基于能值分析的規模化沼氣工程沼液回流工藝生態效益評價

陳 理，崔志陽，董仁杰，劉名洋，鞠鑫鑫

基于能值分析的規模化沼氣工程沼液回流工藝生態效益評價

陳 理1，崔志陽1，董仁杰1，劉名洋1，鞠鑫鑫2

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083； 2. 山東中農三月環保科技股份有限公司，煙臺 264006）

為評價沼氣工程沼液回流以及不回流2種模式的優劣，該研究引入相對能值轉換系數和生態投入能值的概念，給出了三沼分配產出能值的方法，并選取D（CSTR工藝）和L（USR工藝）2座具有代表性的沼氣工程實例應用，每個工程均設定沼液回流和不回流2種模式相對應，利用能值評價指標對2座工程進行了詳細的分析。結果表明D工程各項評價指標優于L工程，沼液不回流模式優于沼液回流模式；但當沼氣工程無途徑消納產生的沼液時，回流模式可以降低沼液對周邊環境的污染，此時沼液回流模式優于不回流模式，L工程周邊土地較少，采用回流工藝使環境負載率由2.15降低為1.05，能值可持續指標由0.41增加到0.93。采用何種模式要根據工程實際情況而定，建議沼氣工程每處理每噸VS（雞糞）需配備的土地為0.5 hm2/t，處理每噸VS（牛糞）需配備土地0.2 hm2/t，當周邊土地小于需配備土地時，沼氣工程應適當采用沼液回流。

沼氣；能值分析；生態評價；沼液回流；相對能值轉換系數

0 引 言

近年來，中國畜牧業生產發展迅猛，產量已達8 537.8萬t[1]。中國沼氣工程大多采用濕法發酵，在處理糞污過程中會產生大量沼液，而大型沼氣工程周邊往往沒有足夠的土地消納這些沼液[2-3]，考慮成本問題，所以有些沼氣工程采用沼液回流技術。

周邊沼液適當回流能夠避免污染周邊環境，增加原料利用率，提高厭氧發酵效率，增強系統運行穩定性，并減少地下水的使用[4-5]。但在沼氣工程實際運行以及實驗室研究中發現不當地回流也會對發酵過程產生不利的影響。吳樹彪等[6]在37 ℃下運行CSTR厭氧反應器，研究牛糞在長期沼液回流模式下的產氣情況，結論表明：回流50%的沼液使得產氣率降低了22.4%。盧艷娟等[7]通過大量的文獻研究得出，沼液回流對于沼氣工程的發酵穩定性有不利的影響，對回流的管道也會造成堵塞。

能值分析方法可以將系統輸入和系統輸出的不同形式的能量和物質按照統一的標準進行量化和分析[8]。利用能值分析方法可以對應用沼液回流工藝的優缺點進行量化比較，對沼氣工程的可持續性進行評價，給出沼液回流工藝生態角度的建議。

1 研究的沼氣工程概況

選取了L和D工程作為案例，L工程采用USR工藝，D工程采用CSTR工藝，具有一定的代表性。地下水壓式沼氣池、CSTR和USR是中國應用最廣泛的工藝，占總比例的66%[9]。

北京市大興區L沼氣工程建于1992年，歷經3期工程，第1期已于2016年停用，2期工程建于2000年，池容200 m3，3期工程建于2008年運行至今，本文僅分析其第2、3期工程在2017年的情況，第3期工程發酵罐為2個平行罐，總體容積為1 600 m3，水力停留時間為40 d。工程原料現為距工程40 km處養殖場的雞糞，日處理雞糞約6 t，進料濃度TS約為6%。該工程運用沼液回流工藝，除用少量地下水沖刷運送車外都用沼液稀釋。工程發酵溫度為32 ℃左右，采用地源熱泵進行增溫。L工程日產沼氣600 m3左右，沼氣中甲烷的體積分數約為62%，生產的沼氣通過凈化后供附近村民使用，工程產生的沼液沼渣供附近農田和果園使用。

北京市房山區D沼氣工程建于2008年，工程使用附近2 km處養殖場的糞污。采用牛糞和雞糞2種原料，約2周變換一次原料，日處理干清糞7 t左右，進料濃度TS約為7.3%。日進料60 m3，工程擁有4個平行發酵罐，發酵罐總容積2 000 m3，在4個發酵罐中間有一個儲存溢流沼液的儲存罐可發揮沼液剩余潛力。儲存罐中的沼液發揮剩余潛力后可排放至施肥罐車供周圍農田使用。工程周邊有足夠農田消納沼液，無需采用回流模式。工程的發酵溫度約42 ℃，日產沼氣約750 m3，沼氣中甲烷的體積分數約60%，工程生產的沼氣主要用于供戶和自身反饋沼氣鍋爐增溫。

通過對L和D沼氣工程2017年11月至2018年5月每半月1次的取樣監測，均按照現行國標方法進行試驗，測得本研究所需數據如表1所示。

表1 取樣試驗數據

注：D工程無固液分離工藝，不產生沼渣。

Note: D plant does not have solid-liquid separation technology and produce biogas residue.

2 沼氣工程能值分析方法

Odum將能值定義為流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數量，稱為該能量的能值，一般以太陽能作為統一基準來衡量各種能量[8,10]。太陽能值在數量上即生產這一能量所需的太陽能的量，單位為太陽能焦耳（sej）。流動或儲存的能量所包含的太陽能值依靠能值轉換系數進行換算。由于本文研究重點為沼氣工程沼液回流工藝，不關注沼氣工程原料的生產環節以及三沼(沼氣、沼液、沼渣)的應用情況，故本研究系統邊界為原料從養殖場運輸開始到沼氣工程至三沼的使用結束。本研究能值基線為15.83×1024[11]。能值轉換率與能值基線有著密切關系，其關系式如下

2.1 原料及三沼能值轉換系數的確定

2.1.1 原料相對能值轉換系數計算

目前國內外沼氣工程能值分析的文章中，牛糞、雞糞、豬糞等糞便原料的能值轉換系數幾乎全部引用自Odum于1996年給出的2.7×104sej/J[8,12-16]，而2002年Odum及其團隊重新測定了能值基線，因此本文采用更新的數據15.83×1024sej/a[11]。

每個養殖場情況不同使得不同出處的糞污能值轉換系數不同，如本研究L和D 2座沼氣工程使用的雞糞干清糞品質相差較大，L工程的雞糞中明顯混有較多的雞毛和蛋殼。但已有研究對不同原料的沼氣工程進行能值分析時，在能值轉換系數上沒有因不同糞便原料而區別對待[8,12-16]。當前許多沼氣工程原料使用干清糞，其含水率要低于鮮糞。沼氣工程原料能值的投入所占比例較高，通過多篇文獻對比分析，總體來看原料能值占總投入能值的70%[8,12-16]左右，當原料的能值轉換系數改變時，對系統總投入能值的影響是不可忽略的[17]。

因此，為更好的分析沼氣工程效益，便于沼氣工程各種技術模式和工程之間的綜合對比，在能值分析理論的基礎上引入原料相對能值轉換系數的概念以區分不同原料對沼氣工程的影響。

目前中國沼氣工程的主要目的是為了處理廢棄物并達到資源化利用，可以通過原料的產甲烷潛力來衡量原料品質，所以不考慮原料真正能值，而是通過原料的VS含量以及單位VS產甲烷能力來衡量。現定義標準糞污的能值轉換系數為2.5×1011sej/kg，VS百分含量為14%，單位VS產甲烷潛力為250 m3/t[18]。其他原料通過與其比較，得出相對能值轉換系數。

式中1是所求糞污的相對能值轉換系數；0是標準糞污能值轉換系數；0是標準糞污VS百分含量，%；0是標準糞污單位VS甲烷產量，m3；1是所求糞污VS百分含量，%；1是所求糞污單位VS甲烷產量，m3。

2.1.2 三沼能值轉換系數計算方法

目前對于沼氣工程能值分析的案例中，關于三沼能值及其能值轉換系數的確定主要有3種方式：

1）利用投入等于產出，得出三沼的能值，再通過計算可得出三沼的能值轉換系數。但是，對于三沼這種多產品的情況并沒有對產出能值進行分配，單獨產品和多產品的能值均等于投入能值，這樣造成單獨計算一種產出時的能值轉換系數過高且不利于工程之間綜合比較。三沼分配產出能值的比例尚無案可稽。

2）三沼產出的能值轉換系數直接通過文獻引用得出。這種方法只能在產出的能值轉換系數對結果分析的影響較小的情況下應用，具有一定的局限性。

3）沼液和沼渣折合成氮磷鉀肥料進行計算。由于沼液沼渣主要作為肥料施用，故考慮其氮磷鉀含量作為其優劣的標準是比較合理的。本文在此方法的基礎上結合投入等于產出的原則進行改進。

沼液、沼渣按其相對于原料的VS含量來分配產出能值。

式中Y為沼液能值，sej；為總投入能值，sej；為沼液VS含量，kg；為沼液不回流工藝時進料總VS或沼液回流工藝時原料總VS含量，kg。

由表1看出沼液回流使得沼液中的氮磷鉀積累，磷和鉀在回流過程中基本不會損失，但會有較多的氨氮轉化為氨氣散失。故本文沼液依靠氨氮含量來計算其能值轉換系數。

式中為沼液能值轉換系數sej/kg，Y為沼液能值，sej；M為沼液中氨氮質量，kg。

式中Y為沼渣的能值，sej；為沼渣的總VS量，kg；為進料總VS量，kg。

式中為沼渣能值轉換系數sej/kg；M為沼渣質量，kg。

式中Y為沼氣的能值，sej。

式中沼氣的能值轉換系數；C沼氣產量，m3；為沼氣甲烷含量，m3。

2.2 沼氣工程生態貢獻能值指標

對于沼氣工程沼液回流的能值分析應考慮產生的沼液對環境的影響，當產生的沼液量超過了周圍土地所能承受的最大量，排放沼液將會對周圍環境產生一定的破壞，這時沼氣工程能值分析的投入能值要考慮添加生態貢獻能值。生態貢獻能值通過土地承載力進行計算。在參考歐洲標準后[19]，確定耕地年施氮限量為200 kg/hm2。根據中華人民共和國國家標準之污水綜合排放標準GB 8978-1996知排放污水的氨氮含量一級標準應小于15 mg/L，二級標準應小于30 mg/L[20]，本文選用二級標準。

定義將沼氣工程一年內產生的周邊土地無處消納的沼液相應稀釋到規定濃度排放所需的地下水的能值即為生態貢獻能值。

式中T為生態貢獻能值，sej；M為工程一年中產生的氨氮總量，kg；1為土地年施氮限量， kg/hm2；工程周邊土地面積，hm2；2為排放污水的氨氮含量標準 kg/kg；為吉布斯自由能（4.94×103J/kg）；為地下水能值轉換系數。

L工程采用回流工藝，故無法獲得其對應模式不回流狀態下沼液的氨氮含量。由于沼液不回流模式時氨氮損失較少，故直接由雞糞含氮量估算L工程一年沼液的氨氮量，雞糞含氮量為2.55%[21]左右，L工程一年處理雞糞2.08×106kg，故沼液不回流模式下沼液的氨氮總量約為5.30×104kg，沼液回流的模式下L工程沼液氨氮質量濃度由表1知為7 598 mg/L，沼液量為2 700 m3，沼液氨氮總量為2.05×104kg。D工程不回流模式下產生沼液2.1萬m3，沼液氨氮質量濃度由表1知為1 756.2 mg/L，計算可得沼液氨氮總量為3.69×104kg，其回流模式下的沼液氨氮總量無法得出，由L工程回流和不回流的氨氮損失比例推算出D工程應為1.43×104kg。

D工程周邊農田約350 hm2，且農民普遍能夠接受沼液作為肥料，經上述公式計算，D工程無需投入生態貢獻能值。L工程周邊通過調研得知僅110 hm2土地可施用沼液，其應用回流工藝時不需要投入生態能值，但其不應用沼液回流需投入生態能值為1.3×1018sej。

3 沼氣工程沼液回流模式的能值分析

為對比分析應用沼液回流工藝的效益，選擇2座具有代表性的沼氣工程L和D作為案例。兩工程在原有模式的基礎上再設定一種模式對應，L工程應用了沼液回流模式，稱其為模式1，設定模式2為L工程不應用沼液回流模式的情況。D工程沒有應用沼液回流工藝，稱其為模式1，設定模式2為工程D應用沼液回流的情況。由于D工程沼液為發酵罐中的上清液溢流產生，溢流后的沼液又經過儲存罐發揮了剩余產氣潛力，所以D工程的沼液固體含量很少，其VS質量分數為1.98%±0.95%（表1），不需要固液分離，可以直接進行回流。本文沼氣工程L和D實際運行模式的能值投入和產出原始數據均來自工程的工作日志和實際調研。圖1為L和D沼氣工程能值系統圖。

圖1 L和D沼氣工程能值系統圖

3.1 投入能值

土建設備折舊：L和D工程設計使用年限均為20 a，將不同年份且尚在使用的土建設備按照人民幣購買力折算系數統一折算為2017年的同等購買力，再除以使用年限即為工程的土建設備投入，美元對人民幣2017年匯率約為6.9人民幣/美元。

同一工程對照組的以下投入能值會發生變化：

1）地下水：按照工程原料兌沼液量或水量一致的原則，根據工程實際情況推算出對照模式下的地下水需求量或沼液的反饋量。

2）燃油：本文中燃油消耗源自原料運輸和沼液施用兩部分，對應模式需增加或減去沼液施用時的燃油消耗量。

3）沼氣產量：由于L工程以雞糞為原料并且常年采用沼液回流模式，故存在較為嚴重的氨氮抑制情況，由表1知經過沼氣潛力試驗測得L沼氣工程原料VS產甲烷量為（329.1±26.2）mL/g，L工程實際產沼氣量為（1.9×105）m3/a，沼氣甲烷體積分數為62%。D工程產沼氣量為（2.83×105）m3/a，甲烷體積分數為59%，其中5.5×104m3用于工程自身加熱系統將不計入產出。通過其他相關研究發現，以牛糞、雞糞等為原料，連續沼液回流發酵試驗測得產氣量下降25%～43%[6-7,22-24]，由于實驗室發酵裝置較小，罐內菌群不如實際工程豐富，并不能完全模擬沼氣工程實際情況，綜合考慮本文L和D工程回流工藝產甲烷量設定為降低25%。

根據公式（1）、表1試驗數據和本文定義的標準糞污能值轉換系數，得L工程雞糞相對能值轉換系數為：（5.27×1011）sej/kg，同理可得D工程雞糞的能值轉換系數為（5.37×1011）sej/kg，D工程牛糞的相對能值轉換系數為（3.65×1011）sej/kg（表2）。

表2 D&L沼氣工程能值投入

注：L模式1為沼液回流模式，L模式2為沼液不回流模式，D模式1為沼液不回流模式，D模式2為沼液回流模式，下同。

Note: L pattern 1 adopts biogas slurry recycling technology, L pattern 2 does not adopt biogas slurry recycling technology, D pattern 1 does not adopt biogas slurry recycling technology, D pattern 2 adopts biogas slurry recycling technology, the same below.

3.2 產出能值

根據投入等于產出的原則，L工程的產出能值為2.42×1018sej，由本文2.1.2節的三沼能值轉換系數計算方法和工程沼液年產量2 700 m3，得出沼液分配的產出能值為1.75×1017sej，沼液的氨氮總量為2.05×104kg，故L工程沼液（以氨氮計）能值轉換系數為8.54×1012sej/kg。沼渣年產量為80 t，VS為15.27 t，原料VS為467.79 t，故根據計算公式得沼渣分配的產出能值為7.90×1016sej，沼渣的能值轉換系數為5.17×1012sej/kg（表3）。沼氣所分配的能值為2.17×1018sej，L工程沼氣甲烷產量為1.29×105m3，故L工程沼氣（以甲烷計）能值轉換系數為1.68×1013sej/m3。D工程發酵罐中間有儲存發酵罐溢流沼液的儲存罐，其中的上清液直接排出施用，不需再進行固液分離，同理得D工程沼液（以氨氮計）和沼氣的能值轉換系數分別為2.47×1013sej/kg和1.06× 1013sej/m3。

將三沼的能值轉換系數統一，再計算三沼的能值，便于兩工程之間的綜合對比。為使三沼能值轉換系數盡可能接近真實值，本文將根據兩工程實際情況計算出的能值轉換系數進行平均，用于后續計算。

表3 D&L沼氣工程能值產出表Table 3 Emergy output analysis of D&L biogas plant

3.3 綜合分析與評價

D工程使用沼氣鍋爐進行加熱，每年消耗的沼氣約3.24×104m3，折算成能值為1.30×1018sej，而L工程采用地源熱泵加熱，其地源熱泵消耗的電能約1×105kW·h，折算成能值約1.1×1017sej，當D工程采用地源熱泵時，工程自身加熱所消耗的沼氣將全部計入產出，其模式1和2的能值產出率將分別提高為1.29和0.88（表4）。

表4 D&L沼氣工程能值指標

通過各項指標對比得出D工程總體要優于L工程，這與本實驗室自2017年10月關注兩工程運營得出的結論一致。造成兩工程差距的原因主要有以下幾點。

1）D工程采用混合進料的模式有較好的C/N比，利于發酵。

2）D工程發酵溫度為42 ℃，L工程為32 ℃。總體來說，溫度高一些更利于發酵。

3）D工程使用牛糞使得其發酵罐的氨氮濃度維持在3 000 mg/L。

以下，不會對發酵產生抑制，而L工程全年使用雞糞這種易造成高氨氮的原料且長期沼液回流，發酵過程受氨氮抑制嚴重。

4）D工程均使用當時德國先進的設備及工藝，而L工程許多設備已老化，D工程原料產氣潛力發揮較好。

5）L工程原料運輸路徑較長，燃油消耗較多，導致不可再生能源投入大。

L工程沒有土地消納沼液，故采用沼液回流工藝，不需要投入生態貢獻能值，對于L工程采用沼液回流工藝可以不破壞周邊環境，其利大于弊，L工程沼液回流各項指標均優于不回流，故在能值的角度上得出L工程回流模式要優于不回流。對于D工程，雖然采用不回流工藝產生了大量沼液，但有足夠土地消納沼液，同樣不需要投入生態貢獻能值，D不回流的情況下，產生了大量沼液肥料，提高了產出能值，根據D工程各指標綜合對比，不回流要優于回流。

因沼液不回流時產生更多沼氣和沼液肥料，故沼氣工程沼液不回流模式總體上要優于沼液回流模式。沼液回流會造成氨氮抑制發酵產氣，使得氮肥流失，并散失到空氣中污染環境。但是當沼氣工程周邊沒有足夠土地消納沼液也無其他途徑可對沼液進行處理的情況下，為了減小對環境的污染，采用適當的回流工藝要優于不回流。

雞糞沼氣工程處理2 080 t的雞糞，不進行沼液回流的情況下約產生45 t氨氮，按照每公頃土地200 kg氮肥的需求量可計算出L工程以雞糞（干清糞）為原料每處理1 t雞糞需配備的土地為0.1 hm2；同理，D工程處理1 440 t牛糞（干清糞）在不回流的情況下產生9.2 t氨氮，可計算D工程以牛糞（干清糞）為原料每處理1 t牛糞需配備的土地為0.04 hm2。由于各工程所使用的原料含水率有差別，故利用原料VS來推薦沼氣工程處理不同糞便需配備的土地，沼氣工程每處理一噸VS（雞糞）需配備的土地為0.5 hm2/t，處理1 t VS（牛糞）需配備土地0.2 hm2/t。

4 結 論

該文對沼氣工程能值分析方法進行研究，引入了相對能值轉換系數和生態投入能值的概念，并提出了三沼分配產出能值的方法，通過案例工程L和D對該方法進行了實際應用，得出結論如下：回流模式的能值產出率和能值可持續指標要高于不回流。沼氣工程沼液不回流模式總體上要優于沼液回流模式，但實際工程采用回流還是不回流的工藝要根據具體情況而定，通過本研究對沼氣工程的監測分析得出，建議沼氣工程每處理一噸雞糞有機干物質含量VS需配備的土地為0.5 hm2/t，處理一噸牛糞有機干物質含量VS需配備土地0.2 hm2/t，當周邊土地小于需配備土地時，沼氣工程應適當采用沼液回流。

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Ecological evaluation of large-scale biogas engineering with biogas slurry recycle mode based on emergy analysis method

Chen Li1,Cui Zhiyang1, Dong Renjie1, Liu Mingyang1, Ju Xinxin2

(1.,100083,; 2.264006,)

Biogas project is a kind of powerful tool for dealing with and utilizing the waste of livestock, and it is crucial to the development of China where the livestock production has been up to 85.378 million tons, while A large amount of biogas slurry will be produced in the process of biogas project operation. If excessive quantities of biogas slurry directly apply to the land, it will be harmful to the environment. How to properly dispose the biogas slurry is the problem which must be solved in the biogas project development process and the technical operation mode should be studied in order to improve its efficiency. At present, recirculation is a common way to reduce the influence of biogas slurry to environment, and appropriate biogas slurry recirculation can improve the stability of fermentation system, reduce the use of groundwater and avoid secondary pollution, but the biogas slurry perennial recirculation will cause lower gas production and choke the pipeline. Emergy analysis was selected in this research in order to compare these two technology modes which were biogas slurry recirculation and no slurry recirculation, however, the application of emergy analysis in biogas project was not mature, there was no difference of transformity between livestock manures and no appropriate emergy distribution method for multi-products output system. In view of this, ‘relative emergy transformity’ had been introduced to differentiate the emergy transformity of chicken and cow manures, ecological input emergy had been introduced to measure the influence of biogas slurry excessive application on the environment, and a method to distribute the output emergy of biogas, slurry and digestate also had been given in this paper. Moreover, two representative biogas plants were selected as cases for study, researchers had observed those two plants for one year, and had done some relative experiments to get data and monitor its status. Each plant, in particular, was designed in two kinds of modes, slurry recirculation or not, to use for contrast and the two plants were analyzed and compared in details by emergy evaluation index system. The results showed that the values of evaluation indexes of biogas plant D were better than L and the mode of no slurry recirculation was better than recirculation, but the recirculation mode can reduce the pollution to the surrounding environment where the biogas slurry had no way to be used. Through the comparative analysis of the two kinds of modes, the value of ELR(environment load rate) could be decreased dramatically from 2.15 to 1.05 by using the recirculation mode in plant L, and the value of ESI(emergy sustainability index) could be increased significantly from 0.41 to 0.93, so the technical mode should be chosen according to conditions and environment of the biogas plant. It is suggested that the dispose of one ton of chicken manure VS by biogas plant should be equipped with 0.5 hm2/t land, and the dispose of one ton of cow manure VS is 0.2 hm2/t, thus the biogas plant should properly use the recirculation mode of the slurry when the surrounding land is less than its need.

biogas; emergy analysis; ecological evaluation; slurry recirculation; relative emergy transformity

2018-12-12

2019-06-28

國家科技支撐計劃：城鎮化大宗原料分布式供氣技術集成與示范（2015BAD21B04）

陳 理，副教授，主要從事生物質能源工程與低碳技術研究。Email：chenli329@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029

S216.4

A

1002-6819(2019)-14-0228-07

陳 理，崔志陽，董仁杰，劉名洋，鞠鑫鑫. 基于能值分析的規模化沼氣工程沼液回流工藝生態效益評價[J]. 農業工程學報，2019，35(14)：228－234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029 http://www.tcsae.org

Chen Li, Cui Zhiyang, Dong Renjie, Liu Mingyang, Ju Xinxin. Ecological evaluation of large-scale biogas engineering with biogas slurry recycle mode based on emergy analysis method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 228－234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029 http://www.tcsae.org