地埋式沼氣工程資源化利用農村有機垃圾技術模式探析

曾文俊， 李冰峰， 李惠斌， 宣華軍， 梅自力

(1.農業農村部沼氣科學研究所， 成都 610041； 2.農業農村部農業生態與資源保護總站， 北京 100125； 3.四川中沼生物能源檢測有限責任公司， 成都 610041； 4.浙江諸暨錦潤再生資源有限公司， 浙江 諸暨 311800)

截至2019年底，我國有鄉鎮級區劃38727個，農村人口達5.516億，以人均每日生活性垃圾量0.86 kg和生產性垃圾量2.03 kg計算[1]，農村地區每天至少產生垃圾159.41萬噸，每年約為5.82億噸。而伴隨著農村經濟發展、居民消費升級、人口增長，加之農村行政管理力度較輕等因素，農村垃圾處理問題將日益突顯,矛盾也會逐漸加大[2]。21世紀以來，我國不斷加大農村環境綜合整治力度， “十二五”“十三五”規劃均對農村垃圾的收集、轉運、處置設施建設及綜合整治模式、技術等提出了具體要求，特別是黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視生態文明建設，納入了社會主義現代化建設“五位一體”的總體布局，習近平總書記還多次就垃圾分類資源化利用作出重要批示和指示，廁所革命、垃圾分類等工作有序推進[3-4]。《中共中央 國務院關于加快推進生態文明建設的意見》和《農村人居環境整治三年行動方案》的出臺，以及兩次全國改善農村人居環境工作會議的召開，表明我國農村人居環境整治進入新的歷史征程，這直接對農村垃圾治理提出更高的要求[5-6]。面對我國農村垃圾量大、分散、處理成本高、處理效益差的客觀實際，如何推進其減量化、資源化、無害化處理是一個迫切需要研究的課題[7-10]。

有機垃圾占農村垃圾一半以上[11]，又稱“濕垃圾”，主要包括：秸稈、瓜果皮、廚余泔腳、動物糞便、有機廢渣、污泥、高濃度有機廢水等[12]。此類垃圾富含氫、磷等營養成分以及多種細菌和寄生蟲卵[13-14]，具有含水量高、質變快、可生化性較好等特點，如果處理不當，很可能產生惡臭氣體和滲漏液對空氣、土壤及水體造成污染，并會滋生、傳播疾病[15-18]。目前，國內外主要采用填埋、堆肥和焚燒3種有機垃圾處理方式[19]，3種方式均有一定優勢，但存在的問題也不容忽視：填埋法占地較大，且容易造成地下水和土壤污染；堆肥法臭氣難以控制，也可能造成土壤污染，且運維成本高；焚燒法集中清運成本高且二次排放問題不能徹底解決。近年來，厭氧發酵技術及相關工藝的不斷發展，為農村有機垃圾就地治理提供了新選擇[20-21]。采取厭氧發酵法處理農村有機垃圾，可以生產清潔能源“沼氣”來代替部分薪柴，保護森林植被，也可利用沼渣和沼液制造有機肥，減少化肥使用量，另外，厭氧發酵還能有效消滅大多數病蟲卵，阻斷部分病蟲害來源，在節約土地資源的同時有效治理農村面源污染問題[22-24]。基于此，本文采用案例研究方法，舉例分析厭氧發酵法應用于農村有機垃圾治理的建管模式和優越性，總結問題與經驗，并提出建議，以期對農村有機垃圾減量化、資源化、無害化治理提供一定參考。

1 案例介紹

1.1 案例選擇

本文選擇的案例是浙江某公司，該公司探索形成了“地埋式沼氣工程資源化利用農村有機垃圾技術模式” (以下簡稱“錦潤模式”)。選擇的理由是：農村有機垃圾具有量大、分散、質變快、處理難度大等特點，這導致其收集、運輸和減量化、無害化處理等過程更為復雜。而“錦潤模式”經營范圍覆蓋了有機垃圾處理鏈條的各個環節，包括：生活垃圾經營性清掃、收集、運輸；生活垃圾、建筑垃圾資源化利用；環保設備、玻璃鋼厭氧發酵池的設計、制造、銷售：環境治理工程技術的研究、服務；環境治理工程的設計、施工、安裝、調試、運行；相關貨物及技術的進出口。另外，經過多年合作研究，“錦潤模式”研究出城鄉有機生活垃圾厭氧發酵工藝，研發出一套成熟的有機垃圾地埋式處理設備，獲得多項專利授權，已在全國200多個示范點得到實際應用并取得較好的效果，其在農村有機垃圾厭氧處理循環利用方面進行了一系列極具推廣借鑒價值的探索。

1.2 資料收集

首先，采用實地調研法實地參觀了該公司的辦公場所、設備工廠及厭氧發酵工程，掌握基本情況；接著，采用訪談法訪談了公司主要決策者和運營管理及技術人員，詳細了解了公司處理農村有機垃圾的前中后端各項工作流程、相關技術參數以及公司的發展歷程；最后，收集、整理了近年來我國厭氧處理有機垃圾的相關文獻、政策資料。

2 建設與管理

2.1 治理原則

該公司依托有機垃圾一體化厭氧處理工藝體系，堅持四大有機垃圾治理原則： 1)就近減量化，就近建設終端處理設施，縮短運輸距離，降低運輸成本； 2)就地資源化，堅持以利用為主、利用與垃圾治理相結合，就地再生利用農村有機垃圾，實現“三沼”綜合利用； 3)工藝生態化，工程產物不對人畜健康和生態環境產生負面影響，不占耕地，不產生臭氣，不造成二次污染； 4)管控智能化，利用現代物聯網技術，實現線上線下全時段自動監控，保障安全、高效運行。

2.2 工藝簡介

有機垃圾進入已預投特定厭氧菌的有機垃圾一體化厭氧沼氣發酵設備，經30～50天的常溫厭氧發酵，轉化為以甲烷、二氧化碳為主的沼氣以及沼渣沼液，并能通過沼液回流裝置提高發酵和清渣的效率。沼氣存于儲氣罐，可直供炊事、取暖等；沼液輸送至儲液池沉淀過濾，可直接或稀釋后用于農作物根肥、葉面肥等。另外，配套阻燃器、脫硫塔、凝水器、自動點火設備等裝置確保整個過程可全天候自動運作。處理流程如圖1所示。

2.3 工程建設

“錦潤模式”建設的核心內容是沼氣工程，規模以中小型為主(厭氧消化裝置總容積小于1000 m3)[25]，發酵原料包括但不限于餐廚垃圾、養殖糞污、秸稈等有機物。沼氣工程由當地政府公開招標并劃分建設用地，建設資金納入年度財政預算，專款專用。該公司若中標，將負責如下具體工作：

(1)開展施工前期準備工作，勘察地質并確定項目選址，調配施工人員和物資；

圖1 農村有機垃圾厭氧發酵循環處理示意圖

(2)進場施工，統籌場地開挖，設備安裝；

(3)檢查調試沼氣工程氣密性、投放菌種；

(4)負責組織政府、業主、第三方機構等有關單位開展審計、驗收等工作。

2.4 運營維護

該模式下的運維工作主要圍繞沼氣工程分工分段開展。

分工：當地政府(委托專業的保潔公司)負責將分類后的有機垃圾收集、運輸至沼氣工程；該公司負責沼氣工程日常維護保養，包括氣密性檢查、菌種添加、抽水回流、垃圾二次分揀投放、“三沼”監測與控制等，并定期(每月至少1次)回訪已運行項目主管部門，了解相關業主需求。

分段：該公司在招投標階段與當地政府確定1～2年的免費運維期，在此期間負責日常維護工作。免費運維期結束后，根據當地政府意愿，可繼續簽訂運維合同，確定年度運維費用及日常管理工作，或者簽訂移交單，將該站點的日常運維工作交還給業主單位(村委員會、鎮政府、縣市級農辦或城管委等)。

2.5 工程運行參數檢測

以該公司在浙江省諸暨市暨陽街道SJ村的地埋式沼氣工程為例，第三方機構農業農村部沼氣產品及設備質量監督檢驗測試中心對該工程的運行參數(見表1)和沼液參數測試結果(見表2)如下：

從工程運行參數檢測結果來看，沼氣中甲烷含量體積百分比為62.11%，屬于正常范圍，可供周邊農戶日常炊事使用；硫化氫含量為35.67 mg·m-3，含量較低，處于安全閥值內；該工程無增溫設施，常溫發酵工藝，在10月下旬發酵溫度可達23.3℃，冬季也可維持在20℃左右，可進行正常發酵；由于投料主要為周邊的瓜果蔬菜、餐廚殘余等生活有機垃圾，發酵濃度較低，產氣率較低，日產氣量為43.803 m3，可供周邊30余戶農戶炊事用能。

從沼液參數檢測來看，pH值接近中性；根據氨氮、懸浮物、色度、總磷、化學需氧量等參數檢測結果判定，屬于V類水質，達不到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)國家允許排放標準[26]。因此，該工程的沼液主要用作周邊農田、植被灌溉和工程回流循環使用，不直接排放。

表1 工程運行參數檢測結果表

表2 沼液參數檢測結果表

3 模式主要優勢

3.1 農村有機垃圾處理成本大幅下降

以1噸有機垃圾計算: 1)焚燒處理模式：村收集到鎮中轉站費用平均為110元，鎮鄉中轉壓縮后的轉運費用為30元，市集中焚燒處理費用為135元，每噸有機垃圾清運處理費用為275元； 2)機器快速成肥模式：設備購置費用為20萬元，運維費用12萬元·年-1，以20年使用壽命計算，每噸有機垃圾清運處理費用為356元。而建設日處理1噸的農村有機垃圾厭氧處理工程成本為45萬元，運維費用2～3萬元·年-1，以20年使用壽命計算，每噸有機垃圾清運處理費用僅為143元，能節省大約一半成本。

3.2 處理過程節能環保

首先，沼氣工程周邊的有機垃圾實現不出村(鎮)就地就近處理，減少轉運環節灑落垃圾、飛粒和臭氣外溢，減少運輸車輛的尾氣排放；其次，節地無污染，處理設備位于地下，密封性能好，地表無味無蛆無蠅，地上可復耕復綠，無需占用耕地；另外，對示范項目連續運行3年時間的監測，厭氧處理后的有機物降解率較高，基本無沼渣殘留，可有效殺滅病菌、蟲卵，防控病蟲害傳播；最后，厭氧菌分解有機物的過程無需加熱、電解等能源消耗，降低當地單位能耗。

3.3 新材料新產品應用

傳統農村沼氣池采用磚混結構，存在建設周期長、保溫性能弱、氣密性差和建設質量不穩定等諸多缺點，該公司采用高分子材料和模壓技術生產的地埋式厭氧發酵裝置克服了以上缺點，并能夠在高地下水位、松軟性膨脹土等特殊地質條件下安裝使用。工廠化生產保障了穩定的質量、更高的標準化程度與抗老化能力、簡便的運輸安裝和更短的施工周期，輔之阻燃器、水壓間、脫硫塔和智能化網絡遠程監控系統等設施設備，工程運行安全高效，管護精準且成本低。

3.4 處理產物經濟實用

農村有機垃圾經沼氣工程厭氧發酵，產出沼氣、沼液和沼渣。沼氣供周邊居民炊事、取暖、發電等，可部分替代薪柴、煤炭、天然氣等能源，減少有害氣體排放，保護森林植被，3年穩定供應10戶農村居民，可節約燃氣費近2萬元。沼液和沼渣中的氮、磷等元素基本上都以簡單的結構形式存在，并富含腐植質，利于農作物吸收，是一種良好的速效肥，可直接施用于麥田、蔬菜大棚、果園、茶園等，能夠增加土壤有機質含量，改善土壤結構，提高農作物抗病能力，提升農產品品質。農戶利用沼液施肥每畝地一季能減少100～150元化肥購置費，不僅降低了農業生產成本，而且提高了農作物質量，在實現沼氣工程零排放、改善農村人居環境的同時，助推生態循環農業發展和農民節支增收。

4 總結與建議

該公司探索的“錦潤模式”具有良好的經濟、社會和環境效益，采用的設備和工藝先進，建設質量穩定可靠，在垃圾分類、廁所革命、農村人居環境治理等工作持續推進的背景下大有可為。同時，也應看到存在的不足：站點移交后的管護人員匱乏、專業操作素養參差不齊；工程后期運營資金投入缺位；“三沼”產品高值開發利用程度較低；相關宣傳不到位，影響力有限。總體來看，該模式是一種經濟、高效、節能、環保而又安全實用的農村有機垃圾資源化利用終端處理方式。基于以上分析，為進一步推進農村有機垃圾治理，改善農村人居環境，建議如下：

4.1 建立健全運行保障體系

一方面建立運維資金長效投入機制，積極爭取財政資金、相關部門項目的支持，探索建立以政府補貼引導、農村居民積極參與的投入機制，鼓勵企業投資和居民自籌，逐漸由政府撥款轉向政府幫扶和獎補結合的運維資金投入機制；同時，鼓勵銀行等金融機構出臺特色貸款業務，創新與沼氣工程維護相輔的金融產品，重點解決沼氣工程運維的資金難題。另一方面建立健全沼氣工程運維技術人員培育制度，開展職業技能培訓與鑒定工作，強化運營管理人員的安全責任意識和操作技能，并通過舉辦培訓班、現場實訓、經驗交流、知識競賽等多種方式，提高運維人員業務素養。

4.2 綜合開發利用“三沼”產品

沼氣是可再生的生物質清潔能源，在多能互補發展格局中必將發揮越來越重要的作用，可進行商業化、高值化開發，鼓勵引導項目業主開展沼氣集中供氣供暖、發電上網、提純生物天然氣等多元高質利用，提高能源綜合利用效率；同時，深入挖掘沼液、沼渣的肥用價值，與科研院所、大學、龍頭企業合作研究制定沼肥生產和施用的標準，并開展沼肥施用后對農產品、土壤、水體等的風險評估工作，安全規范利用沼渣沼液；另外，充分發揮沼氣工程的紐帶作用，在農業主產區、現代農業示范區、農業科技園區，引導農業企業、種養大戶、家庭農場、合作社等農業經營主體積極參與探索“沼氣工程+”生態循環農業模式，努力實現區域生態高效循環，進而轉變農業發展方式，改善農村人居環境。

4.3 大力開展公共宣傳

充分利用報紙、廣播、電視、網絡、微博和微信等新聞媒體宣傳農村有機厭氧發酵處理工程相關知識，通過印發宣傳單、張貼宣傳標語、舉辦講座、制定宣傳周等形式，加大對厭氧處理農村垃圾新技術、新模式和新經驗的宣傳力度，擴大影響范圍，調動基層部門和廣大農村居民參與工程建設、運營的主動性和積極性。