張穎，夏訓(xùn)峰，周素霞，何卓識(shí)，孟睿，席北斗

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)畜產(chǎn)品的需求也進(jìn)一步提高，由養(yǎng)殖業(yè)和畜產(chǎn)品加工業(yè)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。調(diào)查表明，2003年我國(guó)畜禽糞尿產(chǎn)生量已接近20億t，是同期工業(yè)固體廢物的2.7倍［1］。有預(yù)測(cè)到2020年中國(guó)畜禽糞便年排放總量將達(dá)到42.44億 t［2］，其中，養(yǎng)豬業(yè)對(duì)環(huán)境的影響最大，通過(guò)分析生豬養(yǎng)殖生命周期各單元過(guò)程的環(huán)境影響，找到對(duì)環(huán)境影響最大或較大的環(huán)節(jié)，確定重要的影響因子，便于對(duì)規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)進(jìn)行有效的環(huán)境管理，解決污染問(wèn)題。國(guó)內(nèi)鮮有對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)(LCA)的研究，秦鳳賢［3］對(duì)牛奶生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià);王明新等［4-5］對(duì)水稻和小麥生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。筆者嘗試?yán)蒙芷谠u(píng)價(jià)方法，建立生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的能源消耗和污染物排放的數(shù)據(jù)清單，并對(duì)其環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)的環(huán)境管理和污染控制提供參考。

1 生命周期評(píng)價(jià)

根據(jù)ISO 14040《生命周期評(píng)價(jià)原則與框架》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［6］，生命周期評(píng)價(jià)的實(shí)施步驟分為目標(biāo)和范圍的定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解析四個(gè)部分，基于對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的定量調(diào)查和數(shù)據(jù)采集，是產(chǎn)品從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡脑u(píng)價(jià)，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。

2 目標(biāo)和范圍的定義

以飼養(yǎng)一頭出欄豬為功能單位(function union，F(xiàn)U)，采用生命周期評(píng)價(jià)方法與情景分析法相結(jié)合，對(duì)規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境影響潛力。分析各單元過(guò)程的環(huán)境影響，找到對(duì)環(huán)境影響最大或較大的階段，確定重要的影響因子，為降低規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)的環(huán)境影響，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的環(huán)境效益提供依據(jù)。生豬養(yǎng)殖的生命周期大致可以劃分為原料生產(chǎn)、生豬飼養(yǎng)和廢物處理三個(gè)環(huán)節(jié)(圖1)。

圖1 生豬養(yǎng)殖生命周期Fig.1 The research scope of pig breeding

情景描述及參數(shù)設(shè)定:假設(shè)養(yǎng)豬場(chǎng)年存欄量為500頭，飼養(yǎng)期為180 d，出欄體重平均為100 kg;飼料以玉米等谷物為主，全部飼料原料從系統(tǒng)外購(gòu)買(mǎi)，全程料肉比平均為3∶1;糞便處理方式為厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣用來(lái)發(fā)電，沼渣經(jīng)綜合處理后制成有機(jī)肥出售，沼液經(jīng)好氧處理達(dá)標(biāo)后排放。

3 清單分析

按照系統(tǒng)生命周期的三個(gè)環(huán)節(jié)，分別進(jìn)行清單分析。

3.1 原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)

假設(shè)飼料全部由70%的谷物，25%的濃縮料和5%的添加劑配制而成，故當(dāng)生命周期飼料的消耗量為300 kg/FU時(shí)，則谷物為210 kg/FU，濃縮料為75 kg/FU，添加劑為15 kg/FU。

飼料原料的生產(chǎn)過(guò)程中，功能單位物質(zhì)的投入量(xi)的計(jì)算公式:

式中，IF為功能單位飼料原料的使用量;PA為全國(guó)主要谷物的平均產(chǎn)量;XiA為物質(zhì)i單位耕地的全國(guó)平均投入量［7］。

作物生產(chǎn)中污染物的排放量參考文獻(xiàn)［5］對(duì)冬小麥常規(guī)管理措施下生命周期環(huán)境影響研究的結(jié)果。

假設(shè)原料從周邊城市購(gòu)買(mǎi)，運(yùn)距平均為100 km，運(yùn)輸方式為貨運(yùn)汽油車(chē)，汽油車(chē)能耗為0.06 L/(t·km)［8］;污染物的排放數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)［9］的研究結(jié)果。

在飼料的加工過(guò)程中能耗主要為電能，平均為30 kW·h/t［10］。該過(guò)程污染物的排放量小，可忽略不計(jì)。

3.2 生豬飼養(yǎng)環(huán)節(jié)

3.2.1 豬糞便、養(yǎng)殖廢水的產(chǎn)生量

根據(jù)原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局推薦的排泄系數(shù)［11］，計(jì)算得糞便產(chǎn)生量為196.27 kg/FU，尿液產(chǎn)生量為323.85 kg/FU;養(yǎng)豬過(guò)程中采用干法清糞工藝，利用徐謙等［12］的研究結(jié)果，得到各污染物的濃度和生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量(1350 L/FU)。

3.2.2 NH3，CH4，CO2的排放量估計(jì)

養(yǎng)豬生產(chǎn)中，NH3的排放主要發(fā)生在豬舍和糞池。根據(jù)劉丹［13］的研究，得到每頭豬每天NH3排放量平均為4.5849 g，計(jì)算得出 NH3排放量為825.282 g/FU［14］。

根據(jù)IPCC 1997年的報(bào)告，豬的一個(gè)生命周期因腸道發(fā)酵而排放的甲烷量為1.5 kg/頭，則得出甲烷排放量為 1.5 kg/FU［14］。

養(yǎng)豬生產(chǎn)中，經(jīng)測(cè)定每頭豬由呼吸排放的CO2為 43 L/h［15］，推算出 CO2排放量為 367.248 kg/FU。

3.3 廢物處理環(huán)節(jié)

畜禽糞便的處理分為厭氧發(fā)酵、沼氣發(fā)電、沼渣沼液綜合處理三個(gè)階段。

3.3.1 厭氧發(fā)酵

豬糞的產(chǎn)氣量為0.42 m3/kg(以干物質(zhì)計(jì))［17］，可計(jì)算出沼氣產(chǎn)量為14.84 m3/FU。

沼氣主要成分中CH4占60%，CO2占35%;則CH4的產(chǎn)量為8.90 m3/FU，CO2產(chǎn)量為5.19 m3/FU，其余的成分產(chǎn)氣量較小，可忽略不計(jì)。

3.3.2 沼氣發(fā)電

每 m3沼氣可發(fā)電約 2 kW·h［18］，功能單位發(fā)電量為29.68 kW·h。

利用沼氣作為能源時(shí)，沼氣中H2S的濃度不得超過(guò)20 mg/m3［19］。假設(shè)沼氣經(jīng)過(guò)凈化能滿(mǎn)足發(fā)電的要求，則沼氣燃燒產(chǎn)生SO2量為558.68 g/FU。沼氣燃燒過(guò)程中的CO2排放量采用文獻(xiàn)［20］的方法計(jì)算。

3.3.3 沼液沼渣綜合處理

厭氧發(fā)酵后的出水進(jìn)行固液分離，沼液溢流進(jìn)入沼液好氧后處理系統(tǒng)，達(dá)標(biāo)排放;沼渣運(yùn)送至有機(jī)肥車(chē)間，利用發(fā)電機(jī)余熱干燥，包裝后出售。

沼渣處理過(guò)程中，對(duì)環(huán)境的影響較小，忽略不計(jì)，沼液處理后的出水達(dá)到GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，則BOD5，CODCr，SS，NH3-N 和 TP 排放量分別為 202.5，540，270，108和10.8 g/FU。

就是這句話(huà)，讓后世記住了一個(gè)自戀的娘炮。人們?cè)诜此己诎涤纳畹臍v史時(shí)，一不能怨皇帝，二不敢懟權(quán)臣，總要找一個(gè)“背鍋俠”，氣質(zhì)妖艷的何晏各方面條件都符合，就這樣成為中世紀(jì)最為惹眼的惡之花。

4 影響評(píng)估

采用特征化和歸一化與加權(quán)的方法對(duì)不可更新能源的消耗、全球變暖、富營(yíng)養(yǎng)化和環(huán)境酸化潛勢(shì)四種環(huán)境影響類(lèi)型進(jìn)行評(píng)估。

4.1 特征化

在豬的飼養(yǎng)階段及糞便處理階段中主要消耗的不可更新能源為電力，假設(shè)全部由系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電供給。飼料原料生產(chǎn)階段不可更新能源消耗根據(jù)文獻(xiàn)［5］的方法〔91.63 MJ/kg(以有效氮計(jì))〕計(jì)算得出氮肥生產(chǎn)的不可更新能源消耗(energy depleted，ED)，其余農(nóng)用物資根據(jù)能量折算系數(shù)［21］計(jì)算。

富營(yíng)養(yǎng)化潛力(eutrophication potential，EP)、全球變暖潛力(global warming potential，GWP)、環(huán)境酸化潛力(acidification potential，AP)采用當(dāng)量系數(shù)法計(jì)算:

式中，C為特征化的結(jié)果;i為環(huán)境影響類(lèi)型;x為功能單位氣體排放量;j為歸屬于同一影響類(lèi)型的不同物質(zhì);X為物質(zhì)的濃度系數(shù)。系統(tǒng)功能單位環(huán)境影響特征化結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能單位環(huán)境影響特征化結(jié)果Table1 Characterization results of studying system

4.2 歸一化與加權(quán)

歸一化方法一般是用基準(zhǔn)量除以類(lèi)型參數(shù):

式中，N為歸一化的結(jié)果;C為特征化結(jié)果;S為基準(zhǔn)量。

采用Stranddorf等［22］發(fā)布的世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準(zhǔn)。

根據(jù)王明新等［5］以環(huán)境科學(xué)和農(nóng)業(yè)生態(tài)為主要背景的16位專(zhuān)家的調(diào)查，確定了權(quán)重系數(shù):ED為0.15，GWP為0.12，AP為0.14和 EP 為0.12，對(duì)歸一化進(jìn)行加權(quán)，結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)環(huán)境影響加權(quán)后結(jié)果Table 2 Weighted evaluation results

飼養(yǎng)一頭豬產(chǎn)生的環(huán)境影響綜合指數(shù)為4.02×10-2，環(huán)境影響較大的環(huán)節(jié)依次是原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生豬飼養(yǎng)環(huán)節(jié)和廢物處理環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)的環(huán)境影響指數(shù)分別為2.52×10-2、1.23 ×10-2和2.71 ×10-3。

5 結(jié)果與討論

(1)原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境影響綜合指數(shù)最大，達(dá)2.52×10-2。與國(guó)外相關(guān)報(bào)道［23］相比，我國(guó)單位可耕地的平均農(nóng)資投入量較大，尤其是氮肥投入過(guò)多，遠(yuǎn)大于作物生長(zhǎng)的需要，而農(nóng)資生產(chǎn)一直是能源消耗和環(huán)境污染的大戶(hù)，造成飼料原料生產(chǎn)中能源消耗高，環(huán)境影響大，其影響往往不是出現(xiàn)在養(yǎng)豬地區(qū)，而是出現(xiàn)在原料種植地區(qū)。目前不少養(yǎng)豬的飼料原料來(lái)自國(guó)外，這有利于生豬養(yǎng)殖生命周期環(huán)境影響的降低。

(2)生豬飼養(yǎng)環(huán)節(jié)環(huán)境影響綜合指數(shù)為1.23×10-2，其中，環(huán)境酸化潛力貢獻(xiàn)率最大，但馮硯青［24］在分析我國(guó)酸雨?duì)顩r時(shí)認(rèn)為，NH3的釋放可以降低酸化效應(yīng);若不考慮NH3的酸化影響，則整個(gè)生命周期環(huán)境酸化潛力將降低73%。另外，國(guó)內(nèi)的養(yǎng)豬生產(chǎn)中飼料蛋白水平通常偏低，有利于降低豬飼養(yǎng)階段溫室氣體的排放。

(3)廢物處理環(huán)節(jié)環(huán)境影響綜合指數(shù)為2.71×10-3，白林［10］的研究結(jié)果與筆者的研究相差很大，原因主要是由于廢物處置方式不同。糞尿有效管理和廢物無(wú)害化、資源化利用對(duì)減輕該環(huán)節(jié)環(huán)境影響極為重要。

6 建議及不足

通過(guò)以上的分析，減少規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境影響潛力的措施可包括:1)合理配方施肥和測(cè)土施肥，降低氮肥投入和養(yǎng)分流失，鼓勵(lì)有機(jī)肥還田;2)通過(guò)品種改良、合理配制飼料、改善環(huán)境和管理方式，提高飼料利用率，減少污染物排放;3)配套建設(shè)沼氣工程，畜禽廢物能源化、無(wú)害化，并對(duì)沼液和沼氣加以充分利用;4)就近采購(gòu)飼料原料，減少運(yùn)輸量;5)采取規(guī)?；?、集約化的農(nóng)牧結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能量的多級(jí)利用。

研究考慮了養(yǎng)豬生命周期中飼料原料的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸，飼養(yǎng)以及廢物的處理，屬于比較完整的生產(chǎn)系統(tǒng);但缺少對(duì)豬肉消費(fèi)利用的考慮;另外，由于沒(méi)有對(duì)建筑、設(shè)備、獸藥等進(jìn)行分析，也沒(méi)有進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性方面的研究。因此研究還需進(jìn)一步完善，不能直接用于對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)，可作為系統(tǒng)環(huán)境影響評(píng)估的一種參考。

［1］馬洪儒，茹宗玲.城郊養(yǎng)殖場(chǎng)污染治理與環(huán)能工程［M］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社，2007.

［2］朱鳳連，馬友華，周靜，等.我國(guó)畜禽糞便污染和利用現(xiàn)狀分析［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，14(13):48-50.

［3］秦鳳賢.生命周期評(píng)價(jià)在牛奶生產(chǎn)中的應(yīng)用研究［J］.乳業(yè)科學(xué)與技術(shù)，2006(5):224-226.

［4］王明新，夏訓(xùn)峰，劉建國(guó)，等.太湖地區(qū)高產(chǎn)水稻生命周期評(píng)價(jià)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(2):420-424.

［5］王明新，包永紅，吳文良，等.華北平原冬小麥生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(5):1127-1132.

［6］InternationalOrganization for Standardization.Enviromental management life-cycle assessment principles andframe work:ISO 14040:2006［S］.Geneva:InternationalOrganization for Standardization，2006.

［7］國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒:2006［M］.北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2007.

［8］張治山，袁希鋼.玉米燃料乙醇生命周期凈能量分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27(3):437-441.

［9］胡志遠(yuǎn)，蒲耿強(qiáng)，王成燾.木薯乙醇汽油車(chē)生命周期排放評(píng)價(jià)［J］.汽車(chē)工程，2004，26(1):16-19.

［10］白林.四川養(yǎng)豬業(yè)清潔生產(chǎn)系統(tǒng)LCA及豬糞資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［11］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局自然生態(tài)保護(hù)司.全國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對(duì)策［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［12］徐謙，朱桂珍，向俐云.北京市規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)污染調(diào)查與防治對(duì)策研究［J］.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2002，18(2):24-28.

［13］劉丹.豬舍內(nèi)氨氣揮發(fā)動(dòng)態(tài)模型的實(shí)驗(yàn)研究:以安平豬場(chǎng)為例［D］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

［14］IPCC.Revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories［M］.Paris:France，IPCC/OECD/IEA，1997.

［15］北方農(nóng)村“四位一體”模式優(yōu)化組合配套技術(shù)的探討［EB/OL］.(2005-06-14)［2012-01-19］.http://heatpipe.net.cn/news/22/2005-6-14_13254647929.html.

［16］吳香堯.成都地區(qū)畜禽糞便污染治理工藝技術(shù)引論［M］.成都:西南財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2008:66-67.

［17］王剛，王欣，高德玉，等.沼氣生物脫硫技術(shù)研究［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2008(5):33-35.

［18］周孟津，張榕林，藺金印.沼氣實(shí)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:5-23.

［19］林聰，王久臣，周長(zhǎng)吉.沼氣技術(shù)理論與工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:200-204.

［20］王革華.農(nóng)村能源建設(shè)對(duì)減排SO2和CO2貢獻(xiàn)分析方法［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(1):169-172.

［21］李震鐘.家畜生態(tài)學(xué)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1995:75-81.

［22］HEIDI K，STRANDD，SCHMIDT L HA.Update on impact categories，normalization and weighting in LCA:Version 1.0［R］.Danish:Danish Environmental Protection Agency，2005.

［23］CEDE B C，F(xiàn)LYSJO A.Environmental assessment of future pig farming systems quantifications of three scenarios from the FOOD 21 synthesis work［R］.Goteborg:Swedish Institute for Food and Biotechnology，2004.

［24］馮硯青.中國(guó)酸雨?duì)顩r和自然成因綜述及防治對(duì)策研究［J］.云南地理環(huán)境研究，2004，16(1):25-28.○