人居环境改善与乡村振兴相向而行的资源清洁利用技术发展模式——以华北、东北村镇有机废弃物利用为例

陈冠益，孙志利，程占军，史奕，刘长青，张忠伦，李鸣晓，张春雪，赵可，王易安

（1.天津商业大学机械工程学院，天津 300134；2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300350；3.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；4.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266520；5.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；6.中国环境科学研究院，北京 100012；7.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；8.吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130119）

乡村人居环境改善对于我国乡村产业聚集发展具有重大意义。促进乡村宜居宜业是农业农村现代化发展的重要目标之一，也是实施乡村振兴战略的重点任务[1]。乡村人居环境改善可逐步实现完善乡村公共基础设施、提升公共服务水平、培育文明乡风、振奋乡村精神面貌、提升治理水平、推进相关产业发展改革等乡村振兴工作任务[2]。目前，人居环境改善与乡村振兴之间还存在着发展不平衡的问题，特别是乡村人居环境改善发展模式可持续性差，存在整治工作执行难、经费缺乏、以政府出资为主、农民积极性不高以及企业参与少等一系列困难。上述问题的存在给乡村振兴战略的实施带来了巨大压力，如何实现乡村人居环境改善和乡村振兴战略的相向而行已成为一个亟待解决的难题[3]。

资源清洁利用技术是适合“三农”发展的重要生态工业技术，是链接人居环境改善与农业经济、生态良性循环以及资源节约型村镇建设的重要技术手段。探讨以资源清洁利用为主线的乡村人居环境改善发展模式，构建基于资源清洁利用产业化的可持续经济循环系统备受关注。近年来，在各级政府的推进下，我国在资源清洁利用技术发展和应用方面已取得一定进展。首先，在人居环境自然系统中，畜禽粪便和农田秸秆是两大主要的有机废弃物来源，对其回收和利用始终是村镇人居环境改善的重要问题[4]。为应对这一问题，我国村镇的有机废弃物回收利用已基本形成了肥料化为主，饲料化、燃料化稳步推进，基料化、原料化为辅的综合利用格局，农田秸秆的回收利用率已超过82%。此外，乡村地区产生的废物中，食物垃圾、污泥废物堆积物中的有机物要用适当的手段进行处理，保障处理过程中的安全稳定[5-7]。其次，在人居环境居住系统中，农村卫生厕所建设受到政府高度重视，全国农村卫生厕所普及率已超过65%。根据2018 年国务院印发的《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》，到2022年，全国农村卫生厕所普及率预计超过85%，生活垃圾进行收运处理的自然村比例稳定保持在90%以上，如表1 所示。同时，我国政府不断推进村镇住宅的改造工作，自2019 年2 月起，通过农村住房建设试点工作提升农房建设设计和服务管理水平，各省（区、市）选择3～5 个试点，2019 年10 月底前完成建设和验收，2020 年建成可复制、推广的示范农宅。随着新农村建设的不断推进和深入发展，居民对住宅的功能需求也逐渐丰富，对室内外环境品质和舒适度的要求不断提高[8]。

表1 《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》生态宜居建设指标Table 1 Indicators of ecological livable construction in Strategic Plan for Rural Revitalization（2018—2022）

然而，在我国乡村人居环境整治系统化推进的同时，受不同区域气候条件和地形地貌影响，各项人居环境改善技术在研发和实施过程中仍遇到诸多实际问题。通过对我国华北、东北村镇的人居环境现状进行调研发现：乡村普遍存在有机废弃物利用率低、生物质焚烧污染依然严重、农宅热舒适性差且供暖能耗大、村镇人居环境信息化建设滞后等共性难题[9]。本文通过探索上述共性难题背后的科学问题、剖析限制人居环境改善的因素，针对性提出了村镇资源清洁利用技术方案，其中涉及有机废弃物发酵资源化处理、生物质低氮能源化利用、村镇低能耗农宅设计与建造、村镇人居环境信息化四个方面。对比综述了其中三项清洁利用技术的发展现状和方案，探讨相关技术对推动人居环境改善和实现乡村振兴所起到的作用。文中所涉及的详细数据和论据来自国家重点研发计划“华北东北村镇资源清洁利用技术综合示范”项目。

1 华北、东北乡村人居环境现状与存在问题

多年以来，以有机废弃物为重要污染源的乡村人居环境一直未找到全面有效的改善方案，出现了明显的地区性、气候性、结构性的废弃物过剩问题，同时在治理废弃物焚烧过程中消耗大量的人力、物力和财力。华北、东北地区是我国重要的农业主产区，具有明显的冬季寒冷干燥气候特点，废弃物资源化与能源化利用需求大，给乡村人居环境改善带来了巨大压力。笔者通过走访华北、东北村镇，对农村人居环境进行调研、考察和总结，归纳了多个在村镇人居环境发展中存在的问题。

1.1 乡村有机物发酵资源化利用率低

相较于城市，乡村缺少完善的垃圾“收-运-储”体系，技术成果的持续性应用及自发性运维存在较大不足，秸秆焚烧、农业垃圾随意丢弃现象普遍，这与目前相关技术措施存在的物质转换率不高、处理对象单一、多元废弃物混合处理时效性差、区域普适性不足、气候敏感性强等问题有关。此外，基于经济发展水平和农民增收的现实需求，环保措施需额外投入，无法直接产生经济效益，也限制了农户自发开展有机废弃物资源化利用的积极性。

华北、东北村镇的有机废弃物回收利用率低，“以用促禁，以禁促用”的效果较差，而资源化是村镇有机废弃物利用的重点领域。目前在乡村有机废弃物资源化发酵利用方面，国内外均关注发酵工艺调控及全流程设备开发，如日本COMPO 技术、德国Horstmann系统已达国际领先水平，我国通过技术引进和自主创新，研制发酵装置、探索发酵工艺，已实现部分产品国产化[10]。但华北、东北村镇仍存在一些问题：在需求层面，农业、农村有机废弃物混杂、零散、偶发性强、季节性明显，其高效且经济的资源化利用始终是难题；在技术层面，受气候、物料构成的限制，堆肥处理周期不稳定，存在腐殖化周期长、矿化过度、腐植酸含量低等问题；在应用层面，异位集中处理模式存在收集储运困难、运维成本高、堆腐产品附加值低等缺点。

1.2 生物质低氮能源化利用技术不足

生物质作为绿色环保的可再生能源，其燃烧供暖的能源化利用方式可有效解决传统化石能源匮乏及环境污染愈发严重的问题。但现有生物质直接焚烧造成的环境污染问题突出，生物质燃烧所用设备多由燃煤设备改造制成，在直接燃烧和气化燃烧过程中，存在生物质供暖负荷动态变化大、燃料适应性差、燃烧效率低、结渣积灰严重、高污染物释放环节难以有效识别等问题，导致排烟中污染物含量较高，尤其是氮氧化物，可对环境造成较大污染，降低人居环境质量。

为应对华北、东北村镇冬季生物质燃烧采暖碳排放高和污染大的问题，围绕废弃物能源化利用，国内外重点开展了生物质低氮直燃和气化燃烧，变负荷、变工况条件下生物质锅炉的低氮动态智能控制，生物质气化炉设计以及生物质低氮燃烧反应动力学等研究。尽管对固体废物燃烧过程的建模实验以及生活垃圾焚烧过程物质变化的研究都有效推进了生物质低氮能源化利用的发展[11-13]，但目前针对农村供热用生物质锅炉的研究大多围绕集中式供热系统开展，而在变负荷工况下实现分布式低氮燃烧锅炉的研究工作还不充分，这也间接造成了村镇生物质能供暖技术应用中普遍存在的燃料适应性差的问题，以及原有分布式燃煤设备简单替换造成的生物质燃烧设备燃烧效率低、结渣积灰严重、排烟中氮氧化物浓度高等问题[14]。

1.3 农宅结构与能源消费结构不合理

农村住宅大多是自发建设，空间布局缺乏科学性，采暖设施不齐全，主动式太阳能利用技术普及率较低。自建房屋方案通常模仿或改进先前的住宅，建筑结构形式和围护结构材料单一，鲜少采用低传热墙材与节能墙体构造技术，且无论是既有建筑还是在建住宅均没有经过节能设计，普遍存在建筑能耗高、围护结构保温隔热性能较差的问题，导致房间在冬季热量流失严重，采暖能耗大且室内热舒适性差。

华北、东北村镇农宅普遍供暖能耗高、热舒适性差，这也是村镇人居环境改善的重点。一方面需要改进墙材的保温性能；另一方面，需将主动改进和被动提升的低能耗建筑构造技术相结合。目前，我国村镇建筑外墙和屋顶的平均传热系数分别为1.34 W·m-2·K-1和0.76 W·m-2·K-1，而发达国家村镇建筑外墙和屋顶平均传热系数分别为0.33 W·m-2·K-1和0.21 W·m-2·K-1，因此，对村镇农宅用新型建筑材料的研发和产业化应用仍需进一步加强[15]。国外对太阳能热利用的研究和应用较为成熟，德国的太阳能主被动式农宅可节能70%，希腊和英国的太阳能被动式农宅节能达30%，而国内有关太阳能与农宅一体化、主被动结合式太阳能应用的研究起步较晚，多停留在理论和设计研究阶段，适用于华北、东北地区的主被动式低能耗农宅技术及规模化应用还较为匮乏[16-17]。

1.4 村镇人居环境信息化建设滞后

为提高村镇资源清洁利用水平，以信息化为支撑的专业化、标准化及市场化的技术应用是关键。但由于村镇人口分散，大量的农户信息封闭，加大了现场数据精准采集难度和成本。同时，村镇信息源（人居环境信息、室外气象参数信息、可资源化和能源化利用的废弃物信息、农宅结构信息）的复杂性给信息系统的数据融合带来较大挑战。此外，村镇信息的价值化体现不明朗，村民参与度不高也造成了村镇环境信息化建设的滞后。

近年来，国内外对村镇社区大数据信息融合技术应用开展了大量研究，大数据信息融合技术的应用涉及定位预警、数据挖掘、建筑施工等多个方面[18-19]。韩国、日本等发达国家已相继基于物联网技术实现了村镇建筑能耗信息及室内外环境远程监控云平台的建设，为村镇资源能源利用及人居环境保障技术的数字化协同应用与统筹优化提供支撑。然而我国华北、东北村镇人居环境信息化水平依然相对落后，这已成为各项环保节能创新技术与装备间数字化协同应用及统筹优化的瓶颈。

2 华北、东北村镇资源清洁利用技术分析

围绕华北和东北村镇人居环境问题、农业产业结构以及自然气候条件，汇总了资源清洁利用技术现状并对各技术应用进行分析。

2.1 有机废弃物资源化利用技术

村镇有机废弃物主要包括农业产生的作物秸秆、畜禽粪便及生活垃圾中的有机成分等。生态环境部办公厅2020 年印发的《第二次全国污染源普查公报》显示，全国秸秆产生量为8.05 亿t，可收集资源量为6.74亿t，畜禽粪便估算产生量约23.6亿t[20]。华北、东北村镇可收集秸秆资源总量和畜禽粪便可资源化量分别占全国的36%和47%[21-22]。对目前存在的村镇有机废弃物资源化利用技术进行对比分析，结果如表2 所示。在秸秆和畜禽粪便的处理上，肥料化和还田应用是主要的处理方式，秸秆肥料化利用率为51.2%，直接还田率为39%，畜禽粪便以肥料化处理为主，处理率为65%～75%[23]。在村镇有机废弃物肥料化处理上，盈利性堆肥是主要的处理模式，但堆肥企业多以小型企业为主，全国已登记的4 000 家有机肥企业中年产低于2万t的企业占80%以上，门槛低、规模小、设备简陋、工艺落后是目前国内有机肥行业存在的突出问题。同时，村镇有机废弃物具有混杂、零散、季节性明显的特点，堆肥产品的低值性又使储运成本成为堆肥企业运营的主要成本；华北、东北村镇冬季长，会对物料堆肥过程造成影响，堆肥处理周期不稳定、腐殖化周期长、腐植酸含量低等是区域有机肥废物堆肥处理需要解决的主要问题。

表2 村镇有机废弃物资源化利用技术分析Table 2 Analysis of technologies for resource utilization of rural organic waste

2.2 生物质能源化利用技术

有机废弃物沼气化、气化、液化、固化和直燃是目前我国农村有机废弃物能源化利用的主要路径，其中沼气化已实现大规模应用。当前我国华北、东北地区已经开始在农村地区大范围回收农作物秸秆，并用于生物质发电。随着全球新型能源开发技术的发展，目前我国热解气化技术也逐渐由工程示范向规模化产业发展，但是由于原料预处理及储存难、转化率低、过程能耗高、同时消化产气率低、气化利用中焦油控制工艺差、沼气发电与气化发电效率较低、设备与管理自动化程度较低、二次污染、工程系统运行气化强度低、效率低等技术难题，严重限制现阶段有机废弃物燃气化利用。

结合我国村镇有机废弃物能源化利用现状来看，当前已经使用的技术种类较多，但除了沼气发酵技术以外，其余技术均未取得较好的成效。村镇有机废弃物能源化利用技术的发展主要包括三个方面：①沼气发酵技术的进一步开发利用；②秸秆能源化直接利用技术多元化布局；③多种新型技术并存研发，比如制氢技术、微波热解技术、原材料预处理技术等。对目前存在的生物质燃烧利用技术进行对比分析，结果如表3 所示。

表3 生物质燃烧利用技术分析Table 3 Analysis of biomass combustion utilization technologies

2.3 有机废弃物建筑原料化利用技术

人类使用秸秆作为建筑材料的历史悠久，早在几千年前人类就使用草秆、芦苇等作为建筑材料。茅草被捆成小捆搭在房屋顶上，用来防雨，这是中国最早的关于秸秆作为建筑材料的利用方式。20 世纪80年代开始人们把捣碎的秸秆与黄泥混合、晒干，制成砖块，用来建造房屋。近年来，绿色建筑材料与可循环经济受到广泛认可，秸秆建筑材料得到了很好的推广，对目前有机废弃物建筑原料化利用技术的分析如表4所示。

表4 有机废弃物建筑原料化利用技术分析Table 4 Analysis of technologies for the raw material utilization of organic waste in construction

3 华北、东北村镇资源清洁利用技术的发展趋势

结合上述有机物资源化、能源化、原料化利用技术的特点，笔者提出了基于信息化技术的资源清洁利用技术综合发展模式，包括多元有机废弃物发酵利用技术、生物质混合物料低氮燃烧清洁化供暖技术、主被动结合的村镇建筑构造技术和人居环境信息化技术，为华北、东北村镇人居环境改善提供建设思路。

3.1 多元有机废弃物发酵利用技术

华北、东北村镇农业有机废弃物具有产量大、周期性强、气候影响显著的特点，采用的技术方法需要同时满足有机废弃物多元处理、气候影响小、技术门槛较低的适用性要求。好氧堆肥发酵可以作为东北、华北地区农业有机废弃物肥料化处理的主要方向，但需解决好前处理难、运输成本高的应用问题，以化解分散有机废弃物处理中的困境。

面对常规堆肥发酵情况下物质损失大、资源化价值低等问题，可以尝试探索有机废弃物能质传输规律，针对性地提出适合气候特点的多元覆膜共发酵资源化利用方案，原理如图1 所示。通过使用多元有机废弃物覆膜共发酵利用、定向腐殖化、酸强化水解技术及覆膜共发酵产物高分子协调可降解膜产品制备技术，实现有机废弃物还田，促进农田增产增效，形成可推广、可复制的多元有机废弃物覆膜共发酵利用技术应用模式，在改善乡村环境的同时，有效提高资源的再生利用率。

图1 多元有机废弃物覆膜共发酵利用技术方案Figure 1 The technical scheme of the multiple organic waste film-covered and co-fermented technology

3.2 生物质混合物料低氮燃烧清洁化供暖技术

华北、东北村镇生物质能利用普遍采用直燃方式，将生物质直接作为燃料进行燃烧，所产生的热能用于生产和生活。直接燃烧技术燃烧供暖过程中普遍存在燃料适应性差、燃烧效率低、结渣积灰严重、排烟中NOx排放量大等问题。国内外发达国家多采用烟气再循环、多级燃烧、低氮燃烧器组合等方式，可减少30%～70%的NOx排放。由于受燃料、燃烧条件和经济等因素影响，燃煤锅炉的烟气脱硝技术和设备尚不能直接应用于华北、东北村镇小型生物质直燃供暖锅炉，生物质锅炉脱硝技术尚不成熟。

与传统技术相比，村镇生物质低氮直接燃烧供暖技术通过分级燃烧技术在炉膛燃烧过程中降低NOx生成。该技术可在炉膛前部形成还原性的富料燃烧区域，从而抑制NOx前驱物氧化，减少NOx的生成；同时通过优化燃烧各阶段燃料输入配比，在炉膛中上部形成富氧燃烧，强化可燃气体及未燃尽碳粒等可燃物的充分燃烧。通过阻止炉膛内烟气流旋转形成旋涡，促进物料均匀混合，进而提升炉内烟气温度的均匀度，防止局部温度过高而结渣。最后通过生物质燃气-气固耦合还原脱除烟气中的部分氮氧化物，进一步降低污染物排放量，其技术方案如图2 所示，可以实现生物质混合物料低氮燃烧清洁化供暖技术在华北、东北地区中不同气象及资源条件下的可持续规模化应用，为村镇生物质能源高效利用提供技术支撑。

图2 生物质混合物料低氮燃烧清洁化供暖技术方案Figure 2 The technical scheme of the low-nitrogen combustion and clean heating technology of biomass mixture materials

3.3 主被动结合的村镇建筑构造技术

考虑到秸秆的优良保温性能，开发秸秆板生产线，将其作为非承重墙板及其他夹层板的保温材料，能够获得较好的社会效益和经济效益。从农业废弃物中提取的建筑材料由于其可持续性和较小的环境影响，在土木工程和建筑应用中越来越具有吸引力。

针对华北、东北村镇建筑能耗高、围护结构保温隔热性能差等问题，本研究通过分析北方村镇建筑外墙传热-传湿耦合过程规律，开发利用地域性村镇有机废弃物制备低传热建筑材料的关键技术（图3）。结合建筑外围护结构热工性能优化机制，进而形成北方村镇外墙围护体系关键节能技术和产品，同时整合可再生能源及多源互补清洁供暖技术，形成可推广、复制的基于低能耗、低成本和高热舒适度的主被动结合的村镇建筑构造技术，为村镇低能耗建筑关键技术集成和规模化应用提供技术支撑。

图3 利用地域性村镇废弃物制备低传热建筑材料方案Figure 3 Schematic diagram of preparing low heat transfer building materials by using regional wastes from villages and towns

3.4 村镇人居环境信息化技术

近年来，物联网、无线传感器和大数据技术空前发展，为村镇人居环境、可资源化和能源化村镇废弃物、农宅结构等综合信息化感知提供了很好的技术基础。通过数据分析、仿真模拟、现场测试等方法，可以对村镇人居环境、农宅寿命期能质过程、农村多能清洁供暖系统的调控进行在线测评、诊断、估计和优化。利用NoSQL多源异构数据处理分析框架、数据融合技术，能够实现村镇人居环境多尺度智慧感知与评估分析的数字孪生平台，为村镇可能源化的废弃物资源的时空分布特性挖掘、面向价值驱动的村镇清洁资源信息共享及市场化流通奠定基础，通过建立资源化、能源化循环利用信息在线共享和市场化服务平台，使村民从旁观者转变为自觉参与者，方案流程图如图4所示。

图4 乡村人居环境与可资源能源化村镇废弃物利用服务平台方案Figure 4 Technical solutions of service platform for the rural residential environment and resource energy utilization of rural wastes

4 结论

我国乡村生态宜居建设是国家重大战略需求，但目前在构建乡村人居环境改善的完整技术体系方面还未能统筹发展。笔者围绕我国乡村人居环境改善及乡村发展中出现的问题，以华北、东北村镇为对象展开调研、考察，详细分析了华北、东北地区在人居环境改善以及乡村资源清洁利用技术发展中存在的问题，对乡村有机废弃物资源化、能源化和建筑原料化利用技术的发展现状进行了分析，并对比了多个技术方案，从废弃物类型、工艺路径、技术指标、技术优缺点以及地区适应性等方面给出了参考。

华北、东北地区农业有机废弃物产量大、周期性强，受气候影响显著，未来所采用的技术方法需要同时满足有机废弃物多元处理、气候影响小、技术门槛较低的适用性要求。在生物质资源化利用方面，好氧堆肥发酵是东北、华北地区农业有机废弃物肥料化处理的主要方向；在生物质能源化利用方面，普遍采用直接燃烧或气化燃烧方式将生物质作为燃料进行燃烧，但受燃料性质、燃烧条件、经济等因素影响，燃煤锅炉的烟气脱硝技术和设备尚不能直接应用于小型生物质直燃供暖锅炉，尚没有可用于生物质锅炉脱硝的成熟技术，未来这一方向有待深入研究；在原料化利用方面，秸秆具有优良保温性能，通过开发秸秆保温板材和砌块，能够在改善村镇建筑保温性能的同时实现有机废弃物的规模化应用。最后，在人居环境信息化方面，通过构建针对上述技术的信息采集、融合与处理信息平台，进一步完善多技术间的协同应用，为技术规划、设计、运行和控制提供数据基础。

致谢：感谢天津大学颜蓓蓓、宋英今、栾鹏鹏，天津商业大学田绅、董胜明、胡开永、赵松松，青岛理工大学左宗良、王晓东，吉林建筑大学迟铭书，中国科学院沈阳应用生态研究所马建，中国建筑材料科学研究总院有限公司王明铭，青岛海尔空调电子有限公司国德防，北京圣泓科艺科技有限公司郑林江为本文撰写提供详细数据和建议。