我國不同區域農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式構建及其評價研究

王 健， 隋 斌， 程紅勝， 沈玉君，丁京濤， 周海賓， 孟海波， 張 曦， 程瓊儀

(1. 農業農村部規劃設計研究院農村能源與環保研究所， 北京 100121； 2. 農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室， 北京 100121)

畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜是我國農業廢棄物的主要組成部分。根據農業農村部統計數據顯示，2018年，全國畜禽糞污總產量約為30億噸，綜合利用率為74%，仍有1/4左右未得到有效利用[1]；2017年，全國秸稈理論資源量約10億噸，綜合利用率達到83.68%，仍有16%以上未有效利用[2]。根據國家統計局數據[3]和聯合國糧農組織(FAO)數據[4]計算，2018年，全國蔬菜產量7.03億噸，尾菜產量將達到2.57億噸，大部分未有效利用。

黨和國家領導人非常重視農業廢棄物資源化利用工作。習近平總書記強調，加快推進畜禽養殖廢棄物處理和資源化，關系6億多農村居民生產生活環境，關系農村能源革命，關系能不能不斷改善土壤地力、治理好農業面源污染，是一件利國利民利長遠的大好事。《關于進一步加快推進農作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》(發改環資〔2015〕2651號)提出，要積極開展秸稈-牲畜養殖-能源化利用-沼肥還田、秸稈-沼氣-沼肥還田等循環利用。

以厭氧消化為核心的沼氣和生物天然氣技術，是實現畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜等農業廢棄物資源化利用的重要途徑，也是習近平總書記所提出的畜禽糞污等農業廢棄物的主要處理及利用方向。厭氧消化技術按照所處理農業廢棄物的含固率的高低和工藝特點的不同，主要可分為濕法單相、濕法兩相、干法連續式、干法序批式4類工藝[5]。濕法工藝所處理的農業廢棄物混合物料含固率在20%以下，反應體系通常為液態可流動狀態，傳質傳熱效率高、反應穩定，其中厭氧發酵的產酸和產甲烷在同一反應器進行的，稱為濕法單相工藝，其工藝簡單、易于運行維護、原料適應范圍較廣，可適用于低濃度畜禽糞污、秸稈等原料的發酵；兩個階段分別在獨立的處理單元完成的，稱為濕法兩相工藝，主要用于尾菜等易酸化原料的發酵，其有機負荷和處理能力更高，但工藝和運行維護較復雜。干法發酵工藝所處理的農業廢棄物混合物料含固率20%以上，反應體系通常為固體非流動狀態，特點是有機負荷顯著高于濕法工藝、需水量低、產生沼液少，但傳質傳熱效率較差[6]，其中，在發酵期間連續進料和出料的稱為干法連續式工藝，其熱量利用率高；發酵期間不進行進料和出料操作的稱為干法序批式工藝，其沼液產生量最低。

目前，已有相關報道對厭氧消化及資源化技術模式構建開展了研究。朱桂英[7]等通過模糊聚類分析方法，總結了大中型沼氣工程綜合評價4個方面21項指標，為人工智能方法在大中型沼氣工程綜合評價方面應用提供參考。趙光[8]等針對目前我國沼氣產業化發展過程的技術現狀，通過構建遵循循環經濟理論、可持續發展理論及產業經濟學理論為指導的新型沼氣能源為核心的循環經濟模式，探討和分析沼氣產業化研究應用與發展前景。向欣[9]等構建了沼氣工程技術篩選指標體系，針對特定考察區域，通過層次分析法確定指標權重，并且在此基礎上采用模糊綜合評價方法完成對沼氣工程技術的優選排序。

然而，我國幅員遼闊，不同區域的地形地貌、氣候資源、有機廢棄物種類與分布特點、經濟社會發展等情況差異較大，不同厭氧發酵工藝及沼液沼渣資源化利用技術在環境、氣候、原料等發生變化時，對農業廢棄物的處理能力和效果、經濟效益等會有較大差異。現有的研究存在一定缺陷，一方面更注重于沼氣能源化利用和經濟效益，忽略沼液和沼渣的有效利用，另一方面評價范圍較為局限，均未對我國不同區域的情況進行綜合分析，同時提出適宜于各區域的模式。

因此，開展適應我國不同區域的農業有機廢棄物厭氧消化、沼渣沼液制肥資源化模式研究，提出不同區域的適用厭氧消化及資源化技術模式，對于我國沼氣產業的發展具有十分重要的指導意義。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊評價法(multiple criteria decision making)是農業廢棄物資源化利用、循環農業評價方面所采用的常用方法[9-12]。本研究通過層次分析法和模糊評價法相結合，根據我國不同區域特點，首次統籌考慮全國各區域厭氧消化及資源化模式，構建了厭氧消化及資源化技術模式指標體系，并對我國南方平原水網區、南方丘陵區、黃淮海和西北區、高寒區開展評價分析，提出適應于不同區域的厭氧消化及資源化技術模式，以期為我國沼氣產業效益提升和可持續發展提供參考和借鑒。

1 我國不同區域特點及模式構建分析

1.1 我國區域特點及模式適應性分析

根據厭氧消化的技術特點，綜合農業資源稟賦和地理環境[13-16]、氣候條件[17]等因素，可將我國適宜以厭氧消化技術處理利用農業廢棄物的地區劃分為4類區域，分別為南方丘陵區、南方平原水網區、黃淮海和西北區、高寒區，并據此對4類區域農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式進行適應性分析。

南方丘陵區主要分布于我國東南地區和川中地區。該區域氣候溫暖、降雨量大，土壤資源不豐富、有機質流失較為嚴重，糧食作物種植占比較低，可供厭氧消化利用的農業廢棄物以豬、禽類等畜禽糞污和尾菜為主。

南方平原水網區主要分布于淮河以南、巴山-武陵山以東、南嶺山以北的平原地區及成都平原地區。該區域氣候溫暖濕潤、降雨量大、地表河網密布，土壤水分需求低、農業面源污染風險高、沼液消納能力弱，可供厭氧消化利用的農業廢棄物以豬、禽類等畜禽糞污和水稻秸稈為主。

黃淮海和西北區，該區域主要包括京津冀魯豫大部分地區、蘇皖北部、陜甘寧及毗鄰的新疆和內蒙古部分地區，地形較平坦、耕地資源豐富，氣候干燥少雨，因此土壤水分需求高，沼液、沼渣消納能力較強，秸稈產生量大，可供厭氧消化利用的農業廢棄物有小麥、玉米等農作物秸稈和豬、牛、羊、禽類等畜禽糞污。

高寒區主要包括遼寧、吉林、黑龍江三省及新疆和內蒙古高緯度地區。該區域氣候酷寒、秸稈產量大，可供厭氧消化利用的農業廢棄物有玉米、棉花等農作物秸稈和豬、牛、羊等畜禽糞污，由于冬季氣溫極低，厭氧消化保溫難、沼液結冰期長難處理利用。

1.2 適合我國不同區域的厭氧消化技術模式構建

基于我國4類區域的特點分析，綜合文獻調研的現有厭氧消化技術模式[18-32]及實地調研的情況分析，分為農業廢棄物原料類型、收儲運、預處理、厭氧消化技術和“三沼”綜合利用5個環節，總結適宜于4類區域的厭氧消化及資源化利用成套技術與現有傳統模式1套和裝備集成優化模式4套(見圖1)。

圖1 農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式示意圖

現有傳統模式是我國目前主要采用的農業廢棄物厭氧消化及資源化利用模式，其主要特點是技術單一、資源利用效率低、易產生污染，秸稈、尾菜等較為分散的的廢棄物難收集利用，技術方面僅有濕法單相厭氧消化技術，大部分不進行預處理，造成厭氧消化效率低下，同時沼液產量大，在一些耕地資源較少或山地、丘陵等地區很難消納而無序排放，極易導致農業面源污染。

優化模式一針對南方丘陵區特點，以適合尾菜等易酸化原料的濕法兩相耦合厭氧消化技術與裝備處理尾菜及畜禽糞污，原料收儲運采用就地就近收集，針對尾菜易酸化特性采取防酸化措施，產生的沼氣能源化利用，沼渣通過中小型好氧發酵裝備無害化處理后作為栽培基質以彌補當地耕地資源，沼液作為液體有機肥料通過適宜于山地丘陵作業的施肥裝備施用于耕地中以提高土壤有機質含量。

優化模式二針對南方平原水網區特點，采用干法序批式厭氧消化技術與裝備處理畜禽糞污和水稻秸稈以減少沼液的產生量，秸稈通過專業化組織完成區域內收儲運后采用沼液對秸稈進行預處理，畜禽糞便采取就地就近收集，產生的沼氣能源化利用，沼渣通過好氧發酵裝備無害化處理后作為有機肥施用于耕地，同時集成畜禽養殖廢水高效處理達標排放技術處理廢水和沼液，以降低農業面源污染的風險。

優化模式三針對黃淮海和西北區特點，采用沼液產量大的濕法單相厭氧消化技術與裝備處理畜禽糞污和小麥、玉米秸稈，秸稈通過專業化組織完成區域內收儲運后通過青貯完成預處理，畜禽糞污采取就地就近收集，產生的沼氣能源化利用，沼液作為液體有機肥料通過大中型施肥裝備就近施用，或配合水肥一體化裝備施用于耕地，沼渣可進一步通過好氧發酵裝備處理后生產高端有機肥。

優化模式四針對高寒區特點，采用熱量利用率高、沼液產生量較少的干法連續式厭氧消化技術與裝備處理畜禽糞污和玉米、棉花秸稈，秸稈通過專業化組織完成區域內收儲運后通過回流沼液完成預處理，畜禽糞污采取就地就近收集，產生的沼氣能源化利用，沼液回流與畜禽養殖廢水共同參與原料的預處理，沼渣通過好氧發酵裝備處理后通過大中型施肥裝備作為有機肥就近施用于耕地。

2 農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式評價指標體系構建

本研究廣泛收集厭氧消化[7,9,25-26,33]、可持續和綠色循環農業[34-36]、生態農業[37-38]、農業廢棄物資源化利用[10,39-41]等相關研究的評價指標，選擇應用頻率較高、重要性強的指標，分層次建立指標庫，作為參考樣本。綜合國內外對農業廢棄物厭氧消化及資源化技術及裝備指標[5,9,42-50]和的研究成果，從上述指標庫中篩選出與綜合評價目標關系密切的指標，構成評價指標集。在此基礎上，結合本領域實際和已有厭氧消化技術模式評價指標存在的問題，按照科學性、核心性、可操作性[51]等原則，分別征求農業廢棄物處理和資源化利用、沼氣工程、生態循環農業綜合評價領域的專家意見，充分考慮各指標間的相互獨立性，兼顧指標的量化和數據采集的難易程度和可靠性，從上述指標庫中篩選出與綜合評價目標關系密切的指標，分為匹配性、技術性、效益性3個方面，將綜合評價指標體系劃分為3個層次，共有25個指標，其中定量指標15個，定性指標10個，最終形成農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式評價指標體系(見表1)。

表1 評價指標體系

采用層次分析法確定以上指標體系中各項指標的權重。通過構造遞階層次結構、構造比較判斷矩陣、層次總排序及一致性檢驗[10]，邀請國內15名農村能源環保領域專家參與問卷調查，對指標體系中同層次指標組中各指標之間兩兩之間的重要性進行判斷，對上述指標層指標的權重進行歸一化處理后，得到評價指標體系各指標權重(見表2)。

表2 評價指標權重

3 農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式模糊評價

3.1 模糊評價因子確定

根據總結的4套優化模式和1套現有傳統模式，針對南方丘陵區、南方平原水網區、黃淮海和西北區、高寒區4類區域，開展模式評價，以實現沼氣、沼液、沼渣全部有效利用，同時保證工程能夠穩定運行，工程的環境、生態、經濟效益有顯著提升為標準，在建立的評價指標體系基礎上，對所有指標值采用無量綱標準化處理，評價等級分為優(I)、良(II)、中(III)、差(IV)4個等級，邀請國內15名農村能源環保領域專家對各項指標進行打分，其中定量指標的指標值和分級指標見表3。

表3 定量指標的評價因子值及分級標準

3.2 模糊評價結果

根據本研究采用的隸屬度函數模型[10]，將各項評價因子實測值帶入相應的隸屬函數，得到隸屬度矩陣R(R為m×n階，其中m=25，n=4)，根據權重模糊矩陣W和隸屬度矩陣R進行模糊復合運算，得到我國4類區域的評價結果矩陣(見表4)。通過評價結果可知，以濕法兩相耦合厭氧消化技術與裝備為核心的優化模式一在南方丘陵區屬于優(I)級別；以干法序批式厭氧消化技術與裝備為核心的優化模式二在南方平原水網區和黃淮海和西北區均屬于優(I)級別，但在南方平原水網區評分最高；以濕法單相厭氧消化技術與裝備為核心的優化模式在黃淮海和西北區屬于優(I)級別；以干法連續式厭氧消化技術與裝備為核心的優化模式四在4類區域中均屬于優(I)級別，但在高寒區評分最高。

表4 基于權重模糊矩陣和隸屬度矩陣的模糊評價結果矩陣

同時，本研究選擇湖北省宜昌地區實際運行的沼氣工程作為案例研究對象，采用本研究所構建的評價指標體系和評價方法進行評價，以驗證方法的有效性。宜昌位于長江中游，四季分明，水熱同季，寒旱同季。多年平均降水量超過1200 mm，年平均大于10度的天數達250 d，無霜期250～300 d。項目所在地位于宜昌市長陽土家族自治縣，被譽為全國高山蔬菜第一縣，地形為山地為主。項目工程總投資約1810萬元，池容3600 m3，采用兩相厭氧消化技術工藝，年處理各類尾菜約2.6萬t，年產沼氣166萬m3，其中20%用于發電、80%用于供氣。項目運行以來，已經為4000戶村民提供清潔能源和優質蔬菜種植用有機肥，實地調研結果顯示，項目覆蓋區域內尾菜利用率實現90%以上，受益村民對工程的滿意度達到95%。該工程具體工藝流程如圖2所示。

圖2 湖北宜昌市某尾菜沼氣工程工藝流程示意圖

通過所構建的評價指標體系和評價方法，對該沼氣工程進行評價，得到的評價結果矩陣為W×R={0.609 0.211 0.049 0.131}。經綜合評價，該工程所采用的厭氧消化及資源化利用技術模式屬于優(I)級別。

因此，綜合我國4類區域的特點分析和評價結果，以及對實際沼氣工程的評價結果表明，本研究所構建的評價指標體系和評價方法，可應用于農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式適應性評價。

4 結論

(1)通過層次分析法和模糊評價法，建立了農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式評價指標體系和評價方法，根據我國不同區域特點，分別開展了厭氧消化及資源化技術模式科學評價，可為農業廢棄物厭氧消化及資源化技術模式構建和優化提供指導。

(2)針對我國南方丘陵區、南方平原水網區、黃淮海和西北區、高寒區等4類區域特點，構建了農業廢棄物厭氧消化及資源化技術與裝備優化模式。對所構建的模式進行評價分析，結果表明，南方丘陵區尾菜產量高、土壤有機質含量低，適宜于采用以濕法兩相耦合技術與裝備為核心，輔以沼渣基質化以補充當地耕地資源的厭氧消化及資源化技術模式；南方平原水網區農業面源風險高、沼液消納能力低，適宜于采用以干法序批式厭氧消化技術與裝備為核心，輔以污水達標排放以避免面源污染的厭氧消化及資源化技術模式；黃淮海和西北區耕地資源豐富、土壤水分需求高，適宜于采用以濕法單相厭氧消化技術與裝備為核心的厭氧消化及資源化技術模式，以實現沼肥充分利用、彌補土壤水分需求；高寒區氣候酷寒、沼液結冰期長，適宜于采用以干法連續式厭氧消化技術與裝備為核心的厭氧消化及資源化技術模式，以減少熱量損失和沼液產量。