張偉捷¹，王艷¹，李芳德¹，李爭爭²

（1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北邯鄲056038；2.華陽國際工程設(shè)計股份有限公司上海分公司，上海201101）

　　摘要：針對目前農(nóng)村糞污在循環(huán)資源化利用方面的不足，論述了在農(nóng)村中建立集中式的糞污（包括人、禽、畜）收集與輸送系統(tǒng)、建立村級集中式的沼氣發(fā)生池以及集中式沼氣能源站的重要性、必要性和可操作性，就目前中國農(nóng)村能源使用的種類和方式及糞污處理的現(xiàn)狀進(jìn)行了匯總性介紹，尤其是針對其存在的問題進(jìn)行了深入的分析，并結(jié)合示例論證，指出了其改進(jìn)的方向。指出在農(nóng)村振興和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，大力對可再生能源（尤其是沼氣資源）進(jìn)行開發(fā)和利用，這樣既可以減輕全國對常規(guī)能源需求的壓力，也可以同時解決由于對糞污處理不當(dāng)而造成的農(nóng)村的環(huán)境負(fù)擔(dān)。在農(nóng)村建立集中式沼氣能源站以實現(xiàn)糞污資源化利用，對農(nóng)村能源的合理利用、農(nóng)村的廁所革命和美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)將起到重要的積極作用。

　　1中國農(nóng)村能源使用現(xiàn)狀

　　1.1中國農(nóng)村狀況簡介

　　截至2017年年底，中國共有行政村53.3萬個，村莊戶籍人口7.56億，常住人口6.75億[1-2]。各地區(qū)村莊規(guī)模及人口信息詳見《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒2017》[2]，全國平均一個行政村包含4.6個自然村，有些地區(qū)自然村規(guī)模較大，也可能存在被分隔而分屬于不同行政村的情況，如天津地區(qū)平均一個行政村包含0.997個自然村[2]。自然村大多為600人以下的小村落（占比71%，2016年統(tǒng)計[3]），每村平均約276人，以行政村計每村平均約1267人[2]。

　　1.2農(nóng)村能源使用現(xiàn)狀

　　對于農(nóng)村地區(qū)能源的使用，國內(nèi)缺乏較新且全面的統(tǒng)計信息，但農(nóng)村生活能源的格局除部分北方地區(qū)推行“煤改氣”“煤改電”外，總體變化不大，農(nóng)村地區(qū)能源應(yīng)用近況見圖1。

　　農(nóng)村地區(qū)電能、煤炭、秸稈等能源消耗較多。其中北方地區(qū)煤炭與秸稈、薪柴的使用比例高于南方，是因為其冬季采暖主要使用這三種能源。以前對生物質(zhì)能源的使用多為用自家爐灶進(jìn)行秸稈的直接燃燒，近年來逐漸推行生物質(zhì)能源高效利用，以原來農(nóng)作物秸稈的直接燃燒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;一村一廠”生產(chǎn)秸稈生物質(zhì)顆粒燃料并配以專用燃燒爐具（熱效率可達(dá)60%～70%）來進(jìn)行使用[5]。中國農(nóng)村地區(qū)沼氣總量約為123億m³[4]，折合標(biāo)準(zhǔn)煤883.59萬噸。沼氣的使用分戶用小型沼氣池與集中式沼氣工程兩種，戶用沼氣池常需要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)和清理，每年至少由專業(yè)人員清掏兩次，通常使用兩年以上就會變得效率低下。而廢棄的沼氣池還存在毒、臭、爆炸等安全隱患，因此各地區(qū)目前不再著力推行建設(shè)戶用沼氣池。

　　農(nóng)村地區(qū)生活能源消費(fèi)量約占全國（2016年生活能源消費(fèi)量5.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）的61%（由文獻(xiàn)[1]和[4]的數(shù)據(jù)計算得出）。雖然近年來天然氣基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)建設(shè)，但在全國農(nóng)村的普及率平均僅為27.00%[2]。在農(nóng)村地區(qū)完全普及天然氣，不但相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)周期長、投資巨大，而且在能源應(yīng)用的策略和思路上也不盡合理。

　　1.3農(nóng)村能源利用中存在的問題

　　農(nóng)村地區(qū)生活用能中商品能（煤炭、液化氣、電能）占比約46%，這類能源屬于常規(guī)能源，雖然使用起來方便，但在廣泛使用中存在著總量不足、能源使用不盡合理、由于基礎(chǔ)設(shè)施薄弱而導(dǎo)致輸送受限等問題。在電力使用方面，2016年全國電力生產(chǎn)6.14萬億千瓦時，其中火電占72.24%[1]，雖然燃煤發(fā)電目前能達(dá)到“清潔燃燒”，在末端的使用也屬于清潔能源，但煤炭能源的清潔化不只在于燃燒和末端使用，從開采、運(yùn)輸?shù)蕉逊?，還有煤矸石、煤渣等的處置，都存在需要解決的污染問題。近幾年北方地區(qū)“煤改電”“煤改氣”的推行效果不盡如人意，冬季取暖用戶面臨不同程度的氣荒、電荒，商品能供應(yīng)問題難以在短期內(nèi)得到緩解。在農(nóng)村地區(qū)如果實行散煤的直接燃燒，不僅能源利用效率低下，排放也不受約束，以至造成村落及周邊空氣環(huán)境的污染[5]。

　　從統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1-2,4-5]中可以看出，農(nóng)村地區(qū)可再生能源利用率仍然很低。在東北三省、寧夏、青海、西藏的農(nóng)村地區(qū)，薪柴和秸稈資源豐富，使用比例才50%左右，大多靠農(nóng)作物秸稈、薪柴、家畜糞便的直接燃燒，熱效率不足15%[5]。南方的上海、江蘇、浙江的農(nóng)村地區(qū)，商品能消耗均超過70%[5]，人們對于需要加工利用的生物質(zhì)能的使用意愿不高。其他，如在太陽能的利用方面大多是以太陽能熱水器的應(yīng)用為主，但對冬季采暖來說，因北方冬季氣溫過低，且太陽高度角較低，輻射保障率不高，太陽能采暖整體利用效果較差。

　　農(nóng)村地區(qū)有大量的生物質(zhì)能源可以利用，但商品能（煤、天然氣、液化石油氣、電）的便捷性極大降低了農(nóng)戶使用生物質(zhì)能的積極性，導(dǎo)致商品能整體負(fù)擔(dān)加重。農(nóng)村生物質(zhì)資源主要有禽、畜、人的糞污以及秸稈、薪柴等，對這些資源的不當(dāng)處置也形成了生物質(zhì)垃圾或空氣污染源，以致有關(guān)方面在“鄉(xiāng)村振興規(guī)劃”中對此提出了約束性的指標(biāo)，到2022年禽畜糞污綜合利用率要比2016年提高18%[6]，用以指導(dǎo)農(nóng)村地區(qū)加強(qiáng)對生物質(zhì)能的應(yīng)用。

　　2中國農(nóng)村糞污處理現(xiàn)狀

　　農(nóng)村地區(qū)秸稈、薪柴等固體生物質(zhì)資源便于轉(zhuǎn)運(yùn)、加工和利用，而糞污資源的利用多以散戶的形式制作肥料以還田或配合戶用沼氣池生產(chǎn)沼氣作為生活、取暖用能源。由于農(nóng)村勞動力人口外流，各分散農(nóng)戶用糞污制作肥料以還田，在操作上較為困難。戶用小沼氣池由于缺乏有效的維護(hù)和管理，大多處于閑置狀態(tài)。這使得各農(nóng)戶的糞污不能得到有效地回收利用，還給農(nóng)村地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。規(guī)模化養(yǎng)殖戶的禽、畜糞污也需要大量的人力和物力對其進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、分解（制沼氣和肥料）的工作，在現(xiàn)實中也難以得到高效和持續(xù)的保證。

　　2.1農(nóng)村的糞污量

　　當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)的廁所改革主要是將旱廁改為水廁，其各戶產(chǎn)生的糞污由各戶用儲糞罐暫作收儲，以待后續(xù)處理。成人每天糞污量約1.5千克，以農(nóng)村地區(qū)常住人口6.75億人估算，人員每天糞污量約100.5萬噸。當(dāng)前農(nóng)戶糞污處理方式有兩種：一種是作為農(nóng)家肥施用在自家田地里，另一種是作為污水排到村域附近河流中或污水處理設(shè)施處。

　　據(jù)全國畜牧總站調(diào)查，2017年全國大約有38億噸禽畜糞污排放量，其中大約40%的糞污沒有得到有效處理和利用[7]。糞污量與糞污排泄源直接相關(guān)，不同時期、不同統(tǒng)計口徑的統(tǒng)計排泄量均有差異，一般可按照排泄源進(jìn)行估算。表1為文獻(xiàn)[7]給出的部分種類禽畜糞污的日排放量，折算出全國每日豬、牛、羊、禽類糞污排泄量約為742.9萬噸。

　　2.2農(nóng)村糞污處理現(xiàn)狀

　　根據(jù)國家衛(wèi)健委統(tǒng)計，在進(jìn)行農(nóng)村改廁項目的地區(qū)，其痢疾、傷寒和甲肝發(fā)病人數(shù)分別下降了35.2%、25.1%、37.3%，糞—口類傳播疾病的發(fā)病率由37.5/10萬人下降到22.2/10萬人[8]。近些年全國各省農(nóng)村地區(qū)衛(wèi)生廁所的普及率從1993年的7.5%提升至2017年的81.7%[4,8]。總體上來看，南方地區(qū)農(nóng)村衛(wèi)生廁所的普及率遠(yuǎn)大于北方。吉林省農(nóng)村地區(qū)的衛(wèi)生廁所數(shù)量為3463萬戶，普及率為81.5%，為北方地區(qū)各省之最，南方大部分省份的農(nóng)村地區(qū)均有90%以上的普及率[4]。雖然各地農(nóng)村的改廁取得一定成效，但由疾病防控局統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出，各農(nóng)村地區(qū)糞便的后續(xù)無害化處理率僅為60.5%[8]。

　　當(dāng)前農(nóng)村廁所革命的出發(fā)點(diǎn)和著力點(diǎn)多在廁所的改造上，農(nóng)村“廁所革命”常見改造形式如圖2所示，而對于排泄物后續(xù)的處置關(guān)注較少。目前農(nóng)村地區(qū)有六種衛(wèi)生廁所類型：三格式、雙甕式、沼氣池式、糞尿分集式、完整水沖式及衛(wèi)生公廁。這六種廁所的用、集、處置均在用戶側(cè)，糞污為用戶自行消解，通過氧化塘、地下土壤滲濾、高效藻類塘法、生物濾池法、無動力地埋式生活污水處理裝置等處理至排放標(biāo)準(zhǔn)，向環(huán)境傾瀉或取出糞渣回田[9]。不同的廁所類型，無論是雙甕式還是三格式以及其他的收集方式，都是對排泄物進(jìn)行發(fā)酵分解。三格式糞污處置方式由于其技術(shù)要求低、適用范圍廣、應(yīng)用成本低的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于中國農(nóng)村各地的改廁行動中。

　　農(nóng)村地區(qū)糞污資源的后續(xù)處理包括直接還田、腐熟堆肥、制取沼氣等方法，原則是對糞污進(jìn)行減量化、無害化及資源化處理。上述各種處理方法中能同時最大限度實現(xiàn)“三化”的就是收集糞污進(jìn)而制備沼氣資源的方式。最具代表性的是采用“生活污水凈化沼氣池”的技術(shù)，該技術(shù)將污水中有機(jī)物進(jìn)行厭氧發(fā)酵制備沼氣，實現(xiàn)廢棄資源的能源化，凈化后的中性（pH值=7）水可用于灌溉，各地區(qū)凈化池的數(shù)量詳見文獻(xiàn)[4]。

　　要在農(nóng)村地區(qū)實現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村，必須推行廁所革命，并實現(xiàn)糞污資源化的綜合利用，解決農(nóng)戶實施改廁的后顧之憂，提高村落糞污的綜合處理能力。因此建議設(shè)置村內(nèi)集中的無動力式排污的管道系統(tǒng)，減少各農(nóng)戶在糞污收集及后續(xù)處理上投入的時間和精力，形成統(tǒng)一的集中式的人、禽、畜的糞污收集與輸送系統(tǒng)，建立村級集中式的沼氣發(fā)生池以及集中式沼氣能源站，將糞污轉(zhuǎn)化為村內(nèi)可利用的能源和肥料，經(jīng)過一系列處理環(huán)節(jié)后，實現(xiàn)生活污水（工業(yè)污水要求自行獨(dú)立處理，嚴(yán)禁與生活污水混流）達(dá)標(biāo)排放或進(jìn)行農(nóng)田灌溉，使村落內(nèi)糞污資源再利用體系更加合理、便捷、高效和可靠。

　　2.3農(nóng)村糞污資源化

　　在自然村中建立統(tǒng)一的集中式的人、禽、畜糞污收集與輸送系統(tǒng)，建立村級集中式的沼氣發(fā)生池以及集中式沼氣能源站，是目前在農(nóng)村實現(xiàn)糞污無害化、資源化和能源化利用的最佳方式。該方式可結(jié)合集中式沼氣工程將人禽畜糞污變廢為能，規(guī)?；恼託夤こ探?jīng)過對糞污進(jìn)行提純、壓縮可制取甲烷含量大于90%的生物質(zhì)可燃?xì)?。不同糞污資源所能產(chǎn)生沼氣的能力不同，表2為通過行業(yè)專家反復(fù)試驗測定，得出在不同溫度條件下不同種類糞污經(jīng)過60天發(fā)酵后的產(chǎn)氣量[10]。小規(guī)模村鎮(zhèn)生產(chǎn)沼氣主要用于本村的能源使用，大型養(yǎng)殖場或農(nóng)場生產(chǎn)生物質(zhì)天然氣還能以此盈利。

　　由文獻(xiàn)[4]可知，農(nóng)村各地區(qū)沼氣生產(chǎn)中，集中式沼氣工程占總沼氣池產(chǎn)氣量（123.75億立方米）的21.15%。而農(nóng)村地區(qū)糞污資源（僅計算表2中第2～6列排泄源的糞污）可制取的沼氣量約為1684億立方米，約為當(dāng)前沼氣利用量的13.7倍，可以替代1.21億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量，占農(nóng)村地區(qū)生活總用能的36%。

　　2.4農(nóng)村糞污資源化中的問題

　　目前僅北京、上海、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)三個地區(qū)的農(nóng)村廣泛采用集中式大型沼氣池生產(chǎn)沼氣，其他地區(qū)則大多使用戶用沼氣池，通過分散的戶用形式制取沼氣，通過幾十年沼氣池推廣的經(jīng)驗和教訓(xùn)證明：分散、小型、戶用的沼氣生產(chǎn)利用模式不適于中國的農(nóng)村地區(qū)[4,10-11]。

　　解決農(nóng)村地區(qū)有機(jī)廢物最好的途徑就是實現(xiàn)其資源化和能源化，應(yīng)該以村為單位建設(shè)集中式的沼氣工程，實現(xiàn)便捷、高效和可靠地收集、處理人、禽、畜的排泄物，提高糞污綜合利用率和運(yùn)行管理水平，降低農(nóng)戶學(xué)習(xí)、使用和維護(hù)的成本。

　　3農(nóng)村糞污集中化利用

　　近年來，隨著“鄉(xiāng)村振興”和“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)的不斷深入開展，農(nóng)村居民的生活水平不斷提高，生活環(huán)境不斷得到改善。一些地區(qū)強(qiáng)力推行村村通電、村村通（天然）氣，有相當(dāng)一部分農(nóng)村已經(jīng)實施了“廁所革命”（旱廁改水廁），并在一部分農(nóng)村地區(qū)仿照大中城市的做法，建立了污水處理設(shè)施。

　　這些做法初衷都是好的，但由于缺少更深一層的全盤考慮，在實施的過程中也遇到了一些問題和困難。譬如，由于農(nóng)村村中用戶密度低、村村間隔較大，村村通（天然）氣的經(jīng)濟(jì)性問題相當(dāng)突出，加之全國本就氣源緊張，所以村村通（天然）氣的目標(biāo)最終很難實現(xiàn)。雖然很多村中已經(jīng)實施了“廁所革命”，但大都是采取一家一戶分散收集和暫時儲存糞污的方式。在農(nóng)村地區(qū)建立集中污水處理設(shè)施的合理性有待商榷，更合理的途徑應(yīng)該是在村中設(shè)立集中的糞污收集、輸送、匯集的管路系統(tǒng)，設(shè)立村級集中的糞污儲存和沼氣發(fā)生的設(shè)施，在各村中建設(shè)獨(dú)立、集中的沼氣入戶的輸配管路系統(tǒng)，以實現(xiàn)糞污可持續(xù)的能源化利用。

　　在中國北方法定冬季集中民用供熱的農(nóng)村地區(qū)，各村的沼氣和農(nóng)作物秸稈資源主要用于冬季民用采暖（設(shè)立集中的能源站和集中供熱管路系統(tǒng)）；而在非法定冬季集中民用供熱的農(nóng)村地區(qū)，各村的沼氣和農(nóng)作物秸稈資源可用于該村居民常年炊事等所需的燃料。這樣做既極大緩解了全國（常規(guī)）能源供應(yīng)緊張的問題，又極大地解決了農(nóng)村污染廢棄物的處理問題。

　　3.1集中收集與輸送系統(tǒng)

　　農(nóng)村中的糞污資源可分兩大類：一類是禽畜糞污，另一類則是村中的人員糞污。關(guān)于禽畜糞污，由于當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)人口流失，種植業(yè)逐漸以機(jī)械化為主，每戶單獨(dú)圈養(yǎng)牲畜的情況逐漸減少，多以村內(nèi)養(yǎng)殖場的形式統(tǒng)一飼養(yǎng)豬、羊、雞等。自2018年起實施的《環(huán)境保護(hù)稅法》開始對這些養(yǎng)殖場的糞污征收稅費(fèi)，多數(shù)養(yǎng)殖場開始將糞污收集系統(tǒng)作為其配套設(shè)施進(jìn)行建設(shè)，大大方便了糞污資源的匯集利用。關(guān)于人員排泄的糞污，該類糞污多存在于村中各戶或公共廁所處，呈點(diǎn)狀分散式分布，不易收集，需要另行設(shè)計集中式收集系統(tǒng)。兩類糞污應(yīng)設(shè)置集中式收集系統(tǒng)，方便糞污的收集、處理、再利用以實現(xiàn)其資源化。

　　圖3a為居民可按自家的需求選擇的兩種類型的衛(wèi)生器具（圖中左邊為坐便式，右側(cè)為蹲便式），衛(wèi)生器具排污（水）管道的坡度設(shè)計為0.02（最小0.012），蹲便器加“S”型存水彎，部分坐便器內(nèi)部自帶“S”彎，在排污（水）管加“P”型存水彎，兩者均是為了防止排污（水）管內(nèi)異味傳至室內(nèi)。每戶排污（水）管末端連接一個甕體，容量為5—10天的人員糞污排泄量（南方3升·人-1·日-1；北方2升·人-1·日-1），并通過隔油池與污水干管連接，這樣做是為了防止村內(nèi)干管管路出現(xiàn)故障，或系統(tǒng)抽取不及時造成的糞污堵塞或污水倒流[12]。接戶管最小設(shè)計管徑為150毫米，設(shè)計坡度為0.007。對管徑與坡度的要求是為了保證排污管道具有足夠的過流斷面，因為隨著氣溫降低，管道內(nèi)油脂會凝結(jié)、附著在管內(nèi)壁，長期黏著會縮小過水?dāng)嗝娑绊懪潘艿婪€(wěn)定運(yùn)行。圖3b表示戶外干管的敷設(shè)要求，戶外干管須埋在最大凍土深度（通常北方較深，如南京9cm、北京66cm、沈陽148cm）以下，且與建筑、樹木間隔1.5m以上，具體可參考城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

　　村中生活污水管網(wǎng)的建設(shè)，首要的是管網(wǎng)設(shè)計與管材的選定，其次是準(zhǔn)確按照設(shè)計進(jìn)行規(guī)范施工。為了便于雨水處理及糞污收集利用，建議采用雨、污分流制，即生活污水通過一套閉式系統(tǒng)進(jìn)行收集，雨水通過明渠或暗渠（暗渠相對于明渠，水質(zhì)不易受外界影響，蒸發(fā)損失量小，運(yùn)行維護(hù)工作量少，但投資通常會比明渠高出10%～30%不等）排走。圖3b為明渠示意圖，一般采取路邊溝的形式。污水管路采用無動力收集，即以管網(wǎng)系統(tǒng)中管道的坡度降形成污水重力流（管道坡度應(yīng)大于0.3%）。個別地勢不滿足要求的村落，收集點(diǎn)可設(shè)置排污泵抽取管道的生活污水。管網(wǎng)的設(shè)計、方案論證、管材選擇、施工工藝等可參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范和已有城鎮(zhèn)小區(qū)工程實例，在此不一一列舉。

　　3.2村級沼氣池工藝與主要設(shè)備

　　以自然村落內(nèi)糞污為資源的集中式沼氣（池）工程在中國已有實施的案例，其主要處理流程見圖4，村中建立生活污水管網(wǎng)，專門收集村內(nèi)人員糞污資源，養(yǎng)殖場糞污設(shè)立單獨(dú)管道直通集中式沼氣池，兩者均經(jīng)格柵以過濾可能包含的雜質(zhì)，以保護(hù)后續(xù)處理設(shè)備的正常運(yùn)行。沉砂池相當(dāng)于二次過濾，將過濾出的油脂送入熱分解罐內(nèi)參與酸化反應(yīng)，并起到儲存緩沖的作用。將村中以廚余垃圾為主的有機(jī)垃圾通過日產(chǎn)日清的形式收集至村沼氣站，經(jīng)過分揀、粉碎送入初沉池中，在初沉池與前述糞污過濾物混合并做一次分離，將不易發(fā)酵的污泥靜置出來，制作有機(jī)肥。在熱分解罐中調(diào)節(jié)各配料比例并進(jìn)行預(yù)熱，再送入?yún)捬跸刂羞M(jìn)行發(fā)酵以制取沼氣，制取沼氣后殘留的沼液和沼渣可以通過回收處理來制沼肥[9,13]。

　　所制取的沼氣可供應(yīng)廠內(nèi)部分工藝過程的耗能，其余經(jīng)過干燥、脫硫進(jìn)入儲氣罐進(jìn)行中轉(zhuǎn)，通過戶用儲氣罐或村中供氣管網(wǎng)輸送至用氣終端，在北方地區(qū)還可考慮設(shè)立燃?xì)忮仩t房或熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)電能與熱能供生活和冬季采暖使用。

　　圖4所示的沼氣工程既可消解村中糞污（可同時考慮村戶的廚余垃圾，將其收集并運(yùn)至沼氣站，經(jīng)粉碎工藝將其注入沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)）的污染，使其實現(xiàn)資源化和能源化利用，同時承擔(dān)起村級能源站的角色，生產(chǎn)和分配沼氣資源。集中式沼氣（池）工程的關(guān)鍵在于厭氧消化工藝，需要根據(jù)具體村落原料特性設(shè)計進(jìn)料方式，選擇合適的厭氧消化器，主要設(shè)備形式有完全混合式厭氧反應(yīng)器（CSTR）、升流式固體反應(yīng)器（USR）、升流式厭氧污泥床（UASB）、顆粒污泥膨脹床（EGSB）等。雖然可選擇的形式不同，但工藝過程基本相同，即從圖4的熱分解階段開始，通過復(fù)雜有機(jī)物（經(jīng)過濾沉淀后的糞污污泥）的水解與酸化，轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性脂肪酸和醇類為主的中間產(chǎn)物，進(jìn)而完成產(chǎn)氫和乙酸化的過程，最后階段則是甲烷菌群利用前述過程生成的乙酸、氫氣和二氧化碳以生成甲烷。另外需要注意過程中溫度的控制（高溫50～55℃、中溫35～40℃為宜、低溫18～25℃）、碳氮比的控制（C/N適宜厭氧階段10～20、產(chǎn)氣階段27）、酸堿度（pH值6.5～7.5為宜）以及干物質(zhì)濃度的控制等[9,13]，在此不做詳述。

　　4村級集中式沼氣能源站

　　在農(nóng)村地區(qū)持續(xù)產(chǎn)生且存量巨大而又難以有效處置的就是農(nóng)作物秸稈和人禽畜糞污（還有村戶的廚余垃圾），將其作為可再生資源和能源而加以充分循環(huán)利用，并克服我國農(nóng)村沼氣發(fā)展存在重建設(shè)輕管理的局面，是農(nóng)村地區(qū)乃至我們整個國家的必由之路。農(nóng)作物秸稈可通過設(shè)立“一村一廠”的方式生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料，以供農(nóng)戶生活與取暖之用；糞污的分散化處理，在其收集、運(yùn)輸、凈化、達(dá)標(biāo)排放等環(huán)節(jié)均存在一定的困難和問題。所以農(nóng)村糞污資源的處理和利用應(yīng)結(jié)合當(dāng)前美麗鄉(xiāng)村建設(shè)所提倡的“廁所革命”，建立起自然村域范圍的集中生活污水排污管路系統(tǒng)，集中引入村級集中沼氣池。村級集中沼氣池同時吸納村中養(yǎng)殖場的糞污資源以及全村的有機(jī)垃圾（多為廚余垃圾，集中收集，經(jīng)粉碎后注入沼氣池），并建立集中式能源站利用所生產(chǎn)的沼氣和農(nóng)作物生物質(zhì)顆粒燃料，產(chǎn)生電能和熱能以作為村內(nèi)居民生活及冬季采暖的能源使用。

　　4.1能源站主要設(shè)施

　　農(nóng)村地區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，必然會產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈、棉籽殼、稻殼等農(nóng)作物廢棄物，這些農(nóng)作物廢棄物絕不是“廢物”，而是資源，均可對其實行資源化再利用。切實可行的途徑是配備生物質(zhì)燃料顆粒機(jī)，集中處理村中農(nóng)作物廢棄物，生產(chǎn)成生物質(zhì)顆粒燃料，實現(xiàn)能源站的能源補(bǔ)給（與沼氣能源并行利用），增強(qiáng)村中能源的自給保障率。村能源站的沼氣工程承擔(dān)村中生活糞污、養(yǎng)殖場禽畜糞污及村中廚余垃圾的處理，以制備沼氣，沼氣可輸送至各農(nóng)戶以供村中農(nóng)戶生活炊事用能，沼氣資源富裕的地區(qū)還可以配備沼氣發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)電力。在中國北方地區(qū)因氣候原因，冬季氣溫較低，而溫度又是沼氣生產(chǎn)過程中需要控制的因素，溫度過低，會使沼氣池產(chǎn)氣效率大為降低，但這都是可以克服解決的技術(shù)問題，如可以通過沼氣或生物質(zhì)顆粒燃料熱水鍋爐、太陽能光熱（西北地區(qū)農(nóng)村尤其適合）、沼氣發(fā)電余熱等，以外部熱源的形式實現(xiàn)對沼氣池的增溫；可在沼氣池設(shè)施外部施加保溫材料（研究指出如果使用聚氨酯發(fā)泡材料作為保溫層，200毫米是沼氣工程配置保溫層的最佳厚度[14]）、挖防寒溝、將發(fā)酵系統(tǒng)埋于地下（利用土壤的熱惰性保溫）等措施來實現(xiàn)對沼氣池的隔熱保溫[15]。

　　4.2能源分配與使用

　　目前農(nóng)村的實際情況和存在著的幾個突出問題嚴(yán)重阻礙著“鄉(xiāng)村振興”和“美麗鄉(xiāng)村”的建設(shè)：一是農(nóng)村廁所需要改革，糞污需要妥善處理；二是農(nóng)村的秸稈需要妥善處理；三是農(nóng)村的垃圾（特別是廚余垃圾）需要妥善處理。但這些急需得到妥善處理的問題，到目前均未得到很好的解決。此外，如果按照現(xiàn)有的模式，以提供常規(guī)能源（煤﹑電﹑天然氣）來實現(xiàn)農(nóng)村居民生活水平的不斷提高，將使中國的全民常規(guī)能源總能耗急劇上升而達(dá)到難以為繼的程度。我們不能對農(nóng)村中存在著的大量的得天獨(dú)厚的可再生資源和能源（不對其進(jìn)行再生利用就是廢物和負(fù)擔(dān)）視而不見，不能將對農(nóng)村的廢物處理與對農(nóng)村的能源供給分割開來進(jìn)行考慮，應(yīng)該將其合二為一進(jìn)行綜合考慮和集成考慮，用一套集中系統(tǒng)同時解決兩大問題，獲得一舉兩得或一舉三得的效果。即便糞污等能源總量不足，也先把村中的廢棄物基本處理掉了，也算是一得，況且我們提供了多少可再生能源，就相當(dāng)我們節(jié)約了多少常規(guī)能源，又算一得。我們文中提出的思路和方案正是出于這一目的，在一整套集成的系統(tǒng)（包括幾個分系統(tǒng)）中同時解決了三大問題：廁所改革和糞污的有效處理與可再生能源利用的問題；農(nóng)村中農(nóng)作物秸稈的有效處理與可再生能源利用的問題；農(nóng)村不與城市爭搶常規(guī)能源的問題。這一思路只有在自然村中，實行村級集中的系統(tǒng)形式，才能做到安全﹑高效﹑可靠地運(yùn)行。因為南北方地區(qū)的差異，能源制備與生產(chǎn)后分配和使用上有所不同，此處提出一種能源利用的建議。

　　南方地區(qū)的自然村可配備上述沼氣工程（包括處理村中的糞污和廚余垃圾）、生物質(zhì)顆粒燃料加工廠及村級集中能源站以處理生物質(zhì)廢物并生產(chǎn)能源，通過建立村級沼氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)送至每家每戶，和生物質(zhì)顆粒燃料一同供居民生活用能使用，村民家中可配備“氣固兩用灶”（已有相關(guān)專利產(chǎn)品問世），對于距離村落較遠(yuǎn)的居民點(diǎn)或其他不便鋪設(shè)管道的地區(qū)，可優(yōu)先使用生物質(zhì)顆粒燃料，或使用罐裝沼氣（經(jīng)提純壓縮后與天然氣成分相近）供生活使用。在北方地區(qū)因冬季天氣寒冷有采暖需求，在非供暖季時，可如南方一樣分配使用，并將多余沼氣存儲在儲氣罐中，當(dāng)供暖季時，在村中能源站統(tǒng)一使用沼氣鍋爐和生物質(zhì)燃料鍋爐制備采暖用熱水（集中式鍋爐熱效率為80%～90%，而戶用灶具、熱水鍋爐的熱效率僅為10%～30%[5]）。當(dāng)能源供應(yīng)不足時，可考慮太陽能輔助，或者用常規(guī)清潔能源加以補(bǔ)充。

　　5示例分析與論證

　　現(xiàn)以河北某村落為例，論述村中集中式沼氣能源站實施的具體措施。簡述擬在村中設(shè)置的生活污、廢水（包括糞污、洗滌、餐廚污水）無動力收集系統(tǒng)的形式，管道系統(tǒng)后端連接村級集中式沼氣工程以生產(chǎn)沼氣，將所生產(chǎn)的沼氣與村中農(nóng)作物秸稈制成的生物質(zhì)燃料一起提供給村級集中能源站進(jìn)行能源的生產(chǎn)和分配，供村民生活與冬季取暖所用。其他村落的建設(shè)可參照此例的方法進(jìn)行具體的分析和確定，有條件的地區(qū)可以實現(xiàn)污、廢分流以提高能源轉(zhuǎn)化利用效率。

　　5.1村落概括

　　圖5為根據(jù)村落布局建模的簡圖，該村落共有332戶，1486名村民。2016年，村內(nèi)各養(yǎng)殖場養(yǎng)豬共計883頭，禽類年存欄量為7.062萬羽，年產(chǎn)各類農(nóng)作物（玉米、小麥、棉花）約1200噸。據(jù)測算，村內(nèi)人與禽畜年產(chǎn)糞污總量分別約為800噸和5500噸。該村距離石家莊市區(qū)約35km，屬華北平原分區(qū)、冀中地層最南部地質(zhì)，主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，地勢自西北向東南傾斜，海拔55～58m，坡度為千分之二，地勢較為平坦。

　　5.2村排污系統(tǒng)布置

　　村落東側(cè)為村落地勢較低處，當(dāng)?shù)貎鐾翆由疃葹?6cm，整個管道系統(tǒng)布置在地下0.5～1.5m左右，可防止管道冬季凍結(jié)而影響污物排泄順暢。糞污收集依靠重力自流的無動力排污系統(tǒng)，村沼氣站前為系統(tǒng)最低位置管段，各橫向管段為排污系統(tǒng)主干管，每條主干管承接管路附近民居糞污，各戶通過戶內(nèi)排污管道排向室外排污支管（坡度0.02），通過支管就近排入干管（坡度0.005），干管之間匯流后送至村中匯集點(diǎn)，通過圖4工藝流程（可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整）制取沼氣并送入儲氣罐進(jìn)行貯存。具體各管段位置、坡度即糞污流動方向示意如圖5所示，村中養(yǎng)殖場在東北側(cè)，禽畜糞便可通過專設(shè)的管道直接輸送至沼氣池。另外村中各戶的廚余垃圾經(jīng)過分揀、運(yùn)送至村沼氣池前經(jīng)預(yù)處理后注入。

　　5.3糞污資源沼氣利用

　　影響集中式沼氣工程的因素很多，建設(shè)集中式沼氣工程實現(xiàn)專業(yè)化運(yùn)營可以將影響沼氣反應(yīng)過程的溫度、pH、TS（干物質(zhì)含量）等各項反應(yīng)的指標(biāo)控制在較優(yōu)水平，而且集中化工程可以實現(xiàn)多種原料配比使用。該村日收集糞污量約8.3噸，可配備中型沼氣池（即日產(chǎn)沼氣500m³的厭氧消化裝置及相關(guān)工藝設(shè)備）。該村冬季平均氣溫為-6.2℃，會影響厭氧發(fā)酵過程，建議配備一套太陽能增溫系統(tǒng)，沼氣工程的制氣、儲氣設(shè)施距離村民居住區(qū)邊緣約70m，可直接鋪設(shè)集中沼氣管網(wǎng)給村民供氣，按戶均生活用沼氣1m³/天來計算，并考慮能源站本身的消耗，每日仍能累積約100～250m³（視工藝、資源、環(huán)境不同而波動）的沼氣經(jīng)提純后壓縮進(jìn)入儲氣罐。

　　該村南側(cè)有閑置廠房可在秋收后加工生物質(zhì)顆粒燃料，圖6為該村能源站中冬季集中供熱熱水鍋爐的配置及該村東南部集中供熱系統(tǒng)的局部示意圖。站內(nèi)配備沼氣熱水鍋爐與生物質(zhì)熱水鍋爐各一臺，兩套鍋爐分別燃燒沼氣和生物質(zhì)顆粒燃料；生活用氣可使用戶用儲氣罐的形式，或配建供氣管道等設(shè)施（約50萬元左右），供氣管路可參照圖5明裝或地埋敷設(shè)。該村每年可制備沼氣量約22.96萬m³（其中有機(jī)垃圾年轉(zhuǎn)化沼氣為2.15萬m³），可替代14.91萬立方米天然氣；村秸稈收集量約1143.8噸，經(jīng)加工折耗可替代636.9噸散煤，兩者合計可減少使用常規(guī)能源約618.3噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

　　6結(jié)語

　　中國農(nóng)村地區(qū)生活能源消費(fèi)量約占全國的61.96%，農(nóng)村能源使用中商品能占46%，部分南方地區(qū)占比已超過70%，且在全國范圍呈增長勢頭，使全國的商品能供應(yīng)緊張，加劇了中國的能源安全隱患。傳統(tǒng)生物質(zhì)能源在農(nóng)村地區(qū)雖然也有使用，但缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識和統(tǒng)籌的規(guī)劃，缺少能源策略的優(yōu)化、方案的優(yōu)化、系統(tǒng)的優(yōu)化。為了大力節(jié)省常規(guī)能源和進(jìn)一步改善環(huán)境，農(nóng)村地區(qū)應(yīng)該改變思路，優(yōu)先重視當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)能源，提高其可再生能源的使用比例，將商品能作為補(bǔ)充或應(yīng)急之用。隨著鄉(xiāng)村振興政策的推進(jìn)，農(nóng)村地區(qū)水資源、衛(wèi)生情況、人居環(huán)境等方面的改善已成為現(xiàn)今階段農(nóng)村發(fā)展的要務(wù)。農(nóng)村各地區(qū)衛(wèi)生情況差異較大，糞便無害化處理率僅為60.5%。2016年實施生活污水處理的行政村僅占全國的20%，2017年鄉(xiāng)、鎮(zhèn)實施生活污水處理的比例分別增長19.04%、16.09%，農(nóng)村各地區(qū)糞便處理率為60.5%。較低的處理率難以保障農(nóng)村地區(qū)的衛(wèi)生健康。

　　本研究創(chuàng)新性地提出：農(nóng)村與城市相比，具有不同的特征（資源特征、人口特征、經(jīng)濟(jì)特征、地域分布特征等），農(nóng)村不應(yīng)仿照城市建立大型污水處理廠的做法，應(yīng)當(dāng)有大局觀和整體感，并本著因地制宜的理念，實事求是地做出綜合、集成、合理、注重長遠(yuǎn)的規(guī)劃，一般以自然村為單位，通過無動力收集系統(tǒng)集中收集糞污，免除各農(nóng)戶獨(dú)自處理的麻煩，使“廁所革命”更加順暢地進(jìn)行，實施集中式沼氣工程（原料為村中糞污和廚余垃圾）配以村中農(nóng)作物秸稈加工而成的生物質(zhì)燃料，可以有效地將難以處理的生物質(zhì)垃圾轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源，較之以前分散的﹑非集成化的應(yīng)用，可以做到更加便捷、安全、高效地為農(nóng)戶的生活及取暖提供清潔、可再生的能源，為在全國范圍內(nèi)更好地實施節(jié)能（常規(guī)能源）、減排（碳排放），打下了堅實的基礎(chǔ)。

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