規模奶牛場2種糞便處理模式的生命周期評價

李丹陽，胡 潔，董頤瑋，靳紅梅①

(1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇 南京 210014；2.江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，江蘇 南京 210014；3.生態環境部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042；4.江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇 鎮江 212013)

我國是畜禽養殖大國，每年畜禽糞便產生量達38億t[1]。《第二次全國污染源普查公報》顯示，畜禽養殖業廢水排放占農業污染源的93.76%(以化學需氧量計)，居農業污染源之首[2]。截至2018年底，我國大牲畜養殖量為9 625.5萬頭，其中牛養殖量達8 915.3萬頭，占92.62%[3]。當前我國奶牛養殖規模化、集約化程度不斷提高[4]，導致糞便排放量大且集中，因地制宜對其進行科學管理、減少環境排放是奶牛養殖場亟待解決的問題，是奶牛產業健康發展的重要保障。

不同奶牛場糞便處理工藝和裝備不盡相同，但總體來說可以歸納為2種處理模式：模式Ⅰ是糞便經無害化處理后直接或間接全量還田利用，即種養結合模式；模式Ⅱ是糞便經固液分離后，糞渣作為原料出售，糞水進行達標處理。奶牛糞便中含有大量的有機質和養分(如氮、磷、鉀)及少量的微量元素(如鎂、鐵、錳、硒等)，可以作為肥料還田利用[5]。國內外大量實踐和研究表明，還田利用是規模奶牛場糞污資源化和無害化最有效和最可行的途徑之一[6-8]，不僅可以減少農田化學肥料投入，而且能有效改良土壤、提升作物品質[9-12]，是發展循環農業的重要環節。奶牛場糞便的固液分離效率普遍較低[13]，具有糞水中污染物濃度高、無害化處理難、運輸能耗高、還田技術相對不足等特點。因此，長期以來糞水是奶牛糞便處理的重點和難點。特別是對于耕地資源不足、多雨等無法進行還田利用的地區，糞水仍然需要進行達標處理[14]。量化奶牛糞便不同處理模式的能量和物質消耗以及環境排放，對準確評估奶牛養殖場糞便管理過程中的環境影響、科學制定減排措施具有指導意義。

奶牛場糞便管理是一個系統工程，很難根據某個單獨環節的優劣來綜合評估整個系統的效率。生命周期評價(life cycle assessment，LCA)可對一種產品在其生產工藝及活動中對環境的影響及對自然資源的消耗進行全面分析和評價[15]。作為一種環境管理的有效工具和預防性的環境保護手段，LCA分析在國內外奶牛生產及糞便管理方面也有廣泛應用[16-21]。不同地區奶牛場養殖管理及糞污處理差異較大，導致牧場之間糞污處理的能耗及環境影響等分析結果的可比性較低。

該研究以同一奶牛養殖企業2個糞污處理方式完全不同的養殖場為研究對象，利用LCA方法對奶牛糞便多級處理后全量還田(模式Ⅰ)和糞水達標處理(模式Ⅱ)2種糞便處理模式的環境影響進行對比分析，旨在量化奶牛糞便不同處理模式的環境影響，以期為規模奶牛場糞污科學管理提供依據。

1 研究對象概況

研究對象為江蘇省泗洪縣的2家規模奶牛養殖場，A場和B場奶牛存欄量常年分別保持在2 800～3 000和1 500頭左右。它們為同一個企業的2個牧場，飼料組成、飼喂方式和生產管理規范統一，清糞方式均采用鏈條式機械刮糞板，糞便(含污水)以自流的方式匯集到收集池。糞便理化特性基本一致，全年(取樣時間為春、夏、秋、冬4個季節)糞便樣品的pH值為8.7～8.9，含水率w為83.9%～85.3%，TOC含量為364.1～403.3 g·kg-1(干重)，TN含量為12.7～13.5 g·kg-1，TP含量為2.6～3.4 g·kg-1，TK含量為9.8～10.8 g·kg-1。2個養殖場糞便處理方式如圖1所示。A場產生的糞便多級處理后全量還田利用，屬于模式Ⅰ。具體過程為：收集池的糞漿進行二級固液分離，其中一級采用螺旋式擠壓固液分離機，二級采用微濾式固液分離機。分離得到的糞渣采用“生物+分子膜”靜態好氧干化發酵技術工藝堆肥處理，膜系統為思威博分子膜系統，生成的有機肥還田利用。分離得到的糞水采用黑膜厭氧發酵池處理，池體容積為25 000 m3，水力停留時間依據季節變化維持在60～90 d，產生的沼液可通過管道輸送至田間暫存池，根據作物需求，采用自主研發的沼液噴灌機進行還田。牧場周邊配套小麥-玉米輪作農田面積110.67 hm2，其中自有44.00 hm2，流轉66.67 hm2，冬小麥品種為“淮麥33”，玉米品種為“蘇玉29”。沼液作為基肥施用，施用量以總氮量為基準(即180 kg·hm-2)，基追肥比例為3∶2。

B場糞渣作為原料售出，糞水經過多級生化處理達標后作為場區沖洗水回用，屬于模式Ⅱ。具體過程為：收集池的糞漿進行三級組合固液分離，其中一級為螺旋擠壓式固液分離機，二級為臥式螺旋離心固液分離機，三級為疊螺式固液分離機。糞渣出售給有機肥場作為生產原料，糞水加入藥劑聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化鋁(PAC)形成沉淀，過濾后的液體進行曝氣處理，達到GB/T 18596—2001《畜禽養殖業污染物排放標準》和《江蘇省畜禽糞污資源化利用清潔回用技術規范(試行)》后，作為沖洗水在養殖場使用。

2 研究方法

2.1 研究目標與范圍確定

研究根據ISO14040《生命周期評價原則與框架》，采用生命周期評價方法對規模化奶牛養殖場奶牛糞便多級處理后全量還田(模式Ⅰ)和達標排放(模式Ⅱ)2種糞便處理模式的能源消耗及污染物環境排放進行對比分析。

生命周期評價研究中最重要的環節是系統邊界的確定，為了確保研究結果的有效性，研究中必須包括產品生命周期過程中的主要工藝過程，對其能源、資源消耗以及環境排放進行系統分析。該研究的系統邊界范圍為從糞便收集、貯存到末端處理、處置，原料系統和養殖系統在2個場區間相似，因此所涉及的能量消耗和溫室氣體排放等指標不納入邊界范圍。A場包括糞污收集、處理、施用過程的能源投入及還田后的污染物排放；B場包括糞污收集、處理環節的污染物排放。2種糞污處理模式的系統邊界如圖2所示。

2.2 功能單元與評價方法

研究中收集2個奶牛場單日糞便處理量(A場87 t、B場45 t)相關數據，以1 t糞污作為功能單元(FU)對2種糞污處理模式進行對比分析，評價各環節物質和能量的輸入與輸出對環境的影響。

生命周期的評價方法選用由荷蘭萊頓大學環境研究中心2001年發布的CML2001模型[22]，該方法基于傳統生命周期清單分析特征，采用中間點分析，減少了假設條件的數量，降低了模型的復雜性。評價的原則和要求參照ISO 14040—2006和ISO 14044—2006，并借鑒聯合國糧農組織(FAO)奶業溫室氣體排放量評估框架和政府間氣候變化專門委員會編制的《IPCC 2006國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》。研究中環境影響評價涉及到的主要環境影響類別為溫室效應潛值(100 a)(以CO2當量計)、富營養化效應潛值(以PO43-當量計)和環境酸化效應潛值(以SO2當量計)。

針對糞便處理過程中的直接排放污染物以及消耗燃油(電力)產生的間接排放污染物，對2種模式的環境影響負荷進行定性或定量的表征性評價，其中特征化采用當量因子法，當量系數參見籍春蕾[23]和應翔[24]的研究。環境影響潛值指在整個生命周期過程中所有環境影響的總和，計算公式為

PE，j=∑[Q(j)i×FE(j)i] 。

(1)

式(1)中，PE，j為第j種污染物的環境影響潛值，kg·FU-1(以當量計)；Q(j)i為第i種污染物的排放量，kg·FU-1；FE(j)i為第i種污染物的環境當量因子。

采用1995年世界人均環境影響潛值作為標準化基準，對所得的環境影響潛值進行標準化處理[25]，比較污染物對多種影響方式的貢獻大小，核算系統內的總環境影響潛值，計算公式為

Rj=PE，j/S。

(2)

式(2)中，Rj為第j種環境影響的標準化處理結果，kg·人-1·a-1·FU-1；PE,j為第j種污染物的環境影響潛值，kg·FU-1(以當量計)；S為環境影響標準化當量基準值，kg·人-1·a-1(以當量計)。

通過文獻收集獲得環境影響的權重系數：全球變暖為0.32，酸化效應為0.36，富營養化為0.32[16]。據此核算加權評估后的環境影響潛值，計算公式為

Wj=Rj×wj。

(3)

式(3)中，Wj為第j種環境影響加權評估后的環境影響潛值，kg·人-1·a-1·FU-1；Rj為第j種環境影響的標準化結果，kg·人-1·a-1·FU-1；wj為第j種環境影響因子的權重系數。

2.3 清單分析

清單分析是LCA中環境影響評價的基礎，通過數據收集和計算，對系統內的相關輸入和輸出進行量化。該研究中奶牛糞便處理過程產生的環境污染物包括直接排放和間接排放2個部分。

直接排放是指糞便處理過程中各環節直接產生的環境污染物排放，具體包括：(1)收集階段，直接產生的溫室氣體排放系數參照文獻[26-27]，COx為25 mg·kg-1，CH4為0.65 mg·kg-1。(2)固體糞便堆肥處理階段，A養殖場的直接排放主要來自好氧堆肥系統，由于A養殖場堆肥采用的是膜堆肥工藝，堆肥過程在密閉的膜系統內進行，CO2和NH3直接排放量較低[26]，兩者的排放參數參考籍春蕾[23]的研究。(3)液體糞便厭氧發酵處理階段，A養殖場厭氧發酵過程產生的沼氣用于養殖場區內鍋爐加熱系統，因此厭氧發酵及鍋爐系統直接產生的環境排放可用沼氣能源產能進行抵扣，抵扣后可忽略不計；B養殖場的直接排放主要來自于液體貯存過程[28]。(4)農田利用階段，主要針對A養殖場糞便全量還田后直接產生的溫室氣體排放。

間接排放是指糞便處理過程中各環節的能源及電力消耗所產生的環境排放，具體包括：(1)收集階段，A、B養殖場均來自于鏈條式刮糞板消耗電力能源產生的環境排放。(2)固液分離階段，A、B養殖場均包含進料泵、攪拌機和固液分離機運行消耗的電力能源所產生的環境排放，其中A養殖場為兩級固液分離，B養殖場為三級固液分離。(3)固體糞便處理階段，A養殖場為固體糞便轉運及堆肥設備消耗能源產生的環境排放，B養殖場為固體糞便向場外運輸(距離平均為3.0 km)消耗能源產生的環境排放。(4)液體糞便處理階段，A養殖場主要為厭氧發酵系統進料泵消耗的電力能源所產生的環境排放，B養殖場主要為加藥裝置、攪拌裝置、曝氣裝置消耗的電力以及所加藥劑(PAM、PAC)產生過程的環境排放。(5)轉運階段，A養殖場主要為有機肥運輸至農田及液體肥水輸送至田間暫存池消耗能源產生的環境排放，B養殖場主要為各環節吸污泵消耗能源產生的環境排放。(6)農田利用階段，主要包括A養殖場固體有機肥、液體肥水施用消耗能源產生的環境排放。

2個養殖場糞污處理各環節的能源及電力消耗核算詳見表1。可以看出，2個模式下液體糞便處理環節的差異最大，模式Ⅰ中液體糞便厭氧發酵的環境排放主要來自液體轉運、沼液還田輸運和施用機械消耗的電力和燃油；模式Ⅱ為了更好地降低液體糞污中污染物含量，采用生化加藥及沉淀過濾來進一步減少廢水中的固體，后續又采用連續曝氣的方式進一步處理，所以電力能源消耗較大。

表1 奶牛場糞便處理過程中能源消耗清單Table 1 Energy consumption inventories of the dairy farms during manure treatment

依據糞污處理過程中的直接排放和間接排放情況，核算2種糞污處理模式下各個環節的環境影響排放清單(表2)，其中不同形式能源的環境排放參考衣瑞建等[29]和胡志遠等[30]的研究。A養殖場各類污染物的總排放量為：CO2788.09 kg，SO27.70 kg，NOx13.33 kg，CO 0.98 kg，CH47.89 kg，NH311.51 kg，VOC 0.30 kg，煙塵0.023 kg；B養殖場各類污染物的總排放量為：CO21 185.29 kg，SO210.45 kg，NOx10.75 kg，CO 2.13 kg，CH44.99 kg，NH35.19 kg，VOC 0.30 kg，煙塵7.63 kg。

根據表3綜合分析可知，A養殖場中CO2、SO2、CO和VOC排放在收集環節最高，而NOx、CH4、NH3和煙塵排放在還田環節最高，各類污染物在糞便收集、固液分離、還田利用3個環節的累計占比均達到86.8%以上。這主要是由于這3個環節中的電力能源消耗較大(表1)，占比分別為70.6%、16.8%和5.9%。而糞便還田是燃油消耗的主要環節，此過程中產生的NH3排放占比高達99.9%，CH4排放占比達98.3%；B養殖場中CO2、SO2、CO、VOC排放也是收集環節占比最高，而NOx、CH4、NH3的排放在轉運環節最高，煙塵排放在固液分離環節最高，各類污染物在收集、轉運、生化處理3個環節的累計占比均達到74.9%以上。主要是由于這3個環節電力能源消耗較大，占比分別為45.3%、15.8%和37.1%。而固體外運環節是燃油消耗的主要環節，外運過程中直接排放也是重要一環，外運環節各類污染物直接排放量占比如下：SO275.9%，NOx87.7%，CH499.2%，NH3100%。

奶牛糞污處理模式Ⅰ和模式Ⅱ中各功能單元的污染物環境排放量見圖3。模式Ⅱ中各類污染物(NH3除外)排放量均明顯高于模式Ⅰ，其中CO2排放量是模式Ⅰ的2.91倍，SO2為2.56倍，NOx為1.60倍，CO為5.00倍，CH4為1.22倍，VOC為0.92倍，煙塵為2.86倍。這表明糞水達標處理過程中污染物的環境排放量較大，而奶牛糞便全量還田可以有效減少污染物的環境排放量。因此，因地制宜對奶牛糞水進行科學處置是奶牛場糞便污染減排的關鍵環節。

表2 奶牛場糞污處理過程的污染物環境排放清單Table 2 Environmental emission inventory of pollutants generated from individual manure treatment steps in the two intensive dairy farms

表3 奶牛場糞污處理各環節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 結果與分析

3.1 環境影響評價

基于污染物排放清單，核算出2種奶牛糞便處理模式的溫室效應、富營養化效應和環境酸化效應潛值(表4)。模式Ⅰ的溫室效應和環境酸化效應潛值均小于模式Ⅱ，這說明奶牛糞便全量還田可有效降低溫室氣體排放和環境酸化風險。然而，富營養化效應潛值表現為模式Ⅰ大于模式Ⅱ，這主要是由于模式Ⅱ中未考慮固體糞便出售后的處理/處置過程可能產生的污染物排放。總體來看，奶牛糞便全量還田模式的污染物環境影響潛值明顯低于糞水達標排放模式。值得注意的是，模式Ⅰ中糞肥(即好氧堆肥產生的有機肥和厭氧發酵后的殘留物)合理還田后，當季利用率以35%計，每年可替代的化學氮肥(以尿素計,N含量46%)、磷肥(以磷酸銨計，五氧化二磷含量44%)、鉀肥(以氯化鉀計，氧化鉀含量60%)總量分別約為9.60、49.75和87.15 t。有機肥替代化肥的減排量詳見表5。

表4 奶牛場糞便處理過程的環境影響潛值Table 4 Environmental impact potential during the manure treatments in the two intensive dairy farms kg·FU-1

表5 奶牛場糞肥替代化肥的減排量Table 5 Pollutant reduction after substitution of chemical fertilizers with dairy manure in dairy farm A

同時，按照尿素價格1 600元·t-1、磷酸銨肥料價格2 200元·t-1、氯化鉀1 800元·t-1估算，A養殖場可節約化肥成本28.17萬元。

3.2 總環境影響潛值

采用2001年中國人均環境影響潛值作為標準化基準，按照環境影響潛值標準化公式和權重因子，核算2種奶牛糞便處理模式的總環境影響潛值(表6)。模式Ⅰ的總環境影響潛值為0.007 6 kg·人-1·a-1，明顯低于模式Ⅱ的0.009 9 kg·人-1·a-1，降幅為23.2%。可見，將奶牛糞便多級處理后再全量還田利用，無論從物質循環還是環境友好方面來看，均具有其他模式不可比擬的優勢。奶牛糞便全量還田利用模式的CO2和SO2減排量分別為21.29和0.17 kg·t-1。以養殖規模為1 000頭的奶牛場為例，按日產糞便量38.00 t計，糞便全量還田可減排CO2約295.29 t·a-1，相當于每年節約用電275 972.85 kW·h；若按照森林每生長1 m3生物量可吸收1.83 t CO2計，則相當于增加161.36 m3森林生物量。因此，建議在規模奶牛場周邊配套足夠的農田以消納養殖糞便。需要說明的是，糞水施用方式(如注施、漫灌等)、土壤類型及栽培方式等很大程度上影響著其肥效和環境排放量，該研究僅參考了推薦值(即當季利用率35%計)，未來應加強對不同情景模式的評價分析，更加精準量化種養結合循環農業模式的環境效益。隨著我國種養系統養分管理的需求不斷增加，大力發展糞水農田精準施用技術及裝備，也是促進奶牛糞便生態安全循環利用的重要方向。

表6 2種糞便處理模式的總環境影響潛值Table 6 Total environmental impact potential of the two manure treatments in the two intensive dairy farms kg·人-1·a-1

4 結論

(1)奶牛糞便全量還田模式下，處理1 t糞便約減排CO217.28 kg，SO20.14 kg，NOx0.09 kg，CO 0.04 kg，CH40.02 kg，VOC 0.007 kg，煙塵0.17 kg。

(2)奶牛糞便全量還田模式的總環境影響潛值為0.007 6 kg·人-1·a-1，與達標處理模式相比，降幅為23.2%，說明該模式具有積極的環境效應和明顯的經濟效益。

(3)奶牛糞水處理過程的環境影響潛值最大，建議在規模奶牛場周邊配套足夠的農田消納糞水，并加強其農田精準施用技術研究和多種情景模式的評價分析。