福建省规模化养猪场温室气体减排效益评估

2019-09-10 07:22王成己李艳春刘岑薇王义祥黄毅斌
福建农业学报 2019年4期
关键词:甲烷二氧化碳

王成己 李艳春 刘岑薇 王义祥 黄毅斌

摘 要:【目的】评估福建省规模化养猪场利用沼气工程处理粪便产生的温室气体减排效益,以推动规模化养猪场沼气工程建设,实现生猪养殖业清洁生产。【方法】根据国际通用的温室气体减排量计算方法,以2010年和2015年为例,计算福建省规模化养猪场粪便资源量及沼气生产潜力,评估粪便资源全部用于沼气工程建设所带来的减排效益。【结果】2010年和2015年福建省规模化养猪场排泄物干物质总量分别为169.93万t和163.29万t,其产沼气潜力分别为7.14亿m3和6.86亿m3。假设规模化养猪场粪便所产沼气全部用于替代薪柴,则分别可替代薪柴245.42万t和235.84万t,减少CO2排放量分别为268.74万t和258.25万t;假设规模化养猪场粪便所产沼气全部用于替代煤炭,则分别可替代煤炭130.85万t和125.74万t,减少CO2排放量110.89万t和106.56万t。如果养猪场粪便全部用于沼气工程,则分别可减少CH4排放3.59万t和3.45万t。【结论】沼气工程在有效处理禽畜粪便的同时生产了优质燃料,沼气替代传统能源减少了CO2排放,禽畜粪便厌氧消化减少了CH4排放,带来了显著的社会经济及环境效益。

关键词:规模化养猪场;沼气工程;二氧化碳;甲烷;减排效益

中图分类号:X 713文献标识码:A文章编号:1008-0384(2019)04-465-06

Abstract:【Objective】 Reduction on greenhouse gas (GHG) emissions at large pig farms by treatment converting fecal waste to biogas for an environmentally friendly hog industry in Fujian was reviewed. 【Method】Based on the internationally accepted method for calculating GHG emission reduction and the 2010 and 2015 data, the amounts of manure and biogas production at large pig farms in the province were obtained for the analysis. The estimated benefits brought about by the emission reduction through the practice were discussed. 【Result】The total amount of excreta dry matters from the pig farms was 1.699 3 million tons in 2010 and 1.632 9 million tons in 2015 representing the production potentials of 714 million m3 and 686 million m3 biogas, respectively. If the biogas produced were to be used to replace firewood, it would have been 2.454 2 million t and 2.358 4 million  t of firewood saved for the two years, respectively. And the resulting CO2 emissions reduced would have amounted to 2.687 4 million t in 2010 and 2.582 5 million  t in 2015. The same presumed biogas productions would translate to be 1 308 500 t and 1 257 400 t of coal, or 1 108 900 t and 1 065 600 t of CO2 emissions for the years of 2010 and 2015, respectively. By converting pig manure to biogas, the CH4 emissions could have been reduced by 35 900 t in 2010 and 34 500 t in 2015.【Conclusion】Using biogas produced from livestock waste could conceivably generate a high quality fuel to replace the traditional energy sources and effectively reduce CO2 emissions. Anaerobic digestion of the waste material also mitigated CH4 emissions resulting in significant social, economic and environmental benefits.

Key words:large pig farm; biogas project; carbon dioxide; methane; emission reduction benefits

0 引言

【研究意義】近年来,规模化养猪场已成为我国生猪产区养猪的主体形式。然而,规模化养猪在实现集约经济优势的同时,也带来了严重的环境污染问题。生猪养殖业粪污的不合理排放是我国农业面源污染的重要来源。如何将生猪粪污最大程度资源化降排减少环境污染,成为我国畜禽养殖业必须解决的一个重大问题[1]。沼气工程是农村清洁能源体系的重要环节,是养猪场废弃物污染治理的最主要解决办法[2]。沼气工程在生产优质燃料的同时,有效处理禽畜粪便,具有显著的社会、经济及环境效益。【前人研究进展】研究表明,规模化养猪场建设沼气池,既能减少粪便管理造成的CH4排放和对周边环境的污染,又能充分利用再生能源,减少化石燃料使用,进而减少温室气体排放,具有显著的外部经济效应[3-6]。【本研究切入点】国内相关研究都以某单个养殖场为研究对象,而对省级尺度规模化养猪场温室气体减排效益研究较少,无法实现通过温室气体减排及其政策来引导和推动养猪场沼气工程建设和发展。本研究根据国际通用的温室气体减排量计算方法,以2010年和2015年为例,计算福建省规模化养猪场粪便资源量及沼气生产潜力,评估粪便资源全部用于沼气工程建设所带来的减排效益。【拟解决的关键问题】通过计算福建省规模化养猪场粪便资源量及沼气生产潜力,评估粪便资源全部用于沼气工程建设所带来的减排效益,为福建省制定科学合理的温室气体减排政策,推动规模化养猪场沼气工程建设,实现福建省生猪养殖业清洁生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于《中国畜牧业年鉴2011》[7]和《中国畜牧业年鉴2016》[8]。

1.2 养猪场粪便资源量计算方法

猪粪便资源量=猪饲养量×日排泄系数×饲养周期(1)

日排泄系数即每头猪每天的排泄量,参考徐庆贤等[9]研究成果,每头体重90 kg的猪,其日均排泄粪2.2 kg、尿2.9 kg,饲养周期按照365 d计算。本文所指的规模化养猪场包括养殖专业户(年存栏生猪50~499头)和规模化养殖场(年存栏生猪500头以上)。猪粪和猪尿的干物质含量和含水量参考张无敌等[10] 的研究成果(表1)。

1.3 沼气潜力计算

规模化养猪场猪粪便的沼气潜力按照35℃时产量当量计算,参考张无敌等[11-12]、徐庆贤等[13]研究成果,猪粪便沼气产量当量按照0.42 m3·kg-1 TS计算。

1.4 养猪场温室气体排放量计算

1.4.1 CO2排放量计算

参照王革华等[14]的方法计算CO2排放量,计算规模化养猪场粪便资源全部用于沼气工程所带来的温室气体减排效益,即沼气替代物薪柴的燃烧排放量与沼气燃烧排放量的差值。

(1)燃煤的CO2排放量计算公式为:

式中,Ccoal为燃煤的CO2排放量,t;C为燃煤消耗量,t;Cp为含碳量,%;Cs为产品固碳量,%;Co为碳氧化率,%;44/12为CO2相对分子质量与C原子质量之比。

产品固碳量指燃料作非能源利用时不排放或不立即排放的碳,在能源消费中,这部分能源可以忽略;含碳量为燃料的热值与碳排放系数之积。煤炭热值为0.0209 TJ·t-1,碳排放系数为24.26 t·TJ-1,民用碳氧化率为80%[15]。燃煤的CO2排放量计算公式为:

式中,Ccoal民用為民用燃煤的CO2排放量,t;C民用为民用煤炭的消耗量,t。

(2)薪柴的CO2排放量计算公式为:

生物质燃烧的CO2排放量计算公式如下:

式中,CBM为生物质燃烧的CO2排放量,t;BM为生物质燃料的消耗量,t;Ccont为生物质燃料的含碳量,%;Ofrac为生物质燃料的氧化率,%;薪柴的含碳量为45%,氧化率87%。

薪柴的CO2排放量采用如下公式计算:

式中,CW是薪柴燃烧的CO2排放量,t;W是薪柴的消费量,t。

(3)沼气燃烧的CO2排放量为:

式中,CBG为沼气燃烧的CO2排放量,t;沼气热值为 0.209 TJ/万m3;沼气碳排放系数为15.3 t/TJ;BG为沼气消耗量,万m3。

(4)沼气替代传统燃料的CO2减排量为:

式中,C为沼气替代传统燃料的CO2减排量,t;Ci为沼气替代传统燃料的CO2排放量,t。

沼气折合标准煤系数为0.714 kg·m-3、薪柴和煤炭折合标准煤系数分别为0.571和0.714 kg·kg-1[6]。沼气燃烧热效率为55%[16],薪柴炉灶燃烧热效率为20%[16],煤炭炉灶燃烧热效率为30%[17]。根据以上数据以及规模化养猪场粪便资源量产气潜力数据,以等量的标准煤为依据计算沼气燃烧替代传统能源减少CO2的排放量。

1.4.2 甲烷排放量估算方法

粪便管理系统CH4排放采用《IPCC国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》[18]推荐方法,公式如下:

式中,CCH4为牲畜粪便管理系统中的CH4总排放量,kg;ri为i种牲畜粪便管理中每头牲畜CH4排放因子,kg·a-1;pi为i种牲畜数量。福建地处温和气候区(15℃≤T≤25℃),生猪CH4排放因子为3.48 kg·a-1[19]。

2 结果与分析

2.1 福建省规模化养猪场粪便资源量及沼气生产潜力

2010年和2015年福建省生猪饲养规模情况见表2。生猪饲养规模分为农户散养(年存栏生猪1~49头)、养猪专业户(年存栏生猪50~499头)、规模化养殖场(年存栏生猪500头以上)。2010年和2015年年末福建省生猪存栏数分别为1 272.57万头和1 066.16万头,其中农户散养生猪占总存栏生猪比例分别为18.99%和7.08%,养殖专业户占比分别为28.65%和20.62%,规模化养殖场占比分别为52.36%和72.30%,50头以上规模化养殖占比分别为81.01%和92.92%。

根据公式(1)及表1和表2,计算得到2010年和2015年福建省规模化养猪场排泄物干物质总量分别为169.93万t和163.29万t。根据养猪场每年排放的排泄物干物质总量和产量当量,计算得到2010年和2015年福建省规模化养猪场粪便资源产沼气潜力分别为7.14亿m3和6.86亿m3(表3)。

2.2 CO2减排效益

假设规模化养猪场粪便所产沼气全部用于替代薪柴和煤炭,依据不同能源替代折算成相同标准煤的原则,计算得到2010年和2015年福建省规模化养猪场粪便资源量沼气潜力可替代薪柴的实物量分别为245.42万t 和235.84万t,可替代煤炭的实物量分别为130.85万t和125.74万t(表4)。

依据公式(3)、(5)、(6),如2010年和2015年福建省规模化养猪场粪便所产沼气全部用于代替薪柴,则可减少CO2排放量分别为268.74万t和258.25万t,若全部用于替代煤炭,则可减少CO2排放量分别为110.89万t和106.56万t(表4)。

2.3 甲烷减排效益

沼气工程将畜禽粪便作为原料进行厌氧发酵,避免了养殖场CH4的直接排放,对减少CH4排放具有重要贡献。按照公式(8)的方法,2010年和2015年福建省规模化养猪场粪便如果全部用于沼气工程,则可减少CH4排放分别为3.59万t和3.45万t(表5)。

3 讨论与结论

3.1 规模化养猪场温室气体减排潜力分析

本研究表明,养猪场沼气工程产生的沼气替代传统能源可减少CO2排放,禽畜粪便厌氧消化减少CH4排放,具有显著的社会及环境效益。然而,受建设和维护成本影响,养猪场建设沼气工程的积极性不高,一些已建沼气工程也被闲置[3]。温室气体减排及碳交易政策给沼气工程带来新的发展机遇,提高了沼气工程盈利能力,对沼气工程发展起到积极的促进作用[4, 20]。

畜禽养殖是重要的农业活动,养猪业是福建省最重要的养殖污染源[21]。研究表明,控制和减少畜禽养殖CH[22-23]4和N2O[24-25]排放,就要从影响动物源温室气体排放的因素[26]入手,优化养殖结构、提升养殖规模、改良畜禽品种、改进饲养技术,实现畜禽养殖全程控制,从源头上实现畜禽养殖业清洁生产[27],从深层次解决畜禽养殖业温室气体排放及粪便污染问题[28]。

3.2 福建省规模化养猪场粪污处理存在问题及对策

本研究表明,2010年和2015年福建省年存栏生猪50头以上的养猪场存栏生猪占全年存栏生猪比例分别为81.01%和92.92%,2015年比2010年提高14.70%。500头以上规模化养殖场存栏生猪占全年存栏生猪比例由2010年的52.36%提高到2015年的72.30%,养猪专业户(年存栏生猪50-499头)存栏数占比由2010年的28.65%降到2015年的20.62%,农户散养(年存栏生猪1~49头)存栏数占比由2010年的18.99%降到2015年的7.08%。福建省养猪业已经从散养阶段步入规模化养殖阶段。

近年来,福建省养猪污染由面源污染逐步演变为点源污染,其污染成因主要有产业规划滞后、政府监管不力、违规操作突出等[29]。福建省養猪业产生了全省大部分养殖业污染物。阮妙鸿等[21]研究表明,福建省畜禽养殖污染物中98.3%污水、62.9%粪便、74.2% COD、86.9%总氮、67.5%总磷、96.4%铜、86.5%锌、98.4%氨氮都由养猪场(户)产生。和2010年相比,虽然2015年福建省规模化养猪比例有了较大幅度提高,但是小规模养猪专业户仍占较大比重。养猪专业户受限于落后的污染处理设施,污染物削减能力偏弱。一些养殖场运行管理不规范,粪污治理效果难以保障[30]。另外,沼气项目政策不到位,缺乏有效配套机制,限制了养殖场发展沼气产业的积极性。针对畜禽养殖污染成因及养猪业发展现状,要加强污染治理顶层设计及源头监管、加强科学管理及技术创新、提高全民环保及参与意识,建立和完善畜禽养殖业长效管理机制,以促进经济社会与环境协调发展。

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(责任编辑:张 梅)

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