我国农村固体废弃物资源化研究进展.doc

我国农村固体废弃物资源化研究进展摘要：农村固体废弃物污染问题严重制约着我国美丽乡村的建设与农业的可持续发展，资源化是农村固体废弃物处理处置的必然趋势。本文在明确农村固体废弃物含义及资源化意义的基础上，系统梳理了我国农村固体废弃物的种类、特点和现状，对还田改土、厌氧消化、好氧堆肥、焚烧发电的优势及应用现状进行了总结，分析了目前农村固体废弃物资源化面临的技术难题、政策问题及挑战，并提出了农村固体废弃物资源化工作开展的相关建议。目前，我国农业面源污染问题突出1，早在2010年，第一次全国污染源普查公报就显示，我国农业生产排放的COD（化学需氧量）、N、P等主要污染物量已远超工业源与生活源，成为污染源之首。然而至今，农业面源污染治理问题仍未受到足够重视。农村固体废弃物（下文简称“农村固废”）是农业面源污染的主要来源，包括农业生产中施用的化肥、农药和农膜以及畜禽粪便、尾菜、秸秆、生活垃圾等。农业生产废弃物与农村生活垃圾作为其主要的组成部分，具有分散性、复杂性、多样性等特点，收集、处理和资源化利用难度大，严重威胁着我国农村地区生态环境质量。2018年中共中央办公厅、国务院办公厅印发的中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见明确指出：“加强农业面源污染防治，开展农业绿色发展行动，实现废弃物资源化，推进有机肥替代化肥、畜禽粪污处理、农作物秸秆综合利用、废弃农膜回收”。同年印发的农村人居环境整治三年行动方案明确将农村生活垃圾和厕所粪污资源化利用列为重点任务之一。2019年，国务院印发“无废城市”建设试点工作方案，提出以大宗工业固体废弃物、主要农业废弃物、生活垃圾、建筑垃圾、危险废弃物为重点展开。由此可见，开展农村固废资源化利用是大势所趋，也是改善农村人居环境、实现农业可持续发展的根本保证。1农村固废资源化含义和意义1.1农村固废的含义近些年来，由于农村工厂兴建、工业污染“上山下乡”，农村固废的定义发生变化。传统定义认为农村固废是农业生产和农村生活所产生的固体废弃物总和2，高明侠3在此基础上将农村工厂和乡镇企业排放的固体废弃物纳进了农村固废的范畴，刘颖杰4认为农村固废是相对于城市固废而言的，是对固体废弃物所存在地域上的划分。笔者从农业发展和农村环境的角度思考，认为无论是传统农村固废还是排放在农村地域内的工厂固废都以农村为消纳场地、都对农村环境和农业发展具有潜在威胁，因此都应属农村固废。我国农村固废种类繁杂，现阶段，可根据其来源分为三类：农业生产固废、农村生活固废、其他固废。各大类固废所包含废弃物类型如表1所示。1.2农村固废资源化的意义1.2.1降低环境危害秸秆及生活垃圾露天焚烧在农村较为常见，释放的有毒气体及粉尘颗粒物，易引发中毒及雾霾天气；其余部分大多就地填埋或堆置，产生的渗滤液随地表径流扩散，严重污染周围水体、土壤、作物等5。农业生产中化肥农药施用、农膜残留会直接降低土壤渗透性和有机质含量，使土壤贫瘠，导致作物减产，同时污染地下水，加大水土流失风险6-8。开展资源化处理能实现农村固废由“污染源”向“资源”转变，减缓不当处理方式对环境带来的危害。1.2.2农村固废蕴含巨大的资源潜力我国农村每年固废产量高达40多亿t9，一半以上未被合理利用，其所含资源潜力巨大。2015年全国露天焚烧秸秆量8000多万t10，其养分与800万t复合肥相当，可产沼气约300亿m³，可发电约400亿kWh。全国每年畜禽粪便可生产有机肥理论量2.79亿t11，未被利用的部分经估算相当于1亿t的有机肥12。虽然我国农膜回收行动方案指出到2020年全国农膜回收利用率达到80%以上，但目前全国每年仍有上百万吨农膜未被回收利用13，100万t的地膜可再生20万t的塑料颗粒原料，经济效益巨大。农村每年产生上亿吨生活垃圾，其中1/3是餐厨垃圾14-15，具有极高的堆肥与清洁能源生产潜力。2我国农村固废产量及资源化现状农村固废有别于城市固废，受地域特点、经济发展、当地人们生活方式及政策措施等因素影响差异显著，具有产量巨大、面积广、治理难、环境风险大等特点。2.1我国农村固废产量现状目前我国还未出台农业农村固废资源收集政策规范，根据最新的相关文献，对全国主要的农村固废年产量进行统计，结果见表2。此外，全国每年产生的农膜、农药化肥包装、农村居民粪便等废弃物数量也同样巨大。2015年我国农膜（棚膜、地膜）年使用量达到280万t，预计2020年约为400万t20，每年产生的农药包装废弃物总量约为15万t，化肥包装废弃物总量约12万t，以人均每日排泄粪便0.5kg计算，全国农村每年产生的居民粪便总量高达1×108t。随着人口的不断增长，人民生活水平的不断提升，我国农村固废产量将会继续保持增长趋势。2.2我国农村固废资源化现状2.2.1资源化处于起步阶段我国农村固废资源化正处于起步阶段。目前全国畜禽粪便综合利用（肥料化、饲料化、能源化）率仅为60%21，而丹麦、荷兰、加拿大等国家通过实施严格的种养平衡政策，基本实现了畜禽粪便的全量还田22-24。农药包装废弃物是农村环境管理中的“盲区”，据统计，我国每年约有30亿件农药包装废弃物被随意丢弃25，而早在2011年巴西、法国、加拿大、波兰等国家的农药包装回收率已分别达到了94%、77%、73%、70%26。目前我国70%的农村未设有垃圾收集点，40%左右的农村缺少垃圾收集处理设施27-28，大部分的生活废弃物都未进行正规化处理，仅采用堆放、就地掩埋、露天焚烧等处理方式，与资源化处理水平相差甚远。2.2.2资源化难度大直接还田是秸秆综合利用中最经济、最直接的手段，但小农户家庭经营导致秸秆资源分散，难以统一管理，加大了丢弃与露天焚烧的风险，同时也增加了资源化成本。“养殖不种地，种地不养殖”的种养分离模式客观阻断了我国畜禽粪便还田渠道，同时全国养殖业分布严重不均，部分地区畜禽粪污量超过了土地承载力，将其运至其他地区消纳，运输成本高昂。在农膜使用方面，我国目前使用的地膜厚度小于0.008mm，极易破碎，机械难以回收完全，人工捡拾费时费力，严重阻碍农膜回收及资源化利用。与秸秆、畜禽粪便和农膜相比，农村生活垃圾组分复杂、分散性强，目前在收集与运输方面研究较多，缺乏适用的资源化利用实践模式。2.2.3环境风险大近些年，虽然政府加大了对秸秆露天焚烧监督与处罚力度，但每年全国秸秆露天焚烧事件时有发生。Mehmood等29的研究表明，20022016年我国秸秆露天焚烧排放的炭黑、有机碳、PM2.5、PM10、CH4、CO、CO2、NH3、NOX、SO2和NMVOC（非甲烷挥发性有机物）增幅从173%至225%不等，秋冬季雾霾天气与大范围的秋收秸秆集中燃烧有密切关系30。我国农村养殖户缺乏环保意识，同时农村养殖业缺乏有效的废弃物无害化处理手段，所产生的畜禽粪便、病死畜禽尸体、兽医医疗垃圾等养殖业废弃物对整个农村生态环境造成了严重的威胁31，据统计，农业面源污染中有95.78%的COD、37.89%的总氮和56.34%的总磷来源于畜禽养殖中流失的畜禽粪尿32，畜禽粪便污染已居农业源污染之首33。对塑料薄膜主要使用地区的调查表明，我国地膜残留量一般为6090kg·hm-2，最高可达165kg·hm-234，造成严重的环境污染。3我国农村固废资源化方法秸秆与畜禽粪便资源化是我国农村固废处理工作的重点，目前，秸秆资源化方式包括肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化等，粪便的资源化方式包括肥料化、饲料化等。还田改土、厌氧发酵、好氧堆肥是我国目前秸秆与畜禽粪便资源化应用较为普遍与成熟的方法。针对尾菜尚没有成熟的规模化处理技术，针对农膜尚未发现成熟有效的收集方法和替代产品；农村生活垃圾的处理方式与城市生活垃圾处理方式基本相同，包括焚烧发电、卫生填埋和堆肥等。3.1还田改土还田是秸秆“三化”的重要方式，具有环境与经济双重效益，从环境角度来讲，耕地具有巨大的秸秆消纳能力，充分还田可大大降低秸秆焚烧可能性，同时可增加土壤对C、N、P素固持能力，减缓农业面源污染及温室效应35-36；从经济角度来讲，已有大量的研究发现，秸秆还田可提高10%60%的作物产量37-38，在众多农村固废资源化方式中所需的资金、人力、物力都相对较小，大大降低了资源化成本的投入。世界农业发达国家十分重视土地的用养结合，秸秆还田和农家肥用量高达施肥总量的2/339，而在我国，化肥仍是耕地养分的主要来源。秸秆还田方式众多，包括直接还田、过腹还田、堆沤还田、炭化还田等，直接还田又分为机械粉碎翻压还田、覆盖还田和留高茬还田，我国秸秆直接还田量约占秸秆总量的15%20%40。目前，全国秸秆还田以机械粉碎翻压还田、过腹还田为主。机械化秸秆还田技术具有抢农时、抢积温、保墒情、生产效率高等优点，但存在加大病虫害风险及因秸秆不能及时腐熟而减产现象，适合我国华北水热条件好、土地平坦、机械化程度高的地区。过腹还田需要投入一定的机械、劳力，但社会效益显著，一方面节约了饲料用粮，缓解了“人畜争粮”矛盾，另一方面，秸秆经家畜肠胃发酵、分解，肥效明显增强，更利于作物的吸收。我国人多地少，耕地压力大、休耕时间短，影响了还田秸秆的腐熟程度，限制了秸秆的全量还田。目前，我国正在积极探索多种新型秸秆资源化方式。经调研发现，在内蒙古河套地区有企业将芦苇秆做成板材，在黑龙江省有企业将玉米秆做成吸管等餐具，但目前这些资源化方式生产出的产品没有明显的市场竞争力，均未实现规模化生产。3.2厌氧消化在农村地区，通常以户用型沼气池将秸秆与畜禽粪便通过厌氧发酵生产沼气。沼气是一种可再生的非化石燃料气体，在生产过程中具有绿色、环保的优势。沼气的使用改变了农村以秸秆、树木、煤炭为燃料的传统能源结构，大大减缓了温室气体的排放41，预计到2020年我国农村沼气生产量将高达385亿m³，温室气体减排将达4679万t的CO2当量42。沼气工程在农村的推广，不仅极大地控制了人畜禽粪污的随意排放，缓解了病原体与营养物质对水体的污染风险，同时也有效降低了农村人口因使用化石燃料而患呼吸道疾病的可能性43，而且沼渣作为高效有机肥，可显著提升土壤有机质含量，促进农业的可持续发展44。提高厌氧消化产气率与产气量、实现低温发酵及沼气工程自动化是该领域一直以来的研究热点，近些年成果颇丰。对秸秆与畜禽粪便进行预处理能大大提升厌氧发酵产气率与产气量，方法包括物理法、化学法、生物法等，主要的作用原理是通过破坏秸秆与粪便中的纤维素与木质素结构，加大与厌氧菌的接触面积，从而提升有机组分利用率45-46。利用太阳能、沼气催化剂等，可在一定程度上解决严寒地区冬季因温度低不能正常产气等问题。随着沼气自动化设备的发明与技术的成熟，沼气工程自动化在我国部分农村已经推广应用，大大节省了人力的投入47。目前，我国农村沼气工程效果不够理想，实地调查结果表明，农村沼气池正常运行比例偏低，约为60%，主要原因包括：家庭劳务输出、商品能源代替、进料量不足、沼渣处理难等，村民对沼气池的使用意愿不高48-51。集中式的沼气供气系统可较好地解决上述问题，该系统由村民集体出资，并有专门的技术人员负责系统运行，不仅能够提升固废有机组分的产气效率，同时能减少人力投入，因此，集中式供气系统在农村沼气工程建设中有良好的发展前景。3.3好氧堆肥好氧堆肥是在有氧的条件下，利用好氧微生物对秸秆与畜禽粪便中的有机物进行吸收、氧化和分解，使其转化为腐殖质的一种方法52。好氧堆肥通过高温杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽53，工艺简单，投资少，运行成本低，满足无害化和减量化的要求，能最大限度地保持废弃物中的营养成分，实现资源化利用54。堆肥工艺在我国的应用历史悠久，目前关于堆肥的研究成果众多，但大都集中在机理、工艺优化、特种固废堆肥等，而堆肥在农村的应用现状却少有相关文献报道。好氧微生物的活性是堆肥成功的关键，影响其活性的因素包括：C/N、C/P、水分、温度、氧含量、pH值等。C/N是堆肥首要考虑的因素，有机固体废弃物堆肥化处理的最适宜C/N为253055，普通作物秸秆C/N为60100、畜禽粪便为1015。好氧堆肥技术主要分为四类，分别为条垛式、静态堆垛式、槽式、反应器式。条垛式与静态堆垛式操作简单、投资少，适合在农村运用，但缺点是发酵周期长、臭气不易控制，可通过添加堆肥微生物接种剂进行缓解。随着堆肥设备的迭代更新，目前小型化、移动化和专用化是堆肥设备的发展趋势56，市场已有多种家用型的堆肥设备，家庭堆肥费用低，而且能从源头对有机固废进行减量化57，在我国农村具有良好的应用前景。3.4焚烧发电我国垃圾焚烧发电技术发展迅速，1985年全国仅有两台日处理能力为150t·台-1的焚烧炉，到2018年我国已是世界第一垃圾发电量大国，年可处理垃圾量约1×108t58。垃圾焚烧发电的优点在于其处理的彻底性，农村生活有机废弃物经过焚烧后减量率可达95%左右54，与垃圾填埋和堆肥相比，垃圾焚烧发电具有占地面积小、垃圾种类受限程度小的优势。我国农村生活垃圾尚未实现分类，种类混杂，含水率高，平均热值低59，垃圾发电厂的建成需要投入大量资金，正常运行也需要源源不断的废弃物资源，全国大部分农村垃圾产量相对较少且分散难以收集，运输成本高，尤其是西北地区农村，因此，生活垃圾焚烧发电技术更适合于城市及城市周边农村地区，不宜作为全国农村生活垃圾资源化处理的首要考虑方式。3.5农村固废资源化方式对比对农村固废资源化方法中的还田改土、厌氧消化、好氧堆肥、焚烧发电技术的优点及不足进行对比，结果见表3。影响农村固废资源化效率的因素众多，包括固废资源量、经济条件、气候、交通、环境承载力等。还田改土、厌氧消化、好氧堆肥等技术都有各自的优缺点及适应条件，面对我国农村固废数量巨大、种类复杂的现状，资源化应多种方式并存，同时保证因地制宜、扬长避短，充分发挥本地特色及资源化方式的优点，在此基础上，积极探索新型的资源化方式，如江西瑞金通过饲养蚯蚓实现了农村有机废弃物的规模化处理，通过出售与蚯蚓相关的系列产品带动当地老百姓脱贫致富，不仅为传统资源化方式分流，同时也提升了固废资源化的利用率。4我国固废资源化存在问题4.1应用技术不成熟近些年农村固废资源化已成为热点，各种新的发现与发明不断涌现，但是目前农村固废资源化发展缓慢，其中主要的原因是应用技术不成熟、资源化收益低，不能形成可持续的发展模式，其次我国农村背景条件差异大、固废种类复杂多样，对应用技术提出了更高的要求。农村目前使用的农膜回收机主要是搂扒式捡拾机，其回收率低，大致为50%60%60，农膜再造机大都依赖进口，国产机技术含量低且运行不够稳定61。秸秆还田机存在秸秆粉碎质量差、耕翻过浅、混土不匀等问题62，殷文等63的研究表明秸秆还田不均会导致部分秸秆堆积，阻碍作物出苗率。其次我国沼气工程也面临着一些长期未解决的问题，例如北方农村沼气季节性产量过剩与不足、沼气发酵过程人力投入过大、沼气设备存在安全隐患等，虽然有相关解决方案，但都未能推广应用。好养堆肥设备耗能高、利用率低，堆肥技术也存在腐殖化进程缓慢、产物质量不稳定、衍生臭气等问题。垃圾焚烧炉逐渐趋于国产化，但大型千吨级焚烧炉仍需依赖进口，企业投资大，运营负担重64，此外，与欧盟国家垃圾发电厂的能效水平相比，我国生活垃圾焚烧发电厂项目能源利用水平比较低，平均约为21%65。4.2存在环境安全隐患厌氧发酵产沼气与好养堆肥是我国农村畜禽粪便资源化的主要方式，有学者认为厌氧发酵会增加体系的抗生素抗性基因（ARGs）丰度66-68，也有学者的实验表明高温堆肥过程不能有效去除所有ARGs，而且对于某些ARGs，堆肥可能还是良好的生物反应器，从而导致其增殖69，如果将这些最终产品直接施用于农田，势必会造成ARGs的二次扩散，此外堆肥还存在着温室气体排放、氮素损失等问题，对大气环境造成威胁70。目前我国部分地区已开展环境可降解农膜的应用示范研究，但其分解后是否会对环境及作物产生危害尚不明确；其次自动化农膜回收机及机械秸秆还田虽然推进了农村固废资源化的进程，但是其对土壤存在扰动，对土壤结构有一定的破坏，进而引发氮磷元素的挥发和流失，加大了农业面源污染的风险。垃圾焚烧发电产生的有毒废气、废液、废渣无害化处理成本高71，无疑加大了其向环境排放的可能性。4.3未形成盈利模式近年来，国家大力提倡发展循环经济，但是整体而言，我国循环经济活力不强，尤其是农村地区。农村固废资源化利益是内驱力，实现固废资源化的企业盈利是我国农村生态健康发展所要坚持不懈追求的目标。我国农村地广人稀，固废混杂、分散，不易收集，各种分类、运输等基础设备不足。唐旭等72的研究表明我国农村地区生活垃圾收运的实际费用大约为23.21元·月-1·人-1，农村居民对生活垃圾收运费的支付意愿约为6.50元·月-1·户-1，村民垃圾分类与回收意识不强，加大了资源化的成本，技术支持力度不足，目前只能依靠政府的投入，成本高、回报低，农民与企业的积极性不高，总体来讲农村固废资源化盈利形势严峻，要实现农村固废的资源化利用必将是一场持久的攻坚战。4.4政策法规不完善我国已经颁布了多部有关秸秆、畜禽粪便、农膜管理与处理的法规政策（表4），但只阐述了宏观的方法与总体目标，具体的行为要求、操作规范、资源化产品标准等未进行详细说明，这使得资源化水平参差不齐，资源化产品也存在安全风险。例如，秸秆资源化利用与农膜回收补贴政策只在我国部分农村开展实施，覆盖面不全。秸秆补贴政策包括秸秆农机补贴、秸秆“三贮一化”利用补贴、秸秆综合利用能源化补贴、秸秆粉碎还田补贴等，各地方政府未能科学引导村民合理选择秸秆资源化方式，补贴价格成为村民选择秸秆资源化方式的主导因素，导致政府资金浪费，秸秆也不能充分合理资源化。农膜回收价格偏低（不足1000元·t-1），人力、物力不相匹配，难以调动积极性。5建议与展望5.1建议5.1.1做好顶层设计，明确农村固废资源化的法律责任推进农村固废资源化立法，从法律层面明确资源化的责任主体。摸清底数、统筹协调，编制污染防治规划，将农村固废资源化工作作为我国固体废弃物污染防治工作的重中之重。组织开展污染排查整治工作，形成我国农村固废资源化技术优化集成与验证的系列技术规范与指导性文件。制定风险排查等级，并根据等级分区、分批组织开展农村固废污染的系统整治；城乡统筹、区域协同，推进农村固废资源化利用；将农村环境保护工作的思路由末端治理转为源头控制，最大程度降低农村固废对地表水、地下水和环境空气的影响。5.1.2政府引导，多种方式提升公民参与意识我国许多城市在固体废弃物污染防治方面累积了宝贵经验，2019年，上海市施行上海市生活垃圾管理条例，被称为“史上最严垃圾分类措施”，强制执行生活垃圾分类工作；浙江省台州市成立全国首个垃圾分类教育学院，采用柔性手段让居民对垃圾分类从了解到熟悉、从熟悉到参与；北京市作为全国垃圾分类试点城市，采用积分换礼品、光荣榜表扬等方式激励居民开展垃圾分类。政府应当积极扶持环保企业，对固体废物再利用企业进行补贴，同时加大对公民的环保教育，采用政府引导、公民参与，强制、教育、奖励和监督手段并行的管理方式，改进传统的贴标语、拉横幅、喊口号的宣传教育，从转变观念、纠正行为的角度在源头解决农村固废的不当处置问题，为最终实现资源化利用做好前端准备。2019年我国已开展“无废城市”建设试点工作，政府要吸取“重城市，轻农村”而使面源污染加剧的教训，因此固体废弃物污染治理要做到全民参与、城乡统筹，“无废城市”也应带着“无废农村”两条腿一起走。5.1.3制定农村固废资源化管控标准和方法我国农村固废产量巨大、种类众多，不可能采用完全相同的方式进行资源化处理。应在摸清底数、查明状况的基础上，对农村固废污染源进行类型划分（图1），对于不同类型的固体污染源制定相应的资源化利用标准规范，为全国农村固废的排查整治、资源化利用工作提供指导性文件。5.1.4加强新技术的研发及应用示范固废资源化技术在农村发展应用缓慢主要由于技术本身不接地气，要求投入的资金、人力、物力、技术难度等超过了市场可接受能力，利益空间小，或者资源化周期过长、资源化产品满足不了村民的需求。亟需提升我国农村固废资源化技术水平，加强国际交流合作，促进资源化技术的革新换代；同时对已有的成熟资源化技术，政府要加大扶持力度，推进应用示范。5.1.5探索可持续的资源化经济模式许多发达国家通过政府与企业的合作实现了农村固废资源化，对我国而言，农村固废资源化管理的责任主体是政府，政府负责农村固废的污染防治工作。目前农村有限的固废资源化方式依旧处于投入高、回报低的瓶颈期，大众对资源化效果认可度低。探索可持续的资源化经济模式能够吸引企业加入，为农村固废资源化注入新活力。我国诸多现代农业示范区，例如江西省宜春市万载县国家现代农业示范区，通过发展有机农业不仅有效控制了污染、实现了农民增收，同时也吸引了大批优秀企业落户。因此政府应充分发挥政策引导、资源整合作用，将政府与企业联合、技术与资金整合，通过技术优化集成、品牌经营、订单销售等方式，打造可持续的经济发展模式，为我国农村固废资源化开拓出环境治理和经济利益双赢的局面。5.2展望（1）我国农村种养分离、村民环保意识薄弱，以家庭为单位的固废资源化面临着技术、资金不足及效果不理想等问题，使得目前农村固废处于“能弃弃之”的现状。以乡镇、县为单位集中管理固体废弃物不仅能实现资源的统一管理，还可提升资源化效率，减轻环境危害，笔者认为，集中式管理代替家庭分散处置将是我国农村固废资源化处理的发展趋势。（2）我国人多地少、农村固废产量巨大，耕地作为目前主要的资源化产物受体，不堪负重，因此必须推广其他资源化方式为耕地分担负荷，例如利用固废饲养食腐动物、制作建材、生产气化燃料等。（3）我国农村虽然整体固废资源化水平不高，但有部分地区却实现了高水平发展，这表明农村固废有望实现从“废弃物”到“资源”、从“污染源”到“绿色产品”的转变。全国各个地区要加强交流，“高水平”充分带动“低水平”发展，最终实现我国农村固废资源化整体水平的提升。16