四川省農(nóng)村有機(jī)廢物能源化的區(qū)域管理規(guī)劃方案
——以崇州地區(qū)為例

惲云波，鄧歐平

（1.德國亞琛工業(yè)大學(xué)水和固體廢物管理研究所，德國亞琛 52056；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130）

我國正處于發(fā)展中國特色農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵階段。農(nóng)村有機(jī)廢棄物的資源化利用是中國特色農(nóng)業(yè)建設(shè)進(jìn)程中、以及發(fā)展農(nóng)村綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的重要組成部分[1-2]。中國作為世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，自十二、十三五規(guī)劃以來，在實(shí)現(xiàn)對農(nóng)村地區(qū)有機(jī)廢棄物的可持續(xù)管理方面已取得初步效果，但目前仍存在資源總量不清、政策法規(guī)執(zhí)行力度缺乏以及技術(shù)裝備未成熟等問題[2-3]。未來中國在農(nóng)村有機(jī)廢棄物資源化管理模式及技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展將對中國的可持續(xù)生態(tài)環(huán)境發(fā)展之路產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

崇州地區(qū)作為四川省以及中國典型的以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，有機(jī)廢棄物數(shù)量及其所蘊(yùn)藏潛能均非?？捎^目前由于種種因素限制，崇州地區(qū)的有機(jī)廢棄物并未得到充分利用。為此為該地區(qū)建立起系統(tǒng)的有機(jī)廢棄物區(qū)域管理方案是首要任務(wù)。由德國聯(lián)邦教研部資助的中德聯(lián)合科研項(xiàng)目WAYS旨在為中國長江上游地區(qū)提供可持續(xù)的水資源管理技術(shù)及服務(wù)，其子項(xiàng)目之一將為以項(xiàng)目地點(diǎn)崇州市為例，研究其區(qū)域內(nèi)有機(jī)廢棄物的利用途徑，并以此制定區(qū)域內(nèi)有機(jī)廢棄物資源及能效化利用的綜合管理方案。研究目標(biāo)廢棄物主要為該地區(qū)典型有機(jī)廢棄物，如農(nóng)作物秸稈及畜禽糞便等。此外城鎮(zhèn)餐廚垃圾作為新興有機(jī)廢棄物，亦在本文研究范圍內(nèi)。鑒于其巨大產(chǎn)生量，需對其環(huán)?；奶幚韺で笠粭l可持續(xù)性的解決途徑[4]。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

崇州市為四川省成都市下轄的縣級市之一，距成都25 km，東部位于成都平原之上。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫約16℃。崇州總?cè)丝诩s67萬人，其中城市人口占約30%左右。全市面積1 096 hm2，其中山區(qū)占總面積的43%且無長居人口，丘陵區(qū)占總面積的5%，平原區(qū)占總面積的52%，約563 hm2。平原區(qū)域可進(jìn)一步細(xì)分：約427 km2為可耕地、25 km2為城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，剩余區(qū)域?yàn)楹恿?、街道、果樹種植區(qū)域等。通過地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件可繪制的崇州土地利用情況（見圖1）。其中綠色部分為森林覆蓋區(qū)域，即山區(qū)，紫色為城區(qū)，剩余為平原地區(qū)。為便于開展區(qū)域廢棄物資源管理規(guī)劃研究，根據(jù)崇州市地形及城鎮(zhèn)中心分布情況，平原地區(qū)被劃分為5個子區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

圖1 崇州土地利用圖Figure 1 Land use map of Chongzhou

數(shù)據(jù)信息獲取是廢棄物區(qū)域管理方案規(guī)劃的重要前提。方案規(guī)劃過程中除使用崇州地區(qū)廢棄物相關(guān)數(shù)據(jù)外，亦涉及崇州市地質(zhì)地貌、土地利用、水文信息、基礎(chǔ)設(shè)施等信息。主要信息來源于自身實(shí)地調(diào)研考察，部分信息數(shù)據(jù)由崇州市環(huán)保局、崇州市農(nóng)業(yè)局、崇州市沼氣辦公室、崇州市經(jīng)濟(jì)信息辦公室以及四川農(nóng)業(yè)大學(xué)等相關(guān)部門及科研機(jī)構(gòu)提供。本研究采用的方法如下：文獻(xiàn)分析與實(shí)地調(diào)研相結(jié)合，對大區(qū)域深入了解及分類；利用GIS等軟件工具劃分及確認(rèn)典型目標(biāo)區(qū)域；對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)有機(jī)廢棄物資源潛能進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)及預(yù)估、為典型案例區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)研究方案；通過理論數(shù)據(jù)及軟件工具相結(jié)合的方式確定廢棄物利用種類和地點(diǎn)，通過廢棄物產(chǎn)能計(jì)算模型規(guī)劃設(shè)計(jì)沼氣樣板工程，為崇州地區(qū)制定有機(jī)物能源化具體技術(shù)方案。

2 廢棄物資源潛能估算

2.1 崇州廢棄物管理現(xiàn)狀及資源化需求

根據(jù)實(shí)地調(diào)研所獲取的信息，崇州地區(qū)農(nóng)田收割后的殘留物大部分仍未進(jìn)行有效能源化利用，取而代之的是田地內(nèi)直接焚燒等低效措施。小型農(nóng)場中產(chǎn)生的糞肥一般還需在深溝中保存數(shù)月后，再施入農(nóng)田。其間，農(nóng)民多燒煤來保障烹飪或取暖需要。廚余垃圾大多用于喂養(yǎng)牲畜，而由于其在食物鏈中積聚過多有害物質(zhì)，該利用途徑在已被相關(guān)法律禁止，因此為能源化利用提供了可能[5]。區(qū)域有機(jī)廢棄物資源管理中的一項(xiàng)重要因素是當(dāng)?shù)貙τ谫Y源化過程中產(chǎn)生的衍生產(chǎn)品，如熱、電、肥料、沼氣、天然氣或其他產(chǎn)品的需求[6-7]。崇州屬于農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域，夏季月份（5—9月）幾乎僅種植大米，冬季月份（10月—次年4月）主要種植小麥和油菜。由此推論，當(dāng)?shù)貙Ψ柿系男枨鬄橹鲗?dǎo)需求。此外還調(diào)研了家庭用于烹飪及照明的人均用氣量數(shù)據(jù)。在城鎮(zhèn)地區(qū)該值約為0.41 m3/（人·d），在農(nóng)村地區(qū)該值約為0.34 m3/（人·d）。結(jié)合城鎮(zhèn)當(dāng)量人口數(shù)（25萬）和農(nóng)村當(dāng)量人口數(shù)（42萬），得出崇州地區(qū)用于照明及烹飪的年總耗氣量為90 hm3。此外，農(nóng)村冬季的需暖量也可過產(chǎn)沼供暖來覆蓋。

目前崇州當(dāng)?shù)匾呀ㄓ袛?shù)量可觀的沼氣站：發(fā)酵容積＞30 000 m3的沼氣站120座，發(fā)酵容積在8～10 m3的小型農(nóng)戶沼氣池超過28 000個?？蓳?jù)此認(rèn)為，當(dāng)?shù)卦谡託馍a(chǎn)和利用上已具備必要的基礎(chǔ)設(shè)施及管理途徑。但當(dāng)?shù)厝云毡榇嬖趶U棄物資源化效率不高的問題。為了對地區(qū)內(nèi)所有產(chǎn)生有機(jī)廢棄物的利用進(jìn)行規(guī)劃，首先須準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)廢棄物種類、產(chǎn)生量及產(chǎn)能潛能。

2.2 農(nóng)村有機(jī)廢棄物資源統(tǒng)計(jì)及潛能估算

崇州地區(qū)有機(jī)廢棄物資源主要分為畜禽糞便、餐廚垃圾和有機(jī)工業(yè)垃圾及有機(jī)生活垃圾，下面分別統(tǒng)計(jì)估算。

（1）畜禽糞便。

在崇州，豬與牛是主要的畜禽種類，此外亦存在少許羊養(yǎng)殖場。畜禽排泄物的產(chǎn)生量與畜禽數(shù)量及排泄系數(shù)有關(guān)。結(jié)合文獻(xiàn)資料[8-9]與實(shí)地調(diào)查走訪情況，豬、羊一天約排泄的可收集糞便量約為2 kg，牛排泄量約為豬的5倍。由此得出的年糞便排泄量統(tǒng)計(jì)見表1（雞、鴨、兔等家禽暫無統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。

崇州市以農(nóng)業(yè)用地為主，主要農(nóng)作物為水稻、小麥、大麥、油菜、玉米等。在與崇州當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)農(nóng)業(yè)部門所提供信息及自主調(diào)查基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了2014年各類農(nóng)作物在崇州的種植面積、收成以及秸稈廢棄物理論產(chǎn)生量（見表2）。

表1 崇州農(nóng)村地區(qū)畜禽糞便產(chǎn)生量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on livestock manure in rural areas of Chongzhou

在此統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，將崇州市農(nóng)業(yè)種植廢棄物資源按圖1中使用GIS地理信息系統(tǒng)軟件對崇州市平原地區(qū)的區(qū)域劃分進(jìn)行分配，所得崇州市農(nóng)業(yè)種植廢棄物資源分配（以稻秸稈、麥秸稈和油菜秸稈為例）見圖2。

圖中彩色部分標(biāo)注的地區(qū)為崇州市主要農(nóng)業(yè)地區(qū)。該區(qū)域被劃分為5個子區(qū)域，即區(qū)域I到區(qū)域V，這些區(qū)域被視為收集和回收農(nóng)業(yè)種植殘留物的潛在區(qū)域。紫色區(qū)域?yàn)槿丝诰劬拥貐^(qū)，即城市或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)。計(jì)算結(jié)果表明，稻秸稈、小麥秸稈和大麥秸稈是崇州地區(qū)產(chǎn)生的主要秸稈類廢棄物。目前崇州大部分秸稈在農(nóng)田直接燃燒。未來崇州的發(fā)展目標(biāo)包括用稻草秸稈作為煤的替代燃料，例如用作酒精生產(chǎn)工業(yè)的熱量來源。

表2 崇州地區(qū)秸稈廢棄物統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of straw waste in Chongzhou

圖2 崇州地區(qū)秸稈廢棄物資源分布圖Figure 2 Straw resource potencial of the algriculture in Chongzhou

（2）餐廚垃圾。

由于地區(qū)的差異及本身的復(fù)雜性，餐廚垃圾信息的精確獲取存在一定難度。在此根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[5，12]，將崇州城市地區(qū)餐廚垃圾產(chǎn)生系數(shù)（包括餐飲行業(yè)及事業(yè)單位食堂垃圾）估為0.8 kg/（人·d），農(nóng)村地區(qū)則為0.2 kg/（人·d）。因此整個崇州地區(qū)的餐廚垃圾理論產(chǎn)生量為284 t/d，即103 660 t/a。

（3）有機(jī)工業(yè)垃圾及有機(jī)生活垃圾。

由于此類垃圾中有機(jī)成分不一，且在中國農(nóng)村地區(qū)垃圾分類收集至今未得到有效推廣，以及信息獲取亦存在較大難度，故此大類不在本文中討論

綜上，崇州地區(qū)存在大量未有效利用的有機(jī)廢棄物，主要來自農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)。另外餐廚垃圾也是易忽略的組成部分。有機(jī)廢棄物總量初步統(tǒng)計(jì)為137萬t/a。其中57%為不同種類秸稈殘留，35%為牲畜糞便，8%為餐廚垃圾（見圖3）。

在統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物總量的基礎(chǔ)上，根據(jù)各組分產(chǎn)沼系數(shù)[13]計(jì)算所得崇州地區(qū)有機(jī)廢棄物理論沼氣產(chǎn)量如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示，秸稈類殘留物蘊(yùn)藏巨大產(chǎn)氣潛能。理論上僅合理利用地區(qū)內(nèi)稻秸稈和麥秸稈即可滿足農(nóng)村地區(qū)家庭的能耗需求。若農(nóng)村每戶3～5口人的家庭每天做飯取暖所需沼氣量設(shè)定為2 m3，則理論上崇州地區(qū)有機(jī)廢棄物所藏沼氣潛能足以供10萬戶農(nóng)村家庭或40萬居民使用。具體到廢棄物類別，單牲畜糞便潛能即可滿足年度沼氣需求量的26%（95 d供應(yīng)量），廚房垃圾約19%（69 d供應(yīng)量），而秸稈類殘留則超過200%（2年供應(yīng)量）。

圖3 崇州地區(qū)有機(jī)廢棄物資源統(tǒng)計(jì)Figure 3 Organic waste resources in Chongzhou

圖4 崇州地區(qū)有機(jī)廢棄物理論產(chǎn)沼量Figure 4 Theoretical biogas yield of different organic waste in Chongzhou

需要指出的是，以上計(jì)算僅考慮了目標(biāo)地區(qū)有機(jī)廢棄殘留物的理論資源潛力。若要進(jìn)一步估算實(shí)際可利用資源潛力，則須考慮不同因素對最終可利用資源量的限制影響作用，其可通過金字塔圖體現(xiàn)：可利用資源——盈利/收益——技術(shù)可行層面限制——行政管理結(jié)構(gòu)限制——廢棄物資源總量。

在分析秸稈殘留物可利用資源時(shí)，須考慮其利用競爭關(guān)系。其中重要因素之一是保持耕地的土壤肥力，約1/3的秸稈殘留物須還田以確保耕作的可持續(xù)性。因此僅有不到70%的秸稈殘留物可利用。進(jìn)一步考慮使用競爭，秸稈殘留物的可用比例將在保守估計(jì)下繼續(xù)減少至20%[14-15]?？赡芨偁幮杂猛景ㄊ褂玫静葑鳛樯箫曫B(yǎng)草薦（比例約37%～52%），或作為牲畜飼料（比例約30%）[14-15]。為更好地闡述有機(jī)廢棄物資源區(qū)域管理方法，可選擇同時(shí)包括農(nóng)村及城市結(jié)構(gòu)的第三區(qū)域（圖1右下方區(qū)域），對該區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行資源評估和規(guī)劃再利用路徑。鑒于其區(qū)域特性，除秸稈廢棄物外，餐廚垃圾也因被作為重點(diǎn)資源考慮。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，僅有秸稈廢棄物可按地區(qū)種植分布統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生量：第三區(qū)域內(nèi)稻秸稈年產(chǎn)生量為49 100 t、小麥秸稈61 000 t、大麥秸稈33 800 t、油菜秸稈42 100 t。假定30%的秸稈殘留須還田維持土壤肥力，另外40%被用作牲畜飼養(yǎng)，則可用于能源化的農(nóng)業(yè)種植殘留物資源潛力約為總量的30%。畜禽糞便無法按此方法統(tǒng)計(jì)，因此假設(shè)崇州地區(qū)牲畜養(yǎng)殖場呈平均分布，從區(qū)域所占的面積中計(jì)算牲畜數(shù)量。第三區(qū)面積為104 km2，約占平原地區(qū)總面積的1/4，故第三區(qū)牲畜糞便數(shù)量也按此比重計(jì)算。餐廚垃圾的可利用量取決于其在該地區(qū)如何被納入資源利用計(jì)劃中，區(qū)域內(nèi)的城市和農(nóng)村面積比例是重要影響因素。具體到第三區(qū)，僅考慮中心城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的餐廚垃圾產(chǎn)生量，則按區(qū)域面積及上文產(chǎn)生系數(shù)計(jì)算，年可收集量約為39 000 t。若考慮農(nóng)村地區(qū)收集加成，則可用資源量會有所增加。鑒于目前中國農(nóng)村地區(qū)垃圾收集系統(tǒng)仍未完善，故此因素不納入考慮范圍。

3 有機(jī)廢棄物能源化區(qū)域規(guī)劃方案

有機(jī)廢棄物能源化區(qū)域規(guī)劃是有機(jī)廢棄物區(qū)域管理的基礎(chǔ)，此規(guī)劃方案以崇州市為例，并以能源利用為重點(diǎn)，是一項(xiàng)關(guān)于建立和實(shí)施有機(jī)廢物區(qū)域管理概念的規(guī)劃方案。該方案目標(biāo)可概括如下：（1）在農(nóng)村地區(qū)推廣有機(jī)廢棄物一體化管理及資源化利用理念；（2）引進(jìn)替代能源技術(shù)、強(qiáng)化"綠色"能源理念；（3）使有機(jī)廢棄物回收利用領(lǐng)域多樣化，如生物甲烷制造、壓塊燃料制造或余熱利用等；（4）減少溫室氣體排放，如使用沼氣/生物甲烷等替代化石燃料。

根據(jù)目標(biāo)地區(qū)特性和回收目標(biāo)，本方案設(shè)計(jì)了兩種能源回收路徑和一種物質(zhì)回收路徑（見圖5）。沼氣廠的主要原料為畜禽糞便和餐廚垃圾，部分種植廢棄物或工業(yè)有機(jī)垃圾亦可作為輔助原料。對于秸稈類廢棄物，小型焚燒廠或造粒廠是另一種利用途徑。另外秸稈和家庭生活有機(jī)垃圾也可進(jìn)行堆肥處理。該方案針對不同回收路徑下的產(chǎn)物提供了所有可行的再利用方式：沼氣廠生產(chǎn)的沼氣可進(jìn)入分散式沼氣網(wǎng)，也可通過熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能和熱能，視具體情況直接利用或并入電網(wǎng)，沼渣根據(jù)成分的不同可通過多種形式綜合再利用；另外，沼氣廠也可與生物燃料工廠相結(jié)合，其產(chǎn)物生物甲烷是天然氣的替代品，也可用于分散的氣體網(wǎng)絡(luò)或作為農(nóng)村直接燃料。秸稈廢棄物可在小型鍋爐焚燒發(fā)電并對余熱加以利用，也可經(jīng)壓塊造粒處理制成塊狀燃料，其作為化石燃料的替代品可供家庭或工業(yè)使用。物質(zhì)回收路徑中，秸稈殘留、家庭生物垃圾或污泥可經(jīng)堆肥處理后用于城市綠地培養(yǎng)或生態(tài)恢復(fù)。

圖5 崇州地區(qū)有機(jī)廢棄物區(qū)域資源化管理規(guī)劃方案Figure 5 Regional managementconcept for utilization of organic waste resources in Chongzhou

對目標(biāo)地區(qū)廢棄物資源化工程的合理規(guī)劃是當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)的有機(jī)廢棄物區(qū)域管理中重要的組成部分。在初始規(guī)劃階段，可使用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件作為決策支持工具，在遵循實(shí)際原則的基礎(chǔ)上對有機(jī)廢棄物綜合利用工廠及設(shè)備進(jìn)行選址規(guī)劃。圖6給出了在有機(jī)廢棄物潛能估算及前述理論方案的基礎(chǔ)上未來崇州地區(qū)秸稈燃燒/造粒廠、沼氣廠/生物甲烷處理設(shè)備和小型沼氣站的選址規(guī)劃方案。

圖中所建議的工程實(shí)施點(diǎn)以及有機(jī)廢棄物能源利用形式應(yīng)遵循以下原則：（1）廢棄物與其產(chǎn)生地及可用性緊密結(jié)合；（2）不同地點(diǎn)廢棄物管理和能源供應(yīng)條件（集中或分散式）；（3）能源利用設(shè)備、企業(yè)及農(nóng)村合作社的潛在運(yùn)行模式；（4）各類廢棄物能源化利用產(chǎn)物的市場化需求及潛在需求者；（5）當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件及社會因素。

在城市地區(qū)，餐廚垃圾數(shù)量居多，大型養(yǎng)殖場也位于城市周邊地區(qū)，在縮短運(yùn)輸距離的考量基礎(chǔ)上，此區(qū)域附近適合建造大型沼氣工廠及與其相結(jié)合的生物甲烷制備廠（圖6中紅圈）。生物甲烷為綠色能源，可作為天然氣的替代燃料，亦可作為家庭燃?xì)馐褂谩｀l(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)人口聚居數(shù)量較少，故在此有必要考證是否存在足夠的廢棄物原料支持沼氣廠運(yùn)行。作為沼氣廠的替代選擇，此處產(chǎn)生的秸稈殘留物可在小型焚燒廠或造粒廠資源化利用（綠圈）。對于廣大鄉(xiāng)村地區(qū)，簡單直接的廢棄物能源化技術(shù)應(yīng)為首選。在此建議以農(nóng)業(yè)合作社的形式運(yùn)行小型沼氣設(shè)備（紫圈），并提供沼氣的直接利用，如做飯和取暖等。這種利用形式需要農(nóng)民在經(jīng)過培訓(xùn)后獨(dú)立參與設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)，以節(jié)省成本。此外，中國正計(jì)劃把散落農(nóng)戶結(jié)構(gòu)發(fā)展為新農(nóng)村結(jié)構(gòu)，一個更為集中的沼氣供應(yīng)方案可以確保更有效地利用現(xiàn)有的產(chǎn)能。隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用將在未來愈加普遍，因此沼氣的生產(chǎn)也可為其提供直接燃料。

圖6 崇州市有機(jī)垃圾能源化綜合利用工程點(diǎn)建議圖Figure 6 Suggestions on project locations for comprehensive energetic utilization of organic waste in Chongzhou

4 沼氣工程方案規(guī)劃示例

在明確崇州市范圍內(nèi)有機(jī)廢棄物的現(xiàn)有潛能及可利用資源量后，可逐步實(shí)施圖5中區(qū)域管理方案的技術(shù)環(huán)節(jié)。下文以大型沼氣工程為例，展示其在崇州地區(qū)的選址設(shè)計(jì)規(guī)劃過程。

沼氣工程的選址應(yīng)考慮到各有機(jī)廢棄物原料的運(yùn)輸成本與其熱值關(guān)系。根據(jù)德國Wuppertal研究所文獻(xiàn)資料[15]，牲畜糞水的能量密度較低，不適合長途運(yùn)輸，運(yùn)輸路程應(yīng)控制在10 km以內(nèi)。而能量密度相對較高的秸稈類物質(zhì)則可承受15～20 km的運(yùn)輸路線。沼渣的運(yùn)輸距離也需有效控制，以對農(nóng)業(yè)施肥產(chǎn)生積極作用。在選址中另一個考量是工程地點(diǎn)與電網(wǎng)、供氣網(wǎng)及供暖網(wǎng)之間的距離。如需實(shí)現(xiàn)全年余熱利用，則工程地點(diǎn)距潛在利用者，如工廠、醫(yī)院、學(xué)校等不宜過遠(yuǎn)。對餐廚垃圾來說，由于其有機(jī)成分含量較高，并且是沼氣廠的重要原料，因此工程選址應(yīng)靠近人口密度較高的地區(qū)。在現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上，仍選擇崇州第三區(qū)域，即圖1中的黃色區(qū)塊進(jìn)行工程規(guī)劃。根據(jù)上述考慮出發(fā)點(diǎn)，通過GIS系統(tǒng)的初選，共為該區(qū)域規(guī)劃7處預(yù)選示范工程點(diǎn)（圖7左）。

圖7 沼氣工程方案規(guī)劃選址示意圖Figure 7 Map of site selection of biogas project location

圖7中1號及2號選址靠近崇州主城區(qū)，易于收集餐廚垃圾及城區(qū)周邊養(yǎng)殖場家禽糞便，較為適合建造大型沼氣生產(chǎn)廠。3到7號地址則為建造離散型有機(jī)廢棄物綜合利用站提供?？紤]到“十二五”“十三五”規(guī)劃以來中國農(nóng)村養(yǎng)殖場內(nèi)的糞便處理率已較之前有很大提升[16]，故如今不斷增量且未得到有效處理的餐廚垃圾應(yīng)為沼氣廠原料的主要成分。綜合上述情況，1號地址應(yīng)為此區(qū)域內(nèi)理論最佳沼氣工程點(diǎn)?？紤]到糞便運(yùn)輸路程的限制，以該點(diǎn)為中心，標(biāo)出方圓為7.5公里的黃色區(qū)域?yàn)檎託夤こ痰姆?wù)區(qū)域（圖7右）。在上文（2.2）中第三區(qū)域廢棄物可利用資源量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步計(jì)算此區(qū)域內(nèi)資源總量：通過GIS軟件確定該區(qū)域面積34 km2，占黃色區(qū)域總面積的33%。因此在統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)牲畜糞便以及秸稈類廢棄物可利用數(shù)量時(shí)，均按該比例近似統(tǒng)計(jì)。餐廚垃圾方面，該區(qū)域內(nèi)人口稠密區(qū)域面積占黃色區(qū)域總面積的80%，另外在輸送、存放等過程中的損失按10%計(jì)，故餐廚垃圾計(jì)算系數(shù)為區(qū)域內(nèi)總量的72%。表3統(tǒng)計(jì)了該工程點(diǎn)理論上可利用的有機(jī)廢棄物資源總量。統(tǒng)計(jì)的同時(shí)考慮了季節(jié)對于有機(jī)廢棄物資源的影響。農(nóng)耕階段可大致劃分為夏季（5—9月，152 d）及冬季（10月—次年4月，213 d），耕作物分布也呈季節(jié)性變化：夏季主要耕作物為水稻，附加少量紅薯和玉米。在冬季則以麥和油菜籽為主。

在沼氣生產(chǎn)設(shè)備中，沼氣通過各類原料的厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生，沼氣的產(chǎn)生量取決于進(jìn)料的有機(jī)物質(zhì)組成（碳水化合物、低級脂肪蛋白質(zhì)含量等）、沼氣設(shè)備的運(yùn)行條件、參數(shù)控制等諸多因素。其中進(jìn)料各組分的產(chǎn)沼系數(shù)和所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量決定了其用于發(fā)酵產(chǎn)沼的和適度。H.Hartmann等的研究成果表明[10-17]，秸稈類殘留物雖然擁有遠(yuǎn)高于牲畜糞便和餐廚垃圾的產(chǎn)沼系數(shù)，但因高熱值屬性，其用于發(fā)酵產(chǎn)沼時(shí)的能源利用率僅為燃燒時(shí)的35%。故在區(qū)域管理方案中將其視為燃燒或造粒的主要原料，而非產(chǎn)沼。表4中列出了根據(jù)各原料組分產(chǎn)沼系數(shù)和甲烷含量所得的理論產(chǎn)沼量及產(chǎn)能量。

表3 選址服務(wù)區(qū)域內(nèi)可利用有機(jī)廢棄物資源總量Table 3 The total amount of available organic waste resources in the selected area

在明確進(jìn)料組成后，可利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)所需沼氣工程處理工藝。處理工藝主體為沼氣發(fā)酵罐。具體工藝為：有機(jī)廢棄物原料經(jīng)破碎、均質(zhì)化及預(yù)存后，進(jìn)入發(fā)酵罐厭氧產(chǎn)沼，所產(chǎn)生的沼氣可送往熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)能，也可繼續(xù)制備生物甲烷，或直接利用。沼渣經(jīng)脫水后可循環(huán)回收再利用，所產(chǎn)生過程水由于仍含有一定有機(jī)成分，故部分回流入存儲罐及發(fā)酵罐。在設(shè)計(jì)沼氣發(fā)酵罐的過程中決定性的參數(shù)為罐內(nèi)有機(jī)物質(zhì)負(fù)荷kg/（m3·d）及物料停留時(shí)間，當(dāng)兩參數(shù)均達(dá)到理想值時(shí)，單位質(zhì)量物料產(chǎn)氣效率才可達(dá)最佳效果[19]。

德國巴伐利亞州環(huán)境部以及F.J.Callaghan等的研究成果[19-22]顯示，在物料配比為1∶1的協(xié)同發(fā)酵條件下，可推薦的有機(jī)物質(zhì)負(fù)荷為3.5～4 kg/（m3·d），與實(shí)際工程案例中此參數(shù)可達(dá)6 kg/（m3·d）以增加沼氣產(chǎn)速。綜合崇州地區(qū)實(shí)際情況，將罐內(nèi)有機(jī)物負(fù)荷設(shè)計(jì)為4.5 kg/（m3·d），停留時(shí)間18 d。根據(jù)上文估算的廢棄物可利用資源潛能，由此計(jì)算得出此工程所需沼氣罐體積為7 254 m3，可建造兩個3 700 m3大小的沼氣罐。另表4中3種物料以不同含水率進(jìn)入發(fā)酵工藝，理論上可產(chǎn)生沼氣13 278 m3/d，根據(jù)阿伏伽德羅常數(shù)、沼氣中各氣體比例常態(tài)分布，以及氣體單位分子質(zhì)量等，可計(jì)算得出每天可通過此工藝降解約14 t有機(jī)質(zhì)，降解率是可觀的43%。一般情況下未脫水沼渣含水率在90%左右，需經(jīng)脫水設(shè)備將含水率提高至35%以上[19-20]，如此產(chǎn)生沼渣約74 t/d，產(chǎn)生的過程水大部分可回流入貯存罐及發(fā)酵罐以繼續(xù)降解或調(diào)節(jié)進(jìn)料。

表4 選址服務(wù)區(qū)域內(nèi)有機(jī)廢棄物理論產(chǎn)沼量及產(chǎn)能量統(tǒng)計(jì)（除秸稈外）Table 4 Statistics on the theoretical biogas and energy yield of organic waste in the selected project area(except straw)

圖5所規(guī)劃，工藝所產(chǎn)生沼氣可用于熱電廠或生物甲烷制備。前者在德國普及度已較高。在計(jì)算產(chǎn)能時(shí)，可將內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電效率假定為13 000 m3氣量下的普遍值40%，產(chǎn)熱效率45%。由此可得出可產(chǎn)電能1 466 kW及熱能1 650 kW，滿足沼氣廠及熱電廠自身能耗的覆蓋（電耗約總產(chǎn)量的8%，熱耗約30%[23]），扣除自身能耗后仍有1 350 kW電能和1 155 kW熱能剩余，這部分理論上可轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)收益?？紤]到目標(biāo)區(qū)域夏季缺少供暖需求，以及在沼氣設(shè)備運(yùn)行、電暖輸送過程中的損失，實(shí)際可利電能應(yīng)為1 200 kW，熱能應(yīng)為550 kW左右。若所產(chǎn)沼氣用于生物甲烷制備，粗略估算最佳甲烷產(chǎn)量可達(dá)8 000 m3/d。產(chǎn)沼工程的工藝流程、重要參數(shù)以及產(chǎn)能與耗能數(shù)據(jù)等見圖9。從投資及運(yùn)行維護(hù)成本以及短期回報(bào)收益角度考量，鑒于在德中兩國已有的運(yùn)行實(shí)例，熱電聯(lián)產(chǎn)方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于生物甲烷制備。由于各項(xiàng)成本均與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況有關(guān)，因此兩種方法的成本估算此處不做贅述。

5 結(jié)論

崇州地區(qū)作為四川省以及中國典型的以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，有機(jī)廢棄物數(shù)量及其所蘊(yùn)藏潛能均非?？捎^，若合理利用，可覆蓋農(nóng)村地區(qū)供暖供電及照明需求，并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。但目前由于種種因素限制，崇州地區(qū)的有機(jī)廢棄物并未得到充分及有效利用。為此為該地區(qū)建立起系統(tǒng)的有機(jī)廢棄物區(qū)域管理方案是首要任務(wù)。該工作并非一朝一夕，而需通過大量前期準(zhǔn)備、遵循科學(xué)的管理方法、采用循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念并利用經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前文所述，該方案規(guī)劃過程可分4個步驟：

第一步是研究區(qū)域認(rèn)知及分類，即對目標(biāo)地區(qū)的地理位置、氣候條件、地區(qū)形態(tài)、土地利用以及社會條件等方面進(jìn)行深入了解并對區(qū)域按特征分類。第二步為有機(jī)廢物資源種類劃分、潛能預(yù)估及利用研究。通過上文的范例可以確認(rèn)，進(jìn)一步強(qiáng)化完善數(shù)據(jù)搜集及管理方面的工作以更好地分析潛在資源及處理方式，是建立區(qū)域綜合管理方案的重要基礎(chǔ)和前提，也是新建設(shè)備工程規(guī)劃審批的必備條件。第三步是完善行政及法律管理系統(tǒng)，促使監(jiān)督管理系統(tǒng)、信息搜集系統(tǒng)等平臺的有效執(zhí)行。目前中國有關(guān)農(nóng)村地區(qū)廢棄物管理的法律法規(guī)仍不盡完善，實(shí)施情況在地區(qū)之間更存在巨大差異。在德國，多重但清晰明確的法律監(jiān)管體系已被證明是成功實(shí)施區(qū)域管理的重要驅(qū)動因素。最后一步是為地區(qū)典型案例區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)研究方案，正如前文所體現(xiàn)，GIS等工具是方案規(guī)劃的有效支撐。

在與資源化處理有機(jī)廢物及其資源化產(chǎn)物（如沼渣等）規(guī)劃上，建議在與其潛在使用群體緊密合作的基礎(chǔ)上聚焦物質(zhì)的能源與原料利用可能性，目標(biāo)是取代傳統(tǒng)化石能源以及減少溫室氣體排放。在新興熱點(diǎn)餐廚垃圾的處理上，由于過多的食用鹽會對發(fā)酵產(chǎn)沼過程起到抑制作用，因此需考慮與其他物質(zhì)合理配比協(xié)同發(fā)酵。另外不可忽視的是，政府的激勵政策將有助于各項(xiàng)措施的推行。