農(nóng)沼結(jié)合發(fā)展模式典型案例調(diào)研與模式優(yōu)選

姚 利，王艷芹，郭 兵

（1山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟南250100；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質(zhì)化利用重點實驗室，濟南250100）

0 引言

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化和集約化種養(yǎng)業(yè)的快速發(fā)展，各類作物秸稈及人、畜禽糞便產(chǎn)生量日益增大，而收集處理能力嚴重不足，造成污染環(huán)境的問題日益嚴重[1]。特別是大型養(yǎng)殖場產(chǎn)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(zhì)量造成嚴重污染。中國相關(guān)部門也采取了積極的應(yīng)對措施以緩解或治理畜禽污染現(xiàn)狀，并資助推廣了大量的畜禽養(yǎng)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(huán)境污染問題；另一方面，能持續(xù)穩(wěn)定運行并能獲得一定的經(jīng)濟利益[4]。農(nóng)沼結(jié)合發(fā)展模式是以沼氣工程為核心，包含安全養(yǎng)殖、廢棄物處理、生態(tài)種植、農(nóng)產(chǎn)品加工等環(huán)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)[5]，因此，其模式類型多樣，規(guī)模差異巨大，循環(huán)鏈條長短不一，造成了國內(nèi)沼氣工程運轉(zhuǎn)不佳、總體效益不高的現(xiàn)狀。目前國內(nèi)的研究大多停留在某一類型，側(cè)重于沼氣工程技術(shù)[3]、模式構(gòu)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(huán)節(jié)，缺少對各個環(huán)節(jié)的總體評價。因此，有必要對農(nóng)沼結(jié)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(yǎng)結(jié)合模式。

本研究針對不同養(yǎng)殖模式、不同養(yǎng)殖規(guī)模，選取養(yǎng)豬、養(yǎng)牛、養(yǎng)雞等大中小不同規(guī)模的養(yǎng)殖場，以及糧田、蔬菜、果樹等不同作物基地，開展其養(yǎng)殖—沼氣—農(nóng)業(yè)結(jié)合方式的調(diào)研。通過對典型案例進行分析，了解其模式結(jié)構(gòu)、功能與短板，以及與資源、環(huán)境的關(guān)系，從而判斷其技術(shù)經(jīng)濟可行性，提出優(yōu)選的農(nóng)沼結(jié)合模式，以期對沼氣工程健康發(fā)展和廢棄物資源化提供參考，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)內(nèi)部的良性循環(huán)。

1 農(nóng)沼結(jié)合典型模式

1.1 模式類型：農(nóng)作物副產(chǎn)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(yè)有限公司三沼循環(huán)利用模式。該企業(yè)利用自有土地輪作種植小麥、玉米，小麥生產(chǎn)面粉、小麥蛋白、酒精，集團內(nèi)的酒精廠所產(chǎn)酒糟（液體蛋白）和玉米飼料用于養(yǎng)豬，利用小麥蛋白廢水和豬糞水聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)沼氣，形成養(yǎng)殖—沼氣—種植—食品加工全鏈條產(chǎn)業(yè)模式。該模式實現(xiàn)了全鏈條無污染物排放，且所有廢棄物均獲得高附加值轉(zhuǎn)化。利用酒糟養(yǎng)豬，大大降低了養(yǎng)豬飼喂成本，提高了養(yǎng)殖單元的效益和風(fēng)險承受力。小麥蛋白生產(chǎn)車間排出的廢水為60℃高溫，因此沼氣發(fā)酵得以在全年穩(wěn)定的高效維持，而沼氣工程的良好運行確保了整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。沼液的培肥效應(yīng)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(huán)農(nóng)業(yè)鏈條的延長奠定了基礎(chǔ)。該模式體現(xiàn)了規(guī)模效應(yīng)以及全產(chǎn)業(yè)鏈在沼氣工程系統(tǒng)的重要性，表現(xiàn)了很好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，是種養(yǎng)結(jié)合模式的典范。

1.2 模式類型：養(yǎng)殖廢棄物—沼氣工程—沼肥外送

該模式為多數(shù)養(yǎng)殖企業(yè)選擇的模式，用沼渣和干糞混合發(fā)酵生產(chǎn)有機肥，沼液免費供應(yīng)附近農(nóng)戶。此種模式為單一的廢棄物沼氣化利用模式，項目業(yè)主只涉及到了養(yǎng)殖和沼氣2 個環(huán)節(jié)，沼渣沼液的利用缺乏針對性，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有些脫節(jié)的。廢棄物只實現(xiàn)了能源化這樣一條資源化途徑，沒有實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的循環(huán)。

1.3 模式類型：養(yǎng)殖小區(qū)—沼氣工程—集中供戶—生態(tài)農(nóng)業(yè)—休閑餐飲

該模式的典型案例是山東淄博淄川區(qū)法家村沼氣供戶工程。該工程利用各養(yǎng)殖小區(qū)收集到的畜禽糞便和秸稈作為發(fā)酵原料，生產(chǎn)的沼氣用于村莊集中供戶，沼渣、沼液供應(yīng)生態(tài)采摘園，通過流轉(zhuǎn)土地建設(shè)規(guī)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(chǎn)品。自產(chǎn)自銷的沼液、沼渣代替農(nóng)藥、化肥，種植做到零污染、零化肥、零農(nóng)藥，不僅大大降低了生產(chǎn)成本，提高了果蔬產(chǎn)量，而且價格高出市場價3～5 倍仍供不應(yīng)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(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。

1.4 模式類型：養(yǎng)殖廢棄物—固液分離—多元化利用—有機農(nóng)業(yè)

該模式的具體案例是山東銀香偉業(yè)集團廢棄物循環(huán)利用模式，該模式是以生態(tài)養(yǎng)殖作為切入點，將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖的優(yōu)質(zhì)飼料；在生產(chǎn)肉蛋奶制品的同時，將固液分離后的畜禽糞便和養(yǎng)殖污水分別進行生物加工和厭氧發(fā)酵，獲得臥床墊料、有機肥和沼氣，臥床墊料和沼氣回用于養(yǎng)殖場，沼液培肥土壤，生產(chǎn)有機農(nóng)作物，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的綠色循環(huán)，探索“有機共生經(jīng)濟模式”。通過農(nóng)牧并舉、種養(yǎng)結(jié)合，實現(xiàn)了污水零排放、沼氣全利用、糞肥全還田，在不斷發(fā)展的同時保護了環(huán)境和生態(tài)。

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(nóng)業(yè)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(qū)產(chǎn)生的廢棄物為尾菜和蔬菜秸稈，經(jīng)過中型規(guī)模的沼氣工程處理后，產(chǎn)生的沼渣沼液又回用于蔬菜種植中，沼氣燃燒產(chǎn)生的二氧化碳還可以補充溫室內(nèi)的氣肥。整個循環(huán)均在一個封閉的園區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)了廢棄物的原位資源化，降低了物質(zhì)流轉(zhuǎn)的成本。

1.6 模式類型：大型養(yǎng)殖場—沼氣發(fā)電—沼液濃縮—有機種植農(nóng)業(yè)

該模式的具體案例為山東民和牧業(yè)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(shù)空白，實現(xiàn)沼液高附加值的利用，做到了經(jīng)濟性和零排放。沼液先經(jīng)過新型生化系統(tǒng)，采用了先進的物料分離技術(shù)及膜濃縮提純技術(shù)，保全了沼液中的營養(yǎng)成分，同時可回收大量水資源。在濃縮提純生產(chǎn)液體肥的工藝中，不添加任何化學(xué)試劑，獲得高效的、生物的、環(huán)保的有機液體肥。實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的保護、優(yōu)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(yè)、社會帶來顯著的經(jīng)濟、社會以及生態(tài)效益。

2 模式結(jié)構(gòu)、功能與短板

2.1 模式結(jié)構(gòu)

農(nóng)沼結(jié)合模式是以沼氣工程為紐帶，把種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機的結(jié)合為一體，具有低資源消耗高產(chǎn)出型特征，且環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)[7]。在工藝選擇上，遵循資源化、減量化、無害化和生態(tài)化原則，堅持以利用為主，利用與污染治理相結(jié)合。遵循生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)的科學(xué)發(fā)展觀，以“整體、協(xié)調(diào)、循環(huán)、再生”為總的指導(dǎo)思想，形成一個經(jīng)濟、合理、完整、多層次、多功能的良性循環(huán)系統(tǒng)，促進物質(zhì)和能量的循環(huán)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

2.2 模式功能

該模式將農(nóng)牧廢棄物通過沼氣工程進行密閉發(fā)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(huán)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(nóng)產(chǎn)品。模式中所生產(chǎn)的沼氣和電力是清潔能源，沼氣工程產(chǎn)生的沼渣沼液是優(yōu)質(zhì)有機肥和綠色添加劑，可用于葉面肥、浸種、無土栽培營養(yǎng)液或生物農(nóng)藥，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[8]，實現(xiàn)企業(yè)、環(huán)境、群眾三方獲益的功能。

2.3 模式短板

（1）大多數(shù)沼氣工程規(guī)模較小，所產(chǎn)沼氣無法發(fā)電并網(wǎng)，如果用作燃料或小型發(fā)電，其沼氣產(chǎn)量和企業(yè)需求不匹配，因此沼氣的經(jīng)濟效益無法得到充分體現(xiàn)。同時由于沼氣工程冬季產(chǎn)氣量低下，影響了業(yè)主正常運轉(zhuǎn)工程的積極性。（2）由于養(yǎng)殖場和周圍的農(nóng)田大都不是同一個業(yè)主，沼渣沼液的利用沒有系統(tǒng)性。從沼液的貯存、運輸?shù)綉?yīng)用，缺乏有效的管理與統(tǒng)籌安排，導(dǎo)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(yīng)用除了在儲運方面存在設(shè)施和管理上的困難，在理論和效果上也存在技術(shù)瓶頸。由于沼肥的品質(zhì)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?shù)刭Y源及經(jīng)濟社會條件的適宜匹配度

農(nóng)沼結(jié)合模式的主要特點是，以沼氣工程為紐帶，將養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)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(huán)鏈條的完整性。

農(nóng)沼結(jié)合模式的要點是養(yǎng)殖場—沼氣工程—種植業(yè)鏈條中各個環(huán)節(jié)的無縫連接。首先沼氣工程要能完全處理養(yǎng)殖場的糞便污水等廢棄物，同時經(jīng)沼氣工程處理后的沼渣沼液又能被種植業(yè)完全消納，實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的循環(huán)。該模式適應(yīng)了國家資源循環(huán)利用的需求，是解決中國可持續(xù)發(fā)展中合理利用資源和防治污染的根本途徑，是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重要措施。但由于目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中畜牧業(yè)和種植業(yè)的脫節(jié)，此模式在發(fā)展中仍舊存在不少問題。比如養(yǎng)殖業(yè)主一般不了解沼氣工程的管理運行，養(yǎng)殖場通常與種植業(yè)的聯(lián)系也不密切，僅有少數(shù)綜合性企業(yè)實現(xiàn)了種養(yǎng)結(jié)合。

4 農(nóng)沼結(jié)合發(fā)展模式對區(qū)域資源與環(huán)境影響

沼氣工程的建設(shè)可以將農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)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(yè)的用能結(jié)構(gòu)；沼渣沼液作為有機肥料，可減少農(nóng)田化學(xué)肥料施用量。大型沼氣工程的建設(shè)，可以統(tǒng)籌解決一個乃至數(shù)個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處理，該模式可以實現(xiàn)資源有效利用，有利于帶動地方經(jīng)濟的發(fā)展。

農(nóng)沼結(jié)合發(fā)展模式實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的保護、優(yōu)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(yè)、社會帶來顯著的經(jīng)濟、社會以及生態(tài)效益[11]。

5 農(nóng)沼結(jié)合發(fā)展模式科技支撐評價

農(nóng)沼結(jié)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(fā)酵濃度的沼氣工藝，其次是沼渣沼液在不同作物上的應(yīng)用技術(shù)，再次是應(yīng)用沼渣沼液后對土壤乃至生態(tài)環(huán)境的影響。

5.1 沼氣工藝技術(shù)

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

目前，沼氣技術(shù)應(yīng)用的瓶頸在于常規(guī)濃度發(fā)酵后產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)干濕分離，高濃度糞便進行干發(fā)酵，廢水經(jīng)過處理后直接排放，則可大大降低環(huán)境壓力。同時干發(fā)酵工藝也更適合糞便、秸稈、尾菜、食品加工廢棄物等固態(tài)廢棄物的處置。目前針對干發(fā)酵工藝已開展了包括工藝、設(shè)備、不同物料等方面的研究開發(fā)，但大規(guī)模的干發(fā)酵技術(shù)在連續(xù)進出料、發(fā)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(yǎng)殖廢水處理的技術(shù)難點在于，常規(guī)水處理工藝處理高濃度的養(yǎng)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(yǎng)化污染。

5.2 沼渣沼液應(yīng)用技術(shù)

沼液富含營養(yǎng)物質(zhì)及微量元素，且營養(yǎng)元素基本上是以速效養(yǎng)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(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，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(chǎn)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(fā)酵過程的差異導(dǎo)致沼渣沼液在產(chǎn)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(xiàn)性較差，可參考性不強[16-17]。

5.3 沼渣沼液的環(huán)境應(yīng)用評價

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

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

應(yīng)用沼渣沼液后，對土壤、地下水、以及農(nóng)業(yè)生態(tài)產(chǎn)生的短期乃至長期的影響，尚無明確的研究結(jié)論。特別是沼渣沼液多為畜禽糞便發(fā)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(shù)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(nóng)沼結(jié)合發(fā)展模式優(yōu)選

農(nóng)沼結(jié)合模式整個循環(huán)涉及到養(yǎng)殖業(yè)、沼氣工程、種植業(yè)，乃至種植業(yè)的下游環(huán)節(jié)，相鄰每個環(huán)節(jié)的連接必須非常緊密，否則整個循環(huán)就難以運轉(zhuǎn)。每一個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢棄物都必須被下一環(huán)節(jié)完全處理并實現(xiàn)資源化，否則就會造成環(huán)境的污染和資源的浪費。但由于目前種養(yǎng)脫節(jié)的現(xiàn)狀，大部分企業(yè)實施起來都有一定的困難。

農(nóng)沼結(jié)合模式的要素有以下4點：（1）有沼氣工程能夠完全處理養(yǎng)殖場或種植業(yè)產(chǎn)生的廢棄物；（2）沼氣工程得到規(guī)范有效的管理，能夠全年正常產(chǎn)氣，農(nóng)業(yè)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(shè)施完善。

鑒于農(nóng)沼結(jié)合模式的幾項要素，為使該模式能夠正常運行，優(yōu)選的模式首先要能實現(xiàn)養(yǎng)殖、沼氣工程、種植規(guī)模上的匹配[19]，即每一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢棄物都能被下一環(huán)節(jié)充分處理并利用，該條件可以通過統(tǒng)籌種養(yǎng)建設(shè)規(guī)模、拉長循環(huán)鏈條等方式實現(xiàn)，合理布置物質(zhì)和能量的多級利用，建立農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化循環(huán)利用參與主體間的連接機制[20]；其次是通過建立資源循環(huán)利用機制、生態(tài)價值補償機制及利益合理分配機制[21]，提高物質(zhì)、能源循環(huán)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(chǎn)品附加值；再次是減少模式中循環(huán)路徑環(huán)節(jié)的消耗，盡可能實現(xiàn)廢棄物原位循環(huán)、就地資源化，減少人員、運輸、管理等方面的成本。

7 結(jié)論與討論

（1）以沼氣為紐帶連接養(yǎng)殖和種植業(yè)，是解決廢棄物資源浪費、環(huán)境污染以及促進農(nóng)牧業(yè)增值的有效手段。此模式想達到運轉(zhuǎn)良好并獲得效益，在技術(shù)上需要解決沼肥適量使用和環(huán)境安全性問題，在產(chǎn)業(yè)設(shè)置上需要打通農(nóng)、牧業(yè)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(xiàn)種養(yǎng)有機結(jié)合，提高廢棄物資源利用效率。

（2）本研究區(qū)別于僅從沼氣工程運行狀況、沼渣沼液利用或經(jīng)濟效益分析等單環(huán)節(jié)研究，從農(nóng)沼結(jié)合模式的產(chǎn)業(yè)全鏈條進行分析，提出滿足模式良好運轉(zhuǎn)需要從種—養(yǎng)—沼規(guī)模匹配、循環(huán)鏈條延伸、提高資源價值及循環(huán)路徑縮短等方面進行考慮，最終達到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的目的。

（3）本研究主要是以山東省為調(diào)查區(qū)域，案例調(diào)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(yǎng)殖和高標準設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)為代表，畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均具有規(guī)模效應(yīng)，同時天然氣具有較大缺口且價格較高，因此規(guī)模性產(chǎn)業(yè)易于產(chǎn)生效益。本研究結(jié)論是否能在農(nóng)牧業(yè)規(guī)模相對分散的區(qū)域?qū)嵺`，有待于進一步論證。

（4）本研究采用現(xiàn)場調(diào)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(zhì)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(xù)發(fā)展能力進行分析，以期為系統(tǒng)的高效運行提供理論支撐。