人居環(huán)境改善與鄉(xiāng)村振興相向而行的資源清潔利用技術(shù)發(fā)展模式
——以華北、東北村鎮(zhèn)有機廢棄物利用為例

陳冠益，孫志利，程占軍，史奕，劉長青，張忠倫，李鳴曉，張春雪，趙可，王易安

（1.天津商業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300134；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；3.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016；4.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266520；5.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；6.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；7.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；8.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130119）

鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善對于我國鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)聚集發(fā)展具有重大意義。促進鄉(xiāng)村宜居宜業(yè)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展的重要目標(biāo)之一，也是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重點任務(wù)[1]。鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善可逐步實現(xiàn)完善鄉(xiāng)村公共基礎(chǔ)設(shè)施、提升公共服務(wù)水平、培育文明鄉(xiāng)風(fēng)、振奮鄉(xiāng)村精神面貌、提升治理水平、推進相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展改革等鄉(xiāng)村振興工作任務(wù)[2]。目前，人居環(huán)境改善與鄉(xiāng)村振興之間還存在著發(fā)展不平衡的問題，特別是鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善發(fā)展模式可持續(xù)性差，存在整治工作執(zhí)行難、經(jīng)費缺乏、以政府出資為主、農(nóng)民積極性不高以及企業(yè)參與少等一系列困難。上述問題的存在給鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施帶來了巨大壓力，如何實現(xiàn)鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的相向而行已成為一個亟待解決的難題[3]。

資源清潔利用技術(shù)是適合“三農(nóng)”發(fā)展的重要生態(tài)工業(yè)技術(shù)，是鏈接人居環(huán)境改善與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、生態(tài)良性循環(huán)以及資源節(jié)約型村鎮(zhèn)建設(shè)的重要技術(shù)手段。探討以資源清潔利用為主線的鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善發(fā)展模式，構(gòu)建基于資源清潔利用產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)經(jīng)濟循環(huán)系統(tǒng)備受關(guān)注。近年來，在各級政府的推進下，我國在資源清潔利用技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面已取得一定進展。首先，在人居環(huán)境自然系統(tǒng)中，畜禽糞便和農(nóng)田秸稈是兩大主要的有機廢棄物來源，對其回收和利用始終是村鎮(zhèn)人居環(huán)境改善的重要問題[4]。為應(yīng)對這一問題，我國村鎮(zhèn)的有機廢棄物回收利用已基本形成了肥料化為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進，基料化、原料化為輔的綜合利用格局，農(nóng)田秸稈的回收利用率已超過82%。此外，鄉(xiāng)村地區(qū)產(chǎn)生的廢物中，食物垃圾、污泥廢物堆積物中的有機物要用適當(dāng)?shù)氖侄芜M行處理，保障處理過程中的安全穩(wěn)定[5-7]。其次，在人居環(huán)境居住系統(tǒng)中，農(nóng)村衛(wèi)生廁所建設(shè)受到政府高度重視，全國農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率已超過65%。根據(jù)2018 年國務(wù)院印發(fā)的《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2022年）》，到2022年，全國農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率預(yù)計超過85%，生活垃圾進行收運處理的自然村比例穩(wěn)定保持在90%以上，如表1 所示。同時，我國政府不斷推進村鎮(zhèn)住宅的改造工作，自2019 年2 月起，通過農(nóng)村住房建設(shè)試點工作提升農(nóng)房建設(shè)設(shè)計和服務(wù)管理水平，各?。▍^(qū)、市）選擇3～5 個試點，2019 年10 月底前完成建設(shè)和驗收，2020 年建成可復(fù)制、推廣的示范農(nóng)宅。隨著新農(nóng)村建設(shè)的不斷推進和深入發(fā)展，居民對住宅的功能需求也逐漸豐富，對室內(nèi)外環(huán)境品質(zhì)和舒適度的要求不斷提高[8]。

表1 《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2022年）》生態(tài)宜居建設(shè)指標(biāo)Table 1 Indicators of ecological livable construction in Strategic Plan for Rural Revitalization（2018—2022）

然而，在我國鄉(xiāng)村人居環(huán)境整治系統(tǒng)化推進的同時，受不同區(qū)域氣候條件和地形地貌影響，各項人居環(huán)境改善技術(shù)在研發(fā)和實施過程中仍遇到諸多實際問題。通過對我國華北、東北村鎮(zhèn)的人居環(huán)境現(xiàn)狀進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)：鄉(xiāng)村普遍存在有機廢棄物利用率低、生物質(zhì)焚燒污染依然嚴(yán)重、農(nóng)宅熱舒適性差且供暖能耗大、村鎮(zhèn)人居環(huán)境信息化建設(shè)滯后等共性難題[9]。本文通過探索上述共性難題背后的科學(xué)問題、剖析限制人居環(huán)境改善的因素，針對性提出了村鎮(zhèn)資源清潔利用技術(shù)方案，其中涉及有機廢棄物發(fā)酵資源化處理、生物質(zhì)低氮能源化利用、村鎮(zhèn)低能耗農(nóng)宅設(shè)計與建造、村鎮(zhèn)人居環(huán)境信息化四個方面。對比綜述了其中三項清潔利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和方案，探討相關(guān)技術(shù)對推動人居環(huán)境改善和實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興所起到的作用。文中所涉及的詳細(xì)數(shù)據(jù)和論據(jù)來自國家重點研發(fā)計劃“華北東北村鎮(zhèn)資源清潔利用技術(shù)綜合示范”項目。

1 華北、東北鄉(xiāng)村人居環(huán)境現(xiàn)狀與存在問題

多年以來，以有機廢棄物為重要污染源的鄉(xiāng)村人居環(huán)境一直未找到全面有效的改善方案，出現(xiàn)了明顯的地區(qū)性、氣候性、結(jié)構(gòu)性的廢棄物過剩問題，同時在治理廢棄物焚燒過程中消耗大量的人力、物力和財力。華北、東北地區(qū)是我國重要的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，具有明顯的冬季寒冷干燥氣候特點，廢棄物資源化與能源化利用需求大，給鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善帶來了巨大壓力。筆者通過走訪華北、東北村鎮(zhèn)，對農(nóng)村人居環(huán)境進行調(diào)研、考察和總結(jié)，歸納了多個在村鎮(zhèn)人居環(huán)境發(fā)展中存在的問題。

1.1 鄉(xiāng)村有機物發(fā)酵資源化利用率低

相較于城市，鄉(xiāng)村缺少完善的垃圾“收-運-儲”體系，技術(shù)成果的持續(xù)性應(yīng)用及自發(fā)性運維存在較大不足，秸稈焚燒、農(nóng)業(yè)垃圾隨意丟棄現(xiàn)象普遍，這與目前相關(guān)技術(shù)措施存在的物質(zhì)轉(zhuǎn)換率不高、處理對象單一、多元廢棄物混合處理時效性差、區(qū)域普適性不足、氣候敏感性強等問題有關(guān)。此外，基于經(jīng)濟發(fā)展水平和農(nóng)民增收的現(xiàn)實需求，環(huán)保措施需額外投入，無法直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益，也限制了農(nóng)戶自發(fā)開展有機廢棄物資源化利用的積極性。

華北、東北村鎮(zhèn)的有機廢棄物回收利用率低，“以用促禁，以禁促用”的效果較差，而資源化是村鎮(zhèn)有機廢棄物利用的重點領(lǐng)域。目前在鄉(xiāng)村有機廢棄物資源化發(fā)酵利用方面，國內(nèi)外均關(guān)注發(fā)酵工藝調(diào)控及全流程設(shè)備開發(fā)，如日本COMPO 技術(shù)、德國Horstmann系統(tǒng)已達(dá)國際領(lǐng)先水平，我國通過技術(shù)引進和自主創(chuàng)新，研制發(fā)酵裝置、探索發(fā)酵工藝，已實現(xiàn)部分產(chǎn)品國產(chǎn)化[10]。但華北、東北村鎮(zhèn)仍存在一些問題：在需求層面，農(nóng)業(yè)、農(nóng)村有機廢棄物混雜、零散、偶發(fā)性強、季節(jié)性明顯，其高效且經(jīng)濟的資源化利用始終是難題；在技術(shù)層面，受氣候、物料構(gòu)成的限制，堆肥處理周期不穩(wěn)定，存在腐殖化周期長、礦化過度、腐植酸含量低等問題；在應(yīng)用層面，異位集中處理模式存在收集儲運困難、運維成本高、堆腐產(chǎn)品附加值低等缺點。

1.2 生物質(zhì)低氮能源化利用技術(shù)不足

生物質(zhì)作為綠色環(huán)保的可再生能源，其燃燒供暖的能源化利用方式可有效解決傳統(tǒng)化石能源匱乏及環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重的問題。但現(xiàn)有生物質(zhì)直接焚燒造成的環(huán)境污染問題突出，生物質(zhì)燃燒所用設(shè)備多由燃煤設(shè)備改造制成，在直接燃燒和氣化燃燒過程中，存在生物質(zhì)供暖負(fù)荷動態(tài)變化大、燃料適應(yīng)性差、燃燒效率低、結(jié)渣積灰嚴(yán)重、高污染物釋放環(huán)節(jié)難以有效識別等問題，導(dǎo)致排煙中污染物含量較高，尤其是氮氧化物，可對環(huán)境造成較大污染，降低人居環(huán)境質(zhì)量。

為應(yīng)對華北、東北村鎮(zhèn)冬季生物質(zhì)燃燒采暖碳排放高和污染大的問題，圍繞廢棄物能源化利用，國內(nèi)外重點開展了生物質(zhì)低氮直燃和氣化燃燒，變負(fù)荷、變工況條件下生物質(zhì)鍋爐的低氮動態(tài)智能控制，生物質(zhì)氣化爐設(shè)計以及生物質(zhì)低氮燃燒反應(yīng)動力學(xué)等研究。盡管對固體廢物燃燒過程的建模實驗以及生活垃圾焚燒過程物質(zhì)變化的研究都有效推進了生物質(zhì)低氮能源化利用的發(fā)展[11-13]，但目前針對農(nóng)村供熱用生物質(zhì)鍋爐的研究大多圍繞集中式供熱系統(tǒng)開展，而在變負(fù)荷工況下實現(xiàn)分布式低氮燃燒鍋爐的研究工作還不充分，這也間接造成了村鎮(zhèn)生物質(zhì)能供暖技術(shù)應(yīng)用中普遍存在的燃料適應(yīng)性差的問題，以及原有分布式燃煤設(shè)備簡單替換造成的生物質(zhì)燃燒設(shè)備燃燒效率低、結(jié)渣積灰嚴(yán)重、排煙中氮氧化物濃度高等問題[14]。

1.3 農(nóng)宅結(jié)構(gòu)與能源消費結(jié)構(gòu)不合理

農(nóng)村住宅大多是自發(fā)建設(shè)，空間布局缺乏科學(xué)性，采暖設(shè)施不齊全，主動式太陽能利用技術(shù)普及率較低。自建房屋方案通常模仿或改進先前的住宅，建筑結(jié)構(gòu)形式和圍護結(jié)構(gòu)材料單一，鮮少采用低傳熱墻材與節(jié)能墻體構(gòu)造技術(shù)，且無論是既有建筑還是在建住宅均沒有經(jīng)過節(jié)能設(shè)計，普遍存在建筑能耗高、圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能較差的問題，導(dǎo)致房間在冬季熱量流失嚴(yán)重，采暖能耗大且室內(nèi)熱舒適性差。

華北、東北村鎮(zhèn)農(nóng)宅普遍供暖能耗高、熱舒適性差，這也是村鎮(zhèn)人居環(huán)境改善的重點。一方面需要改進墻材的保溫性能；另一方面，需將主動改進和被動提升的低能耗建筑構(gòu)造技術(shù)相結(jié)合。目前，我國村鎮(zhèn)建筑外墻和屋頂?shù)钠骄鶄鳠嵯禂?shù)分別為1.34 W·m-2·K-1和0.76 W·m-2·K-1，而發(fā)達(dá)國家村鎮(zhèn)建筑外墻和屋頂平均傳熱系數(shù)分別為0.33 W·m-2·K-1和0.21 W·m-2·K-1，因此，對村鎮(zhèn)農(nóng)宅用新型建筑材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍需進一步加強[15]。國外對太陽能熱利用的研究和應(yīng)用較為成熟，德國的太陽能主被動式農(nóng)宅可節(jié)能70%，希臘和英國的太陽能被動式農(nóng)宅節(jié)能達(dá)30%，而國內(nèi)有關(guān)太陽能與農(nóng)宅一體化、主被動結(jié)合式太陽能應(yīng)用的研究起步較晚，多停留在理論和設(shè)計研究階段，適用于華北、東北地區(qū)的主被動式低能耗農(nóng)宅技術(shù)及規(guī)模化應(yīng)用還較為匱乏[16-17]。

1.4 村鎮(zhèn)人居環(huán)境信息化建設(shè)滯后

為提高村鎮(zhèn)資源清潔利用水平，以信息化為支撐的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化及市場化的技術(shù)應(yīng)用是關(guān)鍵。但由于村鎮(zhèn)人口分散，大量的農(nóng)戶信息封閉，加大了現(xiàn)場數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集難度和成本。同時，村鎮(zhèn)信息源（人居環(huán)境信息、室外氣象參數(shù)信息、可資源化和能源化利用的廢棄物信息、農(nóng)宅結(jié)構(gòu)信息）的復(fù)雜性給信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合帶來較大挑戰(zhàn)。此外，村鎮(zhèn)信息的價值化體現(xiàn)不明朗，村民參與度不高也造成了村鎮(zhèn)環(huán)境信息化建設(shè)的滯后。

近年來，國內(nèi)外對村鎮(zhèn)社區(qū)大數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)應(yīng)用開展了大量研究，大數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)的應(yīng)用涉及定位預(yù)警、數(shù)據(jù)挖掘、建筑施工等多個方面[18-19]。韓國、日本等發(fā)達(dá)國家已相繼基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了村鎮(zhèn)建筑能耗信息及室內(nèi)外環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控云平臺的建設(shè)，為村鎮(zhèn)資源能源利用及人居環(huán)境保障技術(shù)的數(shù)字化協(xié)同應(yīng)用與統(tǒng)籌優(yōu)化提供支撐。然而我國華北、東北村鎮(zhèn)人居環(huán)境信息化水平依然相對落后，這已成為各項環(huán)保節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)與裝備間數(shù)字化協(xié)同應(yīng)用及統(tǒng)籌優(yōu)化的瓶頸。

2 華北、東北村鎮(zhèn)資源清潔利用技術(shù)分析

圍繞華北和東北村鎮(zhèn)人居環(huán)境問題、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及自然氣候條件，匯總了資源清潔利用技術(shù)現(xiàn)狀并對各技術(shù)應(yīng)用進行分析。

2.1 有機廢棄物資源化利用技術(shù)

村鎮(zhèn)有機廢棄物主要包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的作物秸稈、畜禽糞便及生活垃圾中的有機成分等。生態(tài)環(huán)境部辦公廳2020 年印發(fā)的《第二次全國污染源普查公報》顯示，全國秸稈產(chǎn)生量為8.05 億t，可收集資源量為6.74億t，畜禽糞便估算產(chǎn)生量約23.6億t[20]。華北、東北村鎮(zhèn)可收集秸稈資源總量和畜禽糞便可資源化量分別占全國的36%和47%[21-22]。對目前存在的村鎮(zhèn)有機廢棄物資源化利用技術(shù)進行對比分析，結(jié)果如表2 所示。在秸稈和畜禽糞便的處理上，肥料化和還田應(yīng)用是主要的處理方式，秸稈肥料化利用率為51.2%，直接還田率為39%，畜禽糞便以肥料化處理為主，處理率為65%～75%[23]。在村鎮(zhèn)有機廢棄物肥料化處理上，盈利性堆肥是主要的處理模式，但堆肥企業(yè)多以小型企業(yè)為主，全國已登記的4 000 家有機肥企業(yè)中年產(chǎn)低于2萬t的企業(yè)占80%以上，門檻低、規(guī)模小、設(shè)備簡陋、工藝落后是目前國內(nèi)有機肥行業(yè)存在的突出問題。同時，村鎮(zhèn)有機廢棄物具有混雜、零散、季節(jié)性明顯的特點，堆肥產(chǎn)品的低值性又使儲運成本成為堆肥企業(yè)運營的主要成本；華北、東北村鎮(zhèn)冬季長，會對物料堆肥過程造成影響，堆肥處理周期不穩(wěn)定、腐殖化周期長、腐植酸含量低等是區(qū)域有機肥廢物堆肥處理需要解決的主要問題。

表2 村鎮(zhèn)有機廢棄物資源化利用技術(shù)分析Table 2 Analysis of technologies for resource utilization of rural organic waste

2.2 生物質(zhì)能源化利用技術(shù)

有機廢棄物沼氣化、氣化、液化、固化和直燃是目前我國農(nóng)村有機廢棄物能源化利用的主要路徑，其中沼氣化已實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前我國華北、東北地區(qū)已經(jīng)開始在農(nóng)村地區(qū)大范圍回收農(nóng)作物秸稈，并用于生物質(zhì)發(fā)電。隨著全球新型能源開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，目前我國熱解氣化技術(shù)也逐漸由工程示范向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)發(fā)展，但是由于原料預(yù)處理及儲存難、轉(zhuǎn)化率低、過程能耗高、同時消化產(chǎn)氣率低、氣化利用中焦油控制工藝差、沼氣發(fā)電與氣化發(fā)電效率較低、設(shè)備與管理自動化程度較低、二次污染、工程系統(tǒng)運行氣化強度低、效率低等技術(shù)難題，嚴(yán)重限制現(xiàn)階段有機廢棄物燃?xì)饣谩?/p>

結(jié)合我國村鎮(zhèn)有機廢棄物能源化利用現(xiàn)狀來看，當(dāng)前已經(jīng)使用的技術(shù)種類較多，但除了沼氣發(fā)酵技術(shù)以外，其余技術(shù)均未取得較好的成效。村鎮(zhèn)有機廢棄物能源化利用技術(shù)的發(fā)展主要包括三個方面：①沼氣發(fā)酵技術(shù)的進一步開發(fā)利用；②秸稈能源化直接利用技術(shù)多元化布局；③多種新型技術(shù)并存研發(fā)，比如制氫技術(shù)、微波熱解技術(shù)、原材料預(yù)處理技術(shù)等。對目前存在的生物質(zhì)燃燒利用技術(shù)進行對比分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 生物質(zhì)燃燒利用技術(shù)分析Table 3 Analysis of biomass combustion utilization technologies

2.3 有機廢棄物建筑原料化利用技術(shù)

人類使用秸稈作為建筑材料的歷史悠久，早在幾千年前人類就使用草稈、蘆葦?shù)茸鳛榻ㄖ牧?。茅草被捆成小捆搭在房屋頂上，用來防雨，這是中國最早的關(guān)于秸稈作為建筑材料的利用方式。20 世紀(jì)80年代開始人們把搗碎的秸稈與黃泥混合、曬干，制成磚塊，用來建造房屋。近年來，綠色建筑材料與可循環(huán)經(jīng)濟受到廣泛認(rèn)可，秸稈建筑材料得到了很好的推廣，對目前有機廢棄物建筑原料化利用技術(shù)的分析如表4所示。

表4 有機廢棄物建筑原料化利用技術(shù)分析Table 4 Analysis of technologies for the raw material utilization of organic waste in construction

3 華北、東北村鎮(zhèn)資源清潔利用技術(shù)的發(fā)展趨勢

結(jié)合上述有機物資源化、能源化、原料化利用技術(shù)的特點，筆者提出了基于信息化技術(shù)的資源清潔利用技術(shù)綜合發(fā)展模式，包括多元有機廢棄物發(fā)酵利用技術(shù)、生物質(zhì)混合物料低氮燃燒清潔化供暖技術(shù)、主被動結(jié)合的村鎮(zhèn)建筑構(gòu)造技術(shù)和人居環(huán)境信息化技術(shù)，為華北、東北村鎮(zhèn)人居環(huán)境改善提供建設(shè)思路。

3.1 多元有機廢棄物發(fā)酵利用技術(shù)

華北、東北村鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)有機廢棄物具有產(chǎn)量大、周期性強、氣候影響顯著的特點，采用的技術(shù)方法需要同時滿足有機廢棄物多元處理、氣候影響小、技術(shù)門檻較低的適用性要求。好氧堆肥發(fā)酵可以作為東北、華北地區(qū)農(nóng)業(yè)有機廢棄物肥料化處理的主要方向，但需解決好前處理難、運輸成本高的應(yīng)用問題，以化解分散有機廢棄物處理中的困境。

面對常規(guī)堆肥發(fā)酵情況下物質(zhì)損失大、資源化價值低等問題，可以嘗試探索有機廢棄物能質(zhì)傳輸規(guī)律，針對性地提出適合氣候特點的多元覆膜共發(fā)酵資源化利用方案，原理如圖1 所示。通過使用多元有機廢棄物覆膜共發(fā)酵利用、定向腐殖化、酸強化水解技術(shù)及覆膜共發(fā)酵產(chǎn)物高分子協(xié)調(diào)可降解膜產(chǎn)品制備技術(shù)，實現(xiàn)有機廢棄物還田，促進農(nóng)田增產(chǎn)增效，形成可推廣、可復(fù)制的多元有機廢棄物覆膜共發(fā)酵利用技術(shù)應(yīng)用模式，在改善鄉(xiāng)村環(huán)境的同時，有效提高資源的再生利用率。

圖1 多元有機廢棄物覆膜共發(fā)酵利用技術(shù)方案Figure 1 The technical scheme of the multiple organic waste film-covered and co-fermented technology

3.2 生物質(zhì)混合物料低氮燃燒清潔化供暖技術(shù)

華北、東北村鎮(zhèn)生物質(zhì)能利用普遍采用直燃方式，將生物質(zhì)直接作為燃料進行燃燒，所產(chǎn)生的熱能用于生產(chǎn)和生活。直接燃燒技術(shù)燃燒供暖過程中普遍存在燃料適應(yīng)性差、燃燒效率低、結(jié)渣積灰嚴(yán)重、排煙中NOx排放量大等問題。國內(nèi)外發(fā)達(dá)國家多采用煙氣再循環(huán)、多級燃燒、低氮燃燒器組合等方式，可減少30%～70%的NOx排放。由于受燃料、燃燒條件和經(jīng)濟等因素影響，燃煤鍋爐的煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)備尚不能直接應(yīng)用于華北、東北村鎮(zhèn)小型生物質(zhì)直燃供暖鍋爐，生物質(zhì)鍋爐脫硝技術(shù)尚不成熟。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，村鎮(zhèn)生物質(zhì)低氮直接燃燒供暖技術(shù)通過分級燃燒技術(shù)在爐膛燃燒過程中降低NOx生成。該技術(shù)可在爐膛前部形成還原性的富料燃燒區(qū)域，從而抑制NOx前驅(qū)物氧化，減少NOx的生成；同時通過優(yōu)化燃燒各階段燃料輸入配比，在爐膛中上部形成富氧燃燒，強化可燃?xì)怏w及未燃盡碳粒等可燃物的充分燃燒。通過阻止?fàn)t膛內(nèi)煙氣流旋轉(zhuǎn)形成旋渦，促進物料均勻混合，進而提升爐內(nèi)煙氣溫度的均勻度，防止局部溫度過高而結(jié)渣。最后通過生物質(zhì)燃?xì)?氣固耦合還原脫除煙氣中的部分氮氧化物，進一步降低污染物排放量，其技術(shù)方案如圖2 所示，可以實現(xiàn)生物質(zhì)混合物料低氮燃燒清潔化供暖技術(shù)在華北、東北地區(qū)中不同氣象及資源條件下的可持續(xù)規(guī)?；瘧?yīng)用，為村鎮(zhèn)生物質(zhì)能源高效利用提供技術(shù)支撐。

圖2 生物質(zhì)混合物料低氮燃燒清潔化供暖技術(shù)方案Figure 2 The technical scheme of the low-nitrogen combustion and clean heating technology of biomass mixture materials

3.3 主被動結(jié)合的村鎮(zhèn)建筑構(gòu)造技術(shù)

考慮到秸稈的優(yōu)良保溫性能，開發(fā)秸稈板生產(chǎn)線，將其作為非承重墻板及其他夾層板的保溫材料，能夠獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。從農(nóng)業(yè)廢棄物中提取的建筑材料由于其可持續(xù)性和較小的環(huán)境影響，在土木工程和建筑應(yīng)用中越來越具有吸引力。

針對華北、東北村鎮(zhèn)建筑能耗高、圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能差等問題，本研究通過分析北方村鎮(zhèn)建筑外墻傳熱-傳濕耦合過程規(guī)律，開發(fā)利用地域性村鎮(zhèn)有機廢棄物制備低傳熱建筑材料的關(guān)鍵技術(shù)（圖3）。結(jié)合建筑外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化機制，進而形成北方村鎮(zhèn)外墻圍護體系關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，同時整合可再生能源及多源互補清潔供暖技術(shù)，形成可推廣、復(fù)制的基于低能耗、低成本和高熱舒適度的主被動結(jié)合的村鎮(zhèn)建筑構(gòu)造技術(shù)，為村鎮(zhèn)低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)集成和規(guī)?；瘧?yīng)用提供技術(shù)支撐。

圖3 利用地域性村鎮(zhèn)廢棄物制備低傳熱建筑材料方案Figure 3 Schematic diagram of preparing low heat transfer building materials by using regional wastes from villages and towns

3.4 村鎮(zhèn)人居環(huán)境信息化技術(shù)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器和大數(shù)據(jù)技術(shù)空前發(fā)展，為村鎮(zhèn)人居環(huán)境、可資源化和能源化村鎮(zhèn)廢棄物、農(nóng)宅結(jié)構(gòu)等綜合信息化感知提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)分析、仿真模擬、現(xiàn)場測試等方法，可以對村鎮(zhèn)人居環(huán)境、農(nóng)宅壽命期能質(zhì)過程、農(nóng)村多能清潔供暖系統(tǒng)的調(diào)控進行在線測評、診斷、估計和優(yōu)化。利用NoSQL多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理分析框架、數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)村鎮(zhèn)人居環(huán)境多尺度智慧感知與評估分析的數(shù)字孿生平臺，為村鎮(zhèn)可能源化的廢棄物資源的時空分布特性挖掘、面向價值驅(qū)動的村鎮(zhèn)清潔資源信息共享及市場化流通奠定基礎(chǔ)，通過建立資源化、能源化循環(huán)利用信息在線共享和市場化服務(wù)平臺，使村民從旁觀者轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂X參與者，方案流程圖如圖4所示。

圖4 鄉(xiāng)村人居環(huán)境與可資源能源化村鎮(zhèn)廢棄物利用服務(wù)平臺方案Figure 4 Technical solutions of service platform for the rural residential environment and resource energy utilization of rural wastes

4 結(jié)論

我國鄉(xiāng)村生態(tài)宜居建設(shè)是國家重大戰(zhàn)略需求，但目前在構(gòu)建鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善的完整技術(shù)體系方面還未能統(tǒng)籌發(fā)展。筆者圍繞我國鄉(xiāng)村人居環(huán)境改善及鄉(xiāng)村發(fā)展中出現(xiàn)的問題，以華北、東北村鎮(zhèn)為對象展開調(diào)研、考察，詳細(xì)分析了華北、東北地區(qū)在人居環(huán)境改善以及鄉(xiāng)村資源清潔利用技術(shù)發(fā)展中存在的問題，對鄉(xiāng)村有機廢棄物資源化、能源化和建筑原料化利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，并對比了多個技術(shù)方案，從廢棄物類型、工藝路徑、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)優(yōu)缺點以及地區(qū)適應(yīng)性等方面給出了參考。

華北、東北地區(qū)農(nóng)業(yè)有機廢棄物產(chǎn)量大、周期性強，受氣候影響顯著，未來所采用的技術(shù)方法需要同時滿足有機廢棄物多元處理、氣候影響小、技術(shù)門檻較低的適用性要求。在生物質(zhì)資源化利用方面，好氧堆肥發(fā)酵是東北、華北地區(qū)農(nóng)業(yè)有機廢棄物肥料化處理的主要方向；在生物質(zhì)能源化利用方面，普遍采用直接燃燒或氣化燃燒方式將生物質(zhì)作為燃料進行燃燒，但受燃料性質(zhì)、燃燒條件、經(jīng)濟等因素影響，燃煤鍋爐的煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)備尚不能直接應(yīng)用于小型生物質(zhì)直燃供暖鍋爐，尚沒有可用于生物質(zhì)鍋爐脫硝的成熟技術(shù)，未來這一方向有待深入研究；在原料化利用方面，秸稈具有優(yōu)良保溫性能，通過開發(fā)秸稈保溫板材和砌塊，能夠在改善村鎮(zhèn)建筑保溫性能的同時實現(xiàn)有機廢棄物的規(guī)模化應(yīng)用。最后，在人居環(huán)境信息化方面，通過構(gòu)建針對上述技術(shù)的信息采集、融合與處理信息平臺，進一步完善多技術(shù)間的協(xié)同應(yīng)用，為技術(shù)規(guī)劃、設(shè)計、運行和控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

致謝：感謝天津大學(xué)顏蓓蓓、宋英今、欒鵬鵬，天津商業(yè)大學(xué)田紳、董勝明、胡開永、趙松松，青島理工大學(xué)左宗良、王曉東，吉林建筑大學(xué)遲銘書，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所馬建，中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司王明銘，青島海爾空調(diào)電子有限公司國德防，北京圣泓科藝科技有限公司鄭林江為本文撰寫提供詳細(xì)數(shù)據(jù)和建議。