姜靈偉,陳 銳,崔建華,張學(xué)軍,仲生柱,林 聰,段 娜*
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;2.五原縣農(nóng)牧和科技局,內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣 015100;3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,寧夏銀川 750000;4.五原縣農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣 015100)
農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處置與利用既關(guān)系到面源污染的防控與治理,同時(shí)還關(guān)系到農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)典型農(nóng)業(yè)廢棄物包括畜禽糞污和農(nóng)作物秸稈[1]。早期,我國(guó)農(nóng)村地區(qū)秸稈的主要處理途徑為就地焚燒和作為家用能源。隨著秸稈禁止焚燒、農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、加強(qiáng)秸稈綜合利用等要求的施行,近年來(lái)逐漸形成了秸稈“五化”利用方式,即能源化、飼料化、基料化、原料化和肥料化,初步實(shí)現(xiàn)了秸稈的多元綜合利用。但是秸稈綜合利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍存在一定困難,主要受秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本和不同秸稈類型處理工藝適用性等影響[2]。我國(guó)是世界畜禽生產(chǎn)大國(guó),近年來(lái)畜禽養(yǎng)殖規(guī)?;⒓s化發(fā)展使得畜禽糞污產(chǎn)量逐年增加。據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示,2017年我國(guó)產(chǎn)生的畜禽糞便總量高達(dá)35億t,但利用率卻不足60%[3]。國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》提出“使全國(guó)畜禽糞污綜合利用率達(dá)到75%以上,規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施裝備配套率達(dá)到95%以上,到2020年基本解決大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污資源化利用問(wèn)題”[4]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我國(guó)推行了整縣推進(jìn)、有機(jī)肥替代化肥等行動(dòng),也逐步形成了我國(guó)畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用的典型技術(shù)模式,包括糞污全量收集還田利用模式、糞污專業(yè)化能源利用模式、固體糞便堆肥利用模式、異位發(fā)酵床模式、糞便墊料回用模式、污水肥料化利用模式和污水達(dá)標(biāo)排放模式[5]。但在糞污處理過(guò)程中,仍存在諸多問(wèn)題,如糞污運(yùn)輸成本高、處理設(shè)備效率低、種養(yǎng)環(huán)節(jié)無(wú)法匹配等。針對(duì)一個(gè)特定區(qū)域,需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆N養(yǎng)情況和農(nóng)業(yè)廢棄物種類,選擇適合的處理技術(shù)和模式,才能有效實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部,是我國(guó)重要的商品糧油基地且養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。因其獨(dú)特的氣候、地質(zhì)、水資源條件,主要以玉米、小麥、向日葵和番茄種植為主[6];畜禽養(yǎng)殖主要以飼養(yǎng)肉羊?yàn)橹?。河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富,但存在資源化利用率低、處理方式粗放等問(wèn)題。本文以河套灌區(qū)五原縣為研究區(qū)域,核算其農(nóng)業(yè)廢棄物資源量,評(píng)估其可利用價(jià)值,并結(jié)合五原縣的種養(yǎng)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu),探索適合河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用途徑與模式。
本研究根據(jù)農(nóng)作物的草谷比(Straw to grain ratio,SGR)核算秸稈資源量[7]。在實(shí)際中無(wú)法保證所有的秸稈都能被有效回收利用,因此,需考慮不可回收利用的部分[8],加入了作物收集系數(shù)。秸稈資源量計(jì)算見(jiàn)公式(1)。
其中,TS為秸稈資源可獲得量(風(fēng)干基),單位為t;i為第i種作物;Y為作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,單位為t;λ為作物草谷比;η為作物收集系數(shù)。
畜禽糞尿的排泄系數(shù)隨畜禽品種、性別、生長(zhǎng)周期、個(gè)體大小、飼養(yǎng)條件等因素的不同存在差異[9-11]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)畜禽糞尿年產(chǎn)生量的計(jì)算方法有很多,有的只考慮年內(nèi)出欄數(shù)或年末存欄數(shù)[8,12]、有的未考慮飼養(yǎng)周期[13],因此,計(jì)算得到的畜禽糞污量不準(zhǔn)確。本研究采用飼養(yǎng)周期≥1年和≤1年畜禽年排泄量的估算方法,同時(shí)考慮畜禽的種類、年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù)計(jì)算得到不同畜禽種類的糞尿量[14]。不同畜禽的糞尿資源量(鮮質(zhì))計(jì)算見(jiàn)公式(2)至(5)。
其中,TF和TL分別表示糞便量和尿液量;i為豬、牛、羊、家禽的種類;j為馬、驢、騾的種類;C、P分別為畜禽年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù),單位為頭;T為飼養(yǎng)周期天數(shù),單位為d,其中牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝、兔的飼養(yǎng)周期分別為365、365、365、365、199、365、210、210、210、90d[15];F和L分別為畜禽糞和尿的日排泄系數(shù){kg/[d·只(頭)]},其中牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝、兔的日排泄糞便量為27.3[16]、14.2、11.8、11.8、4.4、1.9、0.1、0.1、0.1、0.2[15],牛、馬、驢、騾、豬、羊的日排泄尿液量為14.2[16]、1.9、2.9、2.9、5.8、0.6[15];1 000為換算系數(shù)。
為了更好地評(píng)估農(nóng)作物秸稈和畜禽養(yǎng)殖糞污的利用潛力,通過(guò)折標(biāo)煤系數(shù)測(cè)算出不同種類農(nóng)業(yè)廢棄物的折合標(biāo)準(zhǔn)煤量,計(jì)算見(jiàn)公式(6)。
其中,E為折合的標(biāo)準(zhǔn)煤量,單位為t;C為可收集秸稈或畜禽糞污資源量,單位為t;ηi為折標(biāo)煤系數(shù),其中小麥、玉米、高粱、馬鈴薯、葵花籽、甜菜和蔬菜的折標(biāo)煤系數(shù)分別為0.5、0.529、0.5、0.446、0.529、0.205和0.43[8,17-19];牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝和兔的折標(biāo)煤系數(shù)分別為0.471、0.529、0.529、0.529、0.429、0.529、0.643、0.643、0.643、0.643[17,20]。
種植、養(yǎng)殖業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)源于2016-2018年《五原縣統(tǒng)計(jì)年鑒》。
五原縣因其獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)和充足的水資源,農(nóng)業(yè)種植種類豐富,包括谷類(水稻、小麥、玉米、高粱)、薯類(馬鈴薯)、油料(葵花籽)、糖料(甜菜)、藥材和蔬菜等;其中以玉米、向日葵種植為主。根據(jù)不同作物產(chǎn)量,結(jié)合草谷比系數(shù)和收集系數(shù),計(jì)算得到五原縣2016-2018年秸稈資源可利用量平均值為9.1×105t,且每年呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),其中2017年和2018年較上一年增幅分別為3.7%和13.4%(表1)。大部分作物近3年秸稈資源量沒(méi)有明顯變化,僅玉米、小麥和高粱的種植量及產(chǎn)量發(fā)生了較大變動(dòng)。2018年小麥的播種面積和單位面積產(chǎn)量下降造成小麥秸稈資源量較2017年減少了78.2%。同年,玉米的播種面積有所增加,其資源量比2017年增加了53.9%。
由表1可知,秸稈資源量占比情況為向日葵>玉米>小麥>蔬菜,分別占總秸稈資源量的47.1%,44.3%,7.5%和0.7%。由此可見(jiàn),農(nóng)作物秸稈的資源化利用應(yīng)主要考慮葵花稈和玉米秸稈。另外,農(nóng)作物收獲季節(jié)不同,導(dǎo)致秸稈的資源量有季節(jié)性差異。內(nèi)蒙古河套平原小麥?zhǔn)谴盒←?,每?月播種,7月第三周開(kāi)始收割[29]。而為了避免春寒和春潮的影響,玉米播種一般在4月底5月初開(kāi)始種植,9月上旬正式收獲[30]。向日葵播種期集中在5月下旬,成熟期在9月中旬[31]。根據(jù)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量和產(chǎn)生期可知,五原縣農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生主要集中在7月至9月。
表1 五原縣不同年份秸稈資源可收集量
由表2可知,2016-2018年五原縣糞尿量變化幅度不大,總糞尿平均值為4.6×106t,其中肉羊產(chǎn)業(yè)是五原縣的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。為了促進(jìn)當(dāng)?shù)厝庋虍a(chǎn)業(yè)的發(fā)展,當(dāng)?shù)卣畯?013年開(kāi)始實(shí)施肉羊儲(chǔ)備項(xiàng)目,并對(duì)肉羊養(yǎng)殖戶進(jìn)行圈舍補(bǔ)貼、飼草料種植補(bǔ)貼以及種公羊補(bǔ)貼[32],使其肉羊養(yǎng)殖量逐年遞增,產(chǎn)生的糞污量也在不斷增多,平均肉羊糞尿量占畜禽糞尿總資源量的69.2%,占據(jù)五原縣糞污的主要部分;其次為豬糞尿和牛糞尿,分別占畜禽糞尿總資源量的22.3%和6.9%。
表2 五原縣不同年份畜禽糞尿可利用資源量
2016-2018年農(nóng)業(yè)廢棄物可利用資源量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤資源總量為836.2萬(wàn)t,其中秸稈資源總量為271.9萬(wàn)t,轉(zhuǎn)化為142.9萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤量,占總資源量的16.8%。畜禽糞污資源總量為1376.6萬(wàn)t,轉(zhuǎn)化為693.2萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤量,占總資源量的83.2%。
如圖1所示,秸稈折標(biāo)煤量變化趨勢(shì)與秸稈資源量趨于一致,秸稈能源化潛力逐年升高,近三年平均折標(biāo)煤量為47.6萬(wàn)t。2018年的秸稈折標(biāo)煤總量最大,為52.4萬(wàn)t,其中向日葵和玉米秸稈折標(biāo)煤量占比較大,其折標(biāo)煤量占比分別為44%和52.8%。五原縣向日葵種植面積和秸稈產(chǎn)量較為穩(wěn)定,其能源化潛力保持穩(wěn)定,而玉米產(chǎn)量在2018年最高,其折標(biāo)煤量也相應(yīng)增多,可利用資源量也隨之增多。
圖1 2016-2018年五原縣農(nóng)作物秸稈折標(biāo)煤量
如圖2所示,畜禽糞污折標(biāo)煤量近三年變化不大,其均值為231萬(wàn)t。羊糞的可利用潛力最高,三年的平均折標(biāo)煤量為168萬(wàn)t,約占總畜禽糞污折標(biāo)煤量的72.7%,其利用方式以能源化和肥料化為主。綜合來(lái)看,畜禽糞污的折標(biāo)煤含量比秸稈高,且畜禽糞污中含有豐富的氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),因此具有很高的利用潛力。
圖2 2016-2018年五原縣畜禽糞污折標(biāo)煤量
五原縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部,河套平原腹地,種植業(yè)發(fā)達(dá),是全國(guó)著名的糧、油、糖及綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。其種植業(yè)結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成,即經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物和其他作物[32],其中占比最大的是經(jīng)濟(jì)作物,主要包括葵花籽、甜菜、黑白瓜籽和藥材。五原縣具有優(yōu)質(zhì)的地理和氣候條件,其向日葵產(chǎn)業(yè)實(shí)力雄厚,種植經(jīng)濟(jì)作物主要以葵花為主[33]。糧食作物主要包括小麥、玉米和薯類作物。五原縣因其獨(dú)特的氣候條件,晝夜溫差大、光照時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)適宜種植小麥,且種植的小麥作物品質(zhì)優(yōu)良,經(jīng)濟(jì)效益高,有利于促進(jìn)其農(nóng)業(yè)的發(fā)展。五原縣的秸稈主要利用方式是作為畜牧業(yè)飼料的來(lái)源[32],2018年五原縣秸稈的綜合利用量為84.5萬(wàn)t,其中肥料化利用量為29.8萬(wàn)t,飼料化利用量為43.6萬(wàn)t,燃料化利用量5.1萬(wàn)t,原料化利用量為6萬(wàn)t,綜合利用量可達(dá)85%。2018年五原縣向日葵秸稈機(jī)械粉碎還田35萬(wàn)畝,玉米秸稈粉碎深松深翻還田6萬(wàn)畝。秸稈還田一方面可增加土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分,提高農(nóng)田養(yǎng)分利用率,尤其可使大量的鉀素還田,對(duì)維持土壤鉀素肥力、減少鉀肥投入尤為重要;另一方面秸稈就地還田還能減少秸稈外運(yùn)產(chǎn)生的收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等成本。玉米秸稈和葵花盤(pán)是當(dāng)?shù)厝庋蝠B(yǎng)殖戶使用的主要飼料來(lái)源。利用農(nóng)作物秸稈養(yǎng)畜,可有效緩解“人畜爭(zhēng)糧”“人畜爭(zhēng)地”的矛盾[5,32]。將農(nóng)作物秸稈混合其他農(nóng)作物材料經(jīng)青貯或微貯等方式加工成飼料可大大減少飼料成本,并實(shí)現(xiàn)廢棄物的綜合利用。五原縣現(xiàn)有正大、力農(nóng)、巴美、羊管家4家飼料加工廠,年生產(chǎn)加工牛羊飼料能力80萬(wàn)t以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年五原縣青貯玉米、農(nóng)作物秸稈成為了飼料加工廠的主要原料來(lái)源,占畜牧業(yè)飼草資源的60%-70%。在秸稈原料化利用方面,因秸稈纖維組織結(jié)構(gòu)強(qiáng),因此可以將其通過(guò)切草、粉碎、干燥、拌膠、鋪裝、預(yù)壓、熱壓和后處理等工序加工成板材進(jìn)行綜合利用。在燃料化利用生產(chǎn)方面,秸稈作為一種重要的生物質(zhì)能,可以將其利用固化成型技術(shù),將秸稈壓制成固體生物質(zhì)燃料進(jìn)行利用。
目前,五原縣各類畜禽糞尿年可收集利用量約為459萬(wàn)t,綜合利用率達(dá)到95%以上,主要處理利用方式為能源化和肥料化利用。五原縣畜牧業(yè)主要以肉羊產(chǎn)業(yè)為主,按照“穩(wěn)羊增牛擴(kuò)豬禽”的思路,五原縣畜牧業(yè)穩(wěn)步發(fā)展[32]。肥料化利用是五原縣畜禽糞污的主要利用方式,包括生產(chǎn)商品有機(jī)肥和簡(jiǎn)易農(nóng)家肥料。河套灌區(qū)土地鹽堿化嚴(yán)重,有機(jī)肥可以成為鹽堿地改良的主要生化調(diào)理劑。五原縣有潤(rùn)澤、巴美、天宇、沃豐、蒙源興禾和眾信6家有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè),年處理畜禽糞便20萬(wàn)t,占全縣畜禽糞尿產(chǎn)生總量的4.4%。農(nóng)村散養(yǎng)戶、小規(guī)模養(yǎng)殖戶仍占據(jù)較大比例,通過(guò)田間地頭或圈舍旁簡(jiǎn)易堆肥發(fā)酵后以農(nóng)家肥的形式進(jìn)行施用。有機(jī)肥施用可改良土質(zhì)、改善種植品質(zhì),有利于實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)亍百|(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)、品牌強(qiáng)農(nóng)”的發(fā)展思路,創(chuàng)建“天賦河套”區(qū)域品牌。五原縣巴美養(yǎng)殖開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司是五原縣糞污資源化處理利用的典型企業(yè),年綜合利用羊糞10萬(wàn)t,年發(fā)電1 200萬(wàn)度,利用沼氣發(fā)電所產(chǎn)生的沼渣、沼液進(jìn)行有機(jī)肥生產(chǎn),逐步形成了集飼草種植、飼料生產(chǎn)、種羊繁育、肉羊養(yǎng)殖、沼氣發(fā)電、有機(jī)肥生產(chǎn)、屠宰加工、冷鏈物流、觀光旅游于一體的肉羊全產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式,綜合效益顯著。
五原縣農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富,種養(yǎng)業(yè)都有自己的特色和主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)廢棄物處理作為連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的中間環(huán)節(jié),具有十分重要的作用。結(jié)合五原縣的種養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)廢棄物種類,可建立不同的農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用模式,實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡。
五原縣擁有多家大型養(yǎng)殖企業(yè),且分布較為廣泛。以大型養(yǎng)殖企業(yè)為主體的全產(chǎn)業(yè)鏈綜合處理利用模式具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)養(yǎng)殖規(guī)模大,需要構(gòu)建以沼氣或堆肥技術(shù)為主且完備的糞污處理系統(tǒng),處理能力強(qiáng),效率高;(2)飼料需求量大,可充分收集利用周邊的農(nóng)作物秸稈;(3)產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng),內(nèi)部循環(huán)多,有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物多級(jí)產(chǎn)品的市場(chǎng)化;(4)目標(biāo)明確,以獲得最大化的綜合效益為終極目標(biāo)。因此,依托大型養(yǎng)殖企業(yè),可實(shí)現(xiàn)縣域內(nèi)大部分的農(nóng)作物秸稈和部分養(yǎng)殖糞污的消納,并可通過(guò)全產(chǎn)業(yè)鏈條的建立,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的多級(jí)循環(huán)及高效利用。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,可通過(guò)以下措施建立并強(qiáng)化該模式:一是出臺(tái)激勵(lì)政策,鼓勵(lì)大型養(yǎng)殖企業(yè)在達(dá)到防疫條件的基礎(chǔ)上,作為廢棄物處理主體收集周邊散戶或中小養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污以及周邊農(nóng)作物秸稈進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行和高值化利用;二是政府幫助大型養(yǎng)殖企業(yè)建立上下游市場(chǎng)渠道,尤其是與種植業(yè)之間的聯(lián)系,有利于實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡和綠色發(fā)展,同時(shí)有利于形成良性的市場(chǎng)機(jī)制,讓企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益,從而更好地促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物的處理與資源化利用。
五原縣養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展主要以中小型農(nóng)戶散養(yǎng)為主,其規(guī)模較小,產(chǎn)生的糞污相對(duì)集中且結(jié)構(gòu)單一,因此在實(shí)際生產(chǎn)中存在糞污處理率低及難以高效利用、抗風(fēng)險(xiǎn)程度差、管理技術(shù)水平低等問(wèn)題。正因?yàn)槿绱耍霈F(xiàn)露天堆放、隨意排放等問(wèn)題,從而給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染。因此,針對(duì)中小型養(yǎng)殖區(qū)和密集散養(yǎng)區(qū)的特點(diǎn),可以根據(jù)分布情況,以村落為單位構(gòu)建第三方運(yùn)營(yíng)的糞污處理中心,并結(jié)合整縣推進(jìn)等項(xiàng)目,在中小型養(yǎng)殖場(chǎng)和散養(yǎng)密集區(qū)配套建設(shè)糞污暫存設(shè)施及集中收集站,將糞污集中收集與處理。這種模式一方面可以減少養(yǎng)殖戶對(duì)糞污處理設(shè)備的投資和運(yùn)營(yíng)成本,減緩環(huán)保壓力,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的專業(yè)化處理,提高其處理效率;另一方面該模式有利于形成多個(gè)新型經(jīng)濟(jì)體,服務(wù)于第三方處理中心的上下游,可更好地將養(yǎng)殖和種植聯(lián)合起來(lái),助力產(chǎn)業(yè)扶貧和鄉(xiāng)村振興。
五原縣農(nóng)業(yè)發(fā)展穩(wěn)定,農(nóng)業(yè)廢棄物資源量豐富且呈逐年上升趨勢(shì),利用潛力大。五原縣種植業(yè)主要以玉米和向日葵為主,秸稈產(chǎn)生的高峰期在每年7-9月,以飼料化和肥料化為主,年利用率可達(dá)85%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展主要以肉羊、豬、牛為主,其產(chǎn)生的糞便以肥料化、能源化利用為主,但存在糞污資源量分布較散、收集困難、糞污處理設(shè)施配套率低、難以進(jìn)行高效的資源化利用等問(wèn)題。針對(duì)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物的組成特點(diǎn)及利用需求,提出以大型養(yǎng)殖企業(yè)為主體的全產(chǎn)業(yè)鏈綜合處理利用模式以及以第三方處理中心為主體的專業(yè)化運(yùn)營(yíng)模式,有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用以及種養(yǎng)結(jié)合,促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。