一种生态循环农业体系
技术领域
本发明属于循环农业生产技术领域，具体涉及一种生态循环农业体系。
背景技术
农业是人们利用动植物体的生活机能，把自然界的物质和能转化为人类需要的产品的生产部门。粮食作物、经济作物、水果蔬菜等农作物在种植过程中，会产生农作物秸秆、腐烂水果、尾菜等废弃物；农业养殖过程中，会产生畜禽粪污。传统农业生产过程中，通常多注重对产品的收获，而忽略对废弃物的处理；由于传统农业采用粗放式的农业生产方式，农作物秸秆、腐烂水果、尾菜、畜禽养殖粪污等无法得到充分处理与合理利用，而采用不当处理和利用往往造成农业面源污染、资源浪费等系列问题。
与传统农业相比，生态循环农业将种植、养殖、农产品及经济作物产品加工、废弃物利用有机结合起来，是一种遵循循环经济理念的新型农业生产方式。通过将农业种植、畜禽养殖、废弃物处理利用、农产品加工等有机结合起来，可实现农业的精细化作业，降低农业生产带来的环境污染及资源浪费，提高农业生产的整体效率。
随着环保政策的日趋严格，以及人们环保意识的增强和对有机食品需求的增加，目前，生态循环农业模式及体系已逐步得到人们的认可，并逐渐得到推广应用。但目前的生态循环农业模式仍存在以下问题：(1)多侧重“种植、养殖、肥料”单元之间的循环关系，大多系统缺乏前端养殖饲料生产、后端食品加工等上下游产业延伸，产业链条交短；(2)多数生态循环农业体系虽考虑能量提取及利用，如采用沼气工程进行畜禽粪污处理，但原料协同处理能力一般较低，同时沼气工程产生的沼气通常用作发电或供热，利用途径和模式相对单一；(3)传统的生态循环农业模式未能结合自身体系特点合理引入新能源生产模式，能源生产及利用方式相对单一。因此，有必要提出新型的生态循环农业体系及生产方法，用于解决现有生态循环农业体系存在的以上缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种生态循环农业体系，解决现有生态循环农业体系存在产业链较为单一，能量提取利用途径和模式单一以及未能结合新能源生产的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种生态循环农业体系，包括：
有机种植系统，所述有机种植系统包含大棚种植单元和粮食作物种植单元；
食品饲料加工生产系统，所述食品饲料加工生产系统包含有机食品加工单元和有机饲料生产单元，所述食品加工单元由有机种植系统和生态养殖系统提供原料，所述有机饲料生产单元由粮食作物种植单元提供原料；
生态养殖系统，所述生态养殖系统包含畜禽养殖单元和粪污收集单元，所述畜禽养殖单元由有机饲料生产单元提供原料，并为有机食品加工单元提供原料；
有机废弃物处理系统，所述有机废弃物处理系统包含原料预处理单元、厌氧发酵单元、沼渣沼液分离单元、沼气净化单元、固体有机肥生产单元、液体有机肥生产单元、沼气热电联产单元和沼气提纯及CO2收集单元；所述有机种植系统、食品饲料加工生产系统和生态养殖系统产生的废弃物依次经所述原料预处理单元、厌氧发酵单元、沼渣沼液分离单元和沼气净化单元处理并利用。
本发明的技术方案，还具有以下特点，
所述种植系统和/或食品饲料加工生产系统和/或生态养殖系统的建筑的顶部设置有光伏发电单元。
所述大棚种植单元用于种植经济作物。
所述经济作物为瓜果或蔬菜或药材。
所述粮食作物种植单元用于种植粮食作物。
所述粮食作物为小麦或谷物或豆类。
所述食品加工单元包含有机肉制品加工单元和有机果蔬粮加工单元。
所述畜禽养殖单元用于养殖猪或牛或羊或鸡或鸭或鹅。
所述厌氧发酵单元采用中温湿式厌氧发酵技术，发酵温度为36℃～39℃，发酵系统进料浓度TS＝8％～15％。
所述有机废弃物处理系统产生的电能用于自用和/或输入电网使用。
本发明的有益效果是：本发明所述的生态循环农业体系，通过“有机种植——生态养殖——农产品生产加工——有机废弃物处理——能源综合利用”，实现农业生态循环、废弃物的综合利用及能源的综合利用，其优点主要包括：(1)物质循环：该生态循环农业体系产生的水果、蔬菜、药材、粮食、畜禽进入有机食品加工单元和有机饲料生产单元，加工产生的产物可直接外送销售或用于该生态循环农业体系本身，而生产过程产生的有机废弃物、尾菜、腐烂水果、农作物秸秆、畜禽粪污等将进入有机废弃物处理系统，通过原料预处理、厌氧发酵、有机肥生产、有机种植等进行物质循环，实现体系内废弃物的无害化处理和资源化利用，体系生产的有机饲料、肥料产品用于体系内生产使用；(2)多能联产、综合利用：依托生物厌氧发酵制气、光伏发电等能源化综合利用工程，实现气(沼气、生物天然气)、电、热等能源多联产，通过多能互补，能源集中控制，实现能源综合利用；(3)能量自给：多能联产可满足该生态循环体系内生产所需的电、热、气等能源自给，富余能源可对外输出；(4)污染物近零排放：该生态循环农业体系可实现农业废弃物的无害化处理及资源化利用，实现体系内污染物近零排放；(5)有机食品生产：该生态循环农业体系生产使用的肥料为固体有机肥、液体有机肥、CO2气体肥，生产加工的食品和饲料为有机食品和有机饲料，畜禽养殖饲料全部为有机饲料，对外输出为有机水果、有机蔬菜、有机药材及有机肉制品；(6)固液气肥联产：沼渣用于生产固体有机肥、沼液用于生产液体有机肥、沼气提纯过程收集CO2可用作气体肥，固液气肥联产，用于有机种植，生产有机果蔬、药材、粮食等。
附图说明
图1是本发明的一种生态循环农业体系的原理图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的一种生态循环农业体系，包括有机种植系统、食品饲料加工生产系统、生态养殖系统和有机废弃物处理系统。
有机种植系统包含大棚种植单元和粮食作物种植单元；大棚种植单元用于种植经济作物，经济作物可为瓜果、蔬菜和药材中的一种或多种；粮食作物种植单元用于种植粮食作物，粮食作物可为小麦、谷物和豆类的一种或多种。
食品饲料加工生产系统包含有机食品加工单元和有机饲料生产单元，有机饲料生产单元由有机种植系统中的粮食作物种植单元提供原料，有机食品加工单元由有机种植系统和生态养殖系统提供原料。
生态养殖系统包含畜禽养殖单元和粪污收集单元，畜禽养殖单元由有机饲料生产加工单元提供原料；畜禽养殖单元用于养殖猪、牛、羊、鸡、鸭和鹅等，养殖使用的饲料来自有机饲料生产单元；粪污收集单元主要用于收集畜禽养殖过程产生的粪便及污水。
有机废弃物处理系统包含原料预处理单元、厌氧发酵单元、沼渣沼液分离单元、沼气净化单元、固体有机肥生产单元、液体有机肥生产单元、沼气热电联产单元和沼气提纯及CO2收集单元；原料预处理单元用于处理有机种植系统产生的大棚尾菜、腐烂水果、农作物秸秆及食品饲料加工生产系统产生的加工有机剩余物及生态养殖系统产生的畜禽养殖粪污；厌氧发酵单元实现原料的厌氧消化和降解，厌氧发酵单元采用中温湿式厌氧发酵技术，发酵温度为36℃～39℃，发酵系统进料浓度TS＝8％～15％，厌氧发酵产生的沼渣沼液进入沼渣沼液分离单元，通过固体有机肥生产单元和液体有机肥生产单元分别生产沼渣固体有机肥和沼液液体有机肥，厌氧发酵产生的粗沼气进入沼气净化单元，净化后的粗沼气，部分进入沼气热电联产单元进行热电联产，部分进入沼气提纯及CO2收集单元，提纯天然气并收集CO2。大棚种植单元采用的肥料为固体有机肥生产单元和液体有机肥生产单元生产的固体有机肥及液体有机肥、沼气净化单元生产的CO2气体肥。粮食作物种植单元采用的肥料为固体有机肥生产单元和液体有机肥生产单元生产的固体有机肥及液体有机肥。
如图1所示，有机种植系统和/或食品饲料加工生产系统和/或生态养殖系统的建筑的顶部设置有光伏发电单元。
依托生物厌氧发酵制气、光伏发电等能源化综合利用工程，实现气(沼气、生物天然气)、电、热等能源多联产，通过多能互补、能源集中控制，实现能源综合利用；多能联产可满足该生态循环体系内生产所需的电、热、气等能源自给，富余能源可对外输出。
食品加工单元包含有机肉制品加工单元和有机果蔬粮加工单元，有机肉制品加工单元的原料由畜禽养殖单元提供，有机果蔬粮加工单元由大棚种植单元提供。
实施例1
本实施例中的生态循环农业体系由系统有机种植系统、食品饲料加工生产系统、生态养殖系统和有机废弃物处理系统组成，利用上述系统实现生态循环农业生产。该实施例位于我国北方某地区。以下简述该生态循环农业体系的具体情况：
有机种植系统中，大棚种植单元采用荷兰式玻璃温室和薄膜式连栋温室，主要用于种植大白菜、上海青、油麦菜等叶菜类作物和甜瓜、茄子、胡萝卜等瓜果类作物。其中大白菜、上海青、油麦菜种植面积各25亩，大白菜种植密度为4500株/亩、每年种植5次；上海青种植密度为15000株/亩、每年种植6次，油麦菜种植密度为20000株/亩、每年种植4次；大白菜、上海青、油麦菜种植面积各为25亩；叶菜类每年共收获950吨，同时每年产大棚尾菜190吨。甜瓜、茄子、胡萝卜种植面积各25亩，甜瓜种植密度为2000株/亩、每年种植2次，茄子种植密度为2500株/亩、每年种植5次，胡萝卜种植密度为25000株/亩、每年种植3次；瓜果类年产量700吨，同时年产腐烂水果70吨。粮食作物种植单元种植玉米、大豆和小麦，玉米、大豆和小麦种植面积和种植密度分别为24750亩、17255亩、41800亩和4500株/亩、20000株/亩、250000株/亩，玉米、大豆、小麦的产量分别为1.98万吨/年、0.78万吨/年和2.10万吨/年，秸秆产量分别为3.43万吨/年、1.22万吨/年、2.80万吨/年。有机种植系统生产的有机蔬菜、瓜果、粮食进入食品饲料加工生产系统进行加工，生产产生的大棚尾菜、腐烂水果、农作物秸秆进入有机废弃物处理系统。
有机蔬菜、瓜果、粮食(小麦、大豆)进入食品饲料加工生产系统中的有机果蔬粮加工生产单元，年加工成品有机蔬菜684吨、瓜果567吨、大豆油1165吨、面粉14630吨，有机果蔬粮油等作为本生态循环农业体系产品对外销售；有机果蔬粮加工生产单元生产过程中，同时年产果蔬有机剩余物150吨、大豆饼6600吨、麦麸6270吨；生态养殖系统年出栏10万头生猪，进入有机肉制品加工单元，经加工后可年产8800吨有机猪肉，加工生产过程产生有机废液6200吨；玉米、大豆饼和麦麸进入有机饲料生产单元，年产约33000吨有机猪饲料，并进入生态养殖系统。
生态养殖系统养猪5万头(存栏量)，年消耗有机猪饲料33000吨，年出栏生猪10万头，并送入有机肉制品加工单元；养猪每天产生的500吨粪污由粪污收集单元收集后送入有机废弃物处理系统。
有机废弃物处理系统用于处理有机种植系统、食品饲料加工生产系统和生态养殖系统产生的有机废弃物。其中年处理有机种植系统有机废弃物共7.47万吨，年处理食品饲料加工生产系统加工有机废弃物0.64万吨，年处理生态养殖系统畜禽养殖粪污18.25万吨。上述有机废弃物经原料预处理单元处理，并加入工艺水调节物料浓度至TS＝12.7％，之后进入厌氧发酵单元，发酵温度为38.5℃，反应停留时间40天，厌氧发酵系统可日产粗沼气4万Nm3，粗沼气中CH4含量55％、CO2含量43％。粗沼气经沼气净化单元处理后，2万Nm3沼气用于热电联产，发电机组装机规模为2MW；其余2万Nm3沼气用于提纯及CO2收集，日提纯生物天然气约1.08万Nm3，日收集CO2约0.82万Nm3，CO2可作为气体肥送入大棚种植系统。厌氧发酵单元处理后产生的沼渣沼液进入沼渣沼液分离单元，分离后的沼渣和沼液分别进入固体有机肥生产单元和液体有机肥生产单元，可年产固体有机肥2.21万吨、年产沼液有机肥24.58万吨，固体及液体有机肥用于有机种植系统。
本实施例中的生态循环农业体系同时具有能源综合生产利用功能，可实现“气、电、热”多能联产。其中有机种植系统通过“农光互补”光伏发电单元装机1.5MW，年发电180万度；食品饲料加工生产系统通过“屋顶光伏”发电单元装机0.26MW，年发电31.2万度；生态养殖系统通过“牧光互补”光伏发电单元装机8MW，年发电960万度；有机废弃物处理系统通过沼气热电联产单元装机2MW，年发电1752万度。系统总装机11.76MW，年发电2923.2万度。有机废弃物处理系统沼气热电联产单元，可年供热6.31万GJ；同时，可年提纯生物天然气393万Nm3。
本实施例中的生态循环农业体系可年产电能2923.2万度、年供热6.3万GJ、年产生物天然气393万Nm3。电能、热能全部用于满足体系自身生产用能需求；年产生物天然气393万Nm3，通过撬装车压缩后运送至邻近加气站销售。
实施例2
本实施例中的生态循环农业体系由系统有机种植系统、食品饲料加工生产系统、生态养殖系统和有机废弃物处理系统组成，利用上述系统实现生态循环农业生产。该实施例位于我国西部某地区。以下简述该生态循环农业体系的具体情况：
有机种植系统中，大棚种植单元采用荷兰式玻璃温室，主要种植青蒜、油麦菜、韭菜、芹菜等叶菜类作物。青蒜、油麦菜、韭菜、芹菜种植面积各75亩，青蒜种植密度为33000株/亩、每年种植4次，油麦菜种植密度为18000株/亩、每年种植4次，韭菜种植密度为350000株/亩、每年收割4茬，芹菜种植密度为30000株/亩、每年种植2次，叶菜类每年共收获2775吨。粮食作物种植单元种植玉米、大豆和小麦，玉米、大豆和小麦种植面积和种植密度分别为12375亩、8630亩、20900亩和4600株/亩、21000株/亩、240000株/亩，玉米、大豆、小麦的产量分别为0.99万吨/年、0.39万吨/年和1.05万吨/年，秸秆产量分别为1.71万吨/年、0.61万吨/年、1.40万吨/年。有机种植系统生产的有机蔬菜、粮食进入食品饲料加工生产系统进行加工，生产产生的大棚尾菜、农作物秸秆进入有机废弃物处理系统。
有机蔬菜、粮食(小麦、大豆)进入食品饲料加工生产系统中的有机果蔬粮加工生产单元，年加工成品有机蔬菜2000吨、大豆油580吨、面粉7300吨，有机蔬菜粮油等作为本生态循环农业体系产品对外销售；有机蔬菜粮加工生产单元生产过程中，同时年产蔬菜有机剩余物220吨、大豆饼3300吨、麦麸3140吨；生态养殖系统年出栏5万头生猪，进入有机肉制品加工单元，经加工后可年产4400吨有机猪肉，加工生产过程产生有机废液3100吨；玉米、大豆饼和麦麸进入有机饲料生产单元，年产约16500吨有机猪饲料，并进入生态养殖系统。
生态养殖系统养猪2.5万头(存栏量)，年消耗有机猪饲料16500吨，年出栏生猪5万头(110kg/头)，并送入有机肉制品加工单元；养猪每天产生的250吨粪污由粪污收集单元收集后送入有机废弃物处理系统。
有机废弃物处理系统用于处理有机种植系统、食品饲料加工生产系统和生态养殖系统产生的有机废弃物。其中年处理有机种植系统有机废弃物共3.78万吨，年处理食品饲料加工生产系统加工有机废弃物0.33万吨，年处理生态养殖系统畜禽养殖粪污9.13万吨。上述有机废弃物经原料预处理单元处理，并加入工艺水调节物料浓度至TS＝10.4％，之后进入厌氧发酵单元，发酵温度为38.0℃，反应停留时间38天，厌氧发酵系统可日产粗沼气2万Nm3，粗沼气中CH4含量54％、CO2含量44％。粗沼气经沼气净化单元处理后，约1.2万Nm3沼气用于热电联产，发电机组装机规模为1.2MW；其余约0.8万Nm3沼气用于提纯及CO2收集，日提纯生物天然气约0.43万Nm3，日收集CO2约0.33万Nm3，CO2可作为气体肥送入大棚种植系统。厌氧发酵单元处理后产生的沼渣沼液进入沼渣沼液分离单元，分离后的沼渣和沼液分别进入固体有机肥生产单元和液体有机肥生产单元，可年产固体有机肥1.23万吨、年产沼液有机肥15.78万吨，固体及液体有机肥用于有机种植系统。
本实施例中的生态循环农业体系同时具有能源综合生产利用功能，可实现“气、电、热”多能联产。其中有机种植系统通过“农光互补”光伏发电单元装机3MW，年发电360万度；食品饲料加工生产系统通过“屋顶光伏”发电单元装机0.13MW，年发电15.6万度；生态养殖系统通过“牧光互补”光伏发电单元装机4MW，年发电480万度；有机废弃物处理系统通过沼气热电联产单元装机1.2MW，年发电1050万度。系统总装机8.33MW，年发电1905.6万度。有机废弃物处理系统沼气热电联产单元，可年供热3.79万GJ；同时，可年提纯生物天然气157万Nm3。
本实施例中的生态循环农业体系可年产电能1905.6万度、年供热3.79万GJ、年产生物天然气157万Nm3。热能全部用于满足体系自身生产用能需求；电能除满足体系生产用能需求外，年可富余245万度，富余电量并入电网外送；年产生物天然气157万Nm3全部通过撬装车压缩后运送至邻近加气站销售。
实施例3
本实施例中的生态循环农业体系由系统有机种植系统、食品饲料加工生产系统、生态养殖系统和有机废弃物处理系统组成，利用上述系统实现生态循环农业生产。该实施例位于我国中部某地区。以下简述该生态循环农业体系的具体情况：
有机种植系统中，大棚种植单元采用薄膜式连栋温室，主要种植西葫芦、冬瓜、黄瓜等瓜果类作物和连翘、怀山药等药材类作物。其中西葫芦、冬瓜、黄瓜种植面积各60亩，西葫芦种植密度为900株/亩、每年种植2次，冬瓜种植密度为500株/亩、每年种植2次，黄瓜种植密度为4000株/亩、每年种植2次；连翘和怀山药种植面积各60亩，连翘种植密度为4000株/亩、每年种植1次，怀山药种植密度为2000株/亩、每年种植1次；瓜果类每年共收获3300吨，药材类每年共收获145吨。粮食作物种植单元种植玉米、大豆和小麦，玉米、大豆和小麦种植面积和种植密度分别为16050亩、11190亩、27110亩和4400株/亩、19000株/亩、260000株/亩，玉米、大豆、小麦的产量分别为1.28万吨/年、0.50万吨/年和1.36万吨/年，秸秆产量分别为2.22万吨/年、0.79万吨/年、1.82万吨/年。有机种植系统生产的有机瓜果、药材、粮食进入食品饲料加工生产系统进行加工，生产产生的腐烂水果、药材藤叶、农作物秸秆进入有机废弃物处理系统。
有机瓜果、药材、粮食(小麦、大豆)进入食品饲料加工生产系统中的有机果蔬粮加工生产单元，年加工成品有机瓜果2670吨、大豆油750吨、面粉9500吨，有机瓜果、药材、粮油等作为本生态循环农业体系产品对外销售；有机蔬菜粮加工生产单元生产过程中，同时产生瓜果有机剩余物300吨、药材类有机剩余物10吨、大豆饼4280吨、麦麸4070吨；生态养殖系统年出栏4万头生猪、100万羽肉鸡，进入有机肉制品加工单元，经加工后可年产4720吨有机肉制品，加工生产过程产生有机废液3320吨；玉米、大豆饼和麦麸进入有机饲料生产单元，年产约21400吨有机猪饲料，并进入生态养殖系统。
生态养殖系统养猪2万头(存栏量)、养肉鸡20万余(存栏量)，年消耗有机饲料21400吨，年出栏生猪4万头、肉鸡100万羽，并送入有机肉制品加工单元；养殖每天产生的220吨粪污由粪污收集单元收集后送入有机废弃物处理系统。
有机废弃物处理系统用于处理有机种植系统、食品饲料加工生产系统和生态养殖系统产生的有机废弃物。其中年处理有机种植系统有机废弃物共4.86万吨，年处理食品饲料加工生产系统加工有机废弃物0.36万吨，年处理生态养殖系统畜禽养殖粪污8.03万吨。上述有机废弃物经原料预处理单元处理，并加入工艺水调节物料浓度至TS＝11.4％，之后进入厌氧发酵单元，发酵温度为39.0℃，反应停留时间42天，厌氧发酵系统可日产粗沼气2.8万Nm3，粗沼气中CH4含量56％、CO2含量42％。粗沼气经沼气净化单元处理后，约2万Nm3沼气用于热电联产，发电机组装机规模为2MW；其余约0.8万Nm3沼气用于提纯及CO2收集，日提纯生物天然气约0.43万Nm3，日收集CO2约0.33万Nm3，CO2可作为气体肥送入大棚种植系统。厌氧发酵单元处理后产生的沼渣沼液进入沼渣沼液分离单元，分离后的沼渣和沼液分别进入固体有机肥生产单元和液体有机肥生产单元，可年产固体有机肥1.52万吨、年产沼液有机肥18.23万吨，固体及液体有机肥用于有机种植系统。
本实施例中的生态循环农业体系同时具有能源综合生产利用功能，可实现“气、电、热”多能联产。其中食品饲料加工生产系统通过“屋顶光伏”发电单元装机0.21MW，年发电24万度；生态养殖系统通过“牧光互补”光伏发电单元装机3.4MW，年发电408万度；有机废弃物处理系统通过沼气热电联产单元装机2MW，年发电1752万度。系统总装机5.61MW，年发电2184万度。有机废弃物处理系统沼气热电联产单元，可年供热6.31万GJ；同时，可年提纯生物天然气157万Nm3。
本实施例中的生态循环农业体系可年产电能2184万度、年供热6.31万GJ、年产生物天然气157万Nm3。热能全部用于满足体系自身生产用能需求；电能除满足体系生产用能需求外，年可富余1300万度电能，富余电量并入电网外送；年产生物天然气157万Nm3全部通过撬装车压缩后运送至邻近加气站销售。
