奶牛場不同糞污處理模式的生命周期評價

王 莉，張曼秋，葉小梅，張應鵬，杜 靜

(江蘇省農業(yè)科學院畜牧研究所/農業(yè)農村部種養(yǎng)結合重點實驗室，江蘇南京 210014)

隨著奶牛養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模在100頭以上的養(yǎng)殖戶數量及其存欄量均出現大幅度的增加。2017年，中國奶牛存欄量為1 079.8萬頭，比2016年增長4.1%。到2018年，規(guī)模養(yǎng)殖比重達60%以上。2019年全國奶牛存欄量同比增加0.67%，奶牛產奶量同比提高4.1%，中國奶牛養(yǎng)殖模式逐漸標準化和規(guī)模化。2020年《第二次全國污染源普查公告》中的相關數據顯示，工業(yè)、生活和畜禽養(yǎng)殖為三大主要污染源。張偉認為，我國大型奶牛養(yǎng)殖場排放廢水中COD、BOD、SS分別超標50～70倍、70～80倍、12～20倍。因地制宜對奶牛廠進行科學管理、減少環(huán)境排放是奶牛產業(yè)健康發(fā)展的重要保障。目前奶牛廠的糞污處理主要為達標排放和還田利用2種模式，達標排放即糞便經固液分離后，糞渣作為原料出售，糞水進行達標處理；還田利用處理模式即糞便經無害化處理后直接或間接全量還田利用。奶牛場糞便管理是一個系統(tǒng)工程，很難根據某個單獨環(huán)節(jié)的優(yōu)劣來綜合評估整個系統(tǒng)的效率，而生命周期評價(life cycle assessment，LCA)可對奶牛場糞便管理過程中對環(huán)境的影響及對自然資源的消耗進行全面的分析及評價，目前LCA 分析法在國內外奶牛生產及糞便管理過程也有一定的應用。因此，本研究從環(huán)境與經濟綜合效益角度出發(fā)，通過對大規(guī)模奶牛場主要采用的污水達標排放和沼液還田利用2種模式進行全生命周期評價，以期為規(guī)?；膛黾S污處理模式的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 生命周期評價模型

依據《環(huán)境管理 生命周期評價原則與框架》(ISO)，生命周期評價(LCA)由評價目標和范圍、清單分析、影響評價(分類化、特征化、標準化、加權)、結果解釋4個部分組成。

1.1.1 評價對象 2020年12月10—12日對采用達標處理模式的江蘇省揚州市廣陵區(qū)某奶牛場進行調研，奶牛場年存欄量1 500頭，其中泌乳牛990頭，育成牛510頭。奶牛場采用機械刮糞，集中收集后經過固液分離，糞渣堆肥晾曬后作為墊料回用；廢水首先經過氧化塘，之后進入集水池、調節(jié)池，經疊螺壓濾機處理后到中間水池，利用A/O工藝處理后絮凝沉淀，最后進入蓮藕塘或納管。該奶牛場擠奶廳的用水為循環(huán)回用。廢水產生量調研數據與文獻中報道的泌乳牛和育成牛的糞尿產污系數基本相同。產污系數如下：每頭泌乳牛產生的糞便量為32.1 kg/d，尿液量為20.9 kg/d，每頭育成牛產生的糞便量為13.6 kg/d，尿液量為7.6 kg/d。鮮糞漿的理化性質為：pH值7.3，COD為 38 550 mg/L，TS含量為21%，TN含量為1 960 mg/L，氨氮含量為1 342 mg/L，TP含量為156 mg/L。

2020年12月13—15日對采用還田利用處理模式的江蘇省徐州市睢寧縣某奶牛場進行調研，該奶牛場年存欄量3 500頭，其中泌乳牛1 900頭，育成牛 1 600 頭。奶牛場采用機械刮糞，集中收集后經過固液分離機，糞渣靜態(tài)堆肥后制作有機肥，廢水首先經過黑膜沼氣池進行厭氧發(fā)酵，之后進入氧化塘貯存，最終還田。該奶牛場擠奶廳用水后的污水與糞污混合處理，該奶牛廠固液分離后產干糞 18 t/d，廢水232 t/d，總糞污量為250 t/d。鮮糞漿的理化性質為：pH值為7.5，COD為35 862 mg/L，TS含量為20%，TN含量為2 285 mg/L，氨氮含量為1 739 mg/L，TP為144 mg/L。

2.1.2 評價范圍 本研究的系統(tǒng)邊界范圍包含糞污清理、糞污收集、貯存、末端處理，奶牛養(yǎng)殖場的2種糞污處理模式系統(tǒng)邊界見圖1。

2.1.3 清單分析 清單分析是建立在目標和范圍階段定義要求之上的階段，以收集廢物管理系統(tǒng)流程進出的數據，進一步對數據進行處理，以達到一個全面的排放和資源消耗清單，并對分析系統(tǒng)建模。過程的輸入輸出清單大部分通過調研獲取，而背景數據則需通過中國LCA基礎數據庫(CLCD)獲取。

2.1.4 生命周期影響評價 生命周期影響評價是生命周期評價的核心部分，即為將清單分析中收集到的各種資源消耗和產出的數據進行定性定量評價，評價方法包含配方法、IMPACT 2002、CML2000、EDIP97、生態(tài)指標99等。本研究選用荷蘭萊頓大學環(huán)境研究中心2001年發(fā)布的CML2001模型進行生命周期影響評價。

2.1.5 特征化 特征化是以某一種生態(tài)影響因子為基準，得出其他各個因素的特征值。各環(huán)境影響潛值計算公式如下

()=∑()=∑[()()]。

(1)

式中：()表示第種因素對環(huán)境的影響值；()表示第種生態(tài)影響因子的影響；()表示第種生態(tài)影響因子排放量；()表示第種生態(tài)影響因子對第種因素的環(huán)境影響當量系數。所涉及的當量系數見表1。

表1 不同影響因子的當量系數

2.1.6 標準化 標準化是將特征化的結果一般化的過程，主要目的是為不同環(huán)境影響類型的比較提供標準值，便于統(tǒng)一對比，也為后面的加權評估提供數據基礎。本研究以Sleeswijk等的全球100年時間尺度下各類環(huán)境影響基準為依據，對生命周期評價特征化結果進行標準化(表2)。

表2 標準化基準

標準化結果為：

=()。

(2)

式中：表示第種因素的標準化結果；()表示第種因素對環(huán)境的影響；表示世界2000年人均標準化基準值。

2.1.7 加權 加權評估是利用權重來確定各因素對系統(tǒng)的影響程度，本研究采用專家組評議來確定權重，通過文獻收集獲得以環(huán)境科學和農業(yè)生態(tài)為主要背景的16位專家已確定的權重系數，歸一化后得出全球變暖、酸化效應、富營養(yǎng)化的權重系數分別為0.32、0.36、0.32。加權評估公式為

=×。

(3)

式中：表示第種環(huán)境影響加權評估后的環(huán)境影響潛值；表示第種環(huán)境影響標準化的結果；表示第種環(huán)境影響因子的權重系數。

2.1.8 結果解釋 結果解釋即通過分析處理后的數據，對奶牛場體系整個生命周期的資源消耗、廢棄物的排放進行評價說明。通過評估從而提出定量或定性的改善方法。

2.2 成本-效益分析

在奶牛場不同糞污處理模式的系統(tǒng)邊界內計算確定糞污處理的成本和收益，其中成本主要包括糞污處理階段的設備折舊、固定資產折舊、人工、電力、柴油和其他費用；收益包括墊料回用的替代費用、出售有機肥收益、沼氣供能節(jié)省煤電費用。成本計算公式為

=×+×+×+×+×+。

(4)

式中：表示總成本，萬元；表示設備費用，萬元；表示設備折舊率；表示建筑成本，萬元；表示建筑設施折舊率；表示人工數；表示人均工資，萬元；表示用電量，MW；表示電力單價，萬元/MW；表示柴油消耗量，L；表示柴油單價，萬元/L；表示其他費用，包括技術服務費(70元頭)和設備維修費用(78元頭)等，萬元。的設定值為10、的設定值為5%。

不同處理模式的凈收益計算公式為

=-。

(5)

式中：表示凈收益，萬元；表示糞污處理階段總收益，萬元；表示糞污處理階段總成本，萬元。

2 結果與分析

2.1 達標處理模式的環(huán)境影響與經濟效益

2.1.1 清單分析 第一，機械刮糞階段。該階段的能耗主要來源于刮糞機的耗電及牛舍沖洗水抽到蓄水塔中抽水泵的耗電。該奶牛場有刮糞機5臺，功率均為1.5 kW，總耗電量為 90 kW·h/d，測算該階段處理1 t糞污耗電量為 1 kW·h。第二，擠奶廳用水階段。該階段的能耗主要來源于水泵做功，水泵為4臺，其中3臺功率為30 kW，1臺功率為 27 kW，總耗電量為 2 808 kW·h/d，測算該階段處理1 t糞污須耗電 31.29 kW·h。第三，固液分離階段。該階段的能耗主要來源于螺旋擠壓機、輸送泵和攪拌機的能源消耗。該奶牛場擁有螺旋擠壓機1臺，功率為5 kW，耗電量為30 kW·h/d；糞污回流泵2臺，功率為30 kW；攪拌機1臺，功率為30 kW；輸送泵1臺，功率為30 kW，總耗電量為2 880 kW·h/d，測算該階段處理1 t糞污耗電量為32.43 kW·h。第四，分離后糞渣運輸和堆肥階段。糞渣堆肥過程中會產生溫室氣體和NH，該階段產生氣體的排放因子參考文獻[26]，其中CH排放因子[以干物質(DM)中的CH-C計，下同]為1.51 g/kg、CO排放因子(以DM中的CO-C計，下同)為43.33 g/kg、NO排放因子(以TN中的NO-N計，下同)為 2.23 g/kg、NH排放因子(以TN中的NH-N計，下同)為17.7 g/kg。糞渣堆肥階段產生的CH、CO、NO排放量分別根據以下公式進行計算。

(6)；

(7)

(8)

(9)

式中：表示堆肥期間氣體排放量，g/kg；表示堆肥期間溫室氣體的排放因子，g/kg；表示干物質含量，%。

糞渣堆肥后可以用于墊料回用，一般利用農用車運往各牛舍，估算該階段處理糞污的耗油量為0.027 kg/t。第五，氧化塘貯存階段。參照文獻[27]，廢水貯存過程中溫室氣體CO、CH、NO、NH的排放因子分別為33.02%、26.62%、0.000 5%、9.81%。根據年排放系數以及固液分離后的糞渣含水率，計算可得日產糞渣20 t，廢水產生量為73 t，糞污總處理量約為93 t，此階段以處理奶牛場每日產生的1 t糞污為功能單位。氧化塘儲存階段溫室氣體及NH的排放量依據以下公式進行計算。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：廢水貯存階段氣體排放量，g/kg；表示廢水貯存階段氣體年平均排放系數，%；表示糞渣(廢水)中的總有機碳(TOC)含量，g/kg；表示糞渣(廢水)中的全氮(TN)含量，g/kg。

第六，污水處理階段。該階段的環(huán)境污染物排放主要包含貯存階段、處理階段和排放階段。貯存階段溫室氣體與NH的排放根據年排放系數計算；處理階段溫室氣體與NH的排放主要來源于：氧化塘進水泵，功率5 kW；集水池攪拌機，功率2.2 kW；疊螺壓濾機用一備一，功率0.55 kW；鼓風機1臺，功率7.5 kW；缺氧池攪拌機2臺，功率0.37 kW；混合液回流泵2臺，功率2.5 kW?？偤碾娏?505.76(kW·h)/d，估計處理糞污耗電 5.42(kW·h)/t；最終排放階段的TN、TP和COD的排放量依據實測值進行計算。

將各階段的環(huán)境污染物排放清單匯總，可得達標排放處理模式的生命周期清單(表3)。

表3 達標排放處理模式的生命周期清單

2.1.2 經濟效益 此奶牛廠的設施建設主要包括排污管道、集污池、氧化塘、A/O池；工具設備主要包括刮糞機、水泵、攪拌機、回流泵、輸送泵、固液分離機、鼓風機、疊螺壓濾機；工人數為4人；耗電量為 2 293.57 MW/年；耗油量為1 095 L/年。糞污達標處理階段的成本見表4，此階段總成本為 0.34 萬元/(年·頭)。

表4 達標排放處理模式糞污處理階段的成本

處理糞污的收益為墊料回用替代費用，補充墊料約為 0.1 m/d·頭，鋸木墊料成本是 80元/m，約節(jié)省成本 0.176 萬元/(年·頭)，得出奶牛場凈收益為=-=0.176萬元/(年·頭)-0.340萬元/(年·頭)=-0.164 萬元/(年·頭)。

2.2 種養(yǎng)循環(huán)模式的環(huán)境影響與經濟效益

2.2.1 清單分析 第一，機械刮糞階段。該階段的能耗主要來源于刮糞機耗電與牛舍沖洗水抽到蓄水塔中抽水泵的耗電。該奶牛場有刮糞機10臺，功率為1.5 kW，抽水泵1臺，功率為 30 kW，總耗電量為900 kW·h/d，測算處理糞污需耗電0.85 kW·h/t。第二，固液分離階段。該階段的能耗主要來源于螺旋擠壓機、輸送泵和攪拌機的能源消耗。該奶牛場有螺旋擠壓機2臺，功率為5 kW，耗電量為 60 kW·h/d；攪拌機2臺，功率為30 kW；輸送泵4臺，功率為30 kW，總耗電量為4 320 kW·h/d，測算處理糞污須耗電 17.52 kW·h/t。第三，分離后糞渣運輸與堆肥階段。固液分離后糞渣運往第三方進行好氧堆肥，奶牛場距離第三方綜合處理廠約 1 km，運輸耗油量約為0.068 6 L/t；該本奶牛場采用“分子+生物膜”靜態(tài)覆蓋堆肥技術，覆蓋膜能將臭氣濃度降低90%～97%，整個處理過程無臭氣無污水產生，所有糞污全部轉化為有機肥，而糞渣堆肥階段產生的CH、CO、NO排放量分別依據公式(11)、公式(12)、公式(13)進行計算。第四，廢水厭氧發(fā)酵階段。此階段溫室氣體排放量幾乎為0，產生的沼氣可為農場提供能源，1 m沼氣可以減少2 kg煤炭的燃燒，相當于減少3.79 kg溫室氣體CO的排放量，依此計算，厭氧發(fā)酵處理1 t廢水可減少5.45 kg CO的排放量。第五，沼液貯存階段。厭氧發(fā)酵完成后產生沼渣沼液，進入貯存池暫時貯存，貯存過程中溫室氣體和NH的排放因子參考文獻[29]，其中CH、CO、NH、NO的排放因子分別為0.047、0.000 29、0.002、0.004 5 g/kg。沼液貯存階段產生的CH、CO、NO排放量依據以下公式進行計算。

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：表示沼液貯存階段氣體排放量，g/kg；表示沼液貯存階段氣體的排放因子；表示沼液中總碳含量，g/kg(FM)；表示沼液總氮含量，g/kg(FM)。

第六，還田階段。此奶牛場約流轉53.33 hm土地用于水稻與小麥種植，用于消納每日產生的沼液，沼液還田后的CH、CO、NO的排放系數參考文獻[30]，CH排放因子為6.91 g/kg、CO排放因子為69.7 g/kg、NO排放因子為3.78 g/kg、NH排放因子為4.12 g/kg。還田階段產生的CH、CO、NO、NH排放量根據以下公式進行計算。

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：表示還田期間氣體的排放量，g/kg；表示還田期間氣體的排放因子；表示鮮物質中的總碳含量，g/kg(FM)；表示鮮物質中的總氮含量，g/kg(FM)。

將各階段的環(huán)境污染物排放清單匯總，可得還田利用模式的生命周期清單(表5)。

表5 還田利用處理模式的生命周期清單

2.2.2 經濟效益 此奶牛場還田利用處理模式中的設施建設主要包括排污管道、集污池、氧化塘、黑膜沼氣池；工具設備主要包括刮糞機、水泵、攪拌機、輸送泵、固液分離機；工人數為2；耗電量為853.1 MW/年；耗油量為5 475 L/年。黑膜沼氣池2.55萬m，包工包料的造價一般為50～60元/m；沼液貯存池8萬m，造價一般為2～3元/m。流轉53.33 hm土地用于水稻與小麥的種植，生產成本主要包括流轉土地、種子、肥料、人工費用，收益主要包括主產品產值、副產品產值，其中沼液可以替代部分化肥，干麥秸、稻草等可以作為奶牛臥床墊料，化肥和農藥的使用量參考文獻[31]，種植階段的成本與收益如下：種子投入為10.9萬元，肥料投入為6.72萬元，農藥投入為5.6萬元，人工成本為49.2萬元，土地成本為18.9萬元，主要農產品產值為168.4萬元，沼液可以替代氮肥、鉀肥、磷肥分別為 7 665、2 738、275 kg，節(jié)約化肥成本約 1.64 萬元，最終計算出種植階段的總成本為 0.025 6 萬元/(年·頭)，種植階段獲得的總收益為 0.048 萬元/(年·頭)。糞污處理階段的成本見表6，最終計算出還田利用模式總成本為 0.277 萬元/(年·頭)。

表6 還田利用處理模式糞污處理階段的成本

處理糞污的收益包括糞渣好氧堆肥后生產的有機肥出售、沼氣供能節(jié)省煤電費用和節(jié)省化肥量。堆肥后有機肥出售，年收益 0.034萬元/(年·頭)；沼氣發(fā)電 800 kW/d，年收益 0.004 萬元/(年·頭)；墊料回用約節(jié)省成本 0.24 萬元/(年·頭)。

奶牛場凈收益為=-=0.326 0萬元/(年·頭)-0.302 6萬元/(年·頭)=0.023 4 萬元/(年·頭)。

2.3 綜合評價

2.3.2 標準化和加權平均 在特征化的基礎上，對2種奶牛場糞污處理模式進行標準化及加權平均，利用公式(2)和表2計算得出標準化結果，權重參考文獻[22]，結果見表7、表8。達標排放處理模式在溫室效應潛勢、酸化潛勢和富營養(yǎng)化潛勢方面均高于還田利用模式，其中在溫室效應潛勢方面，達標排放是還田利用模式的2.4倍，在酸化潛勢方面，達標排放是還田利用模式的10倍，在富營養(yǎng)化方面，達標排放是還田利用模式的68倍，達標排放處理糞渣堆放和廢水貯存以及廢水排放會導致環(huán)境富營養(yǎng)化，還田利用過程中僅耗電過程對環(huán)境富營養(yǎng)化有少量影響?？傊?，還田利用模式的環(huán)境效益及經濟效益均高于達標排放模式。

表7 達標排放與還田利用模式環(huán)境影響的標準

表8 達標排放與還田利用模式環(huán)境影響加權平均

3 討論

國內外大量實踐和研究結果表明，還田利用是規(guī)模奶牛廠糞污處理最有效和最可行的途徑之一，不僅可以減少農田化學肥料投入，還能有效改良土壤、提升作物品質，是發(fā)展循環(huán)農業(yè)的重要環(huán)節(jié)。但對耕地配套不足、多雨等無法進行沼液還田利用的地區(qū)，糞水仍須進行達標處理。

本研究采用生命周期評價法對奶牛糞污達標排放處理和還田利用2種模式的環(huán)境及經濟效益進行評估，研究結果與李丹陽等的結論一致，還田利用模式的環(huán)境效益及經濟效益均高于達標排放模式，本研究達標排放處理模式處理奶牛糞污的溫室效應潛勢(GWP)、酸化潛勢(AP)、富營養(yǎng)化潛勢(EP)分別為189.34、0.7、0.11 kg/t，還田利用模式處理奶牛糞污的溫室效應潛勢(GWP)、酸化潛勢(AP)、富營養(yǎng)化潛勢(EP)分別為79.22、0.064、0.001 62 kg/t，計算出達標處理模式對環(huán)境的綜合影響是還田利用模式的7.33倍；采用達標排放處理模式奶牛場凈收益為-0.167萬元/(年·頭)，采用還田利用處理模式的奶牛場凈收益為0.023 4萬元/(年·頭)，還田利用模式凈收益高于達標處理模式。總之，還田利用模式更適用于中大型規(guī)?；膛黾S污處理，是環(huán)境友好型、經濟可持續(xù)型處理模式，但還田利用模式糞水施用方式(如注施、漫灌等)、土壤類型及種植模式等很大程度上影響其肥效和環(huán)境排放量，后續(xù)應加強對不同情景模式的評價分析，使其更加精準化。

4 結論

規(guī)模奶牛廠2種糞污處理模式的生命周期評價結果顯示，糞污還田利用模式的環(huán)境效益及經濟效益均高于達標排放處理模式，具有很好的經濟及環(huán)境可持續(xù)性。