农沼结合发展模式典型案例调研与模式优选

姚 利，王艳芹，郭 兵

（1山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南250100；2农业农村部废弃物基质化利用重点实验室，济南250100）

0 引言

随着农村城镇化和集约化种养业的快速发展，各类作物秸秆及人、畜禽粪便产生量日益增大，而收集处理能力严重不足，造成污染环境的问题日益严重[1]。特别是大型养殖场产生的粪便污水如果贮存处理不当，极易对周边的水体、土壤和空气质量造成严重污染。中国相关部门也采取了积极的应对措施以缓解或治理畜禽污染现状，并资助推广了大量的畜禽养殖污染防治工程[2]。其中，沼气化利用是畜禽粪便资源化的一种有效方式[3]，一方面可以消纳废弃物，解决环境污染问题；另一方面，能持续稳定运行并能获得一定的经济利益[4]。农沼结合发展模式是以沼气工程为核心，包含安全养殖、废弃物处理、生态种植、农产品加工等环节的复杂系统[5]，因此，其模式类型多样，规模差异巨大，循环链条长短不一，造成了国内沼气工程运转不佳、总体效益不高的现状。目前国内的研究大多停留在某一类型，侧重于沼气工程技术[3]、模式构建与评价[4-5]、效益分析[6]等方面，一般只涉及沼气工程和沼渣沼液利用2 个环节，缺少对各个环节的总体评价。因此，有必要对农沼结合模式各种类型进行归纳分析，深入研究如何对模式链条进行延伸，提出可供借鉴的种养结合模式。

本研究针对不同养殖模式、不同养殖规模，选取养猪、养牛、养鸡等大中小不同规模的养殖场，以及粮田、蔬菜、果树等不同作物基地，开展其养殖—沼气—农业结合方式的调研。通过对典型案例进行分析，了解其模式结构、功能与短板，以及与资源、环境的关系，从而判断其技术经济可行性，提出优选的农沼结合模式，以期对沼气工程健康发展和废弃物资源化提供参考，实现农业内部的良性循环。

1 农沼结合典型模式

1.1 模式类型：农作物副产品—酒糟喂猪—沼气工程—土壤改良—小麦/玉米种植

该模式的典型案例是滨州泰裕麦业有限公司三沼循环利用模式。该企业利用自有土地轮作种植小麦、玉米，小麦生产面粉、小麦蛋白、酒精，集团内的酒精厂所产酒糟（液体蛋白）和玉米饲料用于养猪，利用小麦蛋白废水和猪粪水联合发酵产沼气，形成养殖—沼气—种植—食品加工全链条产业模式。该模式实现了全链条无污染物排放，且所有废弃物均获得高附加值转化。利用酒糟养猪，大大降低了养猪饲喂成本，提高了养殖单元的效益和风险承受力。小麦蛋白生产车间排出的废水为60℃高温，因此沼气发酵得以在全年稳定的高效维持，而沼气工程的良好运行确保了整个系统的运转。沼液的培肥效应以及土地的休耕操作，加成了土壤的改良效果，为下一步循环农业链条的延长奠定了基础。该模式体现了规模效应以及全产业链在沼气工程系统的重要性，表现了很好的经济效益和生态效益，是种养结合模式的典范。

1.2 模式类型：养殖废弃物—沼气工程—沼肥外送

该模式为多数养殖企业选择的模式，用沼渣和干粪混合发酵生产有机肥，沼液免费供应附近农户。此种模式为单一的废弃物沼气化利用模式，项目业主只涉及到了养殖和沼气2 个环节，沼渣沼液的利用缺乏针对性，与农业生产是有些脱节的。废弃物只实现了能源化这样一条资源化途径，没有实现生态农业的循环。

1.3 模式类型：养殖小区—沼气工程—集中供户—生态农业—休闲餐饮

该模式的典型案例是山东淄博淄川区法家村沼气供户工程。该工程利用各养殖小区收集到的畜禽粪便和秸秆作为发酵原料，生产的沼气用于村庄集中供户，沼渣、沼液供应生态采摘园，通过流转土地建设规模化温室大棚，大棚种植草莓、蓝莓、西瓜、西红柿、辣椒、猕猴桃、樱桃、雪梨等高附加值无公害果蔬产品。自产自销的沼液、沼渣代替农药、化肥，种植做到零污染、零化肥、零农药，不仅大大降低了生产成本，提高了果蔬产量，而且价格高出市场价3～5 倍仍供不应求。形成了一条集废弃物制沼、果蔬种植、观光采摘、休闲餐饮等于一体的循环农业产业链。

1.4 模式类型：养殖废弃物—固液分离—多元化利用—有机农业

该模式的具体案例是山东银香伟业集团废弃物循环利用模式，该模式是以生态养殖作为切入点，将农作物秸秆转化为养殖的优质饲料；在生产肉蛋奶制品的同时，将固液分离后的畜禽粪便和养殖污水分别进行生物加工和厌氧发酵，获得卧床垫料、有机肥和沼气，卧床垫料和沼气回用于养殖场，沼液培肥土壤，生产有机农作物，实现整个生产过程的绿色循环，探索“有机共生经济模式”。通过农牧并举、种养结合，实现了污水零排放、沼气全利用、粪肥全还田，在不断发展的同时保护了环境和生态。

1.5 尾菜—沼气工程—蔬菜大棚

该模式的具体案例为山东恒源农业有限公司蔬菜废弃物利用模式，该模式的特点为源于蔬菜，归于蔬菜。园区产生的废弃物为尾菜和蔬菜秸秆，经过中型规模的沼气工程处理后，产生的沼渣沼液又回用于蔬菜种植中，沼气燃烧产生的二氧化碳还可以补充温室内的气肥。整个循环均在一个封闭的园区内，实现了废弃物的原位资源化，降低了物质流转的成本。

1.6 模式类型：大型养殖场—沼气发电—沼液浓缩—有机种植农业

该模式的具体案例为山东民和牧业有限公司的沼液高值化利用模式，该模式填补了沼液浓缩提纯的技术空白，实现沼液高附加值的利用，做到了经济性和零排放。沼液先经过新型生化系统，采用了先进的物料分离技术及膜浓缩提纯技术，保全了沼液中的营养成分，同时可回收大量水资源。在浓缩提纯生产液体肥的工艺中，不添加任何化学试剂，获得高效的、生物的、环保的有机液体肥。实现了生态环境的保护、优化与资源全方位高效整合利用以及污染零排放、效益最大化，给企业、社会带来显著的经济、社会以及生态效益。

2 模式结构、功能与短板

2.1 模式结构

农沼结合模式是以沼气工程为纽带，把种植业和养殖业有机的结合为一体，具有低资源消耗高产出型特征，且环境安全和可持续发展的生态循环经济系统[7]。在工艺选择上，遵循资源化、减量化、无害化和生态化原则，坚持以利用为主，利用与污染治理相结合。遵循生态学、经济学的科学发展观，以“整体、协调、循环、再生”为总的指导思想，形成一个经济、合理、完整、多层次、多功能的良性循环系统，促进物质和能量的循环，符合可持续发展的要求。

2.2 模式功能

该模式将农牧废弃物通过沼气工程进行密闭发酵，可以同时对固、液废弃物进行处理，不仅保护水体和土壤，也大大减少了臭气对大气环境的影响，废弃物得到无害化处理和资源化利用，获得清洁能源和有机农产品。模式中所生产的沼气和电力是清洁能源，沼气工程产生的沼渣沼液是优质有机肥和绿色添加剂，可用于叶面肥、浸种、无土栽培营养液或生物农药，提高农作物产量和品质[8]，实现企业、环境、群众三方获益的功能。

2.3 模式短板

（1）大多数沼气工程规模较小，所产沼气无法发电并网，如果用作燃料或小型发电，其沼气产量和企业需求不匹配，因此沼气的经济效益无法得到充分体现。同时由于沼气工程冬季产气量低下，影响了业主正常运转工程的积极性。（2）由于养殖场和周围的农田大都不是同一个业主，沼渣沼液的利用没有系统性。从沼液的贮存、运输到应用，缺乏有效的管理与统筹安排，导致很多沼气站沼液大量存放，没有得到有效利用，更谈不上商品化利用。（3）沼液的应用除了在储运方面存在设施和管理上的困难，在理论和效果上也存在技术瓶颈。由于沼肥的品质差别很大，对不同作物和土壤的效果尚未明确，且有可能含有重金属、抗生素等有毒有害成分，因此在肥效和安全性方面缺乏保障[9-10]。

3 模式与当地资源及经济社会条件的适宜匹配度

农沼结合模式的主要特点是，以沼气工程为纽带，将养殖业和种植业有机的连接在一起，模式中的废弃物得到充分处理并资源化。影响此模式的主要因素是沼气工程的运行情况以及循环链条的完整性。

农沼结合模式的要点是养殖场—沼气工程—种植业链条中各个环节的无缝连接。首先沼气工程要能完全处理养殖场的粪便污水等废弃物，同时经沼气工程处理后的沼渣沼液又能被种植业完全消纳，实现生态农业的循环。该模式适应了国家资源循环利用的需求，是解决中国可持续发展中合理利用资源和防治污染的根本途径，是转变经济发展方式，建设资源节约型、环境友好型社会的重要措施。但由于目前农业生产中畜牧业和种植业的脱节，此模式在发展中仍旧存在不少问题。比如养殖业主一般不了解沼气工程的管理运行，养殖场通常与种植业的联系也不密切，仅有少数综合性企业实现了种养结合。

4 农沼结合发展模式对区域资源与环境影响

沼气工程的建设可以将农业、畜牧业中的废弃物进行有效处理和综合利用，畜禽粪便、尾菜秸秆以及食品加工废弃物，都可以为沼气工程提供充足的原料；沼气可以改善企业的用能结构；沼渣沼液作为有机肥料，可减少农田化学肥料施用量。大型沼气工程的建设，可以统筹解决一个乃至数个乡镇区域内农业废弃物的资源化处理，该模式可以实现资源有效利用，有利于带动地方经济的发展。

农沼结合发展模式实现了生态环境的保护、优化与资源全方位高效整合利用以及污染零排放、效益最大化，给企业、社会带来显著的经济、社会以及生态效益[11]。

5 农沼结合发展模式科技支撑评价

农沼结合模式中围绕废弃物利用的科技支撑主要有3个方面，首先是适合各类废弃物、不同发酵浓度的沼气工艺，其次是沼渣沼液在不同作物上的应用技术，再次是应用沼渣沼液后对土壤乃至生态环境的影响。

5.1 沼气工艺技术

建立沼气工程的重点是处理农业废弃物的同时实现“三沼”的高值利用。湿法沼气工艺经过多年发展已经较为成熟，CSTR、USR和HCF工艺适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程[12]。在沼气利用方面，沼气集中供气、沼气发电、沼气烧锅炉等用途都很常见，沼气提纯技术也已成熟[13]。

目前，沼气技术应用的瓶颈在于常规浓度发酵后产生大量的沼液，需要匹配足够面积的土地用于消纳。如果能够实现干湿分离，高浓度粪便进行干发酵，废水经过处理后直接排放，则可大大降低环境压力。同时干发酵工艺也更适合粪便、秸秆、尾菜、食品加工废弃物等固态废弃物的处置。目前针对干发酵工艺已开展了包括工艺、设备、不同物料等方面的研究开发，但大规模的干发酵技术在连续进出料、发酵物料的均匀性以及毒性因素控制等方面均有待突破，成功运行的工程案例较少。针对低固体含量的养殖废水处理的技术难点在于，常规水处理工艺处理高浓度的养殖废水运行成本太高，同时高浓度的氮磷指标难以降解，随意排放水体易造成水体富营养化污染。

5.2 沼渣沼液应用技术

沼液富含营养物质及微量元素，且营养元素基本上是以速效养分形式存在的，具有较高的利用价值[10]。合理利用沼液可以提高农产品的产量和品质，改良土壤理化特性，提高土壤肥力，并且减少化肥使用量，降低生产成本[14]。因此肥用是沼渣沼液目前最主要的利用方式，也是低成本的资源化利用方式[15]。

较为成熟的沼渣沼液肥用方式有以下几种：一是浇灌施用，二是作为叶面肥施用，三是沼渣沼液分离后将沼渣制成有机肥料施用[15]。

但由于原料和发酵过程的差异导致沼渣沼液在产量、浓度、成分方面的不确定性，所以沼肥利用效果和报道的重现性较差，可参考性不强[16-17]。

5.3 沼渣沼液的环境应用评价

沼液含有的氮、磷、钾等营养元素可提高土壤肥力，含有的腐殖酸等有机质可促进土壤团粒的形成，含有的生物活性物质可增强微生物及酶活性，进而调节土壤理化性质，改善植物生长环境[18]。

尽管沼渣沼液肥用方面的研究和应用已在多种作物上开展，但目前大多数的报道还集中在对作物的应用效果方面，沼肥对环境影响的研究偏重于在土壤肥力、微生物区系等方面，对其由于成分、理化特性等产生的负面影响或环境污染尚无明确的结论。

应用沼渣沼液后，对土壤、地下水、以及农业生态产生的短期乃至长期的影响，尚无明确的研究结论。特别是沼渣沼液多为畜禽粪便发酵而来，畜禽粪便中含有的重金属、抗生素等有毒有害成分，大部分都会进入沼渣沼液中，同时大多数沼渣沼液的pH 值为偏碱性，长期使用对土壤特别是盐碱土的影响尚不明确。

6 农沼结合发展模式优选

农沼结合模式整个循环涉及到养殖业、沼气工程、种植业，乃至种植业的下游环节，相邻每个环节的连接必须非常紧密，否则整个循环就难以运转。每一个环节产生的废弃物都必须被下一环节完全处理并实现资源化，否则就会造成环境的污染和资源的浪费。但由于目前种养脱节的现状，大部分企业实施起来都有一定的困难。

农沼结合模式的要素有以下4点：（1）有沼气工程能够完全处理养殖场或种植业产生的废弃物；（2）沼气工程得到规范有效的管理，能够全年正常产气，农业废弃物降解充分；（3）沼气工程周边有足够的土地消纳沼渣沼液；（4）沼渣沼液利用渠道通畅，沼液输送设施完善。

鉴于农沼结合模式的几项要素，为使该模式能够正常运行，优选的模式首先要能实现养殖、沼气工程、种植规模上的匹配[19]，即每一环节产生的废弃物都能被下一环节充分处理并利用，该条件可以通过统筹种养建设规模、拉长循环链条等方式实现，合理布置物质和能量的多级利用，建立农业废弃物基质化循环利用参与主体间的连接机制[20]；其次是通过建立资源循环利用机制、生态价值补偿机制及利益合理分配机制[21]，提高物质、能源循环的价值，即充分挖掘各类废弃物的价值潜力，提高资源化水平及产品附加值；再次是减少模式中循环路径环节的消耗，尽可能实现废弃物原位循环、就地资源化，减少人员、运输、管理等方面的成本。

7 结论与讨论

（1）以沼气为纽带连接养殖和种植业，是解决废弃物资源浪费、环境污染以及促进农牧业增值的有效手段。此模式想达到运转良好并获得效益，在技术上需要解决沼肥适量使用和环境安全性问题，在产业设置上需要打通农、牧业和沼气工程之间的界限，在管理和制度上需要完善补偿和分配机制，实现种养有机结合，提高废弃物资源利用效率。

（2）本研究区别于仅从沼气工程运行状况、沼渣沼液利用或经济效益分析等单环节研究，从农沼结合模式的产业全链条进行分析，提出满足模式良好运转需要从种—养—沼规模匹配、循环链条延伸、提高资源价值及循环路径缩短等方面进行考虑，最终达到技术可行、经济合理的目的。

（3）本研究主要是以山东省为调查区域，案例调研一定程度上具有地域的局限性。山东省作为畜牧大省和蔬菜大省，以集约化养殖和高标准设施蔬菜产业为代表，畜牧业和农业生产均具有规模效应，同时天然气具有较大缺口且价格较高，因此规模性产业易于产生效益。本研究结论是否能在农牧业规模相对分散的区域实践，有待于进一步论证。

（4）本研究采用现场调研的方式开展模式研究，案例分析尚不够深入，后期拟开展针对该模式的物质流、能量流以及价值流测算与评价，对模式的能值效率和可持续发展能力进行分析，以期为系统的高效运行提供理论支撑。