自然村生產生活廢棄物循環利用模式及其評價研究

周海賓，沈玉君，孟海波，趙立欣，程紅勝，霍麗麗，董姍姍

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自然村生產生活廢棄物循環利用模式及其評價研究

周海賓，沈玉君，孟海波，趙立欣※，程紅勝，霍麗麗，董姍姍

（農業農村部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京 100125）

農業農村生產生活廢棄物循環利用是實現農村人居環境治理、提高資源利用效率的重要途徑，對美麗鄉村建設具有重要意義。該文以自然村為研究對象，采用層次分析法和模糊評價法相結合的方法，統籌考慮生產生活廢棄物循環利用，構建了自然村生產生活循環技術模式評價指標體系，確定各項指標的權重，建立評價方法。以河北邢臺市山區某村為例，針對其生產生活廢棄物產生特點，構建生產生活廢棄物循環利用體系，該村農業廢棄物以果木剪枝、生活垃圾、生活污水、人畜糞尿等為主，通過構建以果木剪枝熱解+炭基有機肥還田為紐帶的循環利用模式，輔以污水處理利用技術，實現了廢棄物能源化和就地肥料化利用。通過對該自然村循環利用模式進行實地評價驗證，結果表明該自然村生產生活循環技術模式評分結果為優。該文為中國村鎮廢棄物循環利用技術模式選擇、農村人居環境改善和農業綠色發展提供參考和借鑒。

農村地區；廢棄物處理；循環利用；技術模式；評價

0 引 言

自然村是指農村地區的自然聚落[1]。據民政部門統計，2013年中國自然村達194.8萬余個，北方地區自然村通常較大，居住相對集中；南方地區，特別是南方丘陵地區自然村相對較小，居住分散。近年來，中國農村地區經濟快速發展，農村地區農作物秸稈、畜禽糞污、生活垃圾、生活污水產量等逐步增大，但受限于經濟發展水平，絕大部分自然村仍缺乏生產生活廢棄物收儲及處理設施。據統計，全國每年產生畜禽糞污38億t，農作物秸稈10.04億t[2]，農村地區生活污水約80億t[3]，農村生活垃圾約3 億t4]。農村生活垃圾人均產生量為0.76 kg/d，西部地區人均產生量為0.095~0.32 kg/d[5]。一些村鎮隨著休閑農業發展，生活污水和餐廚垃圾量明顯增加[6]。目前，自然村生產生活廢棄物不當處置問題還相當普遍，對所在區域的地表水、地下水、土壤、空氣等造成一定程度的污染，成為制約中國美麗鄉村建設的重要因素。農業產業結構不合理，養殖業和種植業脫節，基礎設施建設滯后，技術推廣不足等也造成村鎮生產生活廢棄物利用率不高[7]。近期，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《農村人居環境整治三年行動方案》，提出實現農村人居環境明顯改善，村莊環境基本干凈整潔有序等目標，并對統籌推進農業農村生產生活廢棄物資源化利用提出了明確要求。

生產生活廢棄物循環利用是提高資源利用水平、改善村容村貌的重要手段。村鎮生產生活廢棄物中，大部分屬于生物質廢棄物，可通過好氧或厭氧發酵處理、就地肥料化利用實現循環利用。一些研究人員對庭院生態循環模式進行了研究，通過合理設計庭院生產結構和循環鏈條，促進物質和能量在庭院系統循環利用，減少輸入，提高產出，形成農民家庭節約資源、保護環境的生產和消費模式[8]。中國北方平原地區農業廢棄物循環利用已經形成了以規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程、中小型沼氣工程和戶用沼氣、商品有機肥生產、堆肥直接還田、秸稈飼料化和秸稈基質化等為紐帶的種養循環模式等類型[2]，總結形成并廣泛推廣了“豬沼果”、“四位一體”、“五配套”等農業廢棄物循環利用技術模式[9-10]，但未對統籌考慮生活廢棄物循環利用。潘根興等[11]提出在農村/集鎮就地集中處理秸稈、生活垃圾，并形成可燃氣、生物黑炭等原產品和生物有機肥、炭基新型肥料和調理劑等產業鏈產品，實現農業循環利用的技術模式。對于農村生活垃圾和污水，目前也已形成了一些成熟的處理模式，如湖北省形成了村收集、鎮轉運、市處理的管理模式[12]，農村污水通過建設集中處理中心、人工濕地等模式進行處理[13]。為滿足中國推進農村人居環境整治改善的要求，統籌考慮生產和生活廢棄物循環利用具有重要意義。但目前的研究對于中國不同類型的農業農村生產生活廢棄物循環利用模式進行梳理的報道仍然不多，對統籌全村域生產生活廢棄物循環利用的技術模式較少。

在循環農業評價方面，研究人員對農村生產廢棄物循環利用方面的研究較多。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種常用的評價方法，采用定量與定性相結合的方法，通過比較各指標間的關系，將復雜問題分解為若干層次和若干指標，對這些指標進行比較計算，并合理確定指標權重，實現評價分析[14]。王麗靜等[15]在農業現狀分析的基礎上采用層次分析法對河北省邯鄲市循環農業系統進行綜合評價，以反映區域農業循環經濟發展情況。陳冬梅等[16]采用層次分析法和綜合評價法對江蘇省某村進行評價，選擇了資源節約、環境安全、生產循環、經濟和系統綜合等4個方面的23個指標構建評價指標體系。孫建衛等[17]構建了區域農業循環經濟發展評價指標體系，結合灰色關聯分析方法建立了區域農業循環經濟發展評價模型，對南京市1985—2005年的農業循環經濟發展水平進行了評價。一些研究人員以生態系統分析和環境評價為基礎，采用能值評價、生命周期評價、生態足跡評價等方法，從農業生態環境的角度來對農業循環模式進行評價[18]。段娜等[19]對以沼氣為紐帶的生態村循環系統能值分析，提供了一種新的自然村循環模式評價方法，明確以沼氣為紐帶的生態村循環系統是一種具有良好綜合效益的可持續發展的生態農業系統。李玉航等[20]采用生命周期影響評價的方法，建立了一種村鎮廢棄物資源化技術環境評價模型，并應用于村鎮秸稈太陽能沼氣集中供氣工程評價。這些研究主要集中在對農業生產廢棄物的循環利用模式進行評價。在鄉村振興戰略實施新形勢下，對村鎮生產生活廢棄物循環利用進行綜合評價研究，對于指導村鎮有機廢棄物高效循環利用，提升農業農村循環經濟發展水平具有重要意義。

本文采用層次分析法和模糊評價法相結合，首次統籌考慮農村生產生活廢棄物循環利用，構建了自然村生產生活循環技術模式評價指標體系，確定了各項指標的權重，并對典型自然村生產生活廢棄物循環利用體系進行評價，以期為中國自然村生產生活廢棄物循環系統構建提供參考和借鑒。

1 自然村生產生活循環技術模式構建與分析

1.1 自然村基本情況

北方地區自然村多處于平原地區，在生產方面，種植業以小麥、玉米等糧食作物為主，秸稈產量較大，養殖業規模較大，畜禽糞污量大面廣，居民居住相對集中，生活污水主要來源于廚余、淋浴和洗滌，廁所主要為旱廁，生活污水主要是灰水。一些山區以果樹種植和林業為主導產業，果木剪枝產量大，畜禽養殖適度發展。本研究選擇河北省邢臺市山區某村（以下簡稱“自然村A”）為研究對象，根據農村生產生活廢棄物產生情況，構建生產生活循環系統。該村有農戶385戶，1 322人，耕地1.12 hm2，宜林山場12.45 hm2，林業種植面積大，林業剩余物產量較大。

1.2 生產生活循環技術模式構建

自然村A生產生活廢棄物主要包括生活垃圾、生活污水、果木剪枝、農作物秸稈、廁所糞污及少量畜禽糞污等。通過集成廚余垃圾、人畜糞便等有機廢棄物生產有機肥技術，以及生物質燃氣、低能耗污水凈化、以及生活垃圾收運處理等技術，構建了完善的生產生活循環系統，包括：生活垃圾收集系統及處理站、生活污水處理站、生物質熱解氣化中心等設施。

以農戶為循環體系的出發點進行分析，農戶產生的生活污水經過污水管道輸送至污水處理站進行處理，污水處理設施采用序批式生物膜反應器（sequencing biofilm batch reactor, SBBR）工藝，處理后的水可以達到一級標準，可直接排入地表水或用于果樹灌溉。人糞尿采用水沖式廁所，經過一段時間貯存后，排入生活污水處理管網一并處理。生活垃圾經過收集運輸后進入生活垃圾處理站進行分選處理，篩選后獲得的有機部分主要是餐廚垃圾，采用小型堆肥處理裝置進行處理，生產有機肥料，用于果樹種植，砂石部分就地填埋，其他無機部分外運處置。農田和林區農業生產產生的果樹剪枝和少量玉米秸稈經過生物質熱解氣化站處理后，燃氣進入儲氣柜，經過管道輸送至居民住戶用于炊事、取暖用氣等，生物質熱解氣化采用熱解多聯產技術裝備，產生的熱解氣熱值一般可達到15 MJ/m3左右[21–28]。氣化站產生的生物炭和木焦油、木醋液等副產物基本實現綜合利用，其中，生物炭與有機垃圾混合堆肥，生產炭基有機肥，炭基肥作為果樹基肥進行施用，部分生物炭生產機制炭可用于燒烤燃料，煤焦油經過多級冷凝處理工藝回收利用。經過分析，該村生活垃圾收集體系完善，每戶配備垃圾箱，由專人負責垃圾清運，生活污水收集管網較完善，污水處理設施由專人負責維護運行，生活垃圾經過分選處理后處理率達到95%以上，污水處理率達到95%以上。生物質熱解氣化站由專業團隊負責運營，生產的熱解氣通過管網輸送至農戶用于生活用氣，部分用于熱解生產，已經構建了完善的果木剪枝和農作物秸稈收集的模式，即通過購買或置換燃氣等方式進行收集，果木剪枝和農作物秸稈綜合利用率達到90%以上。

該模式以廢棄物能源化利用和肥料化利用為主要方向，果木剪枝和秸稈采用熱解氣化多聯產技術，易降解的廢棄物采用堆肥技術，污水采用達標排放技術。目前，通過完善生產生活廢棄物循環利用體系，人居環境治理實現了較高水平，實地調研結果顯示，自然村內村容村貌整潔，村民對居住環境的滿意度達到90%。自然村A生產生活廢棄物循環利用技術模式及利用去向（以30戶為例進行數據分析，數據為年度數據）見圖1。

圖1 自然村A生產生活廢棄物循環利用系統示意圖

2 自然村生產生活廢棄物循環利用模式評價方法

2.1 評價指標體系構建

本文按照科學性、實用性、簡明性等原則建立自然村生產生活廢棄物循環模式評價指標體系。廣泛收集可持續農業[21–22]、循環農業[23–24]、生態農業[25]、農業廢棄物資源化利用[26]等相關研究的評價指標，選擇應用頻率較高、指導作用強的指標，分層次建立指標庫，作為參考樣本。綜合國內外對自然村生產和生活廢棄物循環技術模式綜合評價的研究成果，從上述指標庫中篩選出與綜合評價目標關系密切的指標，結合本領域實際，構成評價指標體系的初步方案。具體指標的選取主要遵循2個原則，一是指標選取要能充分體現上一級指標的含義和要求，二是指標數據必須具備可獲得性。分別征求循環農業、農業廢棄物處理和資源化利用、農村生活污水、垃圾無害化和資源化利用、以及農業經濟管理和綜合評價領域的專家意見，針對自然村生產生活實際情況，盡量考慮指標間的獨立性，同時兼顧指標的量化方法和數據采集的難易程度和可靠性，對指標進行調整，最終建立一套全面、系統、簡潔、易行的綜合評價指標體系，按照集中度將綜合評價指標體系劃分為3個層次。

2.2 指標權重確定

指標體系權重的確定方法主要有2種，定性方法（包括主觀判斷評分法、德爾菲法）和半定量方法（灰色關聯分析、層次分析法等）[14]。層次分析法通過對各層次指標分別賦權，從而減少大量指標同時賦權可能造成的混亂與失誤，因而提高了分析、預測和評價結果的準確性，也可以避免因主觀因素造成的偏差，技術方法也較為成熟。

2.2.1 構造遞階層次結構

表1根據自然村生產生活廢棄物循環利用技術評價內容要求，將評價指標體系劃分為3個層次，篩選了26個指標，其中既有定性指標又有定量指標，定性指標具有表述性特征，不易量化，指標性質不同導致數據之間缺乏可比性。為了消除指標類型帶來的這種影響，須對原始數據進行數量化轉換處理，通常需要建立相應的分級標準，采用分級賦值和亞變量方式獲取定性指標的量化值。需要對原始數據進行標準化處理，即將不同量綱、量級和單位的指標數據歸一為[0,1]之間的無量綱數據。

表1 評價指標體系

2.2.2 構造比較判斷矩陣

多層次指標體系中，各層次的指標可按照其對上一層指標的作用，進行兩兩比較，確定各指標在體系中所占的比重。假設上一層次準則層指標為C，該指標對下一層次層因素l，2，……，D有支配作用，則2個因素D和D對C的相對重要的程度以數量表示出來，作為矩陣（見式1）中的因素。構造兩兩元素比較矩陣。

式中a為第個指標對第個指標的重要程度(即：a=D/D)；,=1, 2, …,；a>0；a=1。

相對衡量標準采用1~9之間整數及其倒數比例標度法（見表2），相對重要程度越大，得分越高。

表2 相對重要等級標度表

2.2.3 層次單排序及一致性檢驗

由于每個準則(指標)都支配下一層若干指標，這樣對于每一個準則及其所支配的指標可以分別得到其對應的比較判斷矩陣。層次單排序即確定各指標1，2，…，W對于準則的相對排序權重。采用近似解法求解，權重計算采用行和歸一法，具體步驟如下

1）計算矩陣每一行元素的乘積M。

其中，=1，2，…，。

表3 1~9階平均隨機一致性指標的取值

2.2.4 層次總排序及一致性檢驗

層次總排序是指計算確定同一層次（特別是最低層次）中所有元素對最高層的權重向量。而各層元素進行比較時，仍存在一定差異，并會在逐層確定權重時累加，因此需要對層次總排序進行一致性檢驗。層次總排序采用自上而下逐層計算。設已計算出第1層上有n1個元素相對總目標的權重向量。

(k-1)=(1(k-1),2(k-1), …,(k-1)(k-1))T(5)

第層有個n個元素，計算其對于上一層次（第1 層）的某個元素的單準則權重向量。

(k)=(1j(k-1),2j(k), …,(k))T(6)

式中，對于與1 層第個元素無支配關系的對應取值為0；則，第層相對總目標的權重向量(k)為

(k)= (1(k),2(k), …,-1(k))·(k-1)(7)

一致性檢驗方法與層次單排序相似。在實際操作中，對國內10名農村環保領域專家進行了問卷調查，邀請其對指標體系中同層次指標組中各指標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，得到評價指標體系指標權重及總排序，見表4。

表4 評價指標權重

可以看出，在北方地區，農村居民對技術的接受程度、生活垃圾收運成本、處理設施全年平均穩定運行時間、地表水質量達標率和土壤質量達標率等指標權重最高。

3 自然村生產生活循環模式模糊評價

3.1 確定模糊評價因子

自然村A生產生活循環模式實現全村生產生活廢棄物全部有效利用，有效保護農村飲用水水源水質安全，提高了資源循環利用水平。采用模糊綜合評價方法進行評價。由于該村養殖規模較小，病死畜禽處理相關的指標（7和13）在本次評價中未做考慮。對各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。各項指標值和分級指標見表5。

表5 評價因子值及分級標準

3.2 隸屬度函數

本文采用的隸屬度函數模型為

其中，I、II、III、IV分別指各項評價因子各分級標準限值，i指各指標實際值，見表5。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（為×階），本文根據評價指標體系和評價等級，確定=26，=4。

3.3 模糊評價結果

根據權重模糊矩陣和隸屬度矩陣進行模糊復合運算，評價結果矩陣為={0.608 0.062 0.078 0.262}。經綜合評價，自然村A生產生活廢棄物循環技術系統屬于優（I）級別。通過案例分析可見，已構建的指標體系包含相應評價指標，可全面反映自然村生產生活廢棄物循環利用技術評價的廣度和深度。

4 思考與對策

農村地區生產生活廢棄物資源化、循環再利用，不僅是節約資源、減少污染的需要，也是農業生產本身的需要。目前對于村鎮生產生活廢棄物處理方面，用于單一廢棄物處理的實用成熟技術較普遍，但在農村環保和人居環境改善過程中，缺乏對村域生產生活廢棄物循環利用的統籌考慮，一些關鍵環節缺乏有效的連接，導致農業農村廢棄物循環利用渠道不暢、同類設施重復建設或缺項等問題。因此，從全村域的角度整體謀劃，根據自然村類型及所處區域經濟社會環境，統籌規劃設計并對生產生活廢棄物循環利用技術模式進行評價分析，提出優化的一攬子解決方案，對于農村污染治理和農村人居環境改善工作具有非常重要的意義。在生產生活廢棄物循環利用技術模式設計過程中，需從技術、社會經濟和環境等方面統籌考慮。通過指標權重可以看出對于北方地區自然村來說，農民接受程度、運行成本、運行穩定時間、環境質量改善情況等指標是自然村生產生活廢棄物循環利用體系運行管理關鍵環節，在自然村生產生活廢棄物循環利用體系設計時應予以重點考慮。自然村生產生活廢棄物循環利用模式評價對于循環利用體系設計具有重要作用，下一步將針對北方平原地區和南方地區不同類型典型自然村進行評價研究，進一步完善評價方法，指導自然村生產生活廢棄物循環利用技術模式構建和運行。

5 結 論

1）通過層次分析法—模糊評價法構建自然村生產生活循環技術模式評價指標體系和評價方法，實現了自然村生產生活循環模式科學評價，可為自然村生產生活廢棄物循環系統構建提供參考和借鑒。

2）北方山區典型自然村有機廢棄物以果木剪枝、生活垃圾、生活污水、人畜糞便為主，通過以果木剪枝熱解+炭基有機肥還田為紐帶的循環利用技術，輔以生活污水處理利用的模式，構建自然村生產生活廢棄物循環利用模式，適合該類型自然村，評價結果為優級別，說明自然村A資源循環利用水平和人居環境治理水平較高。本文為中國村鎮廢棄物循環利用技術模式選擇提供借鑒，將為中國農業農村循環經濟發展和人居環境改善工作提供的支撐。

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Research on rural waste recycling mode and its evaluation in village

Zhou Haibin, Shen Yujun, Meng Haibo, Zhao Lixin※, Cheng Hongsheng, Huo Lili, Dong Shanshan

(,,,,100125,)

In recent years, China's rural areas have witnessed rapid economic development, and the living and production waste in rural areas has been gradually increased. However, due to the limited economic development level, some villages is still lack of facilities for collection, treatment, and disposal of these waste. The recycling of living and production wastes in villages is an important way of environmental protection in the rural area and to improve the efficiency of resource utilization. It is easy to find some practical and mature technology to treat one kind of wastes in rural area, but lack of overall consideration for the recycling of production and living waste in the village. In this paper, we took a typical village (village A) in the mountainous area of Xingtai City, Hebei Province as an example, and constructed a recycling system of production and living waste. Fruit planting and rural tourism are the leading industries in village A. The main waste in village A are fruit trees pruning, household solid waste, sewage, and manure. The recycling system of the village was constructed using technologies and facilities such as composting of organic wastes, pyrolysis of fruit tree pruning, sewage treatment, and the collection and treatment of solid waste. The energy recovery and fertilizer use were realized in the village, and residential environment governance achieved a higher level. A combination of analytic hierarchy process (AHP) and fuzzy evaluation method was adopted to construct the index system to evaluate the technology system of the recycling of wastes from living and production. A total of 26 indexes were chosen in the index system, which contained technological, economic and social, and environmental indexes. And the weight of each index was determined by the expert scoring method. Such as residents’ acceptance, cost for garbage collection, average steady running time of the treatment facilities, and qualification rate of surface water and soil showed higher weights in rural area of North China. The method was used to evaluate the recycling system of village A, and result showed that the technology system of recycling of wastes from living and production in village A was level excellent. The evaluation method could fully reflect the characteristics of the recycling mode of living and production waste in rural areas. The evaluation methods in this study would provide the methodology reference for assessing, selecting, integrating, and promoting the technology system of recycling of wastes from living and production in China. It is a new thought that committing an overall design of the recycling system of the village, according to the village type, location, and reginal economic, and modifying through scientific evaluation, which could greatly improve the quality of rural area development, governance, and environmental protection. We will conduct evaluation and research on different types of typical villages in the southern area and the plain area of northern China in the future, further improve the evaluation method, and provide guidance for the construction and operation of recycling system of living and production waste in natural villages.

rural area; waste disposal; recycling; mode; evaluation

周海賓，沈玉君，孟海波，趙立欣，程紅勝，霍麗麗，董姍姍.自然村生產生活廢棄物循環利用模式及其評價研究[J]. 農業工程學報，2018，34(23)：206－212. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.026 http://www.tcsae.org

Zhou Haibin, Shen Yujun, Meng Haibo, Zhao Lixin, Cheng Hongsheng, Huo Lili, Dong Shanshan. Research on rural waste recycling mode and its evaluation in village [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 206－212. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.026 http://www.tcsae.org

2018-10-10

2018-10-30

國家科技支撐計劃課題“自然村生產生活循環技術系統構建和集成示范”（2015BAL04B03）

周海賓，工程師，博士，研究方向為農業廢棄物資源化利用。Email：zhouhaibin@caaepd.org.cn

趙立欣，研究員，主要從事生物質資源開發利用技術與政策研究。Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.026

X71

A

1002-6819(2018)-23-0206-07