張偉捷¹，王艷¹，李芳德¹，李爭爭²

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

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

　　1中國農村能源使用現狀

　　1.1中國農村狀況簡介

　　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]。各地區村莊規模及人口信息詳見《中國城鄉建設統計年鑒2017》[2]，全國平均一個行政村包含4.6個自然村，有些地區自然村規模較大，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農村能源使用現狀

　　對于農村地區能源的使用，國內缺乏較新且全面的統計信息，但農村生活能源的格局除部分北方地區推行“煤改氣”“煤改電”外，總體變化不大，農村地區能源應用近況見圖1。

　　農村地區電能、煤炭、秸稈等能源消耗較多。其中北方地區煤炭與秸稈、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。以前對生物質能源的使用多為用自家爐灶進行秸稈的直接燃燒，近年來逐漸推行生物質能源高效利用，以原來農作物秸稈的直接燃燒逐漸轉變為“一村一廠”生產秸稈生物質顆粒燃料并配以專用燃燒爐具（熱效率可達60%～70%）來進行使用[5]。中國農村地區沼氣總量約為123億m³[4]，折合標準煤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人員進行維護和清理，每年至少由專業人員清掏兩次，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，因此各地區目前不再著力推行建設戶用沼氣池。

　　農村地區生活能源消費量約占全國（2016年生活能源消費量5.4億噸標準煤）的61%（由文獻[1]和[4]的數據計算得出）。雖然近年來天然氣基礎設施持續建設，但在全國農村的普及率平均僅為27.00%[2]。在農村地區完全普及天然氣，不但相關基礎設施建設周期長、投資巨大，而且在能源應用的策略和思路上也不盡合理。

　　1.3農村能源利用中存在的問題

　　農村地區生活用能中商品能（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、由于基礎設施薄弱而導致輸送受限等問題。在電力使用方面，2016年全國電力生產6.14萬億千瓦時，其中火電占72.24%[1]，雖然燃煤發電目前能達到“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、運輸到堆放，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“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，商品能供應問題難以在短期內得到緩解。在農村地區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境的污染[5]。

　　從統計數據[1-2,4-5]中可以看出，農村地區可再生能源利用率仍然很低。在東北三省、寧夏、青海、西藏的農村地區，薪柴和秸稈資源豐富，使用比例才50%左右，大多靠農作物秸稈、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、浙江的農村地區，商品能消耗均超過70%[5]，人們對于需要加工利用的生物質能的使用意愿不高。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。

　　農村地區有大量的生物質能源可以利用，但商品能（煤、天然氣、液化石油氣、電）的便捷性極大降低了農戶使用生物質能的積極性，導致商品能整體負擔加重。農村生物質資源主要有禽、畜、人的糞污以及秸稈、薪柴等，對這些資源的不當處置也形成了生物質垃圾或空氣污染源，以致有關方面在“鄉村振興規劃”中對此提出了約束性的指標，到2022年禽畜糞污綜合利用率要比2016年提高18%[6]，用以指導農村地區加強對生物質能的應用。

　　2中國農村糞污處理現狀

　　農村地區秸稈、薪柴等固體生物質資源便于轉運、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沼氣作為生活、取暖用能源。由于農村勞動力人口外流，各分散農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和管理，大多處于閑置狀態。這使得各農戶的糞污不能得到有效地回收利用，還給農村地區生態環境造成負面影響。規模化養殖戶的禽、畜糞污也需要大量的人力和物力對其進行收集、轉運、分解（制沼氣和肥料）的工作，在現實中也難以得到高效和持續的保證。

　　2.1農村的糞污量

　　當前農村地區的廁所改革主要是將旱廁改為水廁，其各戶產生的糞污由各戶用儲糞罐暫作收儲，以待后續處理。成人每天糞污量約1.5千克，以農村地區常住人口6.75億人估算，人員每天糞污量約100.5萬噸。當前農戶糞污處理方式有兩種：一種是作為農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施處。

　　據全國畜牧總站調查，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，不同時期、不同統計口徑的統計排泄量均有差異，一般可按照排泄源進行估算。表1為文獻[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農村糞污處理現狀

　　根據國家衛健委統計，在進行農村改廁項目的地區，其痢疾、傷寒和甲肝發病人數分別下降了35.2%、25.1%、37.3%，糞—口類傳播疾病的發病率由37.5/10萬人下降到22.2/10萬人[8]。近些年全國各省農村地區衛生廁所的普及率從1993年的7.5%提升至2017年的81.7%[4,8]?？傮w上來看，南方地區農村衛生廁所的普及率遠大于北方。吉林省農村地區的衛生廁所數量為3463萬戶，普及率為81.5%，為北方地區各省之最，南方大部分省份的農村地區均有90%以上的普及率[4]。雖然各地農村的改廁取得一定成效，但由疾病防控局統計數據可看出，各農村地區糞便的后續無害化處理率僅為60.5%[8]。

　　當前農村廁所革命的出發點和著力點多在廁所的改造上，農村“廁所革命”常見改造形式如圖2所示，而對于排泄物后續的處置關注較少。目前農村地區有六種衛生廁所類型：三格式、雙甕式、沼氣池式、糞尿分集式、完整水沖式及衛生公廁。這六種廁所的用、集、處置均在用戶側，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準，向環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，都是對排泄物進行發酵分解。三格式糞污處置方式由于其技術要求低、適用范圍廣、應用成本低的特點而被廣泛應用于中國農村各地的改廁行動中。

　　農村地區糞污資源的后續處理包括直接還田、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“三化”的就是收集糞污進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，該技術將污水中有機物進行厭氧發酵制備沼氣，實現廢棄資源的能源化，凈化后的中性（pH值=7）水可用于灌溉，各地區凈化池的數量詳見文獻[4]。

　　要在農村地區實現美麗鄉村，必須推行廁所革命，并實現糞污資源化的綜合利用，解決農戶實施改廁的后顧之憂，提高村落糞污的綜合處理能力。因此建議設置村內集中的無動力式排污的管道系統，減少各農戶在糞污收集及后續處理上投入的時間和精力，形成統一的集中式的人、禽、畜的糞污收集與輸送系統，建立村級集中式的沼氣發生池以及集中式沼氣能源站，將糞污轉化為村內可利用的能源和肥料，經過一系列處理環節后，實現生活污水（工業污水要求自行獨立處理，嚴禁與生活污水混流）達標排放或進行農田灌溉，使村落內糞污資源再利用體系更加合理、便捷、高效和可靠。

　　2.3農村糞污資源化

　　在自然村中建立統一的集中式的人、禽、畜糞污收集與輸送系統，建立村級集中式的沼氣發生池以及集中式沼氣能源站，是目前在農村實現糞污無害化、資源化和能源化利用的最佳方式。該方式可結合集中式沼氣工程將人禽畜糞污變廢為能，規?；恼託夤こ探涍^對糞污進行提純、壓縮可制取甲烷含量大于90%的生物質可燃氣。不同糞污資源所能產生沼氣的能力不同，表2為通過行業專家反復試驗測定，得出在不同溫度條件下不同種類糞污經過60天發酵后的產氣量[10]。小規模村鎮生產沼氣主要用于本村的能源使用，大型養殖場或農場生產生物質天然氣還能以此盈利。

　　由文獻[4]可知，農村各地區沼氣生產中，集中式沼氣工程占總沼氣池產氣量（123.75億立方米）的21.15%。而農村地區糞污資源（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，約為當前沼氣利用量的13.7倍，可以替代1.21億噸標準煤的熱量，占農村地區生活總用能的36%。

　　2.4農村糞污資源化中的問題

　　目前僅北京、上海、新疆生產建設兵團三個地區的農村廣泛采用集中式大型沼氣池生產沼氣，其他地區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驗和教訓證明：分散、小型、戶用的沼氣生產利用模式不適于中國的農村地區[4,10-11]。

　　解決農村地區有機廢物最好的途徑就是實現其資源化和能源化，應該以村為單位建設集中式的沼氣工程，實現便捷、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行管理水平，降低農戶學習、使用和維護的成本。

　　3農村糞污集中化利用

　　近年來，隨著“鄉村振興”和“美麗鄉村”建設的不斷深入開展，農村居民的生活水平不斷提高，生活環境不斷得到改善。一些地區強力推行村村通電、村村通（天然）氣，有相當一部分農村已經實施了“廁所革命”（旱廁改水廁），并在一部分農村地區仿照大中城市的做法，建立了污水處理設施。

　　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，由于農村村中用戶密度低、村村間隔較大，村村通（天然）氣的經濟性問題相當突出，加之全國本就氣源緊張，所以村村通（天然）氣的目標最終很難實現。雖然很多村中已經實施了“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。在農村地區建立集中污水處理設施的合理性有待商榷，更合理的途徑應該是在村中設立集中的糞污收集、輸送、匯集的管路系統，設立村級集中的糞污儲存和沼氣發生的設施，在各村中建設獨立、集中的沼氣入戶的輸配管路系統，以實現糞污可持續的能源化利用。

　　在中國北方法定冬季集中民用供熱的農村地區，各村的沼氣和農作物秸稈資源主要用于冬季民用采暖（設立集中的能源站和集中供熱管路系統）；而在非法定冬季集中民用供熱的農村地區，各村的沼氣和農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）能源供應緊張的問題，又極大地解決了農村污染廢棄物的處理問題。

　　3.1集中收集與輸送系統

　　農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。關于禽畜糞污，由于當前農村地區人口流失，種植業逐漸以機械化為主，每戶單獨圈養牲畜的情況逐漸減少，多以村內養殖場的形式統一飼養豬、羊、雞等。自2018年起實施的《環境保護稅法》開始對這些養殖場的糞污征收稅費，多數養殖場開始將糞污收集系統作為其配套設施進行建設，大大方便了糞污資源的匯集利用。關于人員排泄的糞污，該類糞污多存在于村中各戶或公共廁所處，呈點狀分散式分布，不易收集，需要另行設計集中式收集系統。兩類糞污應設置集中式收集系統，方便糞污的收集、處理、再利用以實現其資源化。

　　圖3a為居民可按自家的需求選擇的兩種類型的衛生器具（圖中左邊為坐便式，右側為蹲便式），衛生器具排污（水）管道的坡度設計為0.02（最小0.012），蹲便器加“S”型存水彎，部分坐便器內部自帶“S”彎，在排污（水）管加“P”型存水彎，兩者均是為了防止排污（水）管內異味傳至室內。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干管管路出現故障，或系統抽取不及時造成的糞污堵塞或污水倒流[12]。接戶管最小設計管徑為150毫米，設計坡度為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，管道內油脂會凝結、附著在管內壁，長期黏著會縮小過水斷面而影響排水管道穩定運行。圖3b表示戶外干管的敷設要求，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，具體可參考城鎮排水管網設計施工標準進行建設。

　　村中生活污水管網的建設，首要的是管網設計與管材的選定，其次是準確按照設計進行規范施工。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進行收集，雨水通過明渠或暗渠（暗渠相對于明渠，水質不易受外界影響，蒸發損失量小，運行維護工作量少，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，即以管網系統中管道的坡度降形成污水重力流（管道坡度應大于0.3%）。個別地勢不滿足要求的村落，收集點可設置排污泵抽取管道的生活污水。管網的設計、方案論證、管材選擇、施工工藝等可參照相關技術規范和已有城鎮小區工程實例，在此不一一列舉。

　　3.2村級沼氣池工藝與主要設備

　　以自然村落內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，專門收集村內人員糞污資源，養殖場糞污設立單獨管道直通集中式沼氣池，兩者均經格柵以過濾可能包含的雜質，以保護后續處理設備的正常運行。沉砂池相當于二次過濾，將過濾出的油脂送入熱分解罐內參與酸化反應，并起到儲存緩沖的作用。將村中以廚余垃圾為主的有機垃圾通過日產日清的形式收集至村沼氣站，經過分揀、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，將不易發酵的污泥靜置出來，制作有機肥。在熱分解罐中調節各配料比例并進行預熱，再送入厭氧消化池中進行發酵以制取沼氣，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廠內部分工藝過程的耗能，其余經過干燥、脫硫進入儲氣罐進行中轉，通過戶用儲氣罐或村中供氣管網輸送至用氣終端，在北方地區還可考慮設立燃氣鍋爐房或熱電聯產設備生產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，將其收集并運至沼氣站，經粉碎工藝將其注入沼氣生產系統）的污染，使其實現資源化和能源化利用，同時承擔起村級能源站的角色，生產和分配沼氣資源。集中式沼氣（池）工程的關鍵在于厭氧消化工藝，需要根據具體村落原料特性設計進料方式，選擇合適的厭氧消化器，主要設備形式有完全混合式厭氧反應器（CSTR）、升流式固體反應器（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，通過復雜有機物（經過濾沉淀后的糞污污泥）的水解與酸化，轉化成揮發性脂肪酸和醇類為主的中間產物，進而完成產氫和乙酸化的過程，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、產氣階段27）、酸堿度（pH值6.5～7.5為宜）以及干物質濃度的控制等[9,13]，在此不做詳述。

　　4村級集中式沼氣能源站

　　在農村地區持續產生且存量巨大而又難以有效處置的就是農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利用，并克服我國農村沼氣發展存在重建設輕管理的局面，是農村地區乃至我們整個國家的必由之路。農作物秸稈可通過設立“一村一廠”的方式生產生物質顆粒燃料，以供農戶生活與取暖之用；糞污的分散化處理，在其收集、運輸、凈化、達標排放等環節均存在一定的困難和問題。所以農村糞污資源的處理和利用應結合當前美麗鄉村建設所提倡的“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，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殖場的糞污資源以及全村的有機垃圾（多為廚余垃圾，集中收集，經粉碎后注入沼氣池），并建立集中式能源站利用所生產的沼氣和農作物生物質顆粒燃料，產生電能和熱能以作為村內居民生活及冬季采暖的能源使用。

　　4.1能源站主要設施

　　農村地區以農業生產為主，必然會產生大量的農作物秸稈、棉籽殼、稻殼等農作物廢棄物，這些農作物廢棄物絕不是“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燃料顆粒機，集中處理村中農作物廢棄物，生產成生物質顆粒燃料，實現能源站的能源補給（與沼氣能源并行利用），增強村中能源的自給保障率。村能源站的沼氣工程承擔村中生活糞污、養殖場禽畜糞污及村中廚余垃圾的處理，以制備沼氣，沼氣可輸送至各農戶以供村中農戶生活炊事用能，沼氣資源富裕的地區還可以配備沼氣發電機組生產電力。在中國北方地區因氣候原因，冬季氣溫較低，而溫度又是沼氣生產過程中需要控制的因素，溫度過低，會使沼氣池產氣效率大為降低，但這都是可以克服解決的技術問題，如可以通過沼氣或生物質顆粒燃料熱水鍋爐、太陽能光熱（西北地區農村尤其適合）、沼氣發電余熱等，以外部熱源的形式實現對沼氣池的增溫；可在沼氣池設施外部施加保溫材料（研究指出如果使用聚氨酯發泡材料作為保溫層，200毫米是沼氣工程配置保溫層的最佳厚度[14]）、挖防寒溝、將發酵系統埋于地下（利用土壤的熱惰性保溫）等措施來實現對沼氣池的隔熱保溫[15]。

　　4.2能源分配與使用

　　目前農村的實際情況和存在著的幾個突出問題嚴重阻礙著“鄉村振興”和“美麗鄉村”的建設：一是農村廁所需要改革，糞污需要妥善處理；二是農村的秸稈需要妥善處理；三是農村的垃圾（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，如果按照現有的模式，以提供常規能源（煤﹑電﹑天然氣）來實現農村居民生活水平的不斷提高，將使中國的全民常規能源總能耗急劇上升而達到難以為繼的程度。我們不能對農村中存在著的大量的得天獨厚的可再生資源和能源（不對其進行再生利用就是廢物和負擔）視而不見，不能將對農村的廢物處理與對農村的能源供給分割開來進行考慮，應該將其合二為一進行綜合考慮和集成考慮，用一套集中系統同時解決兩大問題，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，就相當我們節約了多少常規能源，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（包括幾個分系統）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；農村中農作物秸稈的有效處理與可再生能源利用的問題；農村不與城市爭搶常規能源的問題。這一思路只有在自然村中，實行村級集中的系統形式，才能做到安全﹑高效﹑可靠地運行。因為南北方地區的差異，能源制備與生產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）、生物質顆粒燃料加工廠及村級集中能源站以處理生物質廢物并生產能源，通過建立村級沼氣輸配管網系統送至每家每戶，和生物質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”（已有相關專利產品問世），對于距離村落較遠的居民點或其他不便鋪設管道的地區，可優先使用生物質顆粒燃料，或使用罐裝沼氣（經提純壓縮后與天然氣成分相近）供生活使用。在北方地區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，當供暖季時，在村中能源站統一使用沼氣鍋爐和生物質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]）。當能源供應不足時，可考慮太陽能輔助，或者用常規清潔能源加以補充。

　　5示例分析與論證

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

　　5.1村落概括

　　圖5為根據村落布局建模的簡圖，該村落共有332戶，1486名村民。2016年，村內各養殖場養豬共計883頭，禽類年存欄量為7.062萬羽，年產各類農作物（玉米、小麥、棉花）約1200噸。據測算，村內人與禽畜年產糞污總量分別約為800噸和5500噸。該村距離石家莊市區約35km，屬華北平原分區、冀中地層最南部地質，主導風向為西北風，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村排污系統布置

　　村落東側為村落地勢較低處，當地凍土層深度為56cm，整個管道系統布置在地下0.5～1.5m左右，可防止管道冬季凍結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，村沼氣站前為系統最低位置管段，各橫向管段為排污系統主干管，每條主干管承接管路附近民居糞污，各戶通過戶內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，通過圖4工藝流程（可根據實際情況進行調整）制取沼氣并送入儲氣罐進行貯存。具體各管段位置、坡度即糞污流動方向示意如圖5所示，村中養殖場在東北側，禽畜糞便可通過專設的管道直接輸送至沼氣池。另外村中各戶的廚余垃圾經過分揀、運送至村沼氣池前經預處理后注入。

　　5.3糞污資源沼氣利用

　　影響集中式沼氣工程的因素很多，建設集中式沼氣工程實現專業化運營可以將影響沼氣反應過程的溫度、pH、TS（干物質含量）等各項反應的指標控制在較優水平，而且集中化工程可以實現多種原料配比使用。該村日收集糞污量約8.3噸，可配備中型沼氣池（即日產沼氣500m³的厭氧消化裝置及相關工藝設備）。該村冬季平均氣溫為-6.2℃，會影響厭氧發酵過程，建議配備一套太陽能增溫系統，沼氣工程的制氣、儲氣設施距離村民居住區邊緣約70m，可直接鋪設集中沼氣管網給村民供氣，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、環境不同而波動）的沼氣經提純后壓縮進入儲氣罐。

　　該村南側有閑置廠房可在秋收后加工生物質顆粒燃料，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的局部示意圖。站內配備沼氣熱水鍋爐與生物質熱水鍋爐各一臺，兩套鍋爐分別燃燒沼氣和生物質顆粒燃料；生活用氣可使用戶用儲氣罐的形式，或配建供氣管道等設施（約50萬元左右），供氣管路可參照圖5明裝或地埋敷設。該村每年可制備沼氣量約22.96萬m³（其中有機垃圾年轉化沼氣為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，經加工折耗可替代636.9噸散煤，兩者合計可減少使用常規能源約618.3噸標準煤。

　　6結語

　　中國農村地區生活能源消費量約占全國的61.96%，農村能源使用中商品能占46%，部分南方地區占比已超過70%，且在全國范圍呈增長勢頭，使全國的商品能供應緊張，加劇了中國的能源安全隱患。傳統生物質能源在農村地區雖然也有使用，但缺乏統一的認識和統籌的規劃，缺少能源策略的優化、方案的優化、系統的優化。為了大力節省常規能源和進一步改善環境，農村地區應該改變思路，優先重視當地的生物質能源，提高其可再生能源的使用比例，將商品能作為補充或應急之用。隨著鄉村振興政策的推進，農村地區水資源、衛生情況、人居環境等方面的改善已成為現今階段農村發展的要務。農村各地區衛生情況差異較大，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、鎮實施生活污水處理的比例分別增長19.04%、16.09%，農村各地區糞便處理率為60.5%。較低的處理率難以保障農村地區的衛生健康。

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

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