规模化养猪场生命周期环境影响评价

张颖，夏训峰，周素霞，何卓识，孟睿，席北斗

中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012

近年来，随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对畜产品的需求也进一步提高，由养殖业和畜产品加工业带来的环境污染问题也越来越严重。调查表明，2003年我国畜禽粪尿产生量已接近20亿t，是同期工业固体废物的2.7倍［1］。有预测到2020年中国畜禽粪便年排放总量将达到42.44亿 t［2］，其中，养猪业对环境的影响最大，通过分析生猪养殖生命周期各单元过程的环境影响，找到对环境影响最大或较大的环节，确定重要的影响因子，便于对规模化养猪场进行有效的环境管理，解决污染问题。国内鲜有对农业进行生命周期评价(LCA)的研究，秦凤贤［3］对牛奶生产过程进行了生命周期评价;王明新等［4-5］对水稻和小麦生产系统进行了研究。笔者尝试利用生命周期评价方法，建立生猪养殖系统的能源消耗和污染物排放的数据清单，并对其环境影响进行评价，以期为规模化养猪场的环境管理和污染控制提供参考。

1 生命周期评价

根据ISO 14040《生命周期评价原则与框架》国际标准［6］，生命周期评价的实施步骤分为目标和范围的定义、清单分析、影响评价和结果解析四个部分，基于对产品整个生命周期的定量调查和数据采集，是产品从“摇篮”到“坟墓”的评价，在国内外应用广泛。

2 目标和范围的定义

以饲养一头出栏猪为功能单位(function union，FU)，采用生命周期评价方法与情景分析法相结合，对规模化养猪场环境影响进行评价，计算系统环境影响潜力。分析各单元过程的环境影响，找到对环境影响最大或较大的阶段，确定重要的影响因子，为降低规模养猪场的环境影响，进一步提高系统的环境效益提供依据。生猪养殖的生命周期大致可以划分为原料生产、生猪饲养和废物处理三个环节(图1)。

图1 生猪养殖生命周期Fig.1 The research scope of pig breeding

情景描述及参数设定:假设养猪场年存栏量为500头，饲养期为180 d，出栏体重平均为100 kg;饲料以玉米等谷物为主，全部饲料原料从系统外购买，全程料肉比平均为3∶1;粪便处理方式为厌氧发酵，产生的沼气用来发电，沼渣经综合处理后制成有机肥出售，沼液经好氧处理达标后排放。

3 清单分析

按照系统生命周期的三个环节，分别进行清单分析。

3.1 原料生产环节

假设饲料全部由70%的谷物，25%的浓缩料和5%的添加剂配制而成，故当生命周期饲料的消耗量为300 kg/FU时，则谷物为210 kg/FU，浓缩料为75 kg/FU，添加剂为15 kg/FU。

饲料原料的生产过程中，功能单位物质的投入量(xi)的计算公式:

式中，IF为功能单位饲料原料的使用量;PA为全国主要谷物的平均产量;XiA为物质i单位耕地的全国平均投入量［7］。

作物生产中污染物的排放量参考文献［5］对冬小麦常规管理措施下生命周期环境影响研究的结果。

假设原料从周边城市购买，运距平均为100 km，运输方式为货运汽油车，汽油车能耗为0.06 L/(t·km)［8］;污染物的排放数据参考文献［9］的研究结果。

在饲料的加工过程中能耗主要为电能，平均为30 kW·h/t［10］。该过程污染物的排放量小，可忽略不计。

3.2 生猪饲养环节

3.2.1 猪粪便、养殖废水的产生量

根据原国家环境保护总局推荐的排泄系数［11］，计算得粪便产生量为196.27 kg/FU，尿液产生量为323.85 kg/FU;养猪过程中采用干法清粪工艺，利用徐谦等［12］的研究结果，得到各污染物的浓度和生产废水产生量(1350 L/FU)。

3.2.2 NH3，CH4，CO2的排放量估计

养猪生产中，NH3的排放主要发生在猪舍和粪池。根据刘丹［13］的研究，得到每头猪每天NH3排放量平均为4.5849 g，计算得出 NH3排放量为825.282 g/FU［14］。

根据IPCC 1997年的报告，猪的一个生命周期因肠道发酵而排放的甲烷量为1.5 kg/头，则得出甲烷排放量为 1.5 kg/FU［14］。

养猪生产中，经测定每头猪由呼吸排放的CO2为 43 L/h［15］，推算出 CO2排放量为 367.248 kg/FU。

3.3 废物处理环节

畜禽粪便的处理分为厌氧发酵、沼气发电、沼渣沼液综合处理三个阶段。

3.3.1 厌氧发酵

猪粪的产气量为0.42 m3/kg(以干物质计)［17］，可计算出沼气产量为14.84 m3/FU。

沼气主要成分中CH4占60%，CO2占35%;则CH4的产量为8.90 m3/FU，CO2产量为5.19 m3/FU，其余的成分产气量较小，可忽略不计。

3.3.2 沼气发电

每 m3沼气可发电约 2 kW·h［18］，功能单位发电量为29.68 kW·h。

利用沼气作为能源时，沼气中H2S的浓度不得超过20 mg/m3［19］。假设沼气经过净化能满足发电的要求，则沼气燃烧产生SO2量为558.68 g/FU。沼气燃烧过程中的CO2排放量采用文献［20］的方法计算。

3.3.3 沼液沼渣综合处理

厌氧发酵后的出水进行固液分离，沼液溢流进入沼液好氧后处理系统，达标排放;沼渣运送至有机肥车间，利用发电机余热干燥，包装后出售。

沼渣处理过程中，对环境的影响较小，忽略不计，沼液处理后的出水达到GB 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》的要求，则BOD5，CODCr，SS，NH3-N 和 TP 排放量分别为 202.5，540，270，108和10.8 g/FU。

就是这句话，让后世记住了一个自恋的娘炮。人们在反思黑暗幽深的历史时，一不能怨皇帝，二不敢怼权臣，总要找一个“背锅侠”，气质妖艳的何晏各方面条件都符合，就这样成为中世纪最为惹眼的恶之花。

4 影响评估

采用特征化和归一化与加权的方法对不可更新能源的消耗、全球变暖、富营养化和环境酸化潜势四种环境影响类型进行评估。

4.1 特征化

在猪的饲养阶段及粪便处理阶段中主要消耗的不可更新能源为电力，假设全部由系统内部发电供给。饲料原料生产阶段不可更新能源消耗根据文献［5］的方法〔91.63 MJ/kg(以有效氮计)〕计算得出氮肥生产的不可更新能源消耗(energy depleted，ED)，其余农用物资根据能量折算系数［21］计算。

富营养化潜力(eutrophication potential，EP)、全球变暖潜力(global warming potential，GWP)、环境酸化潜力(acidification potential，AP)采用当量系数法计算:

式中，C为特征化的结果;i为环境影响类型;x为功能单位气体排放量;j为归属于同一影响类型的不同物质;X为物质的浓度系数。系统功能单位环境影响特征化结果如表1所示。

表1 系统功能单位环境影响特征化结果Table1 Characterization results of studying system

4.2 归一化与加权

归一化方法一般是用基准量除以类型参数:

式中，N为归一化的结果;C为特征化结果;S为基准量。

采用Stranddorf等［22］发布的世界人均环境影响潜力作为环境影响基准。

根据王明新等［5］以环境科学和农业生态为主要背景的16位专家的调查，确定了权重系数:ED为0.15，GWP为0.12，AP为0.14和 EP 为0.12，对归一化进行加权，结果如表2所示。

表2 系统环境影响加权后结果Table 2 Weighted evaluation results

饲养一头猪产生的环境影响综合指数为4.02×10-2，环境影响较大的环节依次是原料生产环节、生猪饲养环节和废物处理环节，对应的环境影响指数分别为2.52×10-2、1.23 ×10-2和2.71 ×10-3。

5 结果与讨论

(1)原料生产环节的环境影响综合指数最大，达2.52×10-2。与国外相关报道［23］相比，我国单位可耕地的平均农资投入量较大，尤其是氮肥投入过多，远大于作物生长的需要，而农资生产一直是能源消耗和环境污染的大户，造成饲料原料生产中能源消耗高，环境影响大，其影响往往不是出现在养猪地区，而是出现在原料种植地区。目前不少养猪的饲料原料来自国外，这有利于生猪养殖生命周期环境影响的降低。

(2)生猪饲养环节环境影响综合指数为1.23×10-2，其中，环境酸化潜力贡献率最大，但冯砚青［24］在分析我国酸雨状况时认为，NH3的释放可以降低酸化效应;若不考虑NH3的酸化影响，则整个生命周期环境酸化潜力将降低73%。另外，国内的养猪生产中饲料蛋白水平通常偏低，有利于降低猪饲养阶段温室气体的排放。

(3)废物处理环节环境影响综合指数为2.71×10-3，白林［10］的研究结果与笔者的研究相差很大，原因主要是由于废物处置方式不同。粪尿有效管理和废物无害化、资源化利用对减轻该环节环境影响极为重要。

6 建议及不足

通过以上的分析，减少规模化养猪场环境影响潜力的措施可包括:1)合理配方施肥和测土施肥，降低氮肥投入和养分流失，鼓励有机肥还田;2)通过品种改良、合理配制饲料、改善环境和管理方式，提高饲料利用率，减少污染物排放;3)配套建设沼气工程，畜禽废物能源化、无害化，并对沼液和沼气加以充分利用;4)就近采购饲料原料，减少运输量;5)采取规模化、集约化的农牧结合，实现能量的多级利用。

研究考虑了养猪生命周期中饲料原料的生产、加工、运输，饲养以及废物的处理，属于比较完整的生产系统;但缺少对猪肉消费利用的考虑;另外，由于没有对建筑、设备、兽药等进行分析，也没有进行经济可行性方面的研究。因此研究还需进一步完善，不能直接用于对系统的优劣进行评价，可作为系统环境影响评估的一种参考。

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