農沼結合發展模式典型案例調研與模式優選

姚 利，王艷芹，郭 兵

（1山東省農業科學院農業資源與環境研究所，濟南250100；2農業農村部廢棄物基質化利用重點實驗室，濟南250100）

0 引言

隨著農村城鎮化和集約化種養業的快速發展，各類作物秸稈及人、畜禽糞便產生量日益增大，而收集處理能力嚴重不足，造成污染環境的問題日益嚴重[1]。特別是大型養殖場產生的糞便污水如果貯存處理不當，極易對周邊的水體、土壤和空氣質量造成嚴重污染。中國相關部門也采取了積極的應對措施以緩解或治理畜禽污染現狀，并資助推廣了大量的畜禽養殖污染防治工程[2]。其中，沼氣化利用是畜禽糞便資源化的一種有效方式[3]，一方面可以消納廢棄物，解決環境污染問題；另一方面，能持續穩定運行并能獲得一定的經濟利益[4]。農沼結合發展模式是以沼氣工程為核心，包含安全養殖、廢棄物處理、生態種植、農產品加工等環節的復雜系統[5]，因此，其模式類型多樣，規模差異巨大，循環鏈條長短不一，造成了國內沼氣工程運轉不佳、總體效益不高的現狀。目前國內的研究大多停留在某一類型，側重于沼氣工程技術[3]、模式構建與評價[4-5]、效益分析[6]等方面，一般只涉及沼氣工程和沼渣沼液利用2 個環節，缺少對各個環節的總體評價。因此，有必要對農沼結合模式各種類型進行歸納分析，深入研究如何對模式鏈條進行延伸，提出可供借鑒的種養結合模式。

本研究針對不同養殖模式、不同養殖規模，選取養豬、養牛、養雞等大中小不同規模的養殖場，以及糧田、蔬菜、果樹等不同作物基地，開展其養殖—沼氣—農業結合方式的調研。通過對典型案例進行分析，了解其模式結構、功能與短板，以及與資源、環境的關系，從而判斷其技術經濟可行性，提出優選的農沼結合模式，以期對沼氣工程健康發展和廢棄物資源化提供參考，實現農業內部的良性循環。

1 農沼結合典型模式

1.1 模式類型：農作物副產品—酒糟喂豬—沼氣工程—土壤改良—小麥/玉米種植

該模式的典型案例是濱州泰裕麥業有限公司三沼循環利用模式。該企業利用自有土地輪作種植小麥、玉米，小麥生產面粉、小麥蛋白、酒精，集團內的酒精廠所產酒糟（液體蛋白）和玉米飼料用于養豬，利用小麥蛋白廢水和豬糞水聯合發酵產沼氣，形成養殖—沼氣—種植—食品加工全鏈條產業模式。該模式實現了全鏈條無污染物排放，且所有廢棄物均獲得高附加值轉化。利用酒糟養豬，大大降低了養豬飼喂成本，提高了養殖單元的效益和風險承受力。小麥蛋白生產車間排出的廢水為60℃高溫，因此沼氣發酵得以在全年穩定的高效維持，而沼氣工程的良好運行確保了整個系統的運轉。沼液的培肥效應以及土地的休耕操作，加成了土壤的改良效果，為下一步循環農業鏈條的延長奠定了基礎。該模式體現了規模效應以及全產業鏈在沼氣工程系統的重要性，表現了很好的經濟效益和生態效益，是種養結合模式的典范。

1.2 模式類型：養殖廢棄物—沼氣工程—沼肥外送

該模式為多數養殖企業選擇的模式，用沼渣和干糞混合發酵生產有機肥，沼液免費供應附近農戶。此種模式為單一的廢棄物沼氣化利用模式，項目業主只涉及到了養殖和沼氣2 個環節，沼渣沼液的利用缺乏針對性，與農業生產是有些脫節的。廢棄物只實現了能源化這樣一條資源化途徑，沒有實現生態農業的循環。

1.3 模式類型：養殖小區—沼氣工程—集中供戶—生態農業—休閑餐飲

該模式的典型案例是山東淄博淄川區法家村沼氣供戶工程。該工程利用各養殖小區收集到的畜禽糞便和秸稈作為發酵原料，生產的沼氣用于村莊集中供戶，沼渣、沼液供應生態采摘園，通過流轉土地建設規模化溫室大棚，大棚種植草莓、藍莓、西瓜、西紅柿、辣椒、獼猴桃、櫻桃、雪梨等高附加值無公害果蔬產品。自產自銷的沼液、沼渣代替農藥、化肥，種植做到零污染、零化肥、零農藥，不僅大大降低了生產成本，提高了果蔬產量，而且價格高出市場價3～5 倍仍供不應求。形成了一條集廢棄物制沼、果蔬種植、觀光采摘、休閑餐飲等于一體的循環農業產業鏈。

1.4 模式類型：養殖廢棄物—固液分離—多元化利用—有機農業

該模式的具體案例是山東銀香偉業集團廢棄物循環利用模式，該模式是以生態養殖作為切入點，將農作物秸稈轉化為養殖的優質飼料；在生產肉蛋奶制品的同時，將固液分離后的畜禽糞便和養殖污水分別進行生物加工和厭氧發酵，獲得臥床墊料、有機肥和沼氣，臥床墊料和沼氣回用于養殖場，沼液培肥土壤，生產有機農作物，實現整個生產過程的綠色循環，探索“有機共生經濟模式”。通過農牧并舉、種養結合，實現了污水零排放、沼氣全利用、糞肥全還田，在不斷發展的同時保護了環境和生態。

1.5 尾菜—沼氣工程—蔬菜大棚

該模式的具體案例為山東恒源農業有限公司蔬菜廢棄物利用模式，該模式的特點為源于蔬菜，歸于蔬菜。園區產生的廢棄物為尾菜和蔬菜秸稈，經過中型規模的沼氣工程處理后，產生的沼渣沼液又回用于蔬菜種植中，沼氣燃燒產生的二氧化碳還可以補充溫室內的氣肥。整個循環均在一個封閉的園區內，實現了廢棄物的原位資源化，降低了物質流轉的成本。

1.6 模式類型：大型養殖場—沼氣發電—沼液濃縮—有機種植農業

該模式的具體案例為山東民和牧業有限公司的沼液高值化利用模式，該模式填補了沼液濃縮提純的技術空白，實現沼液高附加值的利用，做到了經濟性和零排放。沼液先經過新型生化系統，采用了先進的物料分離技術及膜濃縮提純技術，保全了沼液中的營養成分，同時可回收大量水資源。在濃縮提純生產液體肥的工藝中，不添加任何化學試劑，獲得高效的、生物的、環保的有機液體肥。實現了生態環境的保護、優化與資源全方位高效整合利用以及污染零排放、效益最大化，給企業、社會帶來顯著的經濟、社會以及生態效益。

2 模式結構、功能與短板

2.1 模式結構

農沼結合模式是以沼氣工程為紐帶，把種植業和養殖業有機的結合為一體，具有低資源消耗高產出型特征，且環境安全和可持續發展的生態循環經濟系統[7]。在工藝選擇上，遵循資源化、減量化、無害化和生態化原則，堅持以利用為主，利用與污染治理相結合。遵循生態學、經濟學的科學發展觀，以“整體、協調、循環、再生”為總的指導思想，形成一個經濟、合理、完整、多層次、多功能的良性循環系統，促進物質和能量的循環，符合可持續發展的要求。

2.2 模式功能

該模式將農牧廢棄物通過沼氣工程進行密閉發酵，可以同時對固、液廢棄物進行處理，不僅保護水體和土壤，也大大減少了臭氣對大氣環境的影響，廢棄物得到無害化處理和資源化利用，獲得清潔能源和有機農產品。模式中所生產的沼氣和電力是清潔能源，沼氣工程產生的沼渣沼液是優質有機肥和綠色添加劑，可用于葉面肥、浸種、無土栽培營養液或生物農藥，提高農作物產量和品質[8]，實現企業、環境、群眾三方獲益的功能。

2.3 模式短板

（1）大多數沼氣工程規模較小，所產沼氣無法發電并網，如果用作燃料或小型發電，其沼氣產量和企業需求不匹配，因此沼氣的經濟效益無法得到充分體現。同時由于沼氣工程冬季產氣量低下，影響了業主正常運轉工程的積極性。（2）由于養殖場和周圍的農田大都不是同一個業主，沼渣沼液的利用沒有系統性。從沼液的貯存、運輸到應用，缺乏有效的管理與統籌安排，導致很多沼氣站沼液大量存放，沒有得到有效利用，更談不上商品化利用。（3）沼液的應用除了在儲運方面存在設施和管理上的困難，在理論和效果上也存在技術瓶頸。由于沼肥的品質差別很大，對不同作物和土壤的效果尚未明確，且有可能含有重金屬、抗生素等有毒有害成分，因此在肥效和安全性方面缺乏保障[9-10]。

3 模式與當地資源及經濟社會條件的適宜匹配度

農沼結合模式的主要特點是，以沼氣工程為紐帶，將養殖業和種植業有機的連接在一起，模式中的廢棄物得到充分處理并資源化。影響此模式的主要因素是沼氣工程的運行情況以及循環鏈條的完整性。

農沼結合模式的要點是養殖場—沼氣工程—種植業鏈條中各個環節的無縫連接。首先沼氣工程要能完全處理養殖場的糞便污水等廢棄物，同時經沼氣工程處理后的沼渣沼液又能被種植業完全消納，實現生態農業的循環。該模式適應了國家資源循環利用的需求，是解決中國可持續發展中合理利用資源和防治污染的根本途徑，是轉變經濟發展方式，建設資源節約型、環境友好型社會的重要措施。但由于目前農業生產中畜牧業和種植業的脫節，此模式在發展中仍舊存在不少問題。比如養殖業主一般不了解沼氣工程的管理運行，養殖場通常與種植業的聯系也不密切，僅有少數綜合性企業實現了種養結合。

4 農沼結合發展模式對區域資源與環境影響

沼氣工程的建設可以將農業、畜牧業中的廢棄物進行有效處理和綜合利用，畜禽糞便、尾菜秸稈以及食品加工廢棄物，都可以為沼氣工程提供充足的原料；沼氣可以改善企業的用能結構；沼渣沼液作為有機肥料，可減少農田化學肥料施用量。大型沼氣工程的建設，可以統籌解決一個乃至數個鄉鎮區域內農業廢棄物的資源化處理，該模式可以實現資源有效利用，有利于帶動地方經濟的發展。

農沼結合發展模式實現了生態環境的保護、優化與資源全方位高效整合利用以及污染零排放、效益最大化，給企業、社會帶來顯著的經濟、社會以及生態效益[11]。

5 農沼結合發展模式科技支撐評價

農沼結合模式中圍繞廢棄物利用的科技支撐主要有3個方面，首先是適合各類廢棄物、不同發酵濃度的沼氣工藝，其次是沼渣沼液在不同作物上的應用技術，再次是應用沼渣沼液后對土壤乃至生態環境的影響。

5.1 沼氣工藝技術

建立沼氣工程的重點是處理農業廢棄物的同時實現“三沼”的高值利用。濕法沼氣工藝經過多年發展已經較為成熟，CSTR、USR和HCF工藝適用于高懸浮固體濃度、高固體發酵原料的“能源生態型”沼氣工程[12]。在沼氣利用方面，沼氣集中供氣、沼氣發電、沼氣燒鍋爐等用途都很常見，沼氣提純技術也已成熟[13]。

目前，沼氣技術應用的瓶頸在于常規濃度發酵后產生大量的沼液，需要匹配足夠面積的土地用于消納。如果能夠實現干濕分離，高濃度糞便進行干發酵，廢水經過處理后直接排放，則可大大降低環境壓力。同時干發酵工藝也更適合糞便、秸稈、尾菜、食品加工廢棄物等固態廢棄物的處置。目前針對干發酵工藝已開展了包括工藝、設備、不同物料等方面的研究開發，但大規模的干發酵技術在連續進出料、發酵物料的均勻性以及毒性因素控制等方面均有待突破，成功運行的工程案例較少。針對低固體含量的養殖廢水處理的技術難點在于，常規水處理工藝處理高濃度的養殖廢水運行成本太高，同時高濃度的氮磷指標難以降解，隨意排放水體易造成水體富營養化污染。

5.2 沼渣沼液應用技術

沼液富含營養物質及微量元素，且營養元素基本上是以速效養分形式存在的，具有較高的利用價值[10]。合理利用沼液可以提高農產品的產量和品質，改良土壤理化特性，提高土壤肥力，并且減少化肥使用量，降低生產成本[14]。因此肥用是沼渣沼液目前最主要的利用方式，也是低成本的資源化利用方式[15]。

較為成熟的沼渣沼液肥用方式有以下幾種：一是澆灌施用，二是作為葉面肥施用，三是沼渣沼液分離后將沼渣制成有機肥料施用[15]。

但由于原料和發酵過程的差異導致沼渣沼液在產量、濃度、成分方面的不確定性，所以沼肥利用效果和報道的重現性較差，可參考性不強[16-17]。

5.3 沼渣沼液的環境應用評價

沼液含有的氮、磷、鉀等營養元素可提高土壤肥力，含有的腐殖酸等有機質可促進土壤團粒的形成，含有的生物活性物質可增強微生物及酶活性，進而調節土壤理化性質，改善植物生長環境[18]。

盡管沼渣沼液肥用方面的研究和應用已在多種作物上開展，但目前大多數的報道還集中在對作物的應用效果方面，沼肥對環境影響的研究偏重于在土壤肥力、微生物區系等方面，對其由于成分、理化特性等產生的負面影響或環境污染尚無明確的結論。

應用沼渣沼液后，對土壤、地下水、以及農業生態產生的短期乃至長期的影響，尚無明確的研究結論。特別是沼渣沼液多為畜禽糞便發酵而來，畜禽糞便中含有的重金屬、抗生素等有毒有害成分，大部分都會進入沼渣沼液中，同時大多數沼渣沼液的pH 值為偏堿性，長期使用對土壤特別是鹽堿土的影響尚不明確。

6 農沼結合發展模式優選

農沼結合模式整個循環涉及到養殖業、沼氣工程、種植業，乃至種植業的下游環節，相鄰每個環節的連接必須非常緊密，否則整個循環就難以運轉。每一個環節產生的廢棄物都必須被下一環節完全處理并實現資源化，否則就會造成環境的污染和資源的浪費。但由于目前種養脫節的現狀，大部分企業實施起來都有一定的困難。

農沼結合模式的要素有以下4點：（1）有沼氣工程能夠完全處理養殖場或種植業產生的廢棄物；（2）沼氣工程得到規范有效的管理，能夠全年正常產氣，農業廢棄物降解充分；（3）沼氣工程周邊有足夠的土地消納沼渣沼液；（4）沼渣沼液利用渠道通暢，沼液輸送設施完善。

鑒于農沼結合模式的幾項要素，為使該模式能夠正常運行，優選的模式首先要能實現養殖、沼氣工程、種植規模上的匹配[19]，即每一環節產生的廢棄物都能被下一環節充分處理并利用，該條件可以通過統籌種養建設規模、拉長循環鏈條等方式實現，合理布置物質和能量的多級利用，建立農業廢棄物基質化循環利用參與主體間的連接機制[20]；其次是通過建立資源循環利用機制、生態價值補償機制及利益合理分配機制[21]，提高物質、能源循環的價值，即充分挖掘各類廢棄物的價值潛力，提高資源化水平及產品附加值；再次是減少模式中循環路徑環節的消耗，盡可能實現廢棄物原位循環、就地資源化，減少人員、運輸、管理等方面的成本。

7 結論與討論

（1）以沼氣為紐帶連接養殖和種植業，是解決廢棄物資源浪費、環境污染以及促進農牧業增值的有效手段。此模式想達到運轉良好并獲得效益，在技術上需要解決沼肥適量使用和環境安全性問題，在產業設置上需要打通農、牧業和沼氣工程之間的界限，在管理和制度上需要完善補償和分配機制，實現種養有機結合，提高廢棄物資源利用效率。

（2）本研究區別于僅從沼氣工程運行狀況、沼渣沼液利用或經濟效益分析等單環節研究，從農沼結合模式的產業全鏈條進行分析，提出滿足模式良好運轉需要從種—養—沼規模匹配、循環鏈條延伸、提高資源價值及循環路徑縮短等方面進行考慮，最終達到技術可行、經濟合理的目的。

（3）本研究主要是以山東省為調查區域，案例調研一定程度上具有地域的局限性。山東省作為畜牧大省和蔬菜大省，以集約化養殖和高標準設施蔬菜產業為代表，畜牧業和農業生產均具有規模效應，同時天然氣具有較大缺口且價格較高，因此規模性產業易于產生效益。本研究結論是否能在農牧業規模相對分散的區域實踐，有待于進一步論證。

（4）本研究采用現場調研的方式開展模式研究，案例分析尚不夠深入，后期擬開展針對該模式的物質流、能量流以及價值流測算與評價，對模式的能值效率和可持續發展能力進行分析，以期為系統的高效運行提供理論支撐。