規(guī)模化養(yǎng)豬場生命周期環(huán)境影響評價

張穎，夏訓峰，周素霞，何卓識，孟睿，席北斗

中國環(huán)境科學研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對畜產(chǎn)品的需求也進一步提高，由養(yǎng)殖業(yè)和畜產(chǎn)品加工業(yè)帶來的環(huán)境污染問題也越來越嚴重。調(diào)查表明，2003年我國畜禽糞尿產(chǎn)生量已接近20億t，是同期工業(yè)固體廢物的2.7倍［1］。有預測到2020年中國畜禽糞便年排放總量將達到42.44億 t［2］，其中，養(yǎng)豬業(yè)對環(huán)境的影響最大，通過分析生豬養(yǎng)殖生命周期各單元過程的環(huán)境影響，找到對環(huán)境影響最大或較大的環(huán)節(jié)，確定重要的影響因子，便于對規(guī)模化養(yǎng)豬場進行有效的環(huán)境管理，解決污染問題。國內(nèi)鮮有對農(nóng)業(yè)進行生命周期評價(LCA)的研究，秦鳳賢［3］對牛奶生產(chǎn)過程進行了生命周期評價;王明新等［4-5］對水稻和小麥生產(chǎn)系統(tǒng)進行了研究。筆者嘗試利用生命周期評價方法，建立生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的能源消耗和污染物排放的數(shù)據(jù)清單，并對其環(huán)境影響進行評價，以期為規(guī)模化養(yǎng)豬場的環(huán)境管理和污染控制提供參考。

1 生命周期評價

根據(jù)ISO 14040《生命周期評價原則與框架》國際標準［6］，生命周期評價的實施步驟分為目標和范圍的定義、清單分析、影響評價和結(jié)果解析四個部分，基于對產(chǎn)品整個生命周期的定量調(diào)查和數(shù)據(jù)采集，是產(chǎn)品從“搖籃”到“墳墓”的評價，在國內(nèi)外應用廣泛。

2 目標和范圍的定義

以飼養(yǎng)一頭出欄豬為功能單位(function union，F(xiàn)U)，采用生命周期評價方法與情景分析法相結(jié)合，對規(guī)模化養(yǎng)豬場環(huán)境影響進行評價，計算系統(tǒng)環(huán)境影響潛力。分析各單元過程的環(huán)境影響，找到對環(huán)境影響最大或較大的階段，確定重要的影響因子，為降低規(guī)模養(yǎng)豬場的環(huán)境影響，進一步提高系統(tǒng)的環(huán)境效益提供依據(jù)。生豬養(yǎng)殖的生命周期大致可以劃分為原料生產(chǎn)、生豬飼養(yǎng)和廢物處理三個環(huán)節(jié)(圖1)。

圖1 生豬養(yǎng)殖生命周期Fig.1 The research scope of pig breeding

情景描述及參數(shù)設定:假設養(yǎng)豬場年存欄量為500頭，飼養(yǎng)期為180 d，出欄體重平均為100 kg;飼料以玉米等谷物為主，全部飼料原料從系統(tǒng)外購買，全程料肉比平均為3∶1;糞便處理方式為厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣用來發(fā)電，沼渣經(jīng)綜合處理后制成有機肥出售，沼液經(jīng)好氧處理達標后排放。

3 清單分析

按照系統(tǒng)生命周期的三個環(huán)節(jié)，分別進行清單分析。

3.1 原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)

假設飼料全部由70%的谷物，25%的濃縮料和5%的添加劑配制而成，故當生命周期飼料的消耗量為300 kg/FU時，則谷物為210 kg/FU，濃縮料為75 kg/FU，添加劑為15 kg/FU。

飼料原料的生產(chǎn)過程中，功能單位物質(zhì)的投入量(xi)的計算公式:

式中，IF為功能單位飼料原料的使用量;PA為全國主要谷物的平均產(chǎn)量;XiA為物質(zhì)i單位耕地的全國平均投入量［7］。

作物生產(chǎn)中污染物的排放量參考文獻［5］對冬小麥常規(guī)管理措施下生命周期環(huán)境影響研究的結(jié)果。

假設原料從周邊城市購買，運距平均為100 km，運輸方式為貨運汽油車，汽油車能耗為0.06 L/(t·km)［8］;污染物的排放數(shù)據(jù)參考文獻［9］的研究結(jié)果。

在飼料的加工過程中能耗主要為電能，平均為30 kW·h/t［10］。該過程污染物的排放量小，可忽略不計。

3.2 生豬飼養(yǎng)環(huán)節(jié)

3.2.1 豬糞便、養(yǎng)殖廢水的產(chǎn)生量

根據(jù)原國家環(huán)境保護總局推薦的排泄系數(shù)［11］，計算得糞便產(chǎn)生量為196.27 kg/FU，尿液產(chǎn)生量為323.85 kg/FU;養(yǎng)豬過程中采用干法清糞工藝，利用徐謙等［12］的研究結(jié)果，得到各污染物的濃度和生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量(1350 L/FU)。

3.2.2 NH3，CH4，CO2的排放量估計

養(yǎng)豬生產(chǎn)中，NH3的排放主要發(fā)生在豬舍和糞池。根據(jù)劉丹［13］的研究，得到每頭豬每天NH3排放量平均為4.5849 g，計算得出 NH3排放量為825.282 g/FU［14］。

根據(jù)IPCC 1997年的報告，豬的一個生命周期因腸道發(fā)酵而排放的甲烷量為1.5 kg/頭，則得出甲烷排放量為 1.5 kg/FU［14］。

養(yǎng)豬生產(chǎn)中，經(jīng)測定每頭豬由呼吸排放的CO2為 43 L/h［15］，推算出 CO2排放量為 367.248 kg/FU。

3.3 廢物處理環(huán)節(jié)

畜禽糞便的處理分為厭氧發(fā)酵、沼氣發(fā)電、沼渣沼液綜合處理三個階段。

3.3.1 厭氧發(fā)酵

豬糞的產(chǎn)氣量為0.42 m3/kg(以干物質(zhì)計)［17］，可計算出沼氣產(chǎn)量為14.84 m3/FU。

沼氣主要成分中CH4占60%，CO2占35%;則CH4的產(chǎn)量為8.90 m3/FU，CO2產(chǎn)量為5.19 m3/FU，其余的成分產(chǎn)氣量較小，可忽略不計。

3.3.2 沼氣發(fā)電

每 m3沼氣可發(fā)電約 2 kW·h［18］，功能單位發(fā)電量為29.68 kW·h。

利用沼氣作為能源時，沼氣中H2S的濃度不得超過20 mg/m3［19］。假設沼氣經(jīng)過凈化能滿足發(fā)電的要求，則沼氣燃燒產(chǎn)生SO2量為558.68 g/FU。沼氣燃燒過程中的CO2排放量采用文獻［20］的方法計算。

3.3.3 沼液沼渣綜合處理

厭氧發(fā)酵后的出水進行固液分離，沼液溢流進入沼液好氧后處理系統(tǒng)，達標排放;沼渣運送至有機肥車間，利用發(fā)電機余熱干燥，包裝后出售。

沼渣處理過程中，對環(huán)境的影響較小，忽略不計，沼液處理后的出水達到GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》的要求，則BOD5，CODCr，SS，NH3-N 和 TP 排放量分別為 202.5，540，270，108和10.8 g/FU。

就是這句話，讓后世記住了一個自戀的娘炮。人們在反思黑暗幽深的歷史時，一不能怨皇帝，二不敢懟權(quán)臣，總要找一個“背鍋俠”，氣質(zhì)妖艷的何晏各方面條件都符合，就這樣成為中世紀最為惹眼的惡之花。

4 影響評估

采用特征化和歸一化與加權(quán)的方法對不可更新能源的消耗、全球變暖、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化潛勢四種環(huán)境影響類型進行評估。

4.1 特征化

在豬的飼養(yǎng)階段及糞便處理階段中主要消耗的不可更新能源為電力，假設全部由系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電供給。飼料原料生產(chǎn)階段不可更新能源消耗根據(jù)文獻［5］的方法〔91.63 MJ/kg(以有效氮計)〕計算得出氮肥生產(chǎn)的不可更新能源消耗(energy depleted，ED)，其余農(nóng)用物資根據(jù)能量折算系數(shù)［21］計算。

富營養(yǎng)化潛力(eutrophication potential，EP)、全球變暖潛力(global warming potential，GWP)、環(huán)境酸化潛力(acidification potential，AP)采用當量系數(shù)法計算:

式中，C為特征化的結(jié)果;i為環(huán)境影響類型;x為功能單位氣體排放量;j為歸屬于同一影響類型的不同物質(zhì);X為物質(zhì)的濃度系數(shù)。系統(tǒng)功能單位環(huán)境影響特征化結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能單位環(huán)境影響特征化結(jié)果Table1 Characterization results of studying system

4.2 歸一化與加權(quán)

歸一化方法一般是用基準量除以類型參數(shù):

式中，N為歸一化的結(jié)果;C為特征化結(jié)果;S為基準量。

采用Stranddorf等［22］發(fā)布的世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準。

根據(jù)王明新等［5］以環(huán)境科學和農(nóng)業(yè)生態(tài)為主要背景的16位專家的調(diào)查，確定了權(quán)重系數(shù):ED為0.15，GWP為0.12，AP為0.14和 EP 為0.12，對歸一化進行加權(quán)，結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)環(huán)境影響加權(quán)后結(jié)果Table 2 Weighted evaluation results

飼養(yǎng)一頭豬產(chǎn)生的環(huán)境影響綜合指數(shù)為4.02×10-2，環(huán)境影響較大的環(huán)節(jié)依次是原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生豬飼養(yǎng)環(huán)節(jié)和廢物處理環(huán)節(jié)，對應的環(huán)境影響指數(shù)分別為2.52×10-2、1.23 ×10-2和2.71 ×10-3。

5 結(jié)果與討論

(1)原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境影響綜合指數(shù)最大，達2.52×10-2。與國外相關(guān)報道［23］相比，我國單位可耕地的平均農(nóng)資投入量較大，尤其是氮肥投入過多，遠大于作物生長的需要，而農(nóng)資生產(chǎn)一直是能源消耗和環(huán)境污染的大戶，造成飼料原料生產(chǎn)中能源消耗高，環(huán)境影響大，其影響往往不是出現(xiàn)在養(yǎng)豬地區(qū)，而是出現(xiàn)在原料種植地區(qū)。目前不少養(yǎng)豬的飼料原料來自國外，這有利于生豬養(yǎng)殖生命周期環(huán)境影響的降低。

(2)生豬飼養(yǎng)環(huán)節(jié)環(huán)境影響綜合指數(shù)為1.23×10-2，其中，環(huán)境酸化潛力貢獻率最大，但馮硯青［24］在分析我國酸雨狀況時認為，NH3的釋放可以降低酸化效應;若不考慮NH3的酸化影響，則整個生命周期環(huán)境酸化潛力將降低73%。另外，國內(nèi)的養(yǎng)豬生產(chǎn)中飼料蛋白水平通常偏低，有利于降低豬飼養(yǎng)階段溫室氣體的排放。

(3)廢物處理環(huán)節(jié)環(huán)境影響綜合指數(shù)為2.71×10-3，白林［10］的研究結(jié)果與筆者的研究相差很大，原因主要是由于廢物處置方式不同。糞尿有效管理和廢物無害化、資源化利用對減輕該環(huán)節(jié)環(huán)境影響極為重要。

6 建議及不足

通過以上的分析，減少規(guī)模化養(yǎng)豬場環(huán)境影響潛力的措施可包括:1)合理配方施肥和測土施肥，降低氮肥投入和養(yǎng)分流失，鼓勵有機肥還田;2)通過品種改良、合理配制飼料、改善環(huán)境和管理方式，提高飼料利用率，減少污染物排放;3)配套建設沼氣工程，畜禽廢物能源化、無害化，并對沼液和沼氣加以充分利用;4)就近采購飼料原料，減少運輸量;5)采取規(guī)模化、集約化的農(nóng)牧結(jié)合，實現(xiàn)能量的多級利用。

研究考慮了養(yǎng)豬生命周期中飼料原料的生產(chǎn)、加工、運輸，飼養(yǎng)以及廢物的處理，屬于比較完整的生產(chǎn)系統(tǒng);但缺少對豬肉消費利用的考慮;另外，由于沒有對建筑、設備、獸藥等進行分析，也沒有進行經(jīng)濟可行性方面的研究。因此研究還需進一步完善，不能直接用于對系統(tǒng)的優(yōu)劣進行評價，可作為系統(tǒng)環(huán)境影響評估的一種參考。

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