基于能值分析的规模化沼气工程沼液回流工艺生态效益评价

陈 理，崔志阳，董仁杰，刘名洋，鞠鑫鑫

基于能值分析的规模化沼气工程沼液回流工艺生态效益评价

陈 理1，崔志阳1，董仁杰1，刘名洋1，鞠鑫鑫2

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083； 2. 山东中农三月环保科技股份有限公司，烟台 264006）

为评价沼气工程沼液回流以及不回流2种模式的优劣，该研究引入相对能值转换系数和生态投入能值的概念，给出了三沼分配产出能值的方法，并选取D（CSTR工艺）和L（USR工艺）2座具有代表性的沼气工程实例应用，每个工程均设定沼液回流和不回流2种模式相对应，利用能值评价指标对2座工程进行了详细的分析。结果表明D工程各项评价指标优于L工程，沼液不回流模式优于沼液回流模式；但当沼气工程无途径消纳产生的沼液时，回流模式可以降低沼液对周边环境的污染，此时沼液回流模式优于不回流模式，L工程周边土地较少，采用回流工艺使环境负载率由2.15降低为1.05，能值可持续指标由0.41增加到0.93。采用何种模式要根据工程实际情况而定，建议沼气工程每处理每吨VS（鸡粪）需配备的土地为0.5 hm2/t，处理每吨VS（牛粪）需配备土地0.2 hm2/t，当周边土地小于需配备土地时，沼气工程应适当采用沼液回流。

沼气；能值分析；生态评价；沼液回流；相对能值转换系数

0 引 言

近年来，中国畜牧业生产发展迅猛，产量已达8 537.8万t[1]。中国沼气工程大多采用湿法发酵，在处理粪污过程中会产生大量沼液，而大型沼气工程周边往往没有足够的土地消纳这些沼液[2-3]，考虑成本问题，所以有些沼气工程采用沼液回流技术。

周边沼液适当回流能够避免污染周边环境，增加原料利用率，提高厌氧发酵效率，增强系统运行稳定性，并减少地下水的使用[4-5]。但在沼气工程实际运行以及实验室研究中发现不当地回流也会对发酵过程产生不利的影响。吴树彪等[6]在37 ℃下运行CSTR厌氧反应器，研究牛粪在长期沼液回流模式下的产气情况，结论表明：回流50%的沼液使得产气率降低了22.4%。卢艳娟等[7]通过大量的文献研究得出，沼液回流对于沼气工程的发酵稳定性有不利的影响，对回流的管道也会造成堵塞。

能值分析方法可以将系统输入和系统输出的不同形式的能量和物质按照统一的标准进行量化和分析[8]。利用能值分析方法可以对应用沼液回流工艺的优缺点进行量化比较，对沼气工程的可持续性进行评价，给出沼液回流工艺生态角度的建议。

1 研究的沼气工程概况

选取了L和D工程作为案例，L工程采用USR工艺，D工程采用CSTR工艺，具有一定的代表性。地下水压式沼气池、CSTR和USR是中国应用最广泛的工艺，占总比例的66%[9]。

北京市大兴区L沼气工程建于1992年，历经3期工程，第1期已于2016年停用，2期工程建于2000年，池容200 m3，3期工程建于2008年运行至今，本文仅分析其第2、3期工程在2017年的情况，第3期工程发酵罐为2个平行罐，总体容积为1 600 m3，水力停留时间为40 d。工程原料现为距工程40 km处养殖场的鸡粪，日处理鸡粪约6 t，进料浓度TS约为6%。该工程运用沼液回流工艺，除用少量地下水冲刷运送车外都用沼液稀释。工程发酵温度为32 ℃左右，采用地源热泵进行增温。L工程日产沼气600 m3左右，沼气中甲烷的体积分数约为62%，生产的沼气通过净化后供附近村民使用，工程产生的沼液沼渣供附近农田和果园使用。

北京市房山区D沼气工程建于2008年，工程使用附近2 km处养殖场的粪污。采用牛粪和鸡粪2种原料，约2周变换一次原料，日处理干清粪7 t左右，进料浓度TS约为7.3%。日进料60 m3，工程拥有4个平行发酵罐，发酵罐总容积2 000 m3，在4个发酵罐中间有一个储存溢流沼液的储存罐可发挥沼液剩余潜力。储存罐中的沼液发挥剩余潜力后可排放至施肥罐车供周围农田使用。工程周边有足够农田消纳沼液，无需采用回流模式。工程的发酵温度约42 ℃，日产沼气约750 m3，沼气中甲烷的体积分数约60%，工程生产的沼气主要用于供户和自身反馈沼气锅炉增温。

通过对L和D沼气工程2017年11月至2018年5月每半月1次的取样监测，均按照现行国标方法进行试验，测得本研究所需数据如表1所示。

表1 取样试验数据

注：D工程无固液分离工艺，不产生沼渣。

Note: D plant does not have solid-liquid separation technology and produce biogas residue.

2 沼气工程能值分析方法

Odum将能值定义为流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量，称为该能量的能值，一般以太阳能作为统一基准来衡量各种能量[8,10]。太阳能值在数量上即生产这一能量所需的太阳能的量，单位为太阳能焦耳（sej）。流动或储存的能量所包含的太阳能值依靠能值转换系数进行换算。由于本文研究重点为沼气工程沼液回流工艺，不关注沼气工程原料的生产环节以及三沼(沼气、沼液、沼渣)的应用情况，故本研究系统边界为原料从养殖场运输开始到沼气工程至三沼的使用结束。本研究能值基线为15.83×1024[11]。能值转换率与能值基线有着密切关系，其关系式如下

2.1 原料及三沼能值转换系数的确定

2.1.1 原料相对能值转换系数计算

目前国内外沼气工程能值分析的文章中，牛粪、鸡粪、猪粪等粪便原料的能值转换系数几乎全部引用自Odum于1996年给出的2.7×104sej/J[8,12-16]，而2002年Odum及其团队重新测定了能值基线，因此本文采用更新的数据15.83×1024sej/a[11]。

每个养殖场情况不同使得不同出处的粪污能值转换系数不同，如本研究L和D 2座沼气工程使用的鸡粪干清粪品质相差较大，L工程的鸡粪中明显混有较多的鸡毛和蛋壳。但已有研究对不同原料的沼气工程进行能值分析时，在能值转换系数上没有因不同粪便原料而区别对待[8,12-16]。当前许多沼气工程原料使用干清粪，其含水率要低于鲜粪。沼气工程原料能值的投入所占比例较高，通过多篇文献对比分析，总体来看原料能值占总投入能值的70%[8,12-16]左右，当原料的能值转换系数改变时，对系统总投入能值的影响是不可忽略的[17]。

因此，为更好的分析沼气工程效益，便于沼气工程各种技术模式和工程之间的综合对比，在能值分析理论的基础上引入原料相对能值转换系数的概念以区分不同原料对沼气工程的影响。

目前中国沼气工程的主要目的是为了处理废弃物并达到资源化利用，可以通过原料的产甲烷潜力来衡量原料品质，所以不考虑原料真正能值，而是通过原料的VS含量以及单位VS产甲烷能力来衡量。现定义标准粪污的能值转换系数为2.5×1011sej/kg，VS百分含量为14%，单位VS产甲烷潜力为250 m3/t[18]。其他原料通过与其比较，得出相对能值转换系数。

式中1是所求粪污的相对能值转换系数；0是标准粪污能值转换系数；0是标准粪污VS百分含量，%；0是标准粪污单位VS甲烷产量，m3；1是所求粪污VS百分含量，%；1是所求粪污单位VS甲烷产量，m3。

2.1.2 三沼能值转换系数计算方法

目前对于沼气工程能值分析的案例中，关于三沼能值及其能值转换系数的确定主要有3种方式：

1）利用投入等于产出，得出三沼的能值，再通过计算可得出三沼的能值转换系数。但是，对于三沼这种多产品的情况并没有对产出能值进行分配，单独产品和多产品的能值均等于投入能值，这样造成单独计算一种产出时的能值转换系数过高且不利于工程之间综合比较。三沼分配产出能值的比例尚无案可稽。

2）三沼产出的能值转换系数直接通过文献引用得出。这种方法只能在产出的能值转换系数对结果分析的影响较小的情况下应用，具有一定的局限性。

3）沼液和沼渣折合成氮磷钾肥料进行计算。由于沼液沼渣主要作为肥料施用，故考虑其氮磷钾含量作为其优劣的标准是比较合理的。本文在此方法的基础上结合投入等于产出的原则进行改进。

沼液、沼渣按其相对于原料的VS含量来分配产出能值。

式中Y为沼液能值，sej；为总投入能值，sej；为沼液VS含量，kg；为沼液不回流工艺时进料总VS或沼液回流工艺时原料总VS含量，kg。

由表1看出沼液回流使得沼液中的氮磷钾积累，磷和钾在回流过程中基本不会损失，但会有较多的氨氮转化为氨气散失。故本文沼液依靠氨氮含量来计算其能值转换系数。

式中为沼液能值转换系数sej/kg，Y为沼液能值，sej；M为沼液中氨氮质量，kg。

式中Y为沼渣的能值，sej；为沼渣的总VS量，kg；为进料总VS量，kg。

式中为沼渣能值转换系数sej/kg；M为沼渣质量，kg。

式中Y为沼气的能值，sej。

式中沼气的能值转换系数；C沼气产量，m3；为沼气甲烷含量，m3。

2.2 沼气工程生态贡献能值指标

对于沼气工程沼液回流的能值分析应考虑产生的沼液对环境的影响，当产生的沼液量超过了周围土地所能承受的最大量，排放沼液将会对周围环境产生一定的破坏，这时沼气工程能值分析的投入能值要考虑添加生态贡献能值。生态贡献能值通过土地承载力进行计算。在参考欧洲标准后[19]，确定耕地年施氮限量为200 kg/hm2。根据中华人民共和国国家标准之污水综合排放标准GB 8978-1996知排放污水的氨氮含量一级标准应小于15 mg/L，二级标准应小于30 mg/L[20]，本文选用二级标准。

定义将沼气工程一年内产生的周边土地无处消纳的沼液相应稀释到规定浓度排放所需的地下水的能值即为生态贡献能值。

式中T为生态贡献能值，sej；M为工程一年中产生的氨氮总量，kg；1为土地年施氮限量， kg/hm2；工程周边土地面积，hm2；2为排放污水的氨氮含量标准 kg/kg；为吉布斯自由能（4.94×103J/kg）；为地下水能值转换系数。

L工程采用回流工艺，故无法获得其对应模式不回流状态下沼液的氨氮含量。由于沼液不回流模式时氨氮损失较少，故直接由鸡粪含氮量估算L工程一年沼液的氨氮量，鸡粪含氮量为2.55%[21]左右，L工程一年处理鸡粪2.08×106kg，故沼液不回流模式下沼液的氨氮总量约为5.30×104kg，沼液回流的模式下L工程沼液氨氮质量浓度由表1知为7 598 mg/L，沼液量为2 700 m3，沼液氨氮总量为2.05×104kg。D工程不回流模式下产生沼液2.1万m3，沼液氨氮质量浓度由表1知为1 756.2 mg/L，计算可得沼液氨氮总量为3.69×104kg，其回流模式下的沼液氨氮总量无法得出，由L工程回流和不回流的氨氮损失比例推算出D工程应为1.43×104kg。

D工程周边农田约350 hm2，且农民普遍能够接受沼液作为肥料，经上述公式计算，D工程无需投入生态贡献能值。L工程周边通过调研得知仅110 hm2土地可施用沼液，其应用回流工艺时不需要投入生态能值，但其不应用沼液回流需投入生态能值为1.3×1018sej。

3 沼气工程沼液回流模式的能值分析

为对比分析应用沼液回流工艺的效益，选择2座具有代表性的沼气工程L和D作为案例。两工程在原有模式的基础上再设定一种模式对应，L工程应用了沼液回流模式，称其为模式1，设定模式2为L工程不应用沼液回流模式的情况。D工程没有应用沼液回流工艺，称其为模式1，设定模式2为工程D应用沼液回流的情况。由于D工程沼液为发酵罐中的上清液溢流产生，溢流后的沼液又经过储存罐发挥了剩余产气潜力，所以D工程的沼液固体含量很少，其VS质量分数为1.98%±0.95%（表1），不需要固液分离，可以直接进行回流。本文沼气工程L和D实际运行模式的能值投入和产出原始数据均来自工程的工作日志和实际调研。图1为L和D沼气工程能值系统图。

图1 L和D沼气工程能值系统图

3.1 投入能值

土建设备折旧：L和D工程设计使用年限均为20 a，将不同年份且尚在使用的土建设备按照人民币购买力折算系数统一折算为2017年的同等购买力，再除以使用年限即为工程的土建设备投入，美元对人民币2017年汇率约为6.9人民币/美元。

同一工程对照组的以下投入能值会发生变化：

1）地下水：按照工程原料兑沼液量或水量一致的原则，根据工程实际情况推算出对照模式下的地下水需求量或沼液的反馈量。

2）燃油：本文中燃油消耗源自原料运输和沼液施用两部分，对应模式需增加或减去沼液施用时的燃油消耗量。

3）沼气产量：由于L工程以鸡粪为原料并且常年采用沼液回流模式，故存在较为严重的氨氮抑制情况，由表1知经过沼气潜力试验测得L沼气工程原料VS产甲烷量为（329.1±26.2）mL/g，L工程实际产沼气量为（1.9×105）m3/a，沼气甲烷体积分数为62%。D工程产沼气量为（2.83×105）m3/a，甲烷体积分数为59%，其中5.5×104m3用于工程自身加热系统将不计入产出。通过其他相关研究发现，以牛粪、鸡粪等为原料，连续沼液回流发酵试验测得产气量下降25%～43%[6-7,22-24]，由于实验室发酵装置较小，罐内菌群不如实际工程丰富，并不能完全模拟沼气工程实际情况，综合考虑本文L和D工程回流工艺产甲烷量设定为降低25%。

根据公式（1）、表1试验数据和本文定义的标准粪污能值转换系数，得L工程鸡粪相对能值转换系数为：（5.27×1011）sej/kg，同理可得D工程鸡粪的能值转换系数为（5.37×1011）sej/kg，D工程牛粪的相对能值转换系数为（3.65×1011）sej/kg（表2）。

表2 D&L沼气工程能值投入

注：L模式1为沼液回流模式，L模式2为沼液不回流模式，D模式1为沼液不回流模式，D模式2为沼液回流模式，下同。

Note: L pattern 1 adopts biogas slurry recycling technology, L pattern 2 does not adopt biogas slurry recycling technology, D pattern 1 does not adopt biogas slurry recycling technology, D pattern 2 adopts biogas slurry recycling technology, the same below.

3.2 产出能值

根据投入等于产出的原则，L工程的产出能值为2.42×1018sej，由本文2.1.2节的三沼能值转换系数计算方法和工程沼液年产量2 700 m3，得出沼液分配的产出能值为1.75×1017sej，沼液的氨氮总量为2.05×104kg，故L工程沼液（以氨氮计）能值转换系数为8.54×1012sej/kg。沼渣年产量为80 t，VS为15.27 t，原料VS为467.79 t，故根据计算公式得沼渣分配的产出能值为7.90×1016sej，沼渣的能值转换系数为5.17×1012sej/kg（表3）。沼气所分配的能值为2.17×1018sej，L工程沼气甲烷产量为1.29×105m3，故L工程沼气（以甲烷计）能值转换系数为1.68×1013sej/m3。D工程发酵罐中间有储存发酵罐溢流沼液的储存罐，其中的上清液直接排出施用，不需再进行固液分离，同理得D工程沼液（以氨氮计）和沼气的能值转换系数分别为2.47×1013sej/kg和1.06× 1013sej/m3。

将三沼的能值转换系数统一，再计算三沼的能值，便于两工程之间的综合对比。为使三沼能值转换系数尽可能接近真实值，本文将根据两工程实际情况计算出的能值转换系数进行平均，用于后续计算。

表3 D&L沼气工程能值产出表Table 3 Emergy output analysis of D&L biogas plant

3.3 综合分析与评价

D工程使用沼气锅炉进行加热，每年消耗的沼气约3.24×104m³，折算成能值为1.30×1018sej，而L工程采用地源热泵加热，其地源热泵消耗的电能约1×105kW·h，折算成能值约1.1×1017sej，当D工程采用地源热泵时，工程自身加热所消耗的沼气将全部计入产出，其模式1和2的能值产出率将分别提高为1.29和0.88（表4）。

表4 D&L沼气工程能值指标

通过各项指标对比得出D工程总体要优于L工程，这与本实验室自2017年10月关注两工程运营得出的结论一致。造成两工程差距的原因主要有以下几点。

1）D工程采用混合进料的模式有较好的C/N比，利于发酵。

2）D工程发酵温度为42 ℃，L工程为32 ℃。总体来说，温度高一些更利于发酵。

3）D工程使用牛粪使得其发酵罐的氨氮浓度维持在3 000 mg/L。

以下，不会对发酵产生抑制，而L工程全年使用鸡粪这种易造成高氨氮的原料且长期沼液回流，发酵过程受氨氮抑制严重。

4）D工程均使用当时德国先进的设备及工艺，而L工程许多设备已老化，D工程原料产气潜力发挥较好。

5）L工程原料运输路径较长，燃油消耗较多，导致不可再生能源投入大。

L工程没有土地消纳沼液，故采用沼液回流工艺，不需要投入生态贡献能值，对于L工程采用沼液回流工艺可以不破坏周边环境，其利大于弊，L工程沼液回流各项指标均优于不回流，故在能值的角度上得出L工程回流模式要优于不回流。对于D工程，虽然采用不回流工艺产生了大量沼液，但有足够土地消纳沼液，同样不需要投入生态贡献能值，D不回流的情况下，产生了大量沼液肥料，提高了产出能值，根据D工程各指标综合对比，不回流要优于回流。

因沼液不回流时产生更多沼气和沼液肥料，故沼气工程沼液不回流模式总体上要优于沼液回流模式。沼液回流会造成氨氮抑制发酵产气，使得氮肥流失，并散失到空气中污染环境。但是当沼气工程周边没有足够土地消纳沼液也无其他途径可对沼液进行处理的情况下，为了减小对环境的污染，采用适当的回流工艺要优于不回流。

鸡粪沼气工程处理2 080 t的鸡粪，不进行沼液回流的情况下约产生45 t氨氮，按照每公顷土地200 kg氮肥的需求量可计算出L工程以鸡粪（干清粪）为原料每处理1 t鸡粪需配备的土地为0.1 hm2；同理，D工程处理1 440 t牛粪（干清粪）在不回流的情况下产生9.2 t氨氮，可计算D工程以牛粪（干清粪）为原料每处理1 t牛粪需配备的土地为0.04 hm2。由于各工程所使用的原料含水率有差别，故利用原料VS来推荐沼气工程处理不同粪便需配备的土地，沼气工程每处理一吨VS（鸡粪）需配备的土地为0.5 hm2/t，处理1 t VS（牛粪）需配备土地0.2 hm2/t。

4 结 论

该文对沼气工程能值分析方法进行研究，引入了相对能值转换系数和生态投入能值的概念，并提出了三沼分配产出能值的方法，通过案例工程L和D对该方法进行了实际应用，得出结论如下：回流模式的能值产出率和能值可持续指标要高于不回流。沼气工程沼液不回流模式总体上要优于沼液回流模式，但实际工程采用回流还是不回流的工艺要根据具体情况而定，通过本研究对沼气工程的监测分析得出，建议沼气工程每处理一吨鸡粪有机干物质含量VS需配备的土地为0.5 hm2/t，处理一吨牛粪有机干物质含量VS需配备土地0.2 hm2/t，当周边土地小于需配备土地时，沼气工程应适当采用沼液回流。

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Ecological evaluation of large-scale biogas engineering with biogas slurry recycle mode based on emergy analysis method

Chen Li1,Cui Zhiyang1, Dong Renjie1, Liu Mingyang1, Ju Xinxin2

(1.,100083,; 2.264006,)

Biogas project is a kind of powerful tool for dealing with and utilizing the waste of livestock, and it is crucial to the development of China where the livestock production has been up to 85.378 million tons, while A large amount of biogas slurry will be produced in the process of biogas project operation. If excessive quantities of biogas slurry directly apply to the land, it will be harmful to the environment. How to properly dispose the biogas slurry is the problem which must be solved in the biogas project development process and the technical operation mode should be studied in order to improve its efficiency. At present, recirculation is a common way to reduce the influence of biogas slurry to environment, and appropriate biogas slurry recirculation can improve the stability of fermentation system, reduce the use of groundwater and avoid secondary pollution, but the biogas slurry perennial recirculation will cause lower gas production and choke the pipeline. Emergy analysis was selected in this research in order to compare these two technology modes which were biogas slurry recirculation and no slurry recirculation, however, the application of emergy analysis in biogas project was not mature, there was no difference of transformity between livestock manures and no appropriate emergy distribution method for multi-products output system. In view of this, ‘relative emergy transformity’ had been introduced to differentiate the emergy transformity of chicken and cow manures, ecological input emergy had been introduced to measure the influence of biogas slurry excessive application on the environment, and a method to distribute the output emergy of biogas, slurry and digestate also had been given in this paper. Moreover, two representative biogas plants were selected as cases for study, researchers had observed those two plants for one year, and had done some relative experiments to get data and monitor its status. Each plant, in particular, was designed in two kinds of modes, slurry recirculation or not, to use for contrast and the two plants were analyzed and compared in details by emergy evaluation index system. The results showed that the values of evaluation indexes of biogas plant D were better than L and the mode of no slurry recirculation was better than recirculation, but the recirculation mode can reduce the pollution to the surrounding environment where the biogas slurry had no way to be used. Through the comparative analysis of the two kinds of modes, the value of ELR(environment load rate) could be decreased dramatically from 2.15 to 1.05 by using the recirculation mode in plant L, and the value of ESI(emergy sustainability index) could be increased significantly from 0.41 to 0.93, so the technical mode should be chosen according to conditions and environment of the biogas plant. It is suggested that the dispose of one ton of chicken manure VS by biogas plant should be equipped with 0.5 hm2/t land, and the dispose of one ton of cow manure VS is 0.2 hm2/t, thus the biogas plant should properly use the recirculation mode of the slurry when the surrounding land is less than its need.

biogas; emergy analysis; ecological evaluation; slurry recirculation; relative emergy transformity

2018-12-12

2019-06-28

国家科技支撑计划：城镇化大宗原料分布式供气技术集成与示范（2015BAD21B04）

陈 理，副教授，主要从事生物质能源工程与低碳技术研究。Email：chenli329@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029

S216.4

A

1002-6819(2019)-14-0228-07

陈 理，崔志阳，董仁杰，刘名洋，鞠鑫鑫. 基于能值分析的规模化沼气工程沼液回流工艺生态效益评价[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：228－234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029 http://www.tcsae.org

Chen Li, Cui Zhiyang, Dong Renjie, Liu Mingyang, Ju Xinxin. Ecological evaluation of large-scale biogas engineering with biogas slurry recycle mode based on emergy analysis method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 228－234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029 http://www.tcsae.org