南方自然村生產生活循環技術系統構建

劉 科，高立洪,2，唐 寧，韋秀麗,3，李 平,，李 紅，張 凱，楊玉鵬

(1.重慶市農業科學院，重慶 401329；2.農業廢棄物資源化利用技術與設備研發重慶市重點實驗室，重慶 401329；3.重慶市生物質能源工程中心，重慶 401329；4.農業部可再生能源開發利用南方科學觀測實驗站，重慶 401329；5.重慶市武隆區農業委員會，重慶 408500)

傳統自然村落是中華民族千百年繁衍生息留下的寶貴遺產，具有較高的歷史、文化、科學、藝術、社會、經濟價值[1-2]。隨著美麗鄉村示范工程的建設，推動了現代鄉村社區的發展，而傳統自然村則成為一片“遺忘之地”。據調查，每年我國農村地區所產生的生活污水約80多億t，96%的自然村莊沒有排水渠道和污水處理系統，生活污水隨意排放，90%的生活垃圾隨意丟棄，“垃圾亂堆、蒼蠅亂飛、污水亂排”現象仍然存在，廢棄物資源化循環利用率低，造成農業面源污染，嚴重影響了自然村的生態環境[3-5]。南方地區自然村通常比較小，而且分散。然而隨著人口的增加，資源需求的增大，土地和水等資源日益緊缺，農村生產生活產生的固體廢棄物大量增加，土地自凈能力降低，建設美麗自然村急需建設美好環境[6-7]。與目前大力發展的鄉村社區不同，自然村基礎設施條件相對落后，且南方地區多丘陵山地，在某種程度上，對治理設施、 方式以及管理提出了更高的要求。另一方面，自然村農民收入來源較單一、收入仍低、支付能力較差[8-9]。因此，自然村污染物處理應立足于該群體收入不高，其技術需求是成本低、資源化、綜合循環利用的特點。充分將如何降低環境治理與運行的成本，甚至將廢棄物變廢為寶，使得生活垃圾、生活污水、人畜糞便、農作物秸稈等生產生活廢棄物能夠得到資源化、高效再循環利用，并通過生物質能轉化提供清潔能源作為重點攻克內容，既解決了廢棄物的污染問題，同時又提供清潔能源，是自然村建設發展中的關鍵問題[10-11]。筆者在院落污水凈化、生產生活廢棄物制取生物燃氣等關鍵技術的基礎上，集成沼渣、秸稈等廢棄物生產有機肥技術，以喜觀村為示范點，構建南方典型自然村生產生活循環技術系統模式，為我國南方美麗自然村落建設提供科技支撐和模式樣板。

1 典型生產生活循環技術體系

為體現南方地區自然村生產生活循環技術系統的特點，將研究重點放在生活、生產和生態三方面，將農業生產和物質轉化技術作為集成的基礎，通過生態制約下的生產發展來提高農業生產效率、農產品技術含量和價值，提高農民收入和農民的生活水平[12-14]。物質轉化方面，通過對生產、生活廢棄物的處理與再利用，為生產提供肥料、能源、水等生產資料；為生活提供能源、水等生活消耗品；保證生產和生活的綠色化可持續發展條件。具體內容與系統參見圖1，在循環技術體系中，其內容和工藝對所有影響生產、生活、環境的物質流動及工藝路線進行統籌，并通過廢棄物→無害化處理→直接排放和廢棄物→資源再利用→無害化處理→部分排放這2種方式因地制宜應用。

1.1適合南方地區秸稈、尾菜資源化利用技術主要包括農田、果園殘留物和農副產品加工后的剩余物，通過利用多種資源化技術[15]，將秸稈、尾菜完全轉化為農業生產或生活所需的原料、能源，使其重新返回到農業系統的循環過程，并持續不斷地在農業系統內部得以循環利用，在徹底解決秸稈焚燒等環境問題的同時，減少外部物質和能量的投入，從中獲得更高的經濟效益和社會效益。在南方自然村技術體系中，其利用的模式主要以秸稈、尾菜還田為核心，配合秸稈飼料化、有機肥料加工以及尾菜蚯蚓養殖資源化利用，其主要環節的工藝技術路線見圖2。蚯蚓可作為優質蛋白飲料，養殖蚯蚓后的土壤含有蚯蚓卵、腐殖質等，可作用土壤改良劑。

圖1 自然村生產生活循環技術系統Fig.1 Natural village production and life cycle technology system

圖2 南方地區秸稈資源化利用工藝路線Fig.2 Process route of straw utilization in the southern region

1.2禽畜養殖糞污循環利用技術禽畜養殖廢棄物資源化是以根本解決禽畜糞便污染和增加經濟效益為目標，利用厭氧發酵技術和生態工程的方法，使禽畜糞便轉化為養殖業內部或種植業的原料或能源，實現養殖糞便的潛在經濟價值，同時達到養殖廢棄物零排放[16]。對于南方自然村，養殖禽畜糞污技術主要以厭氧發酵為核心，使污水中的不溶有機物變為溶解性有機物，實現無公害生產，達到凈化環境的目的。同時禽畜糞便的厭氧發酵產物(沼液和沼渣)為種植業提供寶貴的肥料資源，間接地降低了種植業生產成本，也有助于推動有機農業的發展。而豬、牛等畜牧養殖干糞的昆蟲飼養技術，也為其糞污的資源化利用提供了一條新的途徑。產出的昆蟲蛋白可為水產、禽類養殖提供優質飼料，實現糞污的循環再利用，其主要環節的工藝技術路線見圖3。

圖3 南方地區養殖禽畜糞污循環利用工藝路線Fig.3 Process route of livestock manure recycling in the southern region

1.3農業標準化清潔生產農業清潔生產主要圍繞節水、節肥、節藥三大目標(圖4)，開展測土配方施肥、精準農業技術，優化配置肥料資源，合理調整施肥結構，改進施肥方式，提高肥料利用率[17]；科學合理使用高效、低毒、低殘留農藥，推廣綠色植保技術，進行病蟲抗藥性監測與治理，提高防治效果和農藥利用率，減少農藥用量；通過節水農業技術，不斷提高水資源利用率，緩解水資源供給矛盾。而對于南方自然村循環農業技術體系，其主要以測土配方、有機肥施用、節水灌溉為核心，配合精準農業與綠色防控技術達到節肥、節水及節藥的清潔生產目的，同時科學地開展作物輪種、套間種以及稻田立體生態養殖技術的推廣運用，最大程度地開發土地單位生產力。對于農藥化學品包裝物以及廢棄農膜，主要采取業主定點堆放，鄉鎮供銷社統一收集、運轉，服務企業集中處理，政府監督運行的模式。

圖4 南方地區農業標準化清潔生產工藝及措施Fig.4 Clean production process and measures for agricultural standardization in the southern region

1.4農村生活廢棄物循環利用農村居民生活廢棄物包括人類糞便、生活垃圾和生活污水等。對生活垃圾的利用，最為有效的措施是實行生活垃圾分類收集，不僅可以有效地實現廢物的重新利用和最大限度地進行廢品回收[18]。對于南方自然村，其生活垃圾中70%以上為廚芥，將其資源化無害化處理成作物肥料，補充農業生產的需要，減少農藥和化肥的施用量，從而間接緩減了農業面源污染，同時有利于當地無公害農業的發展。對農村生活污水，通過人工生物反應器或濕地降解后，可滿足生活雜用水的標準，可以用于生活區的綠地澆灌或直排。而產生的少量污泥，可以運用堆肥的方法經過2次發酵后加工成為肥料，用于農業生產。農村生活廢棄物分類分質處理工藝如圖5所示。

圖5 農村生活廢棄物分類分質處理工藝Fig.5 Classification and treatment process of rural domestic waste

2 喜觀村一社生產生活循環技術系統構建

2.1基本情況重慶市璧山區七塘鎮喜觀村一社，距七塘鎮3 km、距璧山縣城28 km、距重慶北碚區25 km，氣候濕潤，雨量充沛，四季分明，農業資源較為豐富，農業生產基礎設施條件良好，2013年農民人均純收入達到8 600元以上，農業產業主要以蔬菜種植、農業休閑觀光體驗為主。喜觀村一社規劃如圖6所示。

喜觀村一社示范點農戶數共50戶，人口約160多人，院落分布較為集中，具有多戶共一院落居住、多院落在空間上既有一定距離又保持緊密聯絡的社區特點；青年大多外出務工，剩下老年婦孺從事簡單種植業。示范點處于正在建設打造的重慶喜觀體驗農場范圍區，同時又屬于國家(璧山)農業科技園核心區及體驗式休閑觀光農業與科普教育長廊區、壁北十萬畝蔬菜基地核心區、重慶市璧山縣璧北市級現代農業綜合示范工程區，擁有現代農業發展各種政策支持和先行先試優勢，輻射帶動能力強。

圖6 喜觀村一社規劃Fig.6 Planning of group 1 of Xiguan Village

2.2生產生活廢棄物種類及數量喜觀村一社整體由生活區、生產區兩部分組成。其中生活區為50戶農村居民居住區，生產區為現代生態農業園區。生活區液體廢棄物包括糞污水(黑水)、洗澡洗菜水(灰水)以及雨水；固體廢棄物主要為生活垃圾與農作物秸稈。生產區液體廢棄物包含生態餐廳廢水、養殖廢水以及游客糞水三部分；固體廢棄物包括園區作物秸稈、餐廚垃圾、養殖糞便等。以下相關的取值來自于實地調研以及王玉慶[19]編制的《污染源普查技術報告》。

2.2.1農作物秸稈及菜葉。稻田1.33 hm2，可年產秸稈9 t，總固體含量(TS)83%；菜地1.33 hm2，產生爛菜葉5 t/a，TS 5%。合計14 t/a。

2.2.2人畜糞便。參照養殖區50頭豬(當量)產糞量0.15 t/d，TS 20%、產尿0.1 t/d、沖洗水0.35 t/d；周邊農戶共50戶，產生糞污及沖洗污水共1.087 t/d，TS 0.69%。游客量平均按100人/d，產生糞污及沖洗污水共0.58 t/d，TS 1.03%。

2.2.3生活污水。50戶居民人均灰水產量80 L/(人·d)，每戶平均人口按3人計算，則50戶居民日產灰水12 t/d。生態餐廳可同時容納100人就餐，日接待游客按100人設計，污水產量4 L/(人·餐)，總計16 t/d。

2.2.4生活垃圾。由于不同區域農村生活垃圾量差距很大，且經濟越發達地區產生量越大，根據喜觀農場實際情況，取人均每天生活垃圾為2 kg，有機生活垃圾占50%，則50戶居民每天生活垃圾為300 kg，其中可利用有機垃圾為150 kg。

2.3生產生活廢棄物處理利用現狀

2.3.1生活污水。現有的生活污水處理工藝簡易，污水處理實施缺乏專人管理維護，部分污水處理系統已經停止運行，污水處于直排狀態。

2.3.2生活垃圾處理。垃圾收集沒有分類，處理成本較高，沒有向資源循環利用方向發展。

2.3.3生產垃圾。以種植業為主的生產垃圾處理主要是田間焚燒和田間地頭堆放。

2.4生產生活循環技術系統構建方案從喜觀村一社示范點生產生活循環技術構建方案(圖7)可看出，喜觀村一社生產生活廢棄物主要來源于農戶居住區和農場園區。生活區居民生活灰水、黑水采取分類分質收集和集中處理的方式，通過管道敷設，將生活灰水、黑水收到了廢水處理站，生活黑水由沼氣工程進行處理，所產生的沼液用于周邊農田灌溉，沼氣作為農戶生活用能；生活灰水由一體化污水處理設備進行好氧處理，處理后水質可達到直排標準，也可用作周邊農田灌溉用水；在農戶居住區推廣垃圾分類收集，將垃圾分為有機垃圾和無機垃圾兩部分，無機垃圾與園區游客產生的垃圾收集后運至附近垃圾處理站集中處置；農戶和園區內的生產垃圾(秸稈、爛菜葉、雜草等)，加上農戶的生物有機垃圾一同進入農業廢棄物能源化處理中心的生物燃氣設備制取生物燃氣；園區內廁所糞污及小動物養殖區的沖洗水，連同園區的餐廚垃圾一同進入農業廢棄物能源化處理中心的車廂式干發酵設備進行處理；農業廢棄物能源化中心產生的沼氣用于生態餐廳作為炊事用能，沼液用于園區作物灌溉，沼渣及部分小動物養殖區的干糞便可用于蚯蚓養殖，進而用于農業園區雞魚的養殖；生態餐廳產生的污水經由污水除油設備處理后還田灌溉。

2.5生活灰水的處理方案喜觀村一社對生活灰水的處理采用的是一體化膜-生物反應器(Membrane Bio-Reactor，MBR)技術，生活灰水處理系統工藝流程如圖8所示。

圖7 喜觀村一社生產生活循環技術構建方案Fig.7 Construction plan of production and life cycle technology in group 1 of Xiguan Village

圖8 生活灰水處理系統工藝流程Fig.8 Process flow of a living grey water treatment system

在灰水處理系統中，控制系統首先需要統計處理灰水的居民戶數。各居民家的灰水通過管網收集到調節池中，通過液位傳感器采集調節池中的液位情況。控制系統通過控制池中水泵的啟停將灰水抽到酸化池中，通過安裝流量計進行流量統計，如果調節池出現液位過低的情況控制系統會關閉水泵。在酸化池灰水進行充分水解酸化處理，水解酸化池中配有pH、溫度、DO傳感器在線采集相應的數據并實時錄入數據庫中，之后將完成水解酸化處理的灰水通過水泵送入MBR反應器中進行處理，并通過pH、溫度、DO傳感器實時監測其數據變化，控制系統根據傳感器檢測值控制水泵的啟停將處理完成的灰水送入清水池中，控制系統通過流量計統計清水量，清水池中配有液位傳感器實時記錄液位情況，并由人工定時檢測記錄污染指標并將指標情況錄入系統之中。

2.6生活黑水的處理方案生活黑水處理系統采用厭氧發酵的技術，產生清潔能源沼氣和沼液沼渣，實現對黑水的無害化處理，其處理系統工藝流程如圖9所示。

圖9 生活黑水處理系統工藝流程Fig.9 Process flow of living black water treatment system

生活黑水處理系統首先在控制系統中記錄處理黑水的居民戶數，將居民家中黑水通過管網收集到調節池中，調節池中裝有液位傳感器判斷池中黑水的液位情況，控制系統控制水泵將黑水送入沼氣池中進行發酵處理，并通過流量計將送入的黑水量進行統計。控制系統對沼氣池中pH、溫度、ORP進行實時監測記錄，沼液沼渣則通過水泵抽出到沼液池中。沼液池中由液位傳感器檢測池中沼液的液位情況，通過人工定時檢測記錄理化指標并將數據錄入系統之中，最后控制系統根據需要灌溉的區域通過灌溉管網將沼液進行灌溉還田。

2.7生產生活固體廢棄物預處理系統生產生活固體廢棄物預處理系統主要完成對生產生活垃圾及餐廚垃圾的預處理，其處理工藝流程如圖10所示。

圖10 生產生活固體廢棄物預處理工藝流程Fig.10 Pretreatment process flow of production and living solid waste

在喜觀村一社中生產垃圾主要為秸稈，在控制系統中需要對種植面積、種植種類和秸稈數量進行統計，之后將秸稈通過粉碎機進行粉碎處理。生活垃圾首先需要對居民戶數及產量進行統計，并將垃圾進行有機、無機分離。餐廚垃圾由于有油分在里面，在完成產量統計之后通過隔油池將油進行分離，最后將粉碎處理之后的秸稈、分類的生活垃圾和進行隔油處理的餐廚垃圾通過電機、水泵送入沉淀池進行沉淀，根據沉淀池中的混液情況加入適量清水，并通過流量計對清水量進行計量。在沉淀池中通過人工對懸浮物和沉淀物進行統計，統計完成之后將數據錄入系統之中。

2.8生物燃氣制取系統生物燃氣制取系統是將完成預處理的漿料與禽畜糞便及廁所污水灌入調節池中，然后進行厭氧發酵處理，產生的沼氣進行發電處理，沼液沼渣將通過還田管網灌溉農田，其工藝流程如圖11所示。

喜觀村一社厭氧發酵的原料主要有完成預處理的漿料與禽畜糞便及廁所污水。控制系統通過流量計對原料量進行統計，在調節池中通過攪拌器保證池中pH、濃度的一致，由人工定時檢測記錄物料理化指標并將數據情況錄入系統之中。當調節池中調節達到要求之后，由電機將物料送入發酵罐中，通過傳感器實時檢測罐中pH、ORP及罐內溫度。產生的沼氣利用沼氣發電機進行燃燒發電，同時監測沼氣量、沼氣濃度及發電量、熱水溫度等指標。沼液及沼渣在沼液池儲存并進一步發酵，在植物需肥期通過灌溉管網進行還田利用。

3 結論

喜觀村一社生產生活循環技術系統的構建，以農戶居住區和農場園區的廢棄物為一級能源物質，經過一系列的循環利用技術，最終實現了農業廢棄物循環利用的最大化，實現了化肥、農藥的減量化。除去不可利用生產生活廢棄物，喜觀村一社的農業廢棄物循環利用率可達95%以上。通過廢棄物的循環利用在實現環保效益的同時也極大降低了居民及園區的生產生活成本，同時增加了就業崗位，還可以生產出優質綠色農產品，增收節支效果明顯，預計戶均增收節支300元/(戶·a)，可謂一舉多得。

圖11 生物燃氣制取系統工藝流程Fig.11 Process flow of biogas production system

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