我国不同区域农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式构建及其评价研究

王 健， 隋 斌， 程红胜， 沈玉君，丁京涛， 周海宾， 孟海波， 张 曦， 程琼仪

(1. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所， 北京 100121； 2. 农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室， 北京 100121)

畜禽粪污、农作物秸秆、尾菜是我国农业废弃物的主要组成部分。根据农业农村部统计数据显示，2018年，全国畜禽粪污总产量约为30亿吨，综合利用率为74%，仍有1/4左右未得到有效利用[1]；2017年，全国秸秆理论资源量约10亿吨，综合利用率达到83.68%，仍有16%以上未有效利用[2]。根据国家统计局数据[3]和联合国粮农组织(FAO)数据[4]计算，2018年，全国蔬菜产量7.03亿吨，尾菜产量将达到2.57亿吨，大部分未有效利用。

党和国家领导人非常重视农业废弃物资源化利用工作。习近平总书记强调，加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化，关系6亿多农村居民生产生活环境，关系农村能源革命，关系能不能不断改善土壤地力、治理好农业面源污染，是一件利国利民利长远的大好事。《关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知》(发改环资〔2015〕2651号)提出，要积极开展秸秆-牲畜养殖-能源化利用-沼肥还田、秸秆-沼气-沼肥还田等循环利用。

以厌氧消化为核心的沼气和生物天然气技术，是实现畜禽粪污、农作物秸秆、尾菜等农业废弃物资源化利用的重要途径，也是习近平总书记所提出的畜禽粪污等农业废弃物的主要处理及利用方向。厌氧消化技术按照所处理农业废弃物的含固率的高低和工艺特点的不同，主要可分为湿法单相、湿法两相、干法连续式、干法序批式4类工艺[5]。湿法工艺所处理的农业废弃物混合物料含固率在20%以下，反应体系通常为液态可流动状态，传质传热效率高、反应稳定，其中厌氧发酵的产酸和产甲烷在同一反应器进行的，称为湿法单相工艺，其工艺简单、易于运行维护、原料适应范围较广，可适用于低浓度畜禽粪污、秸秆等原料的发酵；两个阶段分别在独立的处理单元完成的，称为湿法两相工艺，主要用于尾菜等易酸化原料的发酵，其有机负荷和处理能力更高，但工艺和运行维护较复杂。干法发酵工艺所处理的农业废弃物混合物料含固率20%以上，反应体系通常为固体非流动状态，特点是有机负荷显著高于湿法工艺、需水量低、产生沼液少，但传质传热效率较差[6]，其中，在发酵期间连续进料和出料的称为干法连续式工艺，其热量利用率高；发酵期间不进行进料和出料操作的称为干法序批式工艺，其沼液产生量最低。

目前，已有相关报道对厌氧消化及资源化技术模式构建开展了研究。朱桂英[7]等通过模糊聚类分析方法，总结了大中型沼气工程综合评价4个方面21项指标，为人工智能方法在大中型沼气工程综合评价方面应用提供参考。赵光[8]等针对目前我国沼气产业化发展过程的技术现状，通过构建遵循循环经济理论、可持续发展理论及产业经济学理论为指导的新型沼气能源为核心的循环经济模式，探讨和分析沼气产业化研究应用与发展前景。向欣[9]等构建了沼气工程技术筛选指标体系，针对特定考察区域，通过层次分析法确定指标权重，并且在此基础上采用模糊综合评价方法完成对沼气工程技术的优选排序。

然而，我国幅员辽阔，不同区域的地形地貌、气候资源、有机废弃物种类与分布特点、经济社会发展等情况差异较大，不同厌氧发酵工艺及沼液沼渣资源化利用技术在环境、气候、原料等发生变化时，对农业废弃物的处理能力和效果、经济效益等会有较大差异。现有的研究存在一定缺陷，一方面更注重于沼气能源化利用和经济效益，忽略沼液和沼渣的有效利用，另一方面评价范围较为局限，均未对我国不同区域的情况进行综合分析，同时提出适宜于各区域的模式。

因此，开展适应我国不同区域的农业有机废弃物厌氧消化、沼渣沼液制肥资源化模式研究，提出不同区域的适用厌氧消化及资源化技术模式，对于我国沼气产业的发展具有十分重要的指导意义。层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊评价法(multiple criteria decision making)是农业废弃物资源化利用、循环农业评价方面所采用的常用方法[9-12]。本研究通过层次分析法和模糊评价法相结合，根据我国不同区域特点，首次统筹考虑全国各区域厌氧消化及资源化模式，构建了厌氧消化及资源化技术模式指标体系，并对我国南方平原水网区、南方丘陵区、黄淮海和西北区、高寒区开展评价分析，提出适应于不同区域的厌氧消化及资源化技术模式，以期为我国沼气产业效益提升和可持续发展提供参考和借鉴。

1 我国不同区域特点及模式构建分析

1.1 我国区域特点及模式适应性分析

根据厌氧消化的技术特点，综合农业资源禀赋和地理环境[13-16]、气候条件[17]等因素，可将我国适宜以厌氧消化技术处理利用农业废弃物的地区划分为4类区域，分别为南方丘陵区、南方平原水网区、黄淮海和西北区、高寒区，并据此对4类区域农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式进行适应性分析。

南方丘陵区主要分布于我国东南地区和川中地区。该区域气候温暖、降雨量大，土壤资源不丰富、有机质流失较为严重，粮食作物种植占比较低，可供厌氧消化利用的农业废弃物以猪、禽类等畜禽粪污和尾菜为主。

南方平原水网区主要分布于淮河以南、巴山-武陵山以东、南岭山以北的平原地区及成都平原地区。该区域气候温暖湿润、降雨量大、地表河网密布，土壤水分需求低、农业面源污染风险高、沼液消纳能力弱，可供厌氧消化利用的农业废弃物以猪、禽类等畜禽粪污和水稻秸秆为主。

黄淮海和西北区，该区域主要包括京津冀鲁豫大部分地区、苏皖北部、陕甘宁及毗邻的新疆和内蒙古部分地区，地形较平坦、耕地资源丰富，气候干燥少雨，因此土壤水分需求高，沼液、沼渣消纳能力较强，秸秆产生量大，可供厌氧消化利用的农业废弃物有小麦、玉米等农作物秸秆和猪、牛、羊、禽类等畜禽粪污。

高寒区主要包括辽宁、吉林、黑龙江三省及新疆和内蒙古高纬度地区。该区域气候酷寒、秸秆产量大，可供厌氧消化利用的农业废弃物有玉米、棉花等农作物秸秆和猪、牛、羊等畜禽粪污，由于冬季气温极低，厌氧消化保温难、沼液结冰期长难处理利用。

1.2 适合我国不同区域的厌氧消化技术模式构建

基于我国4类区域的特点分析，综合文献调研的现有厌氧消化技术模式[18-32]及实地调研的情况分析，分为农业废弃物原料类型、收储运、预处理、厌氧消化技术和“三沼”综合利用5个环节，总结适宜于4类区域的厌氧消化及资源化利用成套技术与现有传统模式1套和装备集成优化模式4套(见图1)。

图1 农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式示意图

现有传统模式是我国目前主要采用的农业废弃物厌氧消化及资源化利用模式，其主要特点是技术单一、资源利用效率低、易产生污染，秸秆、尾菜等较为分散的的废弃物难收集利用，技术方面仅有湿法单相厌氧消化技术，大部分不进行预处理，造成厌氧消化效率低下，同时沼液产量大，在一些耕地资源较少或山地、丘陵等地区很难消纳而无序排放，极易导致农业面源污染。

优化模式一针对南方丘陵区特点，以适合尾菜等易酸化原料的湿法两相耦合厌氧消化技术与装备处理尾菜及畜禽粪污，原料收储运采用就地就近收集，针对尾菜易酸化特性采取防酸化措施，产生的沼气能源化利用，沼渣通过中小型好氧发酵装备无害化处理后作为栽培基质以弥补当地耕地资源，沼液作为液体有机肥料通过适宜于山地丘陵作业的施肥装备施用于耕地中以提高土壤有机质含量。

优化模式二针对南方平原水网区特点，采用干法序批式厌氧消化技术与装备处理畜禽粪污和水稻秸秆以减少沼液的产生量，秸秆通过专业化组织完成区域内收储运后采用沼液对秸秆进行预处理，畜禽粪便采取就地就近收集，产生的沼气能源化利用，沼渣通过好氧发酵装备无害化处理后作为有机肥施用于耕地，同时集成畜禽养殖废水高效处理达标排放技术处理废水和沼液，以降低农业面源污染的风险。

优化模式三针对黄淮海和西北区特点，采用沼液产量大的湿法单相厌氧消化技术与装备处理畜禽粪污和小麦、玉米秸秆，秸秆通过专业化组织完成区域内收储运后通过青贮完成预处理，畜禽粪污采取就地就近收集，产生的沼气能源化利用，沼液作为液体有机肥料通过大中型施肥装备就近施用，或配合水肥一体化装备施用于耕地，沼渣可进一步通过好氧发酵装备处理后生产高端有机肥。

优化模式四针对高寒区特点，采用热量利用率高、沼液产生量较少的干法连续式厌氧消化技术与装备处理畜禽粪污和玉米、棉花秸秆，秸秆通过专业化组织完成区域内收储运后通过回流沼液完成预处理，畜禽粪污采取就地就近收集，产生的沼气能源化利用，沼液回流与畜禽养殖废水共同参与原料的预处理，沼渣通过好氧发酵装备处理后通过大中型施肥装备作为有机肥就近施用于耕地。

2 农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式评价指标体系构建

本研究广泛收集厌氧消化[7,9,25-26,33]、可持续和绿色循环农业[34-36]、生态农业[37-38]、农业废弃物资源化利用[10,39-41]等相关研究的评价指标，选择应用频率较高、重要性强的指标，分层次建立指标库，作为参考样本。综合国内外对农业废弃物厌氧消化及资源化技术及装备指标[5,9,42-50]和的研究成果，从上述指标库中筛选出与综合评价目标关系密切的指标，构成评价指标集。在此基础上，结合本领域实际和已有厌氧消化技术模式评价指标存在的问题，按照科学性、核心性、可操作性[51]等原则，分别征求农业废弃物处理和资源化利用、沼气工程、生态循环农业综合评价领域的专家意见，充分考虑各指标间的相互独立性，兼顾指标的量化和数据采集的难易程度和可靠性，从上述指标库中筛选出与综合评价目标关系密切的指标，分为匹配性、技术性、效益性3个方面，将综合评价指标体系划分为3个层次，共有25个指标，其中定量指标15个，定性指标10个，最终形成农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式评价指标体系(见表1)。

表1 评价指标体系

采用层次分析法确定以上指标体系中各项指标的权重。通过构造递阶层次结构、构造比较判断矩阵、层次总排序及一致性检验[10]，邀请国内15名农村能源环保领域专家参与问卷调查，对指标体系中同层次指标组中各指标之间两两之间的重要性进行判断，对上述指标层指标的权重进行归一化处理后，得到评价指标体系各指标权重(见表2)。

表2 评价指标权重

3 农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式模糊评价

3.1 模糊评价因子确定

根据总结的4套优化模式和1套现有传统模式，针对南方丘陵区、南方平原水网区、黄淮海和西北区、高寒区4类区域，开展模式评价，以实现沼气、沼液、沼渣全部有效利用，同时保证工程能够稳定运行，工程的环境、生态、经济效益有显著提升为标准，在建立的评价指标体系基础上，对所有指标值采用无量纲标准化处理，评价等级分为优(I)、良(II)、中(III)、差(IV)4个等级，邀请国内15名农村能源环保领域专家对各项指标进行打分，其中定量指标的指标值和分级指标见表3。

表3 定量指标的评价因子值及分级标准

3.2 模糊评价结果

根据本研究采用的隶属度函数模型[10]，将各项评价因子实测值带入相应的隶属函数，得到隶属度矩阵R(R为m×n阶，其中m=25，n=4)，根据权重模糊矩阵W和隶属度矩阵R进行模糊复合运算，得到我国4类区域的评价结果矩阵(见表4)。通过评价结果可知，以湿法两相耦合厌氧消化技术与装备为核心的优化模式一在南方丘陵区属于优(I)级别；以干法序批式厌氧消化技术与装备为核心的优化模式二在南方平原水网区和黄淮海和西北区均属于优(I)级别，但在南方平原水网区评分最高；以湿法单相厌氧消化技术与装备为核心的优化模式在黄淮海和西北区属于优(I)级别；以干法连续式厌氧消化技术与装备为核心的优化模式四在4类区域中均属于优(I)级别，但在高寒区评分最高。

表4 基于权重模糊矩阵和隶属度矩阵的模糊评价结果矩阵

同时，本研究选择湖北省宜昌地区实际运行的沼气工程作为案例研究对象，采用本研究所构建的评价指标体系和评价方法进行评价，以验证方法的有效性。宜昌位于长江中游，四季分明，水热同季，寒旱同季。多年平均降水量超过1200 mm，年平均大于10度的天数达250 d，无霜期250～300 d。项目所在地位于宜昌市长阳土家族自治县，被誉为全国高山蔬菜第一县，地形为山地为主。项目工程总投资约1810万元，池容3600 m3，采用两相厌氧消化技术工艺，年处理各类尾菜约2.6万t，年产沼气166万m3，其中20%用于发电、80%用于供气。项目运行以来，已经为4000户村民提供清洁能源和优质蔬菜种植用有机肥，实地调研结果显示，项目覆盖区域内尾菜利用率实现90%以上，受益村民对工程的满意度达到95%。该工程具体工艺流程如图2所示。

图2 湖北宜昌市某尾菜沼气工程工艺流程示意图

通过所构建的评价指标体系和评价方法，对该沼气工程进行评价，得到的评价结果矩阵为W×R={0.609 0.211 0.049 0.131}。经综合评价，该工程所采用的厌氧消化及资源化利用技术模式属于优(I)级别。

因此，综合我国4类区域的特点分析和评价结果，以及对实际沼气工程的评价结果表明，本研究所构建的评价指标体系和评价方法，可应用于农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式适应性评价。

4 结论

(1)通过层次分析法和模糊评价法，建立了农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式评价指标体系和评价方法，根据我国不同区域特点，分别开展了厌氧消化及资源化技术模式科学评价，可为农业废弃物厌氧消化及资源化技术模式构建和优化提供指导。

(2)针对我国南方丘陵区、南方平原水网区、黄淮海和西北区、高寒区等4类区域特点，构建了农业废弃物厌氧消化及资源化技术与装备优化模式。对所构建的模式进行评价分析，结果表明，南方丘陵区尾菜产量高、土壤有机质含量低，适宜于采用以湿法两相耦合技术与装备为核心，辅以沼渣基质化以补充当地耕地资源的厌氧消化及资源化技术模式；南方平原水网区农业面源风险高、沼液消纳能力低，适宜于采用以干法序批式厌氧消化技术与装备为核心，辅以污水达标排放以避免面源污染的厌氧消化及资源化技术模式；黄淮海和西北区耕地资源丰富、土壤水分需求高，适宜于采用以湿法单相厌氧消化技术与装备为核心的厌氧消化及资源化技术模式，以实现沼肥充分利用、弥补土壤水分需求；高寒区气候酷寒、沼液结冰期长，适宜于采用以干法连续式厌氧消化技术与装备为核心的厌氧消化及资源化技术模式，以减少热量损失和沼液产量。