南方自然村生产生活循环技术系统构建

刘 科，高立洪,2，唐 宁，韦秀丽,3，李 平,，李 红，张 凯，杨玉鹏

(1.重庆市农业科学院，重庆 401329；2.农业废弃物资源化利用技术与设备研发重庆市重点实验室，重庆 401329；3.重庆市生物质能源工程中心，重庆 401329；4.农业部可再生能源开发利用南方科学观测实验站，重庆 401329；5.重庆市武隆区农业委员会，重庆 408500)

传统自然村落是中华民族千百年繁衍生息留下的宝贵遗产，具有较高的历史、文化、科学、艺术、社会、经济价值[1-2]。随着美丽乡村示范工程的建设，推动了现代乡村社区的发展，而传统自然村则成为一片“遗忘之地”。据调查，每年我国农村地区所产生的生活污水约80多亿t，96%的自然村庄没有排水渠道和污水处理系统，生活污水随意排放，90%的生活垃圾随意丢弃，“垃圾乱堆、苍蝇乱飞、污水乱排”现象仍然存在，废弃物资源化循环利用率低，造成农业面源污染，严重影响了自然村的生态环境[3-5]。南方地区自然村通常比较小，而且分散。然而随着人口的增加，资源需求的增大，土地和水等资源日益紧缺，农村生产生活产生的固体废弃物大量增加，土地自净能力降低，建设美丽自然村急需建设美好环境[6-7]。与目前大力发展的乡村社区不同，自然村基础设施条件相对落后，且南方地区多丘陵山地，在某种程度上，对治理设施、 方式以及管理提出了更高的要求。另一方面，自然村农民收入来源较单一、收入仍低、支付能力较差[8-9]。因此，自然村污染物处理应立足于该群体收入不高，其技术需求是成本低、资源化、综合循环利用的特点。充分将如何降低环境治理与运行的成本，甚至将废弃物变废为宝，使得生活垃圾、生活污水、人畜粪便、农作物秸秆等生产生活废弃物能够得到资源化、高效再循环利用，并通过生物质能转化提供清洁能源作为重点攻克内容，既解决了废弃物的污染问题，同时又提供清洁能源，是自然村建设发展中的关键问题[10-11]。笔者在院落污水净化、生产生活废弃物制取生物燃气等关键技术的基础上，集成沼渣、秸秆等废弃物生产有机肥技术，以喜观村为示范点，构建南方典型自然村生产生活循环技术系统模式，为我国南方美丽自然村落建设提供科技支撑和模式样板。

1 典型生产生活循环技术体系

为体现南方地区自然村生产生活循环技术系统的特点，将研究重点放在生活、生产和生态三方面，将农业生产和物质转化技术作为集成的基础，通过生态制约下的生产发展来提高农业生产效率、农产品技术含量和价值，提高农民收入和农民的生活水平[12-14]。物质转化方面，通过对生产、生活废弃物的处理与再利用，为生产提供肥料、能源、水等生产资料；为生活提供能源、水等生活消耗品；保证生产和生活的绿色化可持续发展条件。具体内容与系统参见图1，在循环技术体系中，其内容和工艺对所有影响生产、生活、环境的物质流动及工艺路线进行统筹，并通过废弃物→无害化处理→直接排放和废弃物→资源再利用→无害化处理→部分排放这2种方式因地制宜应用。

1.1适合南方地区秸秆、尾菜资源化利用技术主要包括农田、果园残留物和农副产品加工后的剩余物，通过利用多种资源化技术[15]，将秸秆、尾菜完全转化为农业生产或生活所需的原料、能源，使其重新返回到农业系统的循环过程，并持续不断地在农业系统内部得以循环利用，在彻底解决秸秆焚烧等环境问题的同时，减少外部物质和能量的投入，从中获得更高的经济效益和社会效益。在南方自然村技术体系中，其利用的模式主要以秸秆、尾菜还田为核心，配合秸秆饲料化、有机肥料加工以及尾菜蚯蚓养殖资源化利用，其主要环节的工艺技术路线见图2。蚯蚓可作为优质蛋白饮料，养殖蚯蚓后的土壤含有蚯蚓卵、腐殖质等，可作用土壤改良剂。

图1 自然村生产生活循环技术系统Fig.1 Natural village production and life cycle technology system

图2 南方地区秸秆资源化利用工艺路线Fig.2 Process route of straw utilization in the southern region

1.2禽畜养殖粪污循环利用技术禽畜养殖废弃物资源化是以根本解决禽畜粪便污染和增加经济效益为目标，利用厌氧发酵技术和生态工程的方法，使禽畜粪便转化为养殖业内部或种植业的原料或能源，实现养殖粪便的潜在经济价值，同时达到养殖废弃物零排放[16]。对于南方自然村，养殖禽畜粪污技术主要以厌氧发酵为核心，使污水中的不溶有机物变为溶解性有机物，实现无公害生产，达到净化环境的目的。同时禽畜粪便的厌氧发酵产物(沼液和沼渣)为种植业提供宝贵的肥料资源，间接地降低了种植业生产成本，也有助于推动有机农业的发展。而猪、牛等畜牧养殖干粪的昆虫饲养技术，也为其粪污的资源化利用提供了一条新的途径。产出的昆虫蛋白可为水产、禽类养殖提供优质饲料，实现粪污的循环再利用，其主要环节的工艺技术路线见图3。

图3 南方地区养殖禽畜粪污循环利用工艺路线Fig.3 Process route of livestock manure recycling in the southern region

1.3农业标准化清洁生产农业清洁生产主要围绕节水、节肥、节药三大目标(图4)，开展测土配方施肥、精准农业技术，优化配置肥料资源，合理调整施肥结构，改进施肥方式，提高肥料利用率[17]；科学合理使用高效、低毒、低残留农药，推广绿色植保技术，进行病虫抗药性监测与治理，提高防治效果和农药利用率，减少农药用量；通过节水农业技术，不断提高水资源利用率，缓解水资源供给矛盾。而对于南方自然村循环农业技术体系，其主要以测土配方、有机肥施用、节水灌溉为核心，配合精准农业与绿色防控技术达到节肥、节水及节药的清洁生产目的，同时科学地开展作物轮种、套间种以及稻田立体生态养殖技术的推广运用，最大程度地开发土地单位生产力。对于农药化学品包装物以及废弃农膜，主要采取业主定点堆放，乡镇供销社统一收集、运转，服务企业集中处理，政府监督运行的模式。

图4 南方地区农业标准化清洁生产工艺及措施Fig.4 Clean production process and measures for agricultural standardization in the southern region

1.4农村生活废弃物循环利用农村居民生活废弃物包括人类粪便、生活垃圾和生活污水等。对生活垃圾的利用，最为有效的措施是实行生活垃圾分类收集，不仅可以有效地实现废物的重新利用和最大限度地进行废品回收[18]。对于南方自然村，其生活垃圾中70%以上为厨芥，将其资源化无害化处理成作物肥料，补充农业生产的需要，减少农药和化肥的施用量，从而间接缓减了农业面源污染，同时有利于当地无公害农业的发展。对农村生活污水，通过人工生物反应器或湿地降解后，可满足生活杂用水的标准，可以用于生活区的绿地浇灌或直排。而产生的少量污泥，可以运用堆肥的方法经过2次发酵后加工成为肥料，用于农业生产。农村生活废弃物分类分质处理工艺如图5所示。

图5 农村生活废弃物分类分质处理工艺Fig.5 Classification and treatment process of rural domestic waste

2 喜观村一社生产生活循环技术系统构建

2.1基本情况重庆市璧山区七塘镇喜观村一社，距七塘镇3 km、距璧山县城28 km、距重庆北碚区25 km，气候湿润，雨量充沛，四季分明，农业资源较为丰富，农业生产基础设施条件良好，2013年农民人均纯收入达到8 600元以上，农业产业主要以蔬菜种植、农业休闲观光体验为主。喜观村一社规划如图6所示。

喜观村一社示范点农户数共50户，人口约160多人，院落分布较为集中，具有多户共一院落居住、多院落在空间上既有一定距离又保持紧密联络的社区特点；青年大多外出务工，剩下老年妇孺从事简单种植业。示范点处于正在建设打造的重庆喜观体验农场范围区，同时又属于国家(璧山)农业科技园核心区及体验式休闲观光农业与科普教育长廊区、壁北十万亩蔬菜基地核心区、重庆市璧山县璧北市级现代农业综合示范工程区，拥有现代农业发展各种政策支持和先行先试优势，辐射带动能力强。

图6 喜观村一社规划Fig.6 Planning of group 1 of Xiguan Village

2.2生产生活废弃物种类及数量喜观村一社整体由生活区、生产区两部分组成。其中生活区为50户农村居民居住区，生产区为现代生态农业园区。生活区液体废弃物包括粪污水(黑水)、洗澡洗菜水(灰水)以及雨水；固体废弃物主要为生活垃圾与农作物秸秆。生产区液体废弃物包含生态餐厅废水、养殖废水以及游客粪水三部分；固体废弃物包括园区作物秸秆、餐厨垃圾、养殖粪便等。以下相关的取值来自于实地调研以及王玉庆[19]编制的《污染源普查技术报告》。

2.2.1农作物秸秆及菜叶。稻田1.33 hm2，可年产秸秆9 t，总固体含量(TS)83%；菜地1.33 hm2，产生烂菜叶5 t/a，TS 5%。合计14 t/a。

2.2.2人畜粪便。参照养殖区50头猪(当量)产粪量0.15 t/d，TS 20%、产尿0.1 t/d、冲洗水0.35 t/d；周边农户共50户，产生粪污及冲洗污水共1.087 t/d，TS 0.69%。游客量平均按100人/d，产生粪污及冲洗污水共0.58 t/d，TS 1.03%。

2.2.3生活污水。50户居民人均灰水产量80 L/(人·d)，每户平均人口按3人计算，则50户居民日产灰水12 t/d。生态餐厅可同时容纳100人就餐，日接待游客按100人设计，污水产量4 L/(人·餐)，总计16 t/d。

2.2.4生活垃圾。由于不同区域农村生活垃圾量差距很大，且经济越发达地区产生量越大，根据喜观农场实际情况，取人均每天生活垃圾为2 kg，有机生活垃圾占50%，则50户居民每天生活垃圾为300 kg，其中可利用有机垃圾为150 kg。

2.3生产生活废弃物处理利用现状

2.3.1生活污水。现有的生活污水处理工艺简易，污水处理实施缺乏专人管理维护，部分污水处理系统已经停止运行，污水处于直排状态。

2.3.2生活垃圾处理。垃圾收集没有分类，处理成本较高，没有向资源循环利用方向发展。

2.3.3生产垃圾。以种植业为主的生产垃圾处理主要是田间焚烧和田间地头堆放。

2.4生产生活循环技术系统构建方案从喜观村一社示范点生产生活循环技术构建方案(图7)可看出，喜观村一社生产生活废弃物主要来源于农户居住区和农场园区。生活区居民生活灰水、黑水采取分类分质收集和集中处理的方式，通过管道敷设，将生活灰水、黑水收到了废水处理站，生活黑水由沼气工程进行处理，所产生的沼液用于周边农田灌溉，沼气作为农户生活用能；生活灰水由一体化污水处理设备进行好氧处理，处理后水质可达到直排标准，也可用作周边农田灌溉用水；在农户居住区推广垃圾分类收集，将垃圾分为有机垃圾和无机垃圾两部分，无机垃圾与园区游客产生的垃圾收集后运至附近垃圾处理站集中处置；农户和园区内的生产垃圾(秸秆、烂菜叶、杂草等)，加上农户的生物有机垃圾一同进入农业废弃物能源化处理中心的生物燃气设备制取生物燃气；园区内厕所粪污及小动物养殖区的冲洗水，连同园区的餐厨垃圾一同进入农业废弃物能源化处理中心的车厢式干发酵设备进行处理；农业废弃物能源化中心产生的沼气用于生态餐厅作为炊事用能，沼液用于园区作物灌溉，沼渣及部分小动物养殖区的干粪便可用于蚯蚓养殖，进而用于农业园区鸡鱼的养殖；生态餐厅产生的污水经由污水除油设备处理后还田灌溉。

2.5生活灰水的处理方案喜观村一社对生活灰水的处理采用的是一体化膜-生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)技术，生活灰水处理系统工艺流程如图8所示。

图7 喜观村一社生产生活循环技术构建方案Fig.7 Construction plan of production and life cycle technology in group 1 of Xiguan Village

图8 生活灰水处理系统工艺流程Fig.8 Process flow of a living grey water treatment system

在灰水处理系统中，控制系统首先需要统计处理灰水的居民户数。各居民家的灰水通过管网收集到调节池中，通过液位传感器采集调节池中的液位情况。控制系统通过控制池中水泵的启停将灰水抽到酸化池中，通过安装流量计进行流量统计，如果调节池出现液位过低的情况控制系统会关闭水泵。在酸化池灰水进行充分水解酸化处理，水解酸化池中配有pH、温度、DO传感器在线采集相应的数据并实时录入数据库中，之后将完成水解酸化处理的灰水通过水泵送入MBR反应器中进行处理，并通过pH、温度、DO传感器实时监测其数据变化，控制系统根据传感器检测值控制水泵的启停将处理完成的灰水送入清水池中，控制系统通过流量计统计清水量，清水池中配有液位传感器实时记录液位情况，并由人工定时检测记录污染指标并将指标情况录入系统之中。

2.6生活黑水的处理方案生活黑水处理系统采用厌氧发酵的技术，产生清洁能源沼气和沼液沼渣，实现对黑水的无害化处理，其处理系统工艺流程如图9所示。

图9 生活黑水处理系统工艺流程Fig.9 Process flow of living black water treatment system

生活黑水处理系统首先在控制系统中记录处理黑水的居民户数，将居民家中黑水通过管网收集到调节池中，调节池中装有液位传感器判断池中黑水的液位情况，控制系统控制水泵将黑水送入沼气池中进行发酵处理，并通过流量计将送入的黑水量进行统计。控制系统对沼气池中pH、温度、ORP进行实时监测记录，沼液沼渣则通过水泵抽出到沼液池中。沼液池中由液位传感器检测池中沼液的液位情况，通过人工定时检测记录理化指标并将数据录入系统之中，最后控制系统根据需要灌溉的区域通过灌溉管网将沼液进行灌溉还田。

2.7生产生活固体废弃物预处理系统生产生活固体废弃物预处理系统主要完成对生产生活垃圾及餐厨垃圾的预处理，其处理工艺流程如图10所示。

图10 生产生活固体废弃物预处理工艺流程Fig.10 Pretreatment process flow of production and living solid waste

在喜观村一社中生产垃圾主要为秸秆，在控制系统中需要对种植面积、种植种类和秸秆数量进行统计，之后将秸秆通过粉碎机进行粉碎处理。生活垃圾首先需要对居民户数及产量进行统计，并将垃圾进行有机、无机分离。餐厨垃圾由于有油分在里面，在完成产量统计之后通过隔油池将油进行分离，最后将粉碎处理之后的秸秆、分类的生活垃圾和进行隔油处理的餐厨垃圾通过电机、水泵送入沉淀池进行沉淀，根据沉淀池中的混液情况加入适量清水，并通过流量计对清水量进行计量。在沉淀池中通过人工对悬浮物和沉淀物进行统计，统计完成之后将数据录入系统之中。

2.8生物燃气制取系统生物燃气制取系统是将完成预处理的浆料与禽畜粪便及厕所污水灌入调节池中，然后进行厌氧发酵处理，产生的沼气进行发电处理，沼液沼渣将通过还田管网灌溉农田，其工艺流程如图11所示。

喜观村一社厌氧发酵的原料主要有完成预处理的浆料与禽畜粪便及厕所污水。控制系统通过流量计对原料量进行统计，在调节池中通过搅拌器保证池中pH、浓度的一致，由人工定时检测记录物料理化指标并将数据情况录入系统之中。当调节池中调节达到要求之后，由电机将物料送入发酵罐中，通过传感器实时检测罐中pH、ORP及罐内温度。产生的沼气利用沼气发电机进行燃烧发电，同时监测沼气量、沼气浓度及发电量、热水温度等指标。沼液及沼渣在沼液池储存并进一步发酵，在植物需肥期通过灌溉管网进行还田利用。

3 结论

喜观村一社生产生活循环技术系统的构建，以农户居住区和农场园区的废弃物为一级能源物质，经过一系列的循环利用技术，最终实现了农业废弃物循环利用的最大化，实现了化肥、农药的减量化。除去不可利用生产生活废弃物，喜观村一社的农业废弃物循环利用率可达95%以上。通过废弃物的循环利用在实现环保效益的同时也极大降低了居民及园区的生产生活成本，同时增加了就业岗位，还可以生产出优质绿色农产品，增收节支效果明显，预计户均增收节支300元/(户·a)，可谓一举多得。

图11 生物燃气制取系统工艺流程Fig.11 Process flow of biogas production system

[1] 徐磐石.推进自然村落改造建设农村美好家园[J].上海农村经济,2008(5):19-21.

[2] 姜琴英.浅谈自然村落的保护与规划[J].建筑工程技术与设计,2017(7)：2457.

[3] 何可,张俊飚.农民对资源性农业废弃物循环利用的价值感知及其影响因素[J].中国人口·资源与环境,2014,24(10):150-156.

[4] 彭靖.对我国农业废弃物资源化利用的思考[J].生态环境学报,2009,18(2):794-798.

[5] 崔云.中国经济增长中土地资源的“尾效”分析[J].经济理论与经济管理,2007(11):32-37.

[6] 田宜水.2013年中国农村能源发展现状与趋势[J].中国能源,2014,36(8):10-14，43.

[7] 顾诚.农村水资源污染防治的对策研究[D].南京：南京农业大学,2013.

[8] 李宁,龚源远.新农村建设中自然村落村民自治类型的探索：以南京市六合区两个自然村为例[J].学术界,2013(11):218-226，312.

[9] 陶丹丹,赵小敏,黄超，等.南方丘陵地区土地整治项目选址研究[J].湖南农业科学,2011(23):160-163.

[10] 丰军辉,张俊飚,何可.成本限定下农业废弃物循环利用行为研究[J].中国农业大学学报,2014,19(4):234-242.

[11] 李鹏,杨志海,张俊飚，等.资源性农业废弃物循环利用绩效的区域差异问题研究：以农户基质化为例[J].经济地理,2013,33(3):150-155.

[12] 齐飞,朱明.“生产-生活-生态”农业工程技术集成模式的研究[J].农业工程学报,2007,23(12):273-279.

[13] 冀宏.基于技术范式升级的循环农业发展研究[D].天津：天津大学,2014.

[14] WANG R F,ZHANG J W,DONG S T,et al.Present situation of maize straw resource utilization and its effect in main maize production regions of China[J].Chinese journal of applied ecology,2011,22(6):1504-1510.

[15] 韦秀丽,李萍,高立洪,等.重庆农村有机废弃物资源化利用现状与建议[J].南方农业,2010(3):75-76，80.

[16] 袁日进,宋晓春,史波良.农田消纳资源循环利用是畜禽粪污治理善始善终之策：基于沪浙治理模式的观察与思考[J].江苏农村经济,2017(3):14-17.

[17] 王坚，陈润羊.中国农业清洁生产研究[J].安徽农业科学，2009，37(8)：3718-3720.

[18] 滕昆辰,张瑞,乔维川.农村生活垃圾资源化利用工程的实践[J].农业环境与发展,2013(2):57-59.

[19] 王玉庆.污染源普查技术报告[M].北京：中国环境科学出版社,2011.