人口数（25万）和农村当量人口数（42万），得出崇州地区用于照明及烹饪的年总耗气量为90 hm3。此外，农村冬季的需暖量也可过产沼供暖来覆盖。

目前崇州当地已建有数量可观的沼气站：发酵容积＞30 000 m3的沼气站120座，发酵容积在8～10 m3的小型农户沼气池超过28 000个。可据此认为，当地在沼气生产和利用上已具备必要的基础设施及管理途径。但当地仍普遍存在废弃物资源化效率不高的问题。为了对地区内所有产生有机废弃物的利用进行规划，首先须准确统计废弃物种类、产生量及产能潜能。

2.2 农村有机废弃物资源统计及潜能估算

崇州地区有机废弃物资源主要分为畜禽粪便、餐厨垃圾和有机工业垃圾及有机生活垃圾，下面分别统计估算。

（1）畜禽粪便。

在崇州，猪与牛是主要的畜禽种类，此外亦存在少许羊养殖场。畜禽排泄物的产生量与畜禽数量及排泄系数有关。结合文献资料[8-9]与实地调查走访情况，猪、羊一天约排泄的可收集粪便量约为2 kg，牛排泄量约为猪的5倍。由此得出的年粪便排泄量统计见表1（鸡、鸭、兔等家禽暂无统计数据）。

崇州市以农业用地为主，主要农作物为水稻、小麦、大麦、油菜、玉米等。在与崇州当地相关农业部门所提供信息及自主调查基础上，统计了2014年各类农作物在崇州的种植面积、收成以及秸秆废弃物理论产生量（见表2）。

表1 崇州农村地区畜禽粪便产生量统计Table 1 Statistics on livestock manure in rural areas of Chongzhou

在此统计基础上，将崇州市农业种植废弃物资源按图1中使用GIS地理信息系统软件对崇州市平原地区的区域划分进行分配，所得崇州市农业种植废弃物资源分配（以稻秸秆、麦秸秆和油菜秸秆为例）见图2。

图中彩色部分标注的地区为崇州市主要农业地区。该区域被划分为5个子区域，即区域I到区域V，这些区域被视为收集和回收农业种植残留物的潜在区域。紫色区域为人口聚居地区，即城市或者乡镇地区。计算结果表明，稻秸秆、小麦秸秆和大麦秸秆是崇州地区产生的主要秸秆类废弃物。目前崇州大部分秸秆在农田直接燃烧。未来崇州的发展目标包括用稻草秸秆作为煤的替代燃料，例如用作酒精生产工业的热量来源。

表2 崇州地区秸秆废弃物统计表Table 2 Statistical table of straw waste in Chongzhou

图2 崇州地区秸秆废弃物资源分布图Figure 2 Straw resource potencial of the algriculture in Chongzhou

（2）餐厨垃圾。

由于地区的差异及本身的复杂性，餐厨垃圾信息的精确获取存在一定难度。在此根据已有文献资料[5，12]，将崇州城市地区餐厨垃圾产生系数（包括餐饮行业及事业单位食堂垃圾）估为0.8 kg/（人·d），农村地区则为0.2 kg/（人·d）。因此整个崇州地区的餐厨垃圾理论产生量为284 t/d，即103 660 t/a。

（3）有机工业垃圾及有机生活垃圾。

由于此类垃圾中有机成分不一，且在中国农村地区垃圾分类收集至今未得到有效推广，以及信息获取亦存在较大难度，故此大类不在本文中讨论

综上，崇州地区存在大量未有效利用的有机废弃物，主要来自农业和畜牧业。另外餐厨垃圾也是易忽略的组成部分。有机废弃物总量初步统计为137万t/a。其中57%为不同种类秸秆残留，35%为牲畜粪便，8%为餐厨垃圾（见图3）。

在统计农业有机废弃物总量的基础上，根据各组分产沼系数[13]计算所得崇州地区有机废弃物理论沼气产量如图4所示。计算结果显示，秸秆类残留物蕴藏巨大产气潜能。理论上仅合理利用地区内稻秸秆和麦秸秆即可满足农村地区家庭的能耗需求。若农村每户3～5口人的家庭每天做饭取暖所需沼气量设定为2 m3，则理论上崇州地区有机废弃物所藏沼气潜能足以供10万户农村家庭或40万居民使用。具体到废弃物类别，单牲畜粪便潜能即可满足年度沼气需求量的26%（95 d供应量），厨房垃圾约19%（69 d供应量），而秸秆类残留则超过200%（2年供应量）。

图3 崇州地区有机废弃物资源统计Figure 3 Organic waste resources in Chongzhou

图4 崇州地区有机废弃物理论产沼量Figure 4 Theoretical biogas yield of different organic waste in Chongzhou

需要指出的是，以上计算仅考虑了目标地区有机废弃残留物的理论资源潜力。若要进一步估算实际可利用资源潜力，则须考虑不同因素对最终可利用资源量的限制影响作用，其可通过金字塔图体现：可利用资源——盈利/收益——技术可行层面限制——行政管理结构限制——废弃物资源总量。

在分析秸秆残留物可利用资源时，须考虑其利用竞争关系。其中重要因素之一是保持耕地的土壤肥力，约1/3的秸秆残留物须还田以确保耕作的可持续性。因此仅有不到70%的秸秆残留物可利用。进一步考虑使用竞争，秸秆残留物的可用比例将在保守估计下继续减少至20%[14-15]。可能竞争性用途包括使用稻草作为牲畜饲养草荐（比例约37%～52%），或作为牲畜饲料（比例约30%）[14-15]。为更好地阐述有机废弃物资源区域管理方法，可选择同时包括农村及城市结构的第三区域（图1右下方区域），对该区域继续进行资源评估和规划再利用路径。鉴于其区域特性，除秸秆废弃物外，餐厨垃圾也因被作为重点资源考虑。根据现有数据，仅有秸秆废弃物可按地区种植分布统计产生量：第三区域内稻秸秆年产生量为49 100 t、小麦秸秆61 000 t、大麦秸秆33 800 t、油菜秸秆42 100 t。假定30%的秸秆残留须还田维持土壤肥力，另外40%被用作牲畜饲养，则可用于能源化的农业种植残留物资源潜力约为总量的30%。畜禽粪便无法按此方法统计，因此假设崇州地区牲畜养殖场呈平均分布，从区域所占的面积中计算牲畜数量。第三区面积为104 km2，约占平原地区总面积的1/4，故第三区牲畜粪便数量也按此比重计算。餐厨垃圾的可利用量取决于其在该地区如何被纳入资源利用计划中，区域内的城市和农村面积比例是重要影响因素。具体到第三区，仅考虑中心城区及乡镇的餐厨垃圾产生量，则按区域面积及上文产生系数计算，年可收集量约为39 000 t。若考虑农村地区收集加成，则可用资源量会有所增加。鉴于目前中国农村地区垃圾收集系统仍未完善，故此因素不纳入考虑范围。

3 有机废弃物能源化区域规划方案

有机废弃物能源化区域规划是有机废弃物区域管理的基础，此规划方案以崇州市为例，并以能源利用为重点，是一项关于建立和实施有机废物区域管理概念的规划方案。该方案目标可概括如下：（1）在农村地区推广有机废弃物一体化管理及资源化利用理念；（2）引进替代能源技术、强化"绿色"能源理念；（3）使有机废弃物回收利用领域多样化，如生物甲烷制造、压块燃料制造或余热利用等；（4）减少温室气体排放，如使用沼气/生物甲烷等替代化石燃料。

根据目标地区特性和回收目标，本方案设计了两种能源回收路径和一种物质回收路径（见图5）。沼气厂的主要原料为畜禽粪便和餐厨垃圾，部分种植废弃物或工业有机垃圾亦可作为辅助原料。对于秸秆类废弃物，小型焚烧厂或造粒厂是另一种利用途径。另外秸秆和家庭生活有机垃圾也可进行堆肥处理。该方案针对不同回收路径下的产物提供了所有可行的再利用方式：沼气厂生产的沼气可进入分散式沼气网，也可通过热电联产设备转化为电能和热能，视具体情况直接利用或并入电网，沼渣根据成分的不同可通过多种形式综合再利用；另外，沼气厂也可与生物燃料工厂相结合，其产物生物甲烷是天然气的替代品，也可用于分散的气体网络或作为农村直接燃料。秸秆废弃物可在小型锅炉焚烧发电并对余热加以利用，也可经压块造粒处理制成块状燃料，其作为化石燃料的替代品可供家庭或工业使用。物质回收路径中，秸秆残留、家庭生物垃圾或污泥可经堆肥处理后用于城市绿地培养或生态恢复。

图5 崇州地区有机废弃物区域资源化管理规划方案Figure 5 Regional managementconcept for utilization of organic waste resources in Chongzhou

对目标地区废弃物资源化工程的合理规划是当地可持续的有机废弃物区域管理中重要的组成部分。在初始规划阶段，可使用地理信息系统（GIS）软件作为决策支持工具，在遵循实际原则的基础上对有机废弃物综合利用工厂及设备进行选址规划。图6给出了在有机废弃物潜能估算及前述理论方案的基础上未来崇州地区秸秆燃烧/造粒厂、沼气厂/生物甲烷处理设备和小型沼气站的选址规划方案。

图中所建议的工程实施点以及有机废弃物能源利用形式应遵循以下原则：（1）废弃物与其产生地及可用性紧密结合；（2）不同地点废弃物管理和能源供应条件（集中或分散式）；（3）能源利用设备、企业及农村合作社的潜在运行模式；（4）各类废弃物能源化利用产物的市场化需求及潜在需求者；（5）当地地理条件及社会因素。

在城市地区，餐厨垃圾数量居多，大型养殖场也位于城市周边地区，在缩短运输距离的考量基础上，此区域附近适合建造大型沼气工厂及与其相结合的生物甲烷制备厂（图6中红圈）。生物甲烷为绿色能源，可作为天然气的替代燃料，亦可作为家庭燃气使用。乡镇地区人口聚居数量较少，故在此有必要考证是否存在足够的废弃物原料支持沼气厂运行。作为沼气厂的替代选择，此处产生的秸秆残留物可在小型焚烧厂或造粒厂资源化利用（绿圈）。对于广大乡村地区，简单直接的废弃物能源化技术应为首选。在此建议以农业合作社的形式运行小型沼气设备（紫圈），并提供沼气的直接利用，如做饭和取暖等。这种利用形式需要农民在经过培训后独立参与设备运行及维护，以节省成本。此外，中国正计划把散落农户结构发展为新农村结构，一个更为集中的沼气供应方案可以确保更有效地利用现有的产能。随着我国农业技术的发展，农业机械的应用将在未来愈加普遍，因此沼气的生产也可为其提供直接燃料。

图6 崇州市有机垃圾能源化综合利用工程点建议图Figure 6 Suggestions on project locations for comprehensive energetic utilization of organic waste in Chongzhou

4 沼气工程方案规划示例

在明确崇州市范围内有机废弃物的现有潜能及可利用资源量后，可逐步实施图5中区域管理方案的技术环节。下文以大型沼气工程为例，展示其在崇州地区的选址设计规划过程。

沼气工程的选址应考虑到各有机废弃物原料的运输成本与其热值关系。根据德国Wuppertal研究所文献资料[15]，牲畜粪水的能量密度较低，不适合长途运输，运输路程应控制在10 km以内。而能量密度相对较高的秸秆类物质则可承受15～20 km的运输路线。沼渣的运输距离也需有效控制，以对农业施肥产生积极作用。在选址中另一个考量是工程地点与电网、供气网及供暖网之间的距离。如需实现全年余热利用，则工程地点距潜在利用者，如工厂、医院、学校等不宜过远。对餐厨垃圾来说，由于其有机成分含量较高，并且是沼气厂的重要原料，因此工程选址应靠近人口密度较高的地区。在现有信息的基础上，仍选择崇州第三区域，即图1中的黄色区块进行工程规划。根据上述考虑出发点，通过GIS系统的初选，共为该区域规划7处预选示范工程点（图7左）。

图7 沼气工程方案规划选址示意图Figure 7 Map of site selection of biogas project location

图7中1号及2号选址靠近崇州主城区，易于收集餐厨垃圾及城区周边养殖场家禽粪便，较为适合建造大型沼气生产厂。3到7号地址则为建造离散型有机废弃物综合利用站提供。考虑到“十二五”“十三五”规划以来中国农村养殖场内的粪便处理率已较之前有很大提升[16]，故如今不断增量且未得到有效处理的餐厨垃圾应为沼气厂原料的主要成分。综合上述情况，1号地址应为此区域内理论最佳沼气工程点。考虑到粪便运输路程的限制，以该点为中心，标出方圆为7.5公里的黄色区域为沼气工程的服务区域（图7右）。在上文（2.2）中第三区域废弃物可利用资源量计算方法的基础上，可进一步计算此区域内资源总量：通过GIS软件确定该区域面积34 km2，占黄色区域总面积的33%。因此在统计区域内牲畜粪便以及秸秆类废弃物可利用数量时，均按该比例近似统计。餐厨垃圾方面，该区域内人口稠密区域面积占黄色区域总面积的80%，另外在输送、存放等过程中的损失按10%计，故餐厨垃圾计算系数为区域内总量的72%。表3统计了该工程点理论上可利用的有机废弃物资源总量。统计的同时考虑了季节对于有机废弃物资源的影响。农耕阶段可大致划分为夏季（5—9月，152 d）及冬季（10月—次年4月，213 d），耕作物分布也呈季节性变化：夏季主要耕作物为水稻，附加少量红薯和玉米。在冬季则以麦和油菜籽为主。

在沼气生产设备中，沼气通过各类原料的厌氧发酵处理产生，沼气的产生量取决于进料的有机物质组成（碳水化合物、低级脂肪蛋白质含量等）、沼气设备的运行条件、参数控制等诸多因素。其中进料各组分的产沼系数和所产沼气中的甲烷含量决定了其用于发酵产沼的和适度。H.Hartmann等的研究成果表明[10-17]，秸秆类残留物虽然拥有远高于牲畜粪便和餐厨垃圾的产沼系数，但因高热值属性，其用于发酵产沼时的能源利用率仅为燃烧时的35%。故在区域管理方案中将其视为燃烧或造粒的主要原料，而非产沼。表4中列出了根据各原料组分产沼系数和甲烷含量所得的理论产沼量及产能量。

表3 选址服务区域内可利用有机废弃物资源总量Table 3 The total amount of available organic waste resources in the selected area

在明确进料组成后，可利用现有数据和经验值设计所需沼气工程处理工艺。处理工艺主体为沼气发酵罐。具体工艺为：有机废弃物原料经破碎、均质化及预存后，进入发酵罐厌氧产沼，所产生的沼气可送往热电联产设备产能，也可继续制备生物甲烷，或直接利用。沼渣经脱水后可循环回收再利用，所产生过程水由于仍含有一定有机成分，故部分回流入存储罐及发酵罐。在设计沼气发酵罐的过程中决定性的参数为罐内有机物质负荷kg/（m3·d）及物料停留时间，当两参数均达到理想值时，单位质量物料产气效率才可达最佳效果[19]。

德国巴伐利亚州环境部以及F.J.Callaghan等的研究成果[19-22]显示，在物料配比为1∶1的协同发酵条件下，可推荐的有机物质负荷为3.5～4 kg/（m3·d），与实际工程案例中此参数可达6 kg/（m3·d）以增加沼气产速。综合崇州地区实际情况，将罐内有机物负荷设计为4.5 kg/（m3·d），停留时间18 d。根据上文估算的废弃物可利用资源潜能，由此计算得出此工程所需沼气罐体积为7 254 m3，可建造两个3 700 m3大小的沼气罐。另表4中3种物料以不同含水率进入发酵工艺，理论上可产生沼气13 278 m3/d，根据阿伏伽德罗常数、沼气中各气体比例常态分布，以及气体单位分子质量等，可计算得出每天可通过此工艺降解约14 t有机质，降解率是可观的43%。一般情况下未脱水沼渣含水率在90%左右，需经脱水设备将含水率提高至35%以上[19-20]，如此产生沼渣约74 t/d，产生的过程水大部分可回流入贮存罐及发酵罐以继续降解或调节进料。

表4 选址服务区域内有机废弃物理论产沼量及产能量统计（除秸秆外）Table 4 Statistics on the theoretical biogas and energy yield of organic waste in the selected project area(except straw)

图5所规划，工艺所产生沼气可用于热电厂或生物甲烷制备。前者在德国普及度已较高。在计算产能时，可将内燃发电机发电效率假定为13 000 m3气量下的普遍值40%，产热效率45%。由此可得出可产电能1 466 kW及热能1 650 kW，满足沼气厂及热电厂自身能耗的覆盖（电耗约总产量的8%，热耗约30%[23]），扣除自身能耗后仍有1 350 kW电能和1 155 kW热能剩余，这部分理论上可转化为经济收益。考虑到目标区域夏季缺少供暖需求，以及在沼气设备运行、电暖输送过程中的损失，实际可利电能应为1 200 kW，热能应为550 kW左右。若所产沼气用于生物甲烷制备，粗略估算最佳甲烷产量可达8 000 m3/d。产沼工程的工艺流程、重要参数以及产能与耗能数据等见图9。从投资及运行维护成本以及短期回报收益角度考量，鉴于在德中两国已有的运行实例，热电联产方案的经济性优于生物甲烷制备。由于各项成本均与当地实际情况有关，因此两种方法的成本估算此处不做赘述。

5 结论

崇州地区作为四川省以及中国典型的以农业为主的地区，有机废弃物数量及其所蕴藏潜能均非常可观，若合理利用，可覆盖农村地区供暖供电及照明需求，并产生良好的经济效益。但目前由于种种因素限制，崇州地区的有机废弃物并未得到充分及有效利用。为此为该地区建立起系统的有机废弃物区域管理方案是首要任务。该工作并非一朝一夕，而需通过大量前期准备、遵循科学的管理方法、采用循环经济理念并利用经济有效的技术手段实现。根据前文所述，该方案规划过程可分4个步骤：

第一步是研究区域认知及分类，即对目标地区的地理位置、气候条件、地区形态、土地利用以及社会条件等方面进行深入了解并对区域按特征分类。第二步为有机废物资源种类划分、潜能预估及利用研究。通过上文的范例可以确认，进一步强化完善数据搜集及管理方面的工作以更好地分析潜在资源及处理方式，是建立区域综合管理方案的重要基础和前提，也是新建设备工程规划审批的必备条件。第三步是完善行政及法律管理系统，促使监督管理系统、信息搜集系统等平台的有效执行。目前中国有关农村地区废弃物管理的法律法规仍不尽完善，实施情况在地区之间更存在巨大差异。在德国，多重但清晰明确的法律监管体系已被证明是成功实施区域管理的重要驱动因素。最后一步是为地区典型案例区域规划系统研究方案，正如前文所体现，GIS等工具是方案规划的有效支撑。

在与资源化处理有机废物及其资源化产物（如沼渣等）规划上，建议在与其潜在使用群体紧密合作的基础上聚焦物质的能源与原料利用可能性，目标是取代传统化石能源以及减少温室气体排放。在新兴热点餐厨垃圾的处理上，由于过多的食用盐会对发酵产沼过程起到抑制作用，因此需考虑与其他物质合理配比协同发酵。另外不可忽视的是，政府的激励政策将有助于各项措施的推行。