规模奶牛场2种粪便处理模式的生命周期评价

2021-03-02李丹阳董颐玮靳红梅

生态与农村环境学报 2021年2期

李丹阳，胡洁，董颐玮，靳红梅①

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014；2.江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏南京 210014；3.生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042；4.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212013)

我国是畜禽养殖大国，每年畜禽粪便产生量达38亿t[1]。《第二次全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖业废水排放占农业污染源的93.76%(以化学需氧量计)，居农业污染源之首[2]。截至2018年底，我国大牲畜养殖量为9 625.5万头，其中牛养殖量达8 915.3万头，占92.62%[3]。当前我国奶牛养殖规模化、集约化程度不断提高[4]，导致粪便排放量大且集中，因地制宜对其进行科学管理、减少环境排放是奶牛养殖场亟待解决的问题，是奶牛产业健康发展的重要保障。

不同奶牛场粪便处理工艺和装备不尽相同，但总体来说可以归纳为2种处理模式：模式Ⅰ是粪便经无害化处理后直接或间接全量还田利用，即种养结合模式；模式Ⅱ是粪便经固液分离后，粪渣作为原料出售，粪水进行达标处理。奶牛粪便中含有大量的有机质和养分(如氮、磷、钾)及少量的微量元素(如镁、铁、锰、硒等)，可以作为肥料还田利用[5]。国内外大量实践和研究表明，还田利用是规模奶牛场粪污资源化和无害化最有效和最可行的途径之一[6-8]，不仅可以减少农田化学肥料投入，而且能有效改良土壤、提升作物品质[9-12]，是发展循环农业的重要环节。奶牛场粪便的固液分离效率普遍较低[13]，具有粪水中污染物浓度高、无害化处理难、运输能耗高、还田技术相对不足等特点。因此，长期以来粪水是奶牛粪便处理的重点和难点。特别是对于耕地资源不足、多雨等无法进行还田利用的地区，粪水仍然需要进行达标处理[14]。量化奶牛粪便不同处理模式的能量和物质消耗以及环境排放，对准确评估奶牛养殖场粪便管理过程中的环境影响、科学制定减排措施具有指导意义。

奶牛场粪便管理是一个系统工程，很难根据某个单独环节的优劣来综合评估整个系统的效率。生命周期评价(life cycle assessment，LCA)可对一种产品在其生产工艺及活动中对环境的影响及对自然资源的消耗进行全面分析和评价[15]。作为一种环境管理的有效工具和预防性的环境保护手段，LCA分析在国内外奶牛生产及粪便管理方面也有广泛应用[16-21]。不同地区奶牛场养殖管理及粪污处理差异较大，导致牧场之间粪污处理的能耗及环境影响等分析结果的可比性较低。

该研究以同一奶牛养殖企业2个粪污处理方式完全不同的养殖场为研究对象，利用LCA方法对奶牛粪便多级处理后全量还田(模式Ⅰ)和粪水达标处理(模式Ⅱ)2种粪便处理模式的环境影响进行对比分析，旨在量化奶牛粪便不同处理模式的环境影响，以期为规模奶牛场粪污科学管理提供依据。

1 研究对象概况

研究对象为江苏省泗洪县的2家规模奶牛养殖场，A场和B场奶牛存栏量常年分别保持在2 800～3 000和1 500头左右。它们为同一个企业的2个牧场，饲料组成、饲喂方式和生产管理规范统一，清粪方式均采用链条式机械刮粪板，粪便(含污水)以自流的方式汇集到收集池。粪便理化特性基本一致，全年(取样时间为春、夏、秋、冬4个季节)粪便样品的pH值为8.7～8.9，含水率w为83.9%～85.3%，TOC含量为364.1～403.3 g·kg-1(干重)，TN含量为12.7～13.5 g·kg-1，TP含量为2.6～3.4 g·kg-1，TK含量为9.8～10.8 g·kg-1。2个养殖场粪便处理方式如图1所示。A场产生的粪便多级处理后全量还田利用，属于模式Ⅰ。具体过程为：收集池的粪浆进行二级固液分离，其中一级采用螺旋式挤压固液分离机，二级采用微滤式固液分离机。分离得到的粪渣采用“生物+分子膜”静态好氧干化发酵技术工艺堆肥处理，膜系统为思威博分子膜系统，生成的有机肥还田利用。分离得到的粪水采用黑膜厌氧发酵池处理，池体容积为25 000 m3，水力停留时间依据季节变化维持在60～90 d，产生的沼液可通过管道输送至田间暂存池，根据作物需求，采用自主研发的沼液喷灌机进行还田。牧场周边配套小麦-玉米轮作农田面积110.67 hm2，其中自有44.00 hm2，流转66.67 hm2，冬小麦品种为“淮麦33”，玉米品种为“苏玉29”。沼液作为基肥施用，施用量以总氮量为基准(即180 kg·hm-2)，基追肥比例为3∶2。

B场粪渣作为原料售出，粪水经过多级生化处理达标后作为场区冲洗水回用，属于模式Ⅱ。具体过程为：收集池的粪浆进行三级组合固液分离，其中一级为螺旋挤压式固液分离机，二级为卧式螺旋离心固液分离机，三级为叠螺式固液分离机。粪渣出售给有机肥场作为生产原料，粪水加入药剂聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化铝(PAC)形成沉淀，过滤后的液体进行曝气处理，达到GB/T 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》和《江苏省畜禽粪污资源化利用清洁回用技术规范(试行)》后，作为冲洗水在养殖场使用。

2 研究方法

2.1 研究目标与范围确定

研究根据ISO14040《生命周期评价原则与框架》，采用生命周期评价方法对规模化奶牛养殖场奶牛粪便多级处理后全量还田(模式Ⅰ)和达标排放(模式Ⅱ)2种粪便处理模式的能源消耗及污染物环境排放进行对比分析。

生命周期评价研究中最重要的环节是系统边界的确定，为了确保研究结果的有效性，研究中必须包括产品生命周期过程中的主要工艺过程，对其能源、资源消耗以及环境排放进行系统分析。该研究的系统边界范围为从粪便收集、贮存到末端处理、处置，原料系统和养殖系统在2个场区间相似，因此所涉及的能量消耗和温室气体排放等指标不纳入边界范围。A场包括粪污收集、处理、施用过程的能源投入及还田后的污染物排放；B场包括粪污收集、处理环节的污染物排放。2种粪污处理模式的系统边界如图2所示。

2.2 功能单元与评价方法

研究中收集2个奶牛场单日粪便处理量(A场87 t、B场45 t)相关数据，以1 t粪污作为功能单元(FU)对2种粪污处理模式进行对比分析，评价各环节物质和能量的输入与输出对环境的影响。

生命周期的评价方法选用由荷兰莱顿大学环境研究中心2001年发布的CML2001模型[22]，该方法基于传统生命周期清单分析特征，采用中间点分析，减少了假设条件的数量，降低了模型的复杂性。评价的原则和要求参照ISO 14040—2006和ISO 14044—2006，并借鉴联合国粮农组织(FAO)奶业温室气体排放量评估框架和政府间气候变化专门委员会编制的《IPCC 2006国家温室气体清单指南 2019修订版》。研究中环境影响评价涉及到的主要环境影响类别为温室效应潜值(100 a)(以CO2当量计)、富营养化效应潜值(以PO43-当量计)和环境酸化效应潜值(以SO2当量计)。

针对粪便处理过程中的直接排放污染物以及消耗燃油(电力)产生的间接排放污染物，对2种模式的环境影响负荷进行定性或定量的表征性评价，其中特征化采用当量因子法，当量系数参见籍春蕾[23]和应翔[24]的研究。环境影响潜值指在整个生命周期过程中所有环境影响的总和，计算公式为

PE，j=∑[Q(j)i×FE(j)i] 。

(1)

式(1)中，PE，j为第j种污染物的环境影响潜值，kg·FU-1(以当量计)；Q(j)i为第i种污染物的排放量，kg·FU-1；FE(j)i为第i种污染物的环境当量因子。

采用1995年世界人均环境影响潜值作为标准化基准，对所得的环境影响潜值进行标准化处理[25]，比较污染物对多种影响方式的贡献大小，核算系统内的总环境影响潜值，计算公式为

Rj=PE，j/S。

(2)

式(2)中，Rj为第j种环境影响的标准化处理结果，kg·人-1·a-1·FU-1；PE,j为第j种污染物的环境影响潜值，kg·FU-1(以当量计)；S为环境影响标准化当量基准值，kg·人-1·a-1(以当量计)。

通过文献收集获得环境影响的权重系数：全球变暖为0.32，酸化效应为0.36，富营养化为0.32[16]。据此核算加权评估后的环境影响潜值，计算公式为

Wj=Rj×wj。

(3)

式(3)中，Wj为第j种环境影响加权评估后的环境影响潜值，kg·人-1·a-1·FU-1；Rj为第j种环境影响的标准化结果，kg·人-1·a-1·FU-1；wj为第j种环境影响因子的权重系数。

2.3 清单分析

清单分析是LCA中环境影响评价的基础，通过数据收集和计算，对系统内的相关输入和输出进行量化。该研究中奶牛粪便处理过程产生的环境污染物包括直接排放和间接排放2个部分。

直接排放是指粪便处理过程中各环节直接产生的环境污染物排放，具体包括：(1)收集阶段，直接产生的温室气体排放系数参照文献[26-27]，COx为25 mg·kg-1，CH4为0.65 mg·kg-1。(2)固体粪便堆肥处理阶段，A养殖场的直接排放主要来自好氧堆肥系统，由于A养殖场堆肥采用的是膜堆肥工艺，堆肥过程在密闭的膜系统内进行，CO2和NH3直接排放量较低[26]，两者的排放参数参考籍春蕾[23]的研究。(3)液体粪便厌氧发酵处理阶段，A养殖场厌氧发酵过程产生的沼气用于养殖场区内锅炉加热系统，因此厌氧发酵及锅炉系统直接产生的环境排放可用沼气能源产能进行抵扣，抵扣后可忽略不计；B养殖场的直接排放主要来自于液体贮存过程[28]。(4)农田利用阶段，主要针对A养殖场粪便全量还田后直接产生的温室气体排放。

间接排放是指粪便处理过程中各环节的能源及电力消耗所产生的环境排放，具体包括：(1)收集阶段，A、B养殖场均来自于链条式刮粪板消耗电力能源产生的环境排放。(2)固液分离阶段，A、B养殖场均包含进料泵、搅拌机和固液分离机运行消耗的电力能源所产生的环境排放，其中A养殖场为两级固液分离，B养殖场为三级固液分离。(3)固体粪便处理阶段，A养殖场为固体粪便转运及堆肥设备消耗能源产生的环境排放，B养殖场为固体粪便向场外运输(距离平均为3.0 km)消耗能源产生的环境排放。(4)液体粪便处理阶段，A养殖场主要为厌氧发酵系统进料泵消耗的电力能源所产生的环境排放，B养殖场主要为加药装置、搅拌装置、曝气装置消耗的电力以及所加药剂(PAM、PAC)产生过程的环境排放。(5)转运阶段，A养殖场主要为有机肥运输至农田及液体肥水输送至田间暂存池消耗能源产生的环境排放，B养殖场主要为各环节吸污泵消耗能源产生的环境排放。(6)农田利用阶段，主要包括A养殖场固体有机肥、液体肥水施用消耗能源产生的环境排放。

2个养殖场粪污处理各环节的能源及电力消耗核算详见表1。可以看出，2个模式下液体粪便处理环节的差异最大，模式Ⅰ中液体粪便厌氧发酵的环境排放主要来自液体转运、沼液还田输运和施用机械消耗的电力和燃油；模式Ⅱ为了更好地降低液体粪污中污染物含量，采用生化加药及沉淀过滤来进一步减少废水中的固体，后续又采用连续曝气的方式进一步处理，所以电力能源消耗较大。

表1 奶牛场粪便处理过程中能源消耗清单Table 1 Energy consumption inventories of the dairy farms during manure treatment

依据粪污处理过程中的直接排放和间接排放情况，核算2种粪污处理模式下各个环节的环境影响排放清单(表2)，其中不同形式能源的环境排放参考衣瑞建等[29]和胡志远等[30]的研究。A养殖场各类污染物的总排放量为：CO2788.09 kg，SO27.70 kg，NOx13.33 kg，CO 0.98 kg，CH47.89 kg，NH311.51 kg，VOC 0.30 kg，烟尘0.023 kg；B养殖场各类污染物的总排放量为：CO21 185.29 kg，SO210.45 kg，NOx10.75 kg，CO 2.13 kg，CH44.99 kg，NH35.19 kg，VOC 0.30 kg，烟尘7.63 kg。

根据表3综合分析可知，A养殖场中CO2、SO2、CO和VOC排放在收集环节最高，而NOx、CH4、NH3和烟尘排放在还田环节最高，各类污染物在粪便收集、固液分离、还田利用3个环节的累计占比均达到86.8%以上。这主要是由于这3个环节中的电力能源消耗较大(表1)，占比分别为70.6%、16.8%和5.9%。而粪便还田是燃油消耗的主要环节，此过程中产生的NH3排放占比高达99.9%，CH4排放占比达98.3%；B养殖场中CO2、SO2、CO、VOC排放也是收集环节占比最高，而NOx、CH4、NH3的排放在转运环节最高，烟尘排放在固液分离环节最高，各类污染物在收集、转运、生化处理3个环节的累计占比均达到74.9%以上。主要是由于这3个环节电力能源消耗较大，占比分别为45.3%、15.8%和37.1%。而固体外运环节是燃油消耗的主要环节，外运过程中直接排放也是重要一环，外运环节各类污染物直接排放量占比如下：SO275.9%，NOx87.7%，CH499.2%，NH3100%。

奶牛粪污处理模式Ⅰ和模式Ⅱ中各功能单元的污染物环境排放量见图3。模式Ⅱ中各类污染物(NH3除外)排放量均明显高于模式Ⅰ，其中CO2排放量是模式Ⅰ的2.91倍，SO2为2.56倍，NOx为1.60倍，CO为5.00倍，CH4为1.22倍，VOC为0.92倍，烟尘为2.86倍。这表明粪水达标处理过程中污染物的环境排放量较大，而奶牛粪便全量还田可以有效减少污染物的环境排放量。因此，因地制宜对奶牛粪水进行科学处置是奶牛场粪便污染减排的关键环节。

表2 奶牛场粪污处理过程的污染物环境排放清单Table 2 Environmental emission inventory of pollutants generated from individual manure treatment steps in the two intensive dairy farms

表3 奶牛场粪污处理各环节的污染物排放量占比Table 3 The proportion of pollutant emission in individual step of manure treatment in the two intensive dairy farms

3 结果与分析

3.1 环境影响评价

基于污染物排放清单，核算出2种奶牛粪便处理模式的温室效应、富营养化效应和环境酸化效应潜值(表4)。模式Ⅰ的温室效应和环境酸化效应潜值均小于模式Ⅱ，这说明奶牛粪便全量还田可有效降低温室气体排放和环境酸化风险。然而，富营养化效应潜值表现为模式Ⅰ大于模式Ⅱ，这主要是由于模式Ⅱ中未考虑固体粪便出售后的处理/处置过程可能产生的污染物排放。总体来看，奶牛粪便全量还田模式的污染物环境影响潜值明显低于粪水达标排放模式。值得注意的是，模式Ⅰ中粪肥(即好氧堆肥产生的有机肥和厌氧发酵后的残留物)合理还田后，当季利用率以35%计，每年可替代的化学氮肥(以尿素计,N含量46%)、磷肥(以磷酸铵计，五氧化二磷含量44%)、钾肥(以氯化钾计，氧化钾含量60%)总量分别约为9.60、49.75和87.15 t。有机肥替代化肥的减排量详见表5。

表4 奶牛场粪便处理过程的环境影响潜值Table 4 Environmental impact potential during the manure treatments in the two intensive dairy farms kg·FU-1

表5 奶牛场粪肥替代化肥的减排量Table 5 Pollutant reduction after substitution of chemical fertilizers with dairy manure in dairy farm A

同时，按照尿素价格1 600元·t-1、磷酸铵肥料价格2 200元·t-1、氯化钾1 800元·t-1估算，A养殖场可节约化肥成本28.17万元。

3.2 总环境影响潜值

采用2001年中国人均环境影响潜值作为标准化基准，按照环境影响潜值标准化公式和权重因子，核算2种奶牛粪便处理模式的总环境影响潜值(表6)。模式Ⅰ的总环境影响潜值为0.007 6 kg·人-1·a-1，明显低于模式Ⅱ的0.009 9 kg·人-1·a-1，降幅为23.2%。可见，将奶牛粪便多级处理后再全量还田利用，无论从物质循环还是环境友好方面来看，均具有其他模式不可比拟的优势。奶牛粪便全量还田利用模式的CO2和SO2减排量分别为21.29和0.17 kg·t-1。以养殖规模为1 000头的奶牛场为例，按日产粪便量38.00 t计，粪便全量还田可减排CO2约295.29 t·a-1，相当于每年节约用电275 972.85 kW·h；若按照森林每生长1 m3生物量可吸收1.83 t CO2计，则相当于增加161.36 m3森林生物量。因此，建议在规模奶牛场周边配套足够的农田以消纳养殖粪便。需要说明的是，粪水施用方式(如注施、漫灌等)、土壤类型及栽培方式等很大程度上影响着其肥效和环境排放量，该研究仅参考了推荐值(即当季利用率35%计)，未来应加强对不同情景模式的评价分析，更加精准量化种养结合循环农业模式的环境效益。随着我国种养系统养分管理的需求不断增加，大力发展粪水农田精准施用技术及装备，也是促进奶牛粪便生态安全循环利用的重要方向。