矿区土地恢复生态循环系统
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摘要：本文设计了一套以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统袁城市废弃物通过厌氧消化工艺进行处理遥所产生的沼气用作矿区土地恢复园区的生活燃气袁多余的沼气用于发电袁为恢复园区提供电能曰所产生的沼渣制作成固态有机肥袁用作园区发展生态农业所需肥料曰所产生的沼液制作成液态有机肥袁用作园区发展农业所需液肥袁多余的液肥通过净化系统净化袁用作园区的灌溉用水袁实现零排放遥园区所种植的有机农产品可供居民食用袁从而建立可持续的农业生态循环系统遥介绍了系统的设计方案尧理论设计及计算方法袁并对效益进行了分析袁以期为矿区的土地恢复提供参考遥
关键词：生态循环系统；沼气工程；生态农业；土地恢复；节能减排；矿区
由于对矿产资源开采会带来许多生态问题袁开采以后的矿区多数变成废地等难以利用的土地袁因而如何恢复和利用这些因矿变废的土地是目前需要解决的问题[1-2]遥世界上发达国家矿区治理的土地面积基本上可以达到因开矿变废土地的1/2以上袁甚至有的国家可以达到3/4遥我国在这方面的工作远远落后于发达国家袁但近年来也有了较大的进步袁自恢复2%达到2012年复垦15%袁但依然远远落后于发达国家的复垦率袁特别是近年来矿区荒废地的面积依然在持续增加袁总面积达到200万hm2[3-6]遥在矿区荒废地持续增加的同时袁我国的人口也在持续增加袁人均耕地面积仅0.1hm2[7]袁特别是近年来袁全国耕地面积逐年减少袁逼近1.2亿hm2耕地红线[8]遥因此袁矿区废弃土地的治理与改善袁能够补充当地农耕地的不足袁保障粮食安全[9]遥同时袁随着城镇化的不断推进袁城市废弃物处理的问题呈现两大特点袁即数量庞大和处理效果不佳遥如果建立以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统袁实现城市废弃物的资源化利用袁利用所产生的沼肥替代化肥农药袁发展现代化的可持续农业袁实现矿区土地的恢复是非常有必要的袁不但恢复了矿区土地袁解决了粮食危机和食品安全袁而且解决了城区的环境问题[10-11]遥
1设计方案
将城市居民所产生的废弃物渊如公厕粪便尧餐厨垃圾尧生活污水冤收集到预混加热池袁通过以太阳能尧空气源热泵尧沼气发电余热为基础的热电联产加热系统加热后袁把废弃物加入自行设计的气液联合搅拌新型CSTR反应器遥经过厌氧消化后袁所产生的沼气一部分用作矿区土地恢复园区的生活燃气袁多余沼气用于发电袁为园区提供电能袁并对发电余热进行回收曰将产生的沼渣制作成固态有机肥袁用作园区发展生态农业所需肥料曰将产生的沼液袁一部分制作成液态有机肥袁用作园区发展生态农业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过自流的方式进入自行设计的软硬双床AF和双填料好氧净化器袁实现达标排放袁用作园区的灌溉用水遥园区可以建设采摘园尧发展休闲农业和旅游观光袁为居民提供有机食品袁实现了物质循环和能量流动袁建立了一套完整的矿区土地恢复生态循环系统渊图1冤遥
2理论设计及计算
本作品设计400hm2的矿区恢复土地袁其中66.67hm2用于屋舍的建立袁主要包括4层多功能综合楼渊一层展示厅尧二楼会议室尧三楼办公室尧四楼研发实验室冤尧冷库尧接待宾馆尧小型休闲娱乐公园尧特色餐厅尧产品交易大厅尧园工宿舍尧露天活动场所尧道路景观等曰剩余333.33hm2用于发展现代化生态有机农业遥
2.1矿区土地恢复工艺设计
本作品设计用于发展农业的有效土地面积为333.33hm2袁以平均1hm2土地每年约需150t沼肥计算袁每年需要沼肥5万t遥本作品拟建立5000m3的气液联合搅拌CSTR反应器袁采用中温30益发酵袁水力滞留时间为15d袁每天可处理大约300t的城市废弃物袁年产沼渣约5000t渊15t/d冤袁用于农业发展所需基肥袁年产沼液约10万t渊285t/d冤袁其中5万t用于农业发展所需追肥袁剩余5万t通过软硬双床AF和双填料好氧净化器处理渊其中软硬双床AF为300m3袁HRT=2d曰双填料好氧净化器为150m3袁HRT=1d冤袁实现达标排放袁用于发展农业及其园区绿化的灌溉用水袁年产沼气约120万m3渊3500m3/d冤袁每天平均约1500m3的沼气用于生活燃气渊餐厅和有机肥加工所用冤袁2000m3的沼气用于发电袁为园区设施提供电能遥
2.2矿区土地恢复热电联产加热系统的设计
本作品设计以太阳能尧空气源热泵尧沼气发电余热为基础的热电联产加热系统袁由于云南当地有较好的光照条件袁所以选择以太阳能与沼气发电余热回收加热为主尧热泵为辅的加热方式遥每天加热约300m3的物料袁配备循环水箱为60m3袁对于沼气工程袁由能量守恒定律可知袁输出渊损失冤的能量和输入渊获得冤的能量应相等袁才能保证整个系统的温度恒定遥沼气工程每天损失的能量主要是厌氧消化罐及管道散热和每天新增投料所需热量袁发酵产生的生物化学热量相对于外加热量小得多袁故忽略不计[12]遥
2.2.1每天沼气发酵所需热量的计算遥渊1冤厌氧消化罐投料损失的热量[12]遥厌氧消化罐投料损失的热量计算公式院Q1=cm渊TD-TS冤式中院c要料液的比热容渊新鲜料液质量分数为4%~6豫袁可近似取水的比热容冤袁为4.2kJ/渊kg窑益冤曰m要每天进入沼气池的新鲜料液量袁为300t曰TD要沼气发酵罐内料液的温度袁为30益曰TS要新鲜料液的温度袁为5益遥经计算袁Q1=31500000kJ遥渊2冤厌氧消化罐散热损失的热量遥厌氧消化罐散热损失的热量计算公式院Q2=24伊渊TD-TA冤/[移bi/渊姿i伊Si冤+1/渊琢伊S0冤]式中院Q2要罐内向罐外散发的热量袁即罐体散热损失袁单位为kJ曰Si要罐顶尧罐壁和罐底散热面积分别为314尧1256尧314m2曰S0要罐顶和罐壁散热总面积袁为1570m2曰TA要罐外介质温度袁10益曰琢要罐外壁热转移系数袁为10W/渊m2窑益冤曰bi要罐体各部结构层袁保温板厚度为100mm袁罐底基础为钢筋砼袁厚度为1000mm曰姿i要罐体各部结构层袁保温板导热系数为0.042W/渊m窑益冤袁钢筋砼导热系数为1.3W/渊m窑益冤遥经计算袁Q2=240000kJ遥渊3冤循环水箱及其管道散热损失的热量遥循环水箱散热损失的热量计算公式院Q3=24伊渊TN-TA冤/[移bx/渊姿i伊Sx冤]式中院Q3要箱内向箱外散发的热量袁即箱体散热损失袁单位为kJ曰Sx要箱顶尧箱壁和箱底散热面积袁分别为12尧63尧12m2曰TN要箱内水体温度袁为35益曰TA要箱外介质温度袁为10益曰bx要箱体保温板厚度袁为100mm曰姿i要箱体保温板导热系数袁为0.042W/渊m窑益冤遥经计算袁Q3=22000kJ遥水管的热量损失较小袁可忽略不计遥因此袁每天沼气发酵罐总的热损失为Q=Q1+Q2+Q3=31762MJ遥
2.2.2以太阳能尧空气源热泵尧沼气发电余热为基础的热电联产加热系统的设计遥渊1冤沼气发电余热回收的计算[13-14]遥沼气发电余热利用是指在沼气热电联产过程中袁通过回收发电余热中的热量来加热发酵料液遥本作品设计每天大约有2000m3的沼气用于发电袁如果采用国产沼气发电机组袁1m3沼气大约可发电1.5kW窑h袁则每天可产生电能3000kW窑h袁按55%CH4含量计算袁1m3沼气燃烧放热为20MJ袁则沼气燃烧可产生热量Q热=40000MJ袁沼气发电与烟气回收所产生的余热利用率为50%左右袁则每天发电余热回收为Q余=0.45伊Q热=20000MJ遥渊2冤太阳能加热循环水的计算[15-17]遥每天沼气发酵罐所需热量为31762MJ袁沼气发电余热回收热量为20000MJ袁所以还需太阳能提供11762MJ的热量袁本作品设计利用太阳能加热时间为4h遥太阳能热管加热系统日均集热量公式院Q=AI浊j渊1-浊s冤2式中院A要集热器采光面积渊m2冤曰I要集热面上日平均辐射强度袁为22MJ/渊m2窑d冤曰浊j要集热器全日集热效率袁取0.55曰浊s要管路及储水箱热损失率袁取0.1遥经计算袁A=2200m2遥渊3冤空气源热泵加热循环水的计算[18-19]遥由于太阳能热水系统受平均日辐射量尧日照时间尧气温尧气象特点尧气候等因素影响较大袁不能全天候工作袁须设置其他热源联合或辅助加热装置遥本作品采用空气源热泵辅助加热袁实现高效节能的新型热水系统遥一旦太阳能热水器受到天气影响袁则空气源热泵启动袁代替太阳能热水器工作袁需要输出11762MJ的热量袁即3293kW窑h遥一般情况下袁2200~2600W都可称为1匹遥本作品拟设定空气源热泵的工作时间为5h袁2.2kW为1匹袁由以下公式计算院N=Q/渊T窑W冤可得N=300遥故空气源热泵应匹配300匹遥
2.3以沼气发电和光伏水泵为基础的联合进料泵系统的设计本系统拟设计软硬双床AF的日进料量为150t袁每天的有效光照时间为8h遥因此袁在内至少要抽水150m3袁拟配备8h内抽水200m3的泵系统袁即每小时25m3袁总扬程为8m袁以预防天气影响袁需有150m3的蓄水池袁拟建高位蓄水池为180m3袁如果出现连续阴天或低温天气袁则利用沼气发电系统辅助遥提水系统水功率的计算公式[20-21]院Npf=籽gQH3.6k1k2k3式中院Npf要提水系统水功率渊W冤曰Q要水泵所需流量渊m3/h冤曰H要系统总扬程渊m冤曰g要重力加速度渊m/s2冤曰籽要水密度渊kg/m3冤曰k1要流量修正系数曰k2要提水机具形式修正系数曰k3要电力传动形式修正系数遥经计算袁得Npf=968W抑1kW遥光伏阵列容量计算公式院N=k4k5Npf式中院N要光伏阵列的容量渊W冤曰k2要太阳能资源修正系数曰k3要光伏阵列跟踪太阳方式修正系数遥经计算袁得N=800W。
3效益分析
3.1矿区土地恢复工艺系统的效益分析本作品拟建立气液联合搅拌新型CSTR反应器5000m3袁软硬双床AF300m3袁双填料好氧净化器150m3袁年产沼气约120万m3袁年产沼渣约5000t袁年产沼液约10万t袁其中5万t用于农业发展所需追肥袁剩余5万t通过软硬双床AF和双填料好氧净化器处理袁实现达标排放袁用作发展农业及其园区绿化的灌溉用水遥本作品采用自行研发的气液联合搅拌新型CSTR反应器袁避免了传统的CSTR反应器叶轮易腐蚀尧维修费用高尧气密性差等问题袁在沼液的净化上采用自行设计的软硬双床AF和双填料好氧折流沟袁利用高位差袁实现自流净化袁可达到二级排放标准遥具体工艺处理效率见表1遥厌氧消化工艺减排符合清洁发展机制CDM野可再生能源替代化石燃料冶和野甲烷回收冶2个规定项目[22]遥其减排量是野替代煤炭的减排冶野回收甲烷的减排冶和野燃用沼气的排放冶三者之和袁即CDM减排量计算公式院E1+E2原E3=E遥计算如下[23]院渊1冤替代煤炭的减排E1遥本作品年产沼气约120万m3袁沼气的折标煤系数为0.714kg/m3袁即相当于856.8t的标煤遥根据叶京都议定书的三机制及其方法学曳标煤要2.658二氧化碳排放系数计算院标煤856.8t伊2.658=2277t二氧化碳遥渊2冤回收粪便自然分解释放甲烷而形成的减排E2遥以厌氧消化工艺的产气量直接计算甲烷的回收量遥厌氧消化工艺总产气量为120万m3袁其中甲烷含量为60%袁即72万m3尧518t渊甲烷密度0.72kg/m3冤袁按甲烷21倍碳当量计算袁本作品回收甲烷每年减排二氧化碳10878t遥渊3冤燃用沼气产生的二氧化碳排放E3遥燃烧72万m3甲烷产生72万m3尧1420t二氧化碳渊二氧化碳密度1.972kg/m3冤曰另外袁120万m3沼气中还含35%尧42万m3尧830t的CO2遥因此袁燃烧120m3沼气共排放二氧化碳1420t+830t=2250t/年遥由此袁每台沼气池每年形成的二氧化碳减排量院2277+10878-2250抑1万t遥本作品设计年产沼肥5.5万t袁可供333.33hm2土地施肥1年袁可以替代333.33hm2土地1年所用的化肥尧农药袁有效解决了食品安全问题遥本作品年产灌溉用水5万t袁节约园区5万t的水资源遥
3.2矿区土地恢复热电联产加热系统的效益分析本作品设计以太阳能尧空气源热泵尧沼气发电余热为基础的热电联产加热系统袁其中沼气发电余热回收热量为20000MJ/d袁以空气源热泵辅助的太阳能加热系统产生的热量为11762MJ/d蒲小东等[24]通过一个猪场废水处理沼气工程袁研究3种不同加热方式的经济效益袁发现沼气发电余热利用加热方式明显优于其他加热方式遥因此袁本作品优先采用沼气发电余热回收的热量对沼气工程系统进行加热遥因为云南具有得天独厚的太阳能资源袁所以剩余所需热量由以空气源热泵辅助的太阳能加热系统进行加热遥本文对刘荣向等[25]统计的加热系统的效益数据进行了分析总结袁所得具体参数见表2遥由表2可知袁从运行费用上看袁使用燃煤热水锅炉和空气源热泵热水+太阳能两者运行费用很接近袁最为经济袁但是从环保角度考虑使用空气源热泵热水+太阳能最为环保遥综合考虑袁以空气源热泵热水辅助太阳能加热系统最为经济尧环保遥
3.3以沼气发电和光伏水泵为基础的联合进料泵系统的效益分析本系统以光伏水泵进料为主袁在出现连续阴天或低温天气袁并导致辐射强度较弱时袁采用沼气发电辅助进料遥光伏水泵系统一般由光伏阵列尧控制逆变器和水泵3个部分组成袁其中光伏阵列由多个光伏组件串并联而成袁其作用是将太阳光辐射能转换成直流电曰控制逆变器的作用则是将直流电变为交流电袁并对水泵进行自动化控制曰而水泵的作用是将水从低处提到高处袁它一般为三相交流水泵[26]遥光伏水泵系统与传统的柴油机水泵系统和交流电水泵系统相比具有较大的经济优势[27]遥本作品采用水泵额定功率为1kW的提水系统袁采用不同的发电系统袁建造成本也不相同袁其中光伏水泵系统最高袁为1.47万元曰交流电水泵系统最低袁为0.04万元遥但运行25年的费用袁光伏水泵系统最低袁为0元曰而柴油机水泵系统最高袁为11.68万元遥因此袁虽然光伏水泵系统建造成本最高袁但运行和维护成本都最低袁25年运行下来袁光伏水泵系统最为经济适用遥光伏水泵系统相对于柴油机水泵系统和交流电水泵系统的这种经济优势在一些无电的山区更为明显[28]遥4推广应用前景本作品采用的厌氧消化工艺是完全密封的袁不会对空气造成污染袁而且可以保留有机物中的氮素袁所产生的沼肥对今后发展有机农业尧可持续农业起着至关重要的作用袁建立以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统袁发展现代化的可持续农业袁带动采摘尧旅游观光尧休闲娱乐等服务业是未来矿区土地恢复的一种高效模式[29]袁具有良好的经济效益尧社会效益尧生态效益尧能源效益遥而且袁本作品采用的新型工艺系统适用于很多有机废弃物的处理袁如养殖场废弃物尧公厕粪便尧屠宰场废水尧酒精厂废水尧蔬菜废弃物等袁具有良好的推广应用前景遥5
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作者：王善迪1伍艳萍2周萍3尹芳1王昌梅1赵兴玲1吴凯1刘士清1张无敌1 单位：1云南师范大学2红河州农村能源工作站3建水县农村能源工作站
