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摘要：本文設計了一套以沼氣工程為紐帶的礦區土地恢復生態循環系統袁城市廢棄物通過厭氧消化工藝進行處理遙所產生的沼氣用作礦區土地恢復園區的生活燃氣袁多余的沼氣用于發電袁為恢復園區提供電能曰所產生的沼渣制作成固態有機肥袁用作園區發展生態農業所需肥料曰所產生的沼液制作成液態有機肥袁用作園區發展農業所需液肥袁多余的液肥通過凈化系統凈化袁用作園區的灌溉用水袁實現零排放遙園區所種植的有機農產品可供居民食用袁從而建立可持續的農業生態循環系統遙介紹了系統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的土地恢復提供參考遙

關鍵詞：生態循環系統；沼氣工程；生態農業；土地恢復；節能減排；礦區

由于對礦產資源開采會帶來許多生態問題袁開采以后的礦區多數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]遙世界上發達國家礦區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達國家的復墾率袁特別是近年來礦區荒廢地的面積依然在持續增加袁總面積達到200萬hm2[3-6]遙在礦區荒廢地持續增加的同時袁我國的人口也在持續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]遙因此袁礦區廢棄土地的治理與改善袁能夠補充當地農耕地的不足袁保障糧食安全[9]遙同時袁隨著城鎮化的不斷推進袁城市廢棄物處理的問題呈現兩大特點袁即數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土地恢復生態循環系統袁實現城市廢棄物的資源化利用袁利用所產生的沼肥替代化肥農藥袁發展現代化的可持續農業袁實現礦區土地的恢復是非常有必要的袁不但恢復了礦區土地袁解決了糧食危機和食品安全袁而且解決了城區的環境問題[10-11]遙

1設計方案

將城市居民所產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電余熱為基礎的熱電聯產加熱系統加熱后袁把廢棄物加入自行設計的氣液聯合攪拌新型CSTR反應器遙經過厭氧消化后袁所產生的沼氣一部分用作礦區土地恢復園區的生活燃氣袁多余沼氣用于發電袁為園區提供電能袁并對發電余熱進行回收曰將產生的沼渣制作成固態有機肥袁用作園區發展生態農業所需肥料曰將產生的沼液袁一部分制作成液態有機肥袁用作園區發展生態農業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達標排放袁用作園區的灌溉用水遙園區可以建設采摘園堯發展休閑農業和旅游觀光袁為居民提供有機食品袁實現了物質循環和能量流動袁建立了一套完整的礦區土地恢復生態循環系統淵圖1冤遙

2理論設計及計算

本作品設計400hm2的礦區恢復土地袁其中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用于發展現代化生態有機農業遙

2.1礦區土地恢復工藝設計

本作品設計用于發展農業的有效土地面積為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的氣液聯合攪拌CSTR反應器袁采用中溫30益發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沼渣約5000t淵15t/d冤袁用于農業發展所需基肥袁年產沼液約10萬t淵285t/d冤袁其中5萬t用于農業發展所需追肥袁剩余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冤袁實現達標排放袁用于發展農業及其園區綠化的灌溉用水袁年產沼氣約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的沼氣用于發電袁為園區設施提供電能遙

2.2礦區土地恢復熱電聯產加熱系統的設計

本作品設計以太陽能堯空氣源熱泵堯沼氣發電余熱為基礎的熱電聯產加熱系統袁由于云南當地有較好的光照條件袁所以選擇以太陽能與沼氣發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酵產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量分數為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要沼氣發酵罐內料液的溫度袁為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要罐內向罐外散發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要罐外介質溫度袁10益曰琢要罐外壁熱轉移系數袁為10W/淵m2窯益冤曰bi要罐體各部結構層袁保溫板厚度為100mm袁罐底基礎為鋼筋砼袁厚度為1000mm曰姿i要罐體各部結構層袁保溫板導熱系數為0.042W/淵m窯益冤袁鋼筋砼導熱系數為1.3W/淵m窯益冤遙經計算袁Q2=240000kJ遙淵3冤循環水箱及其管道散熱損失的熱量遙循環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要箱內向箱外散發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要箱內水體溫度袁為35益曰TA要箱外介質溫度袁為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袁為0.042W/淵m窯益冤遙經計算袁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電余熱為基礎的熱電聯產加熱系統的設計遙淵1冤沼氣發電余熱回收的計算[13-14]遙沼氣發電余熱利用是指在沼氣熱電聯產過程中袁通過回收發電余熱中的熱量來加熱發酵料液遙本作品設計每天大約有2000m3的沼氣用于發電袁如果采用國產沼氣發電機組袁1m3沼氣大約可發電1.5kW窯h袁則每天可產生電能3000kW窯h袁按55%CH4含量計算袁1m3沼氣燃燒放熱為20MJ袁則沼氣燃燒可產生熱量Q熱=40000MJ袁沼氣發電與煙氣回收所產生的余熱利用率為50%左右袁則每天發電余熱回收為Q余=0.45伊Q熱=20000MJ遙淵2冤太陽能加熱循環水的計算[15-17]遙每天沼氣發酵罐所需熱量為31762MJ袁沼氣發電余熱回收熱量為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遙經計算袁A=2200m2遙淵3冤空氣源熱泵加熱循環水的計算[18-19]遙由于太陽能熱水系統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高效節能的新型熱水系統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以沼氣發電和光伏水泵為基礎的聯合進料泵系統的設計本系統擬設計軟硬雙床AF的日進料量為150t袁每天的有效光照時間為8h遙因此袁在內至少要抽水150m3袁擬配備8h內抽水200m3的泵系統袁即每小時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袁如果出現連續陰天或低溫天氣袁則利用沼氣發電系統輔助遙提水系統水功率的計算公式[20-21]院Npf=籽gQH3.6k1k2k3式中院Npf要提水系統水功率淵W冤曰Q要水泵所需流量淵m3/h冤曰H要系統總揚程淵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要流量修正系數曰k2要提水機具形式修正系數曰k3要電力傳動形式修正系數遙經計算袁得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曰k3要光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數遙經計算袁得N=800W。

3效益分析

3.1礦區土地恢復工藝系統的效益分析本作品擬建立氣液聯合攪拌新型CSTR反應器5000m3袁軟硬雙床AF300m3袁雙填料好氧凈化器150m3袁年產沼氣約120萬m3袁年產沼渣約5000t袁年產沼液約10萬t袁其中5萬t用于農業發展所需追肥袁剩余5萬t通過軟硬雙床AF和雙填料好氧凈化器處理袁實現達標排放袁用作發展農業及其園區綠化的灌溉用水遙本作品采用自行研發的氣液聯合攪拌新型CSTR反應器袁避免了傳統的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遙本作品年產沼氣約120萬m3袁沼氣的折標煤系數為0.714kg/m3袁即相當于856.8t的標煤遙根據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氣量直接計算甲烷的回收量遙厭氧消化工藝總產氣量為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冤燃用沼氣產生的二氧化碳排放E3遙燃燒72萬m3甲烷產生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年所用的化肥堯農藥袁有效解決了食品安全問題遙本作品年產灌溉用水5萬t袁節約園區5萬t的水資源遙

3.2礦區土地恢復熱電聯產加熱系統的效益分析本作品設計以太陽能堯空氣源熱泵堯沼氣發電余熱為基礎的熱電聯產加熱系統袁其中沼氣發電余熱回收熱量為20000MJ/d袁以空氣源熱泵輔助的太陽能加熱系統產生的熱量為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濟效益袁發現沼氣發電余熱利用加熱方式明顯優于其他加熱方式遙因此袁本作品優先采用沼氣發電余熱回收的熱量對沼氣工程系統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進行加熱遙本文對劉榮向等[25]統計的加熱系統的效益數據進行了分析總結袁所得具體參數見表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濟袁但是從環保角度考慮使用空氣源熱泵熱水+太陽能最為環保遙綜合考慮袁以空氣源熱泵熱水輔助太陽能加熱系統最為經濟堯環保遙

3.3以沼氣發電和光伏水泵為基礎的聯合進料泵系統的效益分析本系統以光伏水泵進料為主袁在出現連續陰天或低溫天氣袁并導致輻射強度較弱時袁采用沼氣發電輔助進料遙光伏水泵系統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而成袁其作用是將太陽光輻射能轉換成直流電曰控制逆變器的作用則是將直流電變為交流電袁并對水泵進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]遙光伏水泵系統與傳統的柴油機水泵系統和交流電水泵系統相比具有較大的經濟優勢[27]遙本作品采用水泵額定功率為1kW的提水系統袁采用不同的發電系統袁建造成本也不相同袁其中光伏水泵系統最高袁為1.47萬元曰交流電水泵系統最低袁為0.04萬元遙但運行25年的費用袁光伏水泵系統最低袁為0元曰而柴油機水泵系統最高袁為11.68萬元遙因此袁雖然光伏水泵系統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最為經濟適用遙光伏水泵系統相對于柴油機水泵系統和交流電水泵系統的這種經濟優勢在一些無電的山區更為明顯[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生的沼肥對今后發展有機農業堯可持續農業起著至關重要的作用袁建立以沼氣工程為紐帶的礦區土地恢復生態循環系統袁發展現代化的可持續農業袁帶動采摘堯旅游觀光堯休閑娛樂等服務業是未來礦區土地恢復的一種高效模式[29]袁具有良好的經濟效益堯社會效益堯生態效益堯能源效益遙而且袁本作品采用的新型工藝系統適用于很多有機廢棄物的處理袁如養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紅河州農村能源工作站3建水縣農村能源工作站