基于生态农业背景下的农村有机固废厌氧消化及资源化利用模式探讨

2020-09-23刘学军黄维杨莎莎

工业安全与环保 2020年9期

刘学军黄维杨莎莎

(中钢集团天澄环保科技股份有限公司武汉 430205)

0 引言

随着农业农村的快速发展，农村环境污染问题也日益凸显，尤其是因有机固废的非规范化处理而导致的环保事件频频发生。因此，如何在发展农村、壮大农业经济的同时，有效解决农村的污染问题，实现美丽乡村建设，是摆在新时代环保工作者面前的共同挑战。面对农村有机固废数量增多、种类繁杂、性质差异大等特点，如何寻找有效的解决之道，实现农业农村有机固废的处理和资源化利用，则显得尤为迫切。针对全国各地农业发展的区域性和作物种植的差异性，本文主要以西南地区某大型蔬菜种植区为例，在生态农业的背景下，对如何实现有机固废的厌氧处理和资源化利用模式进行探讨。

1 生态农业背景及有机固废现状

1.1 生态农业背景

生态农业是一个集农业、生态、经济于一体的复合系统，它将农业生态系统同农业经济系统实现了有机统一，以取得最大的生态经济整体效益。通过传统的农业优势和现代高科技技术成果的结合，解决人工生态工程协调发展与环境之间、资源利用与保护之间的矛盾，形成生态与经济的良性循环，最终实现经济、生态、社会效益的统一。

随着中国城市化进程的加速和交通的快速发展，生态农业的发展空间将得到进一步深化拓展。现代化的农业经济与高科技种植技术的深度融合，为农村经济发展和乡村环境治理提供了快速发展的平台。因此，生态农业是在适应农业可持续发展战略与持续农业基础上发展起来的，是经济全球化时代农业发展的必然趋势[1]。

1.2 农业有机固废种类及产量

农业有机固废是指在农村农民生活和农业生产过程中产生的有机类固体废物的总称，主要包括以下4类[2]：①农作物秸秆，主要包括玉米、水稻、小麦、豆类、薯类等作物秸秆；②畜禽粪便，主要包括奶牛、肉牛、生猪、肉鸡、蛋鸡等畜禽的粪便；③农副加工业产生的有机废物，主要包括甘蔗渣、土豆渣、甜菜渣、果蔬废弃物等；④农民日常生活废物，主要包括居民厨余垃圾和生活垃圾中经过分类收集后产生的湿垃圾。

由于有机物含有大量的氮磷钾等营养元素，以前农村居民将产生的农业废物进行焚烧或沤肥处理后，作为肥料用于作物种植使用。随着农业集约化程度的提高和规模化种养业的快速发展，农业生产所产生的有机废物产量也逐渐增加。

根据《农村沼气发展“十三五”规划(征求意见稿)》统计测算，2015年我国农村主要有机固废产生量巨大，其不同固废的产生量、可收集量、可利用量详见表1。

表1 主要不同种类有机固废统计

根据《农业农村污染治理攻坚战行动计划》(以下简称《计划》)中提到的农村有机固废资源化利用模式，在农业发展和种植业污染防治中，要加大生物肥料的应用，持续推进农药、化肥减量使用。由此可知，美丽乡村的建设不仅要解决固废处理的难题，更要实现后端产品的利用，促进生态农业的发展。结合表1中不同固废的产气潜力可知，有机固废采取厌氧消化的处理方式，是农村有机固废无害化处理的重要方式之一。

2 有机固废厌氧处理

2.1 农村有机固废的特性

农村有机固废从不同的产生来源和成分分析，主要有以下特征：

(1)物料成分的相似性。有机固废均含有丰富的可降解有机物质，最适宜采用生物法进行处理。厌氧消化产沼气是目前农村有机固废资源化利用最为普遍和经济实用的方法[3]。

(2)主要来源的差异性。农作物秸秆来源于种植业，畜禽粪便来源于养殖业，而农副加工废物来源主要以加工产业为主，由此可见不同有机固废的主要产生源头存在行业的差异性。

(3)主要产量的地域性。在长江中下游地区和华南、东南地区主要以水稻种植为主，在黄淮和西北地区主要以小麦种植为主，在东北、黄淮地区主要以玉米种植为主[4]。

(4)厌氧处理的协同性。均可通过厌氧处理，实现有机固废的处理和资源化利用，最终的产品具有一致性。通过物料之间的调配实现协同处理，不仅能弥补单一物料存在的C/N不均衡，还能最大化实现产气量的增加和有机肥的利用。

2.2 有机固废厌氧处理的工艺流程

由于不同物料来源的差异性，对于我国西南地区某蔬菜种植区而言，其主要的农业有机固废是果蔬废弃物和农作物秸秆(以小麦和玉米秸秆为主)。对于该类型的有机固废厌氧处理，其主要工艺流程如图1所示。

图1 不同有机固废协同厌氧消化处理工艺流程

果蔬废弃物和农作物秸秆首先进入预处理系统，进行破碎处理后再按照一定比例混合搅拌、调配均质，然后通过进料输送设备进入到厌氧消化系统。在保持恒定温度的厌氧消化系统内持续搅拌状态下，充分进行厌氧消化。经过20 d左右的发酵后，有机固废发酵产生的沼气进入到气柜中暂存。全厂的沼气经过脱硫系统后，除部分沼气用于锅炉燃烧为厌氧消化系统供热外，大部分沼气可通过管网系统，直接输送至居民用户作为燃气使用；或者作为动力能源，提纯增压后制成车用CNG，供运输车辆使用。厌氧消化后的浆液进入沼渣脱水系统，经固液分离后产生脱水沼渣和沼液。经过提纯产生的高纯度CO2气体可加工成绿色CO2气态肥，供大棚种植的作物夜间使用。脱水沼渣通过辅料混合进入好氧堆肥系统，经过后续的发酵、陈化、烘干、配菌、造粒等系列工艺流程后，可制成生物有机肥，通过采用测土配方施肥技术对农作物进行施肥。沼液则经过沉淀、降解、曝气等工艺流程后制成液态肥，通过采用水肥一体化技术对农作物进行滴灌施肥。

3 不同产品资源化利用模式探讨

不同的有机固废通过厌氧消化协同处理后，可产生不同的资源化利用产品。根据产品的形态分类主要有：①固态的生物有机肥；②液态的沼液肥；③气态的生物天然气和CO2气态肥。不同的产品原料不仅来源于农业农村的生产生活，又可作为资源化产品回馈到农业农村的生产生活中，与生态农业实现有机结合。在生态农业的背景下，农业有机固废实现了无害化处理和资源化利用，通过与先进高效的种植技术相结合，探索出新的利用模式，如图2所示。

图2 生态农业发展下的有机固废资源化利用模式

3.1 沼气产品及其利用模式

有机固废经过厌氧消化协同处理后，产生的粗沼气再经过后续的脱硫处理，即通过脱硫塔除去沼气中的H2S气体后，就可以进行资源化利用。产生的沼气除部分用于厌氧工艺保温和厂区供暖外，剩余其他沼气可用于不同的模式，主要利用途径有以下3种：

(1)沼气发电，利用模式为“沼气—脱硫—发电—上网”，该模式主要用于大规模有机固废处理企业，且当地电网公司具有接收沼气发电意愿的情况。

(2)沼气提纯制备车用CNG，利用模式为“沼气—脱硫—提纯—增压—加气站—出租车/燃气车”，该模式主要用于区域范围内工业燃气储备能力不足，或需要新建加气站的情况。

(3)沼气用于管网用气，利用模式为“沼气—脱硫—管网—供气站—住户”，该模式主要用于农村生活用气的补充，需具备燃气管网敷设到户的基础条件。

具体如何选择3种不同的沼气利用模式，既要结合当地的发展条件和市场缺口，也要考虑产业链的下游企业对沼气产品的接纳意愿，结合项目的投资成本，因地制宜、综合考虑后作出选择。

3.2 沼液产品及其利用模式

液态肥是厌氧消化处理后形成的主要产品之一，它是固液分离系统产生的滤液，经过逐步的搅拌、预热、配菌等流程处理后，生产的符合标准的液态有机肥料。

液态有机肥滴灌技术是通过滴灌系统在灌溉的同时，将肥料配对成肥液一起输送到作物根部土壤，供作物根系直接吸收利用。该方法可以精确控制灌水量、施肥量和灌溉及施肥时间，显著提高水和肥的利用率[5]。

水肥一体化滴灌技术和大田漫灌相比，具有显著优势。尤其是应用膜下滴灌措施可大量节水省肥，改良土壤理化特性，大幅度减少土壤表面水分蒸发，降低大棚内湿度，有效控制蔬菜病害发生，减少人工看管成本[6]。对于西南地区的大型蔬菜种植区而言，尤其是对于水资源相对缺乏的种植区，液态肥滴灌技术的推广应用，对农村生态农业的发展起到积极的促进作用。

3.3 沼渣产品及其利用模式

《计划》中提出，要深入推进测土配方施肥和农作物病虫害统防统治，实现全程绿色防控，计划到2020年，实现测土配方施肥技术覆盖率达到90%以上。

测土配方是根据农作物的种类、对营养元素的利用率、所需营养元素的比率等确定所需肥料的种类与数量。沼渣肥富含各种营养元素，可根据不同作物的需要，选择性调配和添加。在生态农业的背景下，沼渣肥与测土配方施肥技术的应用，对于助推生态农业的发展起到积极作用。生物有机肥的有效应用，不仅既能提高农作物产量，又能合理利用肥料，避免浪费、保护环境。

不同的资源化产品有不同的利用模式，具体如何选择适宜的模式，要结合适用条件的项目所在地因地制宜进行选择，具体的选择条件见表2。