礦區(qū)土地恢復(fù)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)及其工藝設(shè)計

王善迪++伍艷萍++周萍++尹芳++王昌梅++趙興玲++吳凱++劉士清++張無敵

摘要 本文設(shè)計了一套以沼氣工程為紐帶的礦區(qū)土地恢復(fù)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，城市廢棄物通過厭氧消化工藝進(jìn)行處理。所產(chǎn)生的沼氣用作礦區(qū)土地恢復(fù)園區(qū)的生活燃?xì)?，多余的沼氣用于發(fā)電，為恢復(fù)園區(qū)提供電能；所產(chǎn)生的沼渣制作成固態(tài)有機(jī)肥，用作園區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)所需肥料；所產(chǎn)生的沼液制作成液態(tài)有機(jī)肥，用作園區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)所需液肥，多余的液肥通過凈化系統(tǒng)凈化，用作園區(qū)的灌溉用水，實現(xiàn)零排放。園區(qū)所種植的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品可供居民食用，從而建立可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的設(shè)計方案、理論設(shè)計及計算方法，并對效益進(jìn)行了分析，以期為礦區(qū)的土地恢復(fù)提供參考。

關(guān)鍵詞 生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)；沼氣工程；生態(tài)農(nóng)業(yè)；土地恢復(fù)；節(jié)能減排；礦區(qū)

中圖分類號 X75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）09-0189-04

Abstract This paper designed a set of ecological circulation system for restoration of mining area land based on biogas engineering technology. Through the anaerobic digestion process，the biogas produced by municipal waste could be used as life gas，and redundant biogas could be used for electricity generation. The biogas residue could be used to make solid organic fertilizer for the development of the ecological agriculture. In addition，the biogas slurry could be used to make liquid organic fertilizer，and the redundant liquid fertilizer could be purified through the purification system and used for irrigation water，thus achieved zero emission.The organic agricultural products could serve the residents in this area，to establish a sustainable agricultural ecological circulation system. This paper introduced the design scheme，theoretical design and calculation method of the system，and analyzed the benefits of the system，in order to provide references for the land restoration in the mining area.

Key words ecological circulation system；biogas engineering technology；eco-agriculture；land restoration；energy saving and emission reduction；mining area

由于對礦產(chǎn)資源開采會帶來許多生態(tài)問題，開采以后的礦區(qū)多數(shù)變成廢地等難以利用的土地，因而如何恢復(fù)和利用這些因礦變廢的土地是目前需要解決的問題[1-2]。世界上發(fā)達(dá)國家礦區(qū)治理的土地面積基本上可以達(dá)到因開礦變廢土地的1/2以上，甚至有的國家可以達(dá)到3/4。我國在這方面的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，但近年來也有了較大的進(jìn)步，自恢復(fù)2%達(dá)到2012年復(fù)墾15%，但依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家的復(fù)墾率，特別是近年來礦區(qū)荒廢地的面積依然在持續(xù)增加，總面積達(dá)到200萬hm2 [3-6]。

在礦區(qū)荒廢地持續(xù)增加的同時，我國的人口也在持續(xù)增加，人均耕地面積僅0.1 hm2 [7]，特別是近年來，全國耕地面積逐年減少，逼近1.2億hm2耕地紅線[8]。因此，礦區(qū)廢棄土地的治理與改善，能夠補(bǔ)充當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕地的不足，保障糧食安全[9]。

同時，隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市廢棄物處理的問題呈現(xiàn)兩大特點，即數(shù)量龐大和處理效果不佳。如果建立以沼氣工程為紐帶的礦區(qū)土地恢復(fù)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)城市廢棄物的資源化利用，利用所產(chǎn)生的沼肥替代化肥農(nóng)藥，發(fā)展現(xiàn)代化的可持續(xù)農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)礦區(qū)土地的恢復(fù)是非常有必要的，不但恢復(fù)了礦區(qū)土地，解決了糧食危機(jī)和食品安全，而且解決了城區(qū)的環(huán)境問題[10-11]。

1 設(shè)計方案

將城市居民所產(chǎn)生的廢棄物（如公廁糞便、餐廚垃圾、生活污水）收集到預(yù)混加熱池，通過以太陽能、空氣源熱泵、沼氣發(fā)電余熱為基礎(chǔ)的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)加熱后，把廢棄物加入自行設(shè)計的氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器。經(jīng)過厭氧消化后，所產(chǎn)生的沼氣一部分用作礦區(qū)土地恢復(fù)園區(qū)的生活燃?xì)?，多余沼氣用于發(fā)電，為園區(qū)提供電能，并對發(fā)電余熱進(jìn)行回收；將產(chǎn)生的沼渣制作成固態(tài)有機(jī)肥，用作園區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)所需肥料；將產(chǎn)生的沼液，一部分制作成液態(tài)有機(jī)肥，用作園區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)所需液肥，剩余部分利用光伏水泵打入到高位水池，依次通過自流的方式進(jìn)入自行設(shè)計的軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，用作園區(qū)的灌溉用水。園區(qū)可以建設(shè)采摘園、發(fā)展休閑農(nóng)業(yè)和旅游觀光，為居民提供有機(jī)食品，實現(xiàn)了物質(zhì)循環(huán)和能量流動，建立了一套完整的礦區(qū)土地恢復(fù)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)（圖1）。

2 理論設(shè)計及計算

本作品設(shè)計400 hm2的礦區(qū)恢復(fù)土地，其中66.67 hm2用于屋舍的建立，主要包括4層多功能綜合樓（一層展示廳、二樓會議室、三樓辦公室、四樓研發(fā)實驗室）、冷庫、接待賓館、小型休閑娛樂公園、特色餐廳、產(chǎn)品交易大廳、園工宿舍、露天活動場所、道路景觀等；剩余333.33 hm2用于發(fā)展現(xiàn)代化生態(tài)有機(jī)農(nóng)業(yè)。

2.1 礦區(qū)土地恢復(fù)工藝設(shè)計

本作品設(shè)計用于發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效土地面積為333.33 hm2，以平均1 hm2土地每年約需150 t沼肥計算，每年需要沼肥5萬t。本作品擬建立5 000 m3的氣液聯(lián)合攪拌CSTR反應(yīng)器，采用中溫30 ℃發(fā)酵，水力滯留時間為15 d，每天可處理大約300 t的城市廢棄物，年產(chǎn)沼渣約5 000 t（15 t/d），用于農(nóng)業(yè)發(fā)展所需基肥，年產(chǎn)沼液約10萬t（285 t/d），其中5萬t用于農(nóng)業(yè)發(fā)展所需追肥，剩余5萬t通過軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器處理（其中軟硬雙床AF為300 m3，HRT=2 d；雙填料好氧凈化器為150 m3，HRT=1 d），實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，用于發(fā)展農(nóng)業(yè)及其園區(qū)綠化的灌溉用水，年產(chǎn)沼氣約120萬m3（3 500 m3/d），每天平均約1 500 m3的沼氣用于生活燃?xì)猓ú蛷d和有機(jī)肥加工所用），2 000 m3的沼氣用于發(fā)電，為園區(qū)設(shè)施提供電能。

2.2 礦區(qū)土地恢復(fù)熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)的設(shè)計

本作品設(shè)計以太陽能、空氣源熱泵、沼氣發(fā)電余熱為基礎(chǔ)的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)，由于云南當(dāng)?shù)赜休^好的光照條件，所以選擇以太陽能與沼氣發(fā)電余熱回收加熱為主、熱泵為輔的加熱方式。每天加熱約300 m3的物料，配備循環(huán)水箱為60 m3，對于沼氣工程，由能量守恒定律可知，輸出（損失）的能量和輸入（獲得）的能量應(yīng)相等，才能保證整個系統(tǒng)的溫度恒定。沼氣工程每天損失的能量主要是厭氧消化罐及管道散熱和每天新增投料所需熱量，發(fā)酵產(chǎn)生的生物化學(xué)熱量相對于外加熱量小得多，故忽略不計[12]。

2.2.1 每天沼氣發(fā)酵所需熱量的計算。

（1）厭氧消化罐投料損失的熱量[12]。厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式：

Q1=cm（TD-TS）

式中：c—料液的比熱容（新鮮料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～6%，可近似取水的比熱容），為4.2 kJ/（kg·℃）；m—每天進(jìn)入沼氣池的新鮮料液量，為300 t；TD—沼氣發(fā)酵罐內(nèi)料液的溫度，為30 ℃；TS—新鮮料液的溫度，為5 ℃。經(jīng)計算，Q1=315 000 00 kJ。

（2）厭氧消化罐散熱損失的熱量。厭氧消化罐散熱損失的熱量計算公式：

Q2=24×（TD-TA）/[∑bi/（λi×Si）+1/（α×S0）]

式中：Q2—罐內(nèi)向罐外散發(fā)的熱量，即罐體散熱損失，單位為kJ；Si—罐頂、罐壁和罐底散熱面積分別為314、1 256、314 m2；S0—罐頂和罐壁散熱總面積，為1 570 m2；TA—罐外介質(zhì)溫度，10 ℃；α—罐外壁熱轉(zhuǎn)移系數(shù)，為10 W/（m2·℃）；bi—罐體各部結(jié)構(gòu)層，保溫板厚度為100 mm，罐底基礎(chǔ)為鋼筋砼，厚度為1 000 mm；λi—罐體各部結(jié)構(gòu)層，保溫板導(dǎo)熱系數(shù)為0.042 W/（m·℃），鋼筋砼導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/（m·℃）。經(jīng)計算，Q2=240 000 kJ。

（3）循環(huán)水箱及其管道散熱損失的熱量。循環(huán)水箱散熱損失的熱量計算公式：

Q3=24×（TN-TA）/[∑bx /（λi×Sx）]

式中：Q3—箱內(nèi)向箱外散發(fā)的熱量，即箱體散熱損失，單位為kJ；Sx—箱頂、箱壁和箱底散熱面積，分別為12、63、12 m2；TN—箱內(nèi)水體溫度，為35 ℃；TA—箱外介質(zhì)溫度，為10 ℃；bx—箱體保溫板厚度，為100 mm；λi—箱體保溫板導(dǎo)熱系數(shù)，為0.042 W/（m·℃）。經(jīng)計算，Q3=22 000 kJ。

水管的熱量損失較小，可忽略不計。因此，每天沼氣發(fā)酵罐總的熱損失為Q=Q1+Q2+Q3=31 762 MJ。

2.2.2 以太陽能、空氣源熱泵、沼氣發(fā)電余熱為基礎(chǔ)的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)的設(shè)計。

（1）沼氣發(fā)電余熱回收的計算[13-14]。沼氣發(fā)電余熱利用是指在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)過程中，通過回收發(fā)電余熱中的熱量來加熱發(fā)酵料液。本作品設(shè)計每天大約有2 000 m3的沼氣用于發(fā)電，如果采用國產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組，1 m3沼氣大約可發(fā)電1.5 kW·h，則每天可產(chǎn)生電能3 000 kW·h，按55% CH4含量計算，1 m3沼氣燃燒放熱為20 MJ，則沼氣燃燒可產(chǎn)生熱量Q熱=40 000 MJ，沼氣發(fā)電與煙氣回收所產(chǎn)生的余熱利用率為50%左右，則每天發(fā)電余熱回收為Q余=0.45×Q熱=20 000 MJ。

（2）太陽能加熱循環(huán)水的計算[15-17]。每天沼氣發(fā)酵罐所需熱量為31 762 MJ，沼氣發(fā)電余熱回收熱量為20 000 MJ，所以還需太陽能提供11 762 MJ的熱量，本作品設(shè)計利用太陽能加熱時間為4 h。太陽能熱管加熱系統(tǒng)日均集熱量公式：

式中：A—集熱器采光面積（m2）；I—集熱面上日平均輻射強(qiáng)度，為22 MJ/（m2·d）；ηj—集熱器全日集熱效率，取0.55；ηs—管路及儲水箱熱損失率，取0.1。經(jīng)計算，A=2 200 m2。

（3）空氣源熱泵加熱循環(huán)水的計算[18-19]。由于太陽能熱水系統(tǒng)受平均日輻射量、日照時間、氣溫、氣象特點、氣候等因素影響較大，不能全天候工作，須設(shè)置其他熱源聯(lián)合或輔助加熱裝置。本作品采用空氣源熱泵輔助加熱，實現(xiàn)高效節(jié)能的新型熱水系統(tǒng)。一旦太陽能熱水器受到天氣影響，則空氣源熱泵啟動，代替太陽能熱水器工作，需要輸出11 762 MJ的熱量，即3 293 kW·h。一般情況下，2 200～2 600 W都可稱為1匹。本作品擬設(shè)定空氣源熱泵的工作時間為5 h，2.2 kW為1匹，由以下公式計算：

N=Q/（T·W）

可得N=300。故空氣源熱泵應(yīng)匹配300匹。

2.3 以沼氣發(fā)電和光伏水泵為基礎(chǔ)的聯(lián)合進(jìn)料泵系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)擬設(shè)計軟硬雙床AF的日進(jìn)料量為150 t，每天的有效光照時間為8 h。因此，在內(nèi)至少要抽水150 m3，擬配備8 h內(nèi)抽水200 m3的泵系統(tǒng)，即每小時25 m3，總揚(yáng)程為8 m，以預(yù)防天氣影響，需有150 m3的蓄水池，擬建高位蓄水池為180 m3，如果出現(xiàn)連續(xù)陰天或低溫天氣，則利用沼氣發(fā)電系統(tǒng)輔助。

提水系統(tǒng)水功率的計算公式[20-21]：

式中：Npf—提水系統(tǒng)水功率（W）；Q—水泵所需流量（m3/h）；H—系統(tǒng)總揚(yáng)程（m）；g—重力加速度（m/s2）；ρ—水密度（kg/m3）；k1—流量修正系數(shù)；k2—提水機(jī)具形式修正系數(shù)；k3—電力傳動形式修正系數(shù)。經(jīng)計算，得Npf=968 W≈1 kW。

光伏陣列容量計算公式：

N=k4k5Npf

式中：N—光伏陣列的容量（W）；k2—太陽能資源修正系數(shù)；k3—光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數(shù)。經(jīng)計算，得N=800 W。

相關(guān)工藝模型見圖2。

3 效益分析

3.1 礦區(qū)土地恢復(fù)工藝系統(tǒng)的效益分析

本作品擬建立氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器5 000 m3，軟硬雙床AF 300 m3，雙填料好氧凈化器150 m3，年產(chǎn)沼氣約120萬m3，年產(chǎn)沼渣約5 000 t，年產(chǎn)沼液約10萬t，其中5萬t用于農(nóng)業(yè)發(fā)展所需追肥，剩余5萬t通過軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器處理，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，用作發(fā)展農(nóng)業(yè)及其園區(qū)綠化的灌溉用水。

本作品采用自行研發(fā)的氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器，避免了傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器葉輪易腐蝕、維修費用高、氣密性差等問題，在沼液的凈化上采用自行設(shè)計的軟硬雙床AF和雙填料好氧折流溝，利用高位差，實現(xiàn)自流凈化，可達(dá)到二級排放標(biāo)準(zhǔn)。具體工藝處理效率見表1。

厭氧消化工藝減排符合清潔發(fā)展機(jī)制CDM“可再生能源替代化石燃料”和“甲烷回收”2個規(guī)定項目[22]。其減排量是“替代煤炭的減排”“回收甲烷的減排”和“燃用沼氣的排放”三者之和，即CDM減排量計算公式：E1+E2-E3=E。計算如下[23]：

（1）替代煤炭的減排E1。本作品年產(chǎn)沼氣約120萬m3，沼氣的折標(biāo)煤系數(shù)為0.714 kg/m3，即相當(dāng)于856.8 t的標(biāo)煤。根據(jù)《京都議定書的三機(jī)制及其方法學(xué)》標(biāo)煤—2.658二氧化碳排放系數(shù)計算：標(biāo)煤856.8t×2.658=2 277 t二氧化碳。

（2）回收糞便自然分解釋放甲烷而形成的減排E2。以厭氧消化工藝的產(chǎn)氣量直接計算甲烷的回收量。厭氧消化工藝總產(chǎn)氣量為120萬m3，其中甲烷含量為60%，即72萬m3、518 t（甲烷密度0.72 kg/m3），按甲烷21倍碳當(dāng)量計算，本作品回收甲烷每年減排二氧化碳10 878 t。

（3）燃用沼氣產(chǎn)生的二氧化碳排放E3。燃燒72萬m3甲烷產(chǎn)生72萬m3、1 420 t二氧化碳（二氧化碳密度1.972 kg/m3）；另外，120萬m3沼氣中還含35%、42萬m3、830 t的CO2。因此，燃燒120 m3沼氣共排放二氧化碳1 420 t+830 t=2 250 t/年。

由此，每臺沼氣池每年形成的二氧化碳減排量：2 277+10 878-2 250≈1萬t。

本作品設(shè)計年產(chǎn)沼肥5.5萬t，可供333.33 hm2土地施肥1年，可以替代333.33 hm2土地1年所用的化肥、農(nóng)藥，有效解決了食品安全問題。本作品年產(chǎn)灌溉用水5萬t，節(jié)約園區(qū)5萬t的水資源。

3.2 礦區(qū)土地恢復(fù)熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)的效益分析

本作品設(shè)計以太陽能、空氣源熱泵、沼氣發(fā)電余熱為基礎(chǔ)的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)，其中沼氣發(fā)電余熱回收熱量為20 000 MJ/d，以空氣源熱泵輔助的太陽能加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量為11 762 MJ/d。

蒲小東等[24]通過一個豬場廢水處理沼氣工程，研究3種不同加熱方式的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)現(xiàn)沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式明顯優(yōu)于其他加熱方式。因此，本作品優(yōu)先采用沼氣發(fā)電余熱回收的熱量對沼氣工程系統(tǒng)進(jìn)行加熱。因為云南具有得天獨厚的太陽能資源，所以剩余所需熱量由以空氣源熱泵輔助的太陽能加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱。本文對劉榮向等[25]統(tǒng)計的加熱系統(tǒng)的效益數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析總結(jié)，所得具體參數(shù)見表2。

由表2可知，從運(yùn)行費用上看，使用燃煤熱水鍋爐和空氣源熱泵熱水+太陽能兩者運(yùn)行費用很接近，最為經(jīng)濟(jì)，但是從環(huán)保角度考慮使用空氣源熱泵熱水+太陽能最為環(huán)保。綜合考慮，以空氣源熱泵熱水輔助太陽能加熱系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

3.3 以沼氣發(fā)電和光伏水泵為基礎(chǔ)的聯(lián)合進(jìn)料泵系統(tǒng)的效益分析

本系統(tǒng)以光伏水泵進(jìn)料為主，在出現(xiàn)連續(xù)陰天或低溫天氣，并導(dǎo)致輻射強(qiáng)度較弱時，采用沼氣發(fā)電輔助進(jìn)料。光伏水泵系統(tǒng)一般由光伏陣列、控制逆變器和水泵3個部分組成，其中光伏陣列由多個光伏組件串并聯(lián)而成，其作用是將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換成直流電；控制逆變器的作用則是將直流電變?yōu)榻涣麟姡λ眠M(jìn)行自動化控制；而水泵的作用是將水從低處提到高處，它一般為三相交流水泵[26]。

光伏水泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)相比具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[27]。本作品采用水泵額定功率為1 kW的提水系統(tǒng)，采用不同的發(fā)電系統(tǒng)，建造成本也不相同，其中光伏水泵系統(tǒng)最高，為1.47萬元；交流電水泵系統(tǒng)最低，為0.04萬元。但運(yùn)行25年的費用，光伏水泵系統(tǒng)最低，為0元；而柴油機(jī)水泵系統(tǒng)最高，為11.68萬元。因此，雖然光伏水泵系統(tǒng)建造成本最高，但運(yùn)行和維護(hù)成本都最低，25年運(yùn)行下來，光伏水泵系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)適用。光伏水泵系統(tǒng)相對于柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)的這種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢在一些無電的山區(qū)更為明顯[28]。

4 推廣應(yīng)用前景

本作品采用的厭氧消化工藝是完全密封的，不會對空氣造成污染，而且可以保留有機(jī)物中的氮素，所產(chǎn)生的沼肥對今后發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)起著至關(guān)重要的作用，建立以沼氣工程為紐帶的礦區(qū)土地恢復(fù)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)展現(xiàn)代化的可持續(xù)農(nóng)業(yè)，帶動采摘、旅游觀光、休閑娛樂等服務(wù)業(yè)是未來礦區(qū)土地恢復(fù)的一種高效模式[29]，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益、能源效益。而且，本作品采用的新型工藝系統(tǒng)適用于很多有機(jī)廢棄物的處理，如養(yǎng)殖場廢棄物、公廁糞便、屠宰場廢水、酒精廠廢水、蔬菜廢棄物等，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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