基于生命周期分析的禽畜养殖厂沼气工程性能评价

李金平， 吴文君， 张 涵， 杨 瑞， 黄娟娟

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050； 3.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 4.兰州理工大学 能源与动力工程学院， 兰州 730050)

随着养殖规模的不断扩大，畜禽养殖业逐渐从个体化、独立化向规模化、集中化发展，养殖业的迅速发展带来了农民收入的增加和人民生活水平的提高。但是，畜禽养殖业的规模化也带来了不可忽视的环境污染问题[1]。随着大中型沼气工程的出现，在解决规模化养殖所带来的污染问题的同时，进行热、电、气、肥的四位一体供应[2-3]。相对于传统堆肥，既有效地控制了甲烷和氮氧化物等温室气体的肆意排放，还能生成对农作物有益的有机肥料。农业部的统计数据表明，目前全国沼气年生产能力为160多亿m3，可减排二氧化碳5000多万吨，每年生产有机沼肥近4亿吨，可减少20%以上的化肥施用量，在保护生态环境和节能减排上，具有良好的生态、环境效益[4]。但目前由于沼液沼渣综合利用率低、沼气发电技术不成熟及售电价低等多方面因素，我国沼气工程基本依赖政府投资，自身造血能力差，从而大大挫伤了投资者的积极性[5]。沼气工程的收益仅仅局限于经济性是不全面的，故研究沼气工程的经济、能效及环境效益，从而选择较好的运行模式，是极有必要的。Pra-paspongsa[6]等基于生命周期评价比较了养猪场废弃物的12种不同综合处理方式的环境影响，研究结果表明全球变暖潜势、水体富营养化和可吸入无机物是猪粪处理过程中最重要的环境影响因素；罗一鸣[7]等对养猪场现行四中堆肥方式的环境影响进行分析，基于生命周期评价法得出其能源投入类型和堆肥过程中的气体排放与其环境影响关系密切，并得出了堆肥适宜翻堆时间；王效琴[8]等应用生命周期评价方法，建立了奶牛养殖系统温室气体排放量评估方法，并以此方法分析了西安郊区典型的规模化奶牛场的奶牛养殖系统温室气体排放特点和排放量。

随着沼气技术的利用和影响扩大，逐渐得到国家的重视和关注，近年来随着《生物质能发展“十三五”规划》、《到2020年化肥使用量零增长行动方案》的颁布，各地积极响应，纷纷出台新的能源补贴政策，为大中型沼气工程刮来一阵春风。为顺应这个大背景使禽畜养殖场沼气工程的经济、能效、生态效益并存，客观评价其不同运行方式的性能，选择较优的运行方式。本研究以某养殖场沼气工程为例，就新常态下禽畜养殖大中型沼气工程进行生命周期分析，对比分析两种沼渣处理方式，对其生命周期建立详细的经济清单、能效清单及环境清单，对其运行过程中的经济性和能量效率及对环境的影响进行定量分析，从而比较二者的优劣。

1 研究对象及系统边界

1.1 研究对象

沼气工程采用USR升流式固体厌氧发酵工艺，建有2座容积600 m3发酵罐，发酵温度37℃。工程的工艺流程如图1所示。新鲜牛粪由场区收集运输至进料房，牛粪通过旋转进料器和格栅处理去除较大杂质，经过调浆池、酸化池预处理。预处理后的料液由浓浆泵从发酵罐底部加压进料，上部溢流出料。假设溢出的沼液进行好氧处理后达标排放。发酵产生的沼气经过脱水、脱硫处理后进入储气罐。沼气发电机燃烧沼气发电，产生电量并网供养殖场生产生活消耗，发电机余热用于维持中温发酵。

图1 沼气发电工程工艺流程图

物料水力滞留期(HRT)为15 d，日进料量80 m3，消耗TS为20%的牛粪大约22 m3。牛粪产气量为0.3 m3·kg-1干物质，产气量为1320 m3·d-1。发电设备为捷克TEDOM公司生产的Cento T88 SPE BIO型，配置2台76 kW发电机组。发电机额定输出：120/96 kVA/kW；电压：400 V；频率：50 Hz。发电机组电气比为1.4 kWh·m-3。机组运行电效率为24.4%，热效率为40.5%，总效率为64.9%。

1.2 目的定义及范围确定

本研究采用生命周期分析法，设定情况一为系统满负荷运行情况，发酵出料处理达标后排放灌溉牧草；情况二为在情况一的基础上，购置固液分离机，将分离后的沼渣作为有机肥基质出售给生物有机肥生产厂。对比分析情况一、情况二运行过程能源消耗、经济效益及运行过程中所排放污染物造成的环境效应。沼气工程的发酵原料牛粪的来源为配套的奶牛养殖区域，故忽略原料收集及运输过程中对环境造成的影响，设定生命周期起始边界设定为牛粪收集输送至进料区域，终止边界为固液分离后肥料基质成型，废水达标排放(见图2)。

图2 生命周期系统边界图

1.3 功能单位及评价方法

根据国际标准ISO14040《生命周期评价原则及框架》[9]，本研究选取1 t牛粪为生命周期评价的功能单元(Functional unit，FU)，沼气的功能单位取为m3，能耗的功能单位取为MJ。对比分析两种沼渣处理方式下的经济、能源投入产出、污染物排放情况，通过能源、经济状况及环境影响的大小比较两种方式下的优劣。

2 清单分析

2.1 经济清单分析

制定经济分析清单，根据该工程的年运行成本及经济收益，得出工程年净收益。其中工程收益主要体现在节省电费、节省排污费以及沼液沼肥销售费；运行成本主要为运行人员人工工资、维修维护费等。

该沼气工程总投资680万元，其中政府出资450万元，其余企业自筹230万元。奶牛排污费为每头每月7元，按照每年平均存栏3500头计算。发电机余热经回收后通过加热盘管对发酵罐进行加热可保证中温发酵，无其他增温方式。运行成本主要是指沼气工程系统运行保养费用及工人工资，维修费每年6万元/年，配件费年均7万元，油料、保温等耗材每年3万元，清池、清塔等费用每年1万元。沼气站配置3个工作人员，人均月薪为2500元。系统运行自耗电为243.8 kWh·d-1，电费以0.6元·kWh-1计。

情况二下增加两台固液分离装置，运行参数为7.5 kW，33.7 r·min-1，配套的沼液提升泵运行参数为3 kW，1450 r·min-1，价格4万元。处理能力为15 m3·h-1，故每日两台固液分离装置运行2.5小时。对发酵后产物进行固液分离后所得含水率60%沼渣作为生产生物有机肥的基质出售给化肥厂，售价为300元·m-3。系统运行各部运行耗电详情见表1，工程在情况一及情况二下生命周期内经济清单见表2。

表1 系统各部运行详情

表2 工程运行生命周期内年均经济清单 (万元)

2.2 能效清单分析

用能量清单来分析沼气生产生命周期过程中的能量输入和能量输出，计算产生1 m3沼气所需能量。单位能耗是指生产1 m3沼气需要的能量投入，单位产能指生产1 m3沼气带来的能量效益。在计算能量的投入与产出时需要分析原料的预处理过程、发酵过程、沼气发电、沼肥制备四个过程中涉及的能量输入与输出，这些过程中涉及的能量输入主要为系统内部的电力消耗，运行人员的人工消耗。能量的输出主要为沼气发电、沼液及沼肥。在生命周期分析中的4个过程详细能量输入如下。

(1)原料预处理过程中增温所需热量来自于系统内部发电机余热，酸化池不配备搅拌设施。所涉及到的能量输入为人力消耗及进料泵运行期间所消耗的电力。

(2)发酵过程的主能量输入为维持中温发酵所需要的热量，该热量由系统内部的发电机余热提供；以及发酵罐底部增强回热回质的回流泵所消耗的电力。

(3)沼气发电过程中能量输入为发电机余热利用系统中循环水泵用电，及发电机内部用电。

(4)沼渣的处理过程中主要消耗的能量为固液分离机所消耗的电力。

系统运行期间所输出的能量为向外输出的电能、沼气，产生的生物有机肥基质。

表3 工程运行生命周期内能效清单

工程日产气量1320 m3，沼气能量折算系数为20920 kJ·m-3；日发电量1848 kW·h，电力能量折算系数为3598.24 kJ·kWh-1 [10]。假设每日发酵出料经过固液分离后得到含水率为60%的沼渣，沼渣能量折算系数为1.266 MJ·kg-1[11]；人力投入能量折算按照732.7 kJ·h-1计算[12]。

2.3 环境清单分析

针对沼气工程对环境影响的评价时，将不进行沼液固液分离(情况一)、对沼液进行固液分离(情况二)进行对比，针对环境排放清单，重点是计算整个发酵、发电、沼液沼渣处理过程中造成的污染物排放。

2.3.1 排放清单分析

2.3.1.1 厌氧发酵过程

牛粪浆料通过两台7.5 kW螺杆浓浆泵进料，在罐底和中部之间设置回流泵以加强传热传质。电力的主要用于驱动进料泵、沼气增压装置、回流泵。电力生产过程中的污染物排放见表4。

2.3.1.2 沼气发电过程

通过设定运行数据可知功能单位发电量为92.4 kW·h。根据中华人民共和国农业行业标准NY/T 1704-2009沼气电站技术规范，选取甲烷含量为50%～60%时，沼气中H2S的含量不得超过250 mg·m-3。假设沼气经过净化能够满足要求，则沼气燃烧发电过程中SO2功能单位排放量为28.2 g。沼气燃烧过程中的CO2排放量采用王革华[14]的计算方法，公式如下：

CBG=BG×0.209×15.3×44/12=11.725BG

式中：CBG为燃烧沼气的CO2排放量， t；BG是沼气消耗量，万m3；0.209是沼气热值，TJ·万-1m-3;15.3是天然气碳排放系数，t·TJ-1。计算得沼气燃烧过程中CO2的功能单位排放量为43.1 kg。

表4 电力生产过程中污染物排放[13] (kg·kWh-1)

2.3.1.3 沼液沼渣处理及有机肥基质制备

情况一：对厌氧发酵的出料未进行固液分离，沼液溢流经好氧处理达标后由水泵运输至厂外排放灌溉。沼液好氧处理中主要排放的污染物为CO2，计算可得功能单位CO2的排放量为355.83 kg[15]。

情况二：厌氧发酵后的出料进行固液分离，分离后沼液经好氧处理达标后，被泵至厂外灌溉牧草，固液分离后固体作为肥料基质出售给肥料厂。分离后沼液处理阶段的功能单位CO2排放量为147.67 kg[16]。

此环节其他污染来自于固液分离、水泵等设备的电力消耗排放的污染物。沼液排放需达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)的要求，则其中BOD5，COD，SS，NH3-N，TP在情况一下的功能单位排放量为0.315，0.84，0.42，0.168，0.0168 kg；在情况二下功能单位排放量分别为0.252，0.672，0.336，0.1344，0.0134 kg。具体污染物排放生命周期清单见表5。

2.3.2 特征化

表5 污染物排放生命周期清单

2.3.3 标准化及加权

为了将全球性、地区性以及局地性影响在同一水平上进行比较，本文采用Stranddorf et al[19]2005年11月发布的世界人均环境影响潜力作为环境影响基准。确定各种环境影响类型的权重时，参考王明新[20]等设置的权重系数，进行归一化后取值。具体数据见表6。

表6 世界人均环境影响潜力

3 结果与分析

3.1 经济性分析

收回原投资所需的时间是评价项目的一个非常重要的因素，是指从项目投建之日起, 用项目所得的净现金流量回收原始投资所需要的年限。它代表了预期投资回本的年数。假设运行期间每年现金流量相等。

净现值计算公式表示为：

NPV=(CI-CO)i/(1+R)i

式中：CI和CO为第i年的现金流入、现金流出；R为基准折现率，根据资金来源情况，扶持资金约占66%，可视其成本为0；自筹资金占34%。假设机会成本为10%，则基准折现率为：66%×0+34%×10%=3.4%。

动态投资回收期(Pt，年)是指收回成本需要的年数，计算公式如下：

式中：A为累计效益净现值出现正值的年份；E为第A-1年累计效益净现值的绝对值；F为第A年累计效益净现值。

通过对其动态回收期的计算可得情况一下在工程生命周期20年内无法回收投资，净现值为-282.73万元<0，若仅计算自筹资金投资回收期，则自筹资金动态投资回收期为9.7年。情况二下在生命周期20年内净现值为1227.77万元，动态投资回收期为9.8年，自筹资金动态回收期为3.21年。

以上结果均是在沼渣售价为300元·m-3的基础上得到的。经计算，当沼渣售价降低至90元·m-3时，情况二的经济性失去优势，与情况一相持平。当沼渣售价继续下降，沼渣收入无法抵消由于加入固液分离设备用电量的额外支出，导致在此情景下在情况一运行模式将获得相对较高的收益。

3.2 能效分析

从能效角度分析，通过计算情况一与情况二的单位能耗为0.65 MJ·m-3,0.82 MJ·m-3，单位产能为5.04 MJ·m-3及14.15 MJ·m-3，能效产出比分别为7.75和17.26。该沼气工程的能量投入产出比均为正值，证明两种运行方案均具有可行性；情况二与情况一相比产出比提高2.2倍，原因在于通过增加固液分离装置，使得原本废弃的沼液沼渣在系统中得到了利用，由于系统日产固液分离后沼渣9.5m3，其中蕴含相当可观的能量，这部分能量大大提高了系统的能量产出比。在情况二运行模式下仅需要增加0.17 MJ·m-3的能量投入，即可增加9.11 MJ·m-3单位产能。从能量投入构成来看，不管是情况一还是情况二的数据表示超过九成的能量投入为系统所消耗的电力。这是由于该系统采用热电联供发电机组，沼气发电余热用于加热料液及发酵罐的增温保温，节省了大量其他形式能源作为沼气工程热源的消耗。

3.3 环境影响分析

经分析可知，情况一，情况二的环境综合影响潜力分别为0.072和0.067，即分别通过两种方式处理1 t牛粪所产生的全球变暖、环境酸化及富营养化潜力相当于世界人均影响潜力的7.2%和6.7%。具体数据详见表7。

表7 情况一和情况二的综合环境影响值

根据研究结果显示，在全球变暖潜力方面情况一与情况二相差2.38%，这是由于虽然情况二加入了固液分离设备导致系统用电量略大于情况一，使得在电力消耗中排放的污染物有所增加，但是由于固液分离后的沼液中各种有机质含量都有所下降，导致在沼液后续处理环节的排放也同时大大下降，导致情况一中CO2排放量远大于情况二。故在全球变暖指标中所显示的结果为情况二优于情况一。两者的环境酸化指标与富营养化指标所得结果都非常相近，这是因为在沼气发电的预处理环节对沼气进行脱硫，降低了环境酸化主要影响物SO2的排放量；沼液处理后达标排放，对富营养化指标影响较小。

4 讨论与结论

在基于生命周期分析的基础上对分别对该沼气工程的经济、能效及环境影响进行评价。在经济性方面,情况二以动态投资回收期9.8年、自筹资金动态投资回收期3.21年明显优于情况一，情况一无法在运行周期20年内收回成本，自筹资金投资回收期9.7年。在仅考虑经济性的情况下情况二是理想的沼气工程运行模式。在能效评价中可知，不论是情况一还是情况二都具有能效方面的可行性，情况二的能耗高于情况一0.17 MJ·m-3，但单位产能即可增加9.11 MJ·m-3。环境影响分析结果表示情况一的综合环境影响潜力大于环境二，增加电力带来的环境影响没有大幅减弱系统的环境表现，情况二对环境的影响更小。因此，在设定运行情况下综合考虑经济、能效及环境影响三方面因素得到情况二是经济、节能、环境友好的沼气工程运行模式。

从沼气工程的众多评价研究中可以看出，发展沼气工程关键在于是否能取得较好的效益。虽然在政策扶持下工程建造初期能获得数目可观的政府投资，但自身的造血能力关系着后续运行之中企业的维护和持续投资的积极性。故甄选一种可行的、经济、节能并且环境友好的运行模式，对推动我国大中型沼气工程由主要依赖政府资金扶持的瘸腿状态转型为能为企业带来红利的生产模式，是极其有必要的。在沼肥可带来稳定收益的前提下，沼渣作为生物有机肥基质可从源头上解决经济性问题、提高能源产出率、降低一定的环境负荷。笔者对禽畜养殖厂沼气工程的两种处理模式从经济、能效、环境影响三方面进行了清单分析和影响评价，可为沼气工程的工艺流程选择提供科学依据，并为开展禽畜粪便资源化利用综合评价提供数据参考。