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摘要：本文設計了一套以沼氣工程為紐帶的礦區(qū)土地恢復生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)袁城市廢棄物通過厭氧消化工藝進行處理遙所產(chǎn)生的沼氣用作礦區(qū)土地恢復園區(qū)的生活燃氣袁多余的沼氣用于發(fā)電袁為恢復園區(qū)提供電能曰所產(chǎn)生的沼渣制作成固態(tài)有機肥袁用作園區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)所需肥料曰所產(chǎn)生的沼液制作成液態(tài)有機肥袁用作園區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)所需液肥袁多余的液肥通過凈化系統(tǒng)凈化袁用作園區(qū)的灌溉用水袁實現(xiàn)零排放遙園區(qū)所種植的有機農(nóng)產(chǎn)品可供居民食用袁從而建立可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)遙介紹了系統(tǒng)的設計方案堯理論設計及計算方法袁并對效益進行了分析袁以期為礦區(qū)的土地恢復提供參考遙

關鍵詞：生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)；沼氣工程；生態(tài)農(nóng)業(yè)；土地恢復；節(jié)能減排；礦區(qū)

由于對礦產(chǎn)資源開采會帶來許多生態(tài)問題袁開采以后的礦區(qū)多數(shù)變成廢地等難以利用的土地袁因而如何恢復和利用這些因礦變廢的土地是目前需要解決的問題[1-2]遙世界上發(fā)達國家礦區(qū)治理的土地面積基本上可以達到因開礦變廢土地的1/2以上袁甚至有的國家可以達到3/4遙我國在這方面的工作遠遠落后于發(fā)達國家袁但近年來也有了較大的進步袁自恢復2%達到2012年復墾15%袁但依然遠遠落后于發(fā)達國家的復墾率袁特別是近年來礦區(qū)荒廢地的面積依然在持續(xù)增加袁總面積達到200萬hm2[3-6]遙在礦區(qū)荒廢地持續(xù)增加的同時袁我國的人口也在持續(xù)增加袁人均耕地面積僅0.1hm2[7]袁特別是近年來袁全國耕地面積逐年減少袁逼近1.2億hm2耕地紅線[8]遙因此袁礦區(qū)廢棄土地的治理與改善袁能夠補充當?shù)剞r(nóng)耕地的不足袁保障糧食安全[9]遙同時袁隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進袁城市廢棄物處理的問題呈現(xiàn)兩大特點袁即數(shù)量龐大和處理效果不佳遙如果建立以沼氣工程為紐帶的礦區(qū)土地恢復生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)袁實現(xiàn)城市廢棄物的資源化利用袁利用所產(chǎn)生的沼肥替代化肥農(nóng)藥袁發(fā)展現(xiàn)代化的可持續(xù)農(nóng)業(yè)袁實現(xiàn)礦區(qū)土地的恢復是非常有必要的袁不但恢復了礦區(qū)土地袁解決了糧食危機和食品安全袁而且解決了城區(qū)的環(huán)境問題[10-11]遙

1設計方案

將城市居民所產(chǎn)生的廢棄物淵如公廁糞便堯餐廚垃圾堯生活污水冤收集到預混加熱池袁通過以太陽能堯空氣源熱泵堯沼氣發(fā)電余熱為基礎的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)加熱后袁把廢棄物加入自行設計的氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應器遙經(jīng)過厭氧消化后袁所產(chǎn)生的沼氣一部分用作礦區(qū)土地恢復園區(qū)的生活燃氣袁多余沼氣用于發(fā)電袁為園區(qū)提供電能袁并對發(fā)電余熱進行回收曰將產(chǎn)生的沼渣制作成固態(tài)有機肥袁用作園區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)所需肥料曰將產(chǎn)生的沼液袁一部分制作成液態(tài)有機肥袁用作園區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)所需液肥袁剩余部分利用光伏水泵打入到高位水池袁依次通過自流的方式進入自行設計的軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器袁實現(xiàn)達標排放袁用作園區(qū)的灌溉用水遙園區(qū)可以建設采摘園堯發(fā)展休閑農(nóng)業(yè)和旅游觀光袁為居民提供有機食品袁實現(xiàn)了物質(zhì)循環(huán)和能量流動袁建立了一套完整的礦區(qū)土地恢復生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)淵圖1冤遙

2理論設計及計算

本作品設計400hm2的礦區(qū)恢復土地袁其中66.67hm2用于屋舍的建立袁主要包括4層多功能綜合樓淵一層展示廳堯二樓會議室堯三樓辦公室堯四樓研發(fā)實驗室冤堯冷庫堯接待賓館堯小型休閑娛樂公園堯特色餐廳堯產(chǎn)品交易大廳堯園工宿舍堯露天活動場所堯道路景觀等曰剩余333.33hm2用于發(fā)展現(xiàn)代化生態(tài)有機農(nóng)業(yè)遙

2.1礦區(qū)土地恢復工藝設計

本作品設計用于發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效土地面積為333.33hm2袁以平均1hm2土地每年約需150t沼肥計算袁每年需要沼肥5萬t遙本作品擬建立5000m3的氣液聯(lián)合攪拌CSTR反應器袁采用中溫30益發(fā)酵袁水力滯留時間為15d袁每天可處理大約300t的城市廢棄物袁年產(chǎn)沼渣約5000t淵15t/d冤袁用于農(nóng)業(yè)發(fā)展所需基肥袁年產(chǎn)沼液約10萬t淵285t/d冤袁其中5萬t用于農(nóng)業(yè)發(fā)展所需追肥袁剩余5萬t通過軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器處理淵其中軟硬雙床AF為300m3袁HRT=2d曰雙填料好氧凈化器為150m3袁HRT=1d冤袁實現(xiàn)達標排放袁用于發(fā)展農(nóng)業(yè)及其園區(qū)綠化的灌溉用水袁年產(chǎn)沼氣約120萬m3淵3500m3/d冤袁每天平均約1500m3的沼氣用于生活燃氣淵餐廳和有機肥加工所用冤袁2000m3的沼氣用于發(fā)電袁為園區(qū)設施提供電能遙

2.2礦區(qū)土地恢復熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)的設計

本作品設計以太陽能堯空氣源熱泵堯沼氣發(fā)電余熱為基礎的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)袁由于云南當?shù)赜休^好的光照條件袁所以選擇以太陽能與沼氣發(fā)電余熱回收加熱為主堯熱泵為輔的加熱方式遙每天加熱約300m3的物料袁配備循環(huán)水箱為60m3袁對于沼氣工程袁由能量守恒定律可知袁輸出淵損失冤的能量和輸入淵獲得冤的能量應相等袁才能保證整個系統(tǒng)的溫度恒定遙沼氣工程每天損失的能量主要是厭氧消化罐及管道散熱和每天新增投料所需熱量袁發(fā)酵產(chǎn)生的生物化學熱量相對于外加熱量小得多袁故忽略不計[12]遙

2.2.1每天沼氣發(fā)酵所需熱量的計算遙淵1冤厭氧消化罐投料損失的熱量[12]遙厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式院Q1=cm淵TD-TS冤式中院c要料液的比熱容淵新鮮料液質(zhì)量分數(shù)為4%~6豫袁可近似取水的比熱容冤袁為4.2kJ/淵kg窯益冤曰m要每天進入沼氣池的新鮮料液量袁為300t曰TD要沼氣發(fā)酵罐內(nèi)料液的溫度袁為30益曰TS要新鮮料液的溫度袁為5益遙經(jīng)計算袁Q1=31500000kJ遙淵2冤厭氧消化罐散熱損失的熱量遙厭氧消化罐散熱損失的熱量計算公式院Q2=24伊淵TD-TA冤/[移bi/淵姿i伊Si冤+1/淵琢伊S0冤]式中院Q2要罐內(nèi)向罐外散發(fā)的熱量袁即罐體散熱損失袁單位為kJ曰Si要罐頂堯罐壁和罐底散熱面積分別為314堯1256堯314m2曰S0要罐頂和罐壁散熱總面積袁為1570m2曰TA要罐外介質(zhì)溫度袁10益曰琢要罐外壁熱轉(zhuǎn)移系數(shù)袁為10W/淵m2窯益冤曰bi要罐體各部結(jié)構(gòu)層袁保溫板厚度為100mm袁罐底基礎為鋼筋砼袁厚度為1000mm曰姿i要罐體各部結(jié)構(gòu)層袁保溫板導熱系數(shù)為0.042W/淵m窯益冤袁鋼筋砼導熱系數(shù)為1.3W/淵m窯益冤遙經(jīng)計算袁Q2=240000kJ遙淵3冤循環(huán)水箱及其管道散熱損失的熱量遙循環(huán)水箱散熱損失的熱量計算公式院Q3=24伊淵TN-TA冤/[移bx/淵姿i伊Sx冤]式中院Q3要箱內(nèi)向箱外散發(fā)的熱量袁即箱體散熱損失袁單位為kJ曰Sx要箱頂堯箱壁和箱底散熱面積袁分別為12堯63堯12m2曰TN要箱內(nèi)水體溫度袁為35益曰TA要箱外介質(zhì)溫度袁為10益曰bx要箱體保溫板厚度袁為100mm曰姿i要箱體保溫板導熱系數(shù)袁為0.042W/淵m窯益冤遙經(jīng)計算袁Q3=22000kJ遙水管的熱量損失較小袁可忽略不計遙因此袁每天沼氣發(fā)酵罐總的熱損失為Q=Q1+Q2+Q3=31762MJ遙

2.2.2以太陽能堯空氣源熱泵堯沼氣發(fā)電余熱為基礎的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)的設計遙淵1冤沼氣發(fā)電余熱回收的計算[13-14]遙沼氣發(fā)電余熱利用是指在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)過程中袁通過回收發(fā)電余熱中的熱量來加熱發(fā)酵料液遙本作品設計每天大約有2000m3的沼氣用于發(fā)電袁如果采用國產(chǎn)沼氣發(fā)電機組袁1m3沼氣大約可發(fā)電1.5kW窯h袁則每天可產(chǎn)生電能3000kW窯h袁按55%CH4含量計算袁1m3沼氣燃燒放熱為20MJ袁則沼氣燃燒可產(chǎn)生熱量Q熱=40000MJ袁沼氣發(fā)電與煙氣回收所產(chǎn)生的余熱利用率為50%左右袁則每天發(fā)電余熱回收為Q余=0.45伊Q熱=20000MJ遙淵2冤太陽能加熱循環(huán)水的計算[15-17]遙每天沼氣發(fā)酵罐所需熱量為31762MJ袁沼氣發(fā)電余熱回收熱量為20000MJ袁所以還需太陽能提供11762MJ的熱量袁本作品設計利用太陽能加熱時間為4h遙太陽能熱管加熱系統(tǒng)日均集熱量公式院Q=AI濁j淵1-濁s冤2式中院A要集熱器采光面積淵m2冤曰I要集熱面上日平均輻射強度袁為22MJ/淵m2窯d冤曰濁j要集熱器全日集熱效率袁取0.55曰濁s要管路及儲水箱熱損失率袁取0.1遙經(jīng)計算袁A=2200m2遙淵3冤空氣源熱泵加熱循環(huán)水的計算[18-19]遙由于太陽能熱水系統(tǒng)受平均日輻射量堯日照時間堯氣溫堯氣象特點堯氣候等因素影響較大袁不能全天候工作袁須設置其他熱源聯(lián)合或輔助加熱裝置遙本作品采用空氣源熱泵輔助加熱袁實現(xiàn)高效節(jié)能的新型熱水系統(tǒng)遙一旦太陽能熱水器受到天氣影響袁則空氣源熱泵啟動袁代替太陽能熱水器工作袁需要輸出11762MJ的熱量袁即3293kW窯h遙一般情況下袁2200~2600W都可稱為1匹遙本作品擬設定空氣源熱泵的工作時間為5h袁2.2kW為1匹袁由以下公式計算院N=Q/淵T窯W冤可得N=300遙故空氣源熱泵應匹配300匹遙

2.3以沼氣發(fā)電和光伏水泵為基礎的聯(lián)合進料泵系統(tǒng)的設計本系統(tǒng)擬設計軟硬雙床AF的日進料量為150t袁每天的有效光照時間為8h遙因此袁在內(nèi)至少要抽水150m3袁擬配備8h內(nèi)抽水200m3的泵系統(tǒng)袁即每小時25m3袁總揚程為8m袁以預防天氣影響袁需有150m3的蓄水池袁擬建高位蓄水池為180m3袁如果出現(xiàn)連續(xù)陰天或低溫天氣袁則利用沼氣發(fā)電系統(tǒng)輔助遙提水系統(tǒng)水功率的計算公式[20-21]院Npf=籽gQH3.6k1k2k3式中院Npf要提水系統(tǒng)水功率淵W冤曰Q要水泵所需流量淵m3/h冤曰H要系統(tǒng)總揚程淵m冤曰g要重力加速度淵m/s2冤曰籽要水密度淵kg/m3冤曰k1要流量修正系數(shù)曰k2要提水機具形式修正系數(shù)曰k3要電力傳動形式修正系數(shù)遙經(jīng)計算袁得Npf=968W抑1kW遙光伏陣列容量計算公式院N=k4k5Npf式中院N要光伏陣列的容量淵W冤曰k2要太陽能資源修正系數(shù)曰k3要光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數(shù)遙經(jīng)計算袁得N=800W。

3效益分析

3.1礦區(qū)土地恢復工藝系統(tǒng)的效益分析本作品擬建立氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應器5000m3袁軟硬雙床AF300m3袁雙填料好氧凈化器150m3袁年產(chǎn)沼氣約120萬m3袁年產(chǎn)沼渣約5000t袁年產(chǎn)沼液約10萬t袁其中5萬t用于農(nóng)業(yè)發(fā)展所需追肥袁剩余5萬t通過軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器處理袁實現(xiàn)達標排放袁用作發(fā)展農(nóng)業(yè)及其園區(qū)綠化的灌溉用水遙本作品采用自行研發(fā)的氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應器袁避免了傳統(tǒng)的CSTR反應器葉輪易腐蝕堯維修費用高堯氣密性差等問題袁在沼液的凈化上采用自行設計的軟硬雙床AF和雙填料好氧折流溝袁利用高位差袁實現(xiàn)自流凈化袁可達到二級排放標準遙具體工藝處理效率見表1遙厭氧消化工藝減排符合清潔發(fā)展機制CDM野可再生能源替代化石燃料冶和野甲烷回收冶2個規(guī)定項目[22]遙其減排量是野替代煤炭的減排冶野回收甲烷的減排冶和野燃用沼氣的排放冶三者之和袁即CDM減排量計算公式院E1+E2原E3=E遙計算如下[23]院淵1冤替代煤炭的減排E1遙本作品年產(chǎn)沼氣約120萬m3袁沼氣的折標煤系數(shù)為0.714kg/m3袁即相當于856.8t的標煤遙根據(jù)葉京都議定書的三機制及其方法學曳標煤要2.658二氧化碳排放系數(shù)計算院標煤856.8t伊2.658=2277t二氧化碳遙淵2冤回收糞便自然分解釋放甲烷而形成的減排E2遙以厭氧消化工藝的產(chǎn)氣量直接計算甲烷的回收量遙厭氧消化工藝總產(chǎn)氣量為120萬m3袁其中甲烷含量為60%袁即72萬m3堯518t淵甲烷密度0.72kg/m3冤袁按甲烷21倍碳當量計算袁本作品回收甲烷每年減排二氧化碳10878t遙淵3冤燃用沼氣產(chǎn)生的二氧化碳排放E3遙燃燒72萬m3甲烷產(chǎn)生72萬m3堯1420t二氧化碳淵二氧化碳密度1.972kg/m3冤曰另外袁120萬m3沼氣中還含35%堯42萬m3堯830t的CO2遙因此袁燃燒120m3沼氣共排放二氧化碳1420t+830t=2250t/年遙由此袁每臺沼氣池每年形成的二氧化碳減排量院2277+10878-2250抑1萬t遙本作品設計年產(chǎn)沼肥5.5萬t袁可供333.33hm2土地施肥1年袁可以替代333.33hm2土地1年所用的化肥堯農(nóng)藥袁有效解決了食品安全問題遙本作品年產(chǎn)灌溉用水5萬t袁節(jié)約園區(qū)5萬t的水資源遙

3.2礦區(qū)土地恢復熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)的效益分析本作品設計以太陽能堯空氣源熱泵堯沼氣發(fā)電余熱為基礎的熱電聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)袁其中沼氣發(fā)電余熱回收熱量為20000MJ/d袁以空氣源熱泵輔助的太陽能加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量為11762MJ/d蒲小東等[24]通過一個豬場廢水處理沼氣工程袁研究3種不同加熱方式的經(jīng)濟效益袁發(fā)現(xiàn)沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式明顯優(yōu)于其他加熱方式遙因此袁本作品優(yōu)先采用沼氣發(fā)電余熱回收的熱量對沼氣工程系統(tǒng)進行加熱遙因為云南具有得天獨厚的太陽能資源袁所以剩余所需熱量由以空氣源熱泵輔助的太陽能加熱系統(tǒng)進行加熱遙本文對劉榮向等[25]統(tǒng)計的加熱系統(tǒng)的效益數(shù)據(jù)進行了分析總結(jié)袁所得具體參數(shù)見表2遙由表2可知袁從運行費用上看袁使用燃煤熱水鍋爐和空氣源熱泵熱水+太陽能兩者運行費用很接近袁最為經(jīng)濟袁但是從環(huán)保角度考慮使用空氣源熱泵熱水+太陽能最為環(huán)保遙綜合考慮袁以空氣源熱泵熱水輔助太陽能加熱系統(tǒng)最為經(jīng)濟堯環(huán)保遙

3.3以沼氣發(fā)電和光伏水泵為基礎的聯(lián)合進料泵系統(tǒng)的效益分析本系統(tǒng)以光伏水泵進料為主袁在出現(xiàn)連續(xù)陰天或低溫天氣袁并導致輻射強度較弱時袁采用沼氣發(fā)電輔助進料遙光伏水泵系統(tǒng)一般由光伏陣列堯控制逆變器和水泵3個部分組成袁其中光伏陣列由多個光伏組件串并聯(lián)而成袁其作用是將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換成直流電曰控制逆變器的作用則是將直流電變?yōu)榻涣麟娫λ眠M行自動化控制曰而水泵的作用是將水從低處提到高處袁它一般為三相交流水泵[26]遙光伏水泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的柴油機水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)相比具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢[27]遙本作品采用水泵額定功率為1kW的提水系統(tǒng)袁采用不同的發(fā)電系統(tǒng)袁建造成本也不相同袁其中光伏水泵系統(tǒng)最高袁為1.47萬元曰交流電水泵系統(tǒng)最低袁為0.04萬元遙但運行25年的費用袁光伏水泵系統(tǒng)最低袁為0元曰而柴油機水泵系統(tǒng)最高袁為11.68萬元遙因此袁雖然光伏水泵系統(tǒng)建造成本最高袁但運行和維護成本都最低袁25年運行下來袁光伏水泵系統(tǒng)最為經(jīng)濟適用遙光伏水泵系統(tǒng)相對于柴油機水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)的這種經(jīng)濟優(yōu)勢在一些無電的山區(qū)更為明顯[28]遙4推廣應用前景本作品采用的厭氧消化工藝是完全密封的袁不會對空氣造成污染袁而且可以保留有機物中的氮素袁所產(chǎn)生的沼肥對今后發(fā)展有機農(nóng)業(yè)堯可持續(xù)農(nóng)業(yè)起著至關重要的作用袁建立以沼氣工程為紐帶的礦區(qū)土地恢復生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)袁發(fā)展現(xiàn)代化的可持續(xù)農(nóng)業(yè)袁帶動采摘堯旅游觀光堯休閑娛樂等服務業(yè)是未來礦區(qū)土地恢復的一種高效模式[29]袁具有良好的經(jīng)濟效益堯社會效益堯生態(tài)效益堯能源效益遙而且袁本作品采用的新型工藝系統(tǒng)適用于很多有機廢棄物的處理袁如養(yǎng)殖場廢棄物堯公廁糞便堯屠宰場廢水堯酒精廠廢水堯蔬菜廢棄物等袁具有良好的推廣應用前景遙5

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作者：王善迪1伍艷萍2周萍3尹芳1王昌梅1趙興玲1吳凱1劉士清1張無敵1 單位：1云南師范大學2紅河州農(nóng)村能源工作站3建水縣農(nóng)村能源工作站