王成己 李艷春 劉岑薇 王義祥 黃毅斌

摘 要：【目的】評估福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場利用沼氣工程處理糞便產(chǎn)生的溫室氣體減排效益，以推動規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣工程建設(shè)，實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖業(yè)清潔生產(chǎn)。【方法】根據(jù)國際通用的溫室氣體減排量計算方法，以2010年和2015年為例，計算福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便資源量及沼氣生產(chǎn)潛力，評估糞便資源全部用于沼氣工程建設(shè)所帶來的減排效益。【結(jié)果】2010年和2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場排泄物干物質(zhì)總量分別為169.93萬t和163.29萬t，其產(chǎn)沼氣潛力分別為7.14億m3和6.86億m3。假設(shè)規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便所產(chǎn)沼氣全部用于替代薪柴，則分別可替代薪柴245.42萬t和235.84萬t，減少CO2排放量分別為268.74萬t和258.25萬t;假設(shè)規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便所產(chǎn)沼氣全部用于替代煤炭，則分別可替代煤炭130.85萬t和125.74萬t，減少CO2排放量110.89萬t和106.56萬t。如果養(yǎng)豬場糞便全部用于沼氣工程，則分別可減少CH4排放3.59萬t和3.45萬t?！窘Y(jié)論】沼氣工程在有效處理禽畜糞便的同時生產(chǎn)了優(yōu)質(zhì)燃料，沼氣替代傳統(tǒng)能源減少了CO2排放，禽畜糞便厭氧消化減少了CH4排放，帶來了顯著的社會經(jīng)濟及環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：規(guī)?；B(yǎng)豬場;沼氣工程;二氧化碳;甲烷;減排效益

中圖分類號：X 713文獻標(biāo)識碼：A文章編號：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】近年來，規(guī)模化養(yǎng)豬場已成為我國生豬產(chǎn)區(qū)養(yǎng)豬的主體形式。然而，規(guī)?；B(yǎng)豬在實現(xiàn)集約經(jīng)濟優(yōu)勢的同時，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。生豬養(yǎng)殖業(yè)糞污的不合理排放是我國農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源。如何將生豬糞污最大程度資源化降排減少環(huán)境污染，成為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)必須解決的一個重大問題[1]。沼氣工程是農(nóng)村清潔能源體系的重要環(huán)節(jié)，是養(yǎng)豬場廢棄物污染治理的最主要解決辦法[2]。沼氣工程在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)燃料的同時，有效處理禽畜糞便，具有顯著的社會、經(jīng)濟及環(huán)境效益。【前人研究進展】研究表明，規(guī)模化養(yǎng)豬場建設(shè)沼氣池，既能減少糞便管理造成的CH4排放和對周邊環(huán)境的污染，又能充分利用再生能源，減少化石燃料使用，進而減少溫室氣體排放，具有顯著的外部經(jīng)濟效應(yīng)[3-6]。【本研究切入點】國內(nèi)相關(guān)研究都以某單個養(yǎng)殖場為研究對象，而對省級尺度規(guī)?；B(yǎng)豬場溫室氣體減排效益研究較少，無法實現(xiàn)通過溫室氣體減排及其政策來引導(dǎo)和推動養(yǎng)豬場沼氣工程建設(shè)和發(fā)展。本研究根據(jù)國際通用的溫室氣體減排量計算方法，以2010年和2015年為例，計算福建省規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便資源量及沼氣生產(chǎn)潛力，評估糞便資源全部用于沼氣工程建設(shè)所帶來的減排效益。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過計算福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便資源量及沼氣生產(chǎn)潛力，評估糞便資源全部用于沼氣工程建設(shè)所帶來的減排效益，為福建省制定科學(xué)合理的溫室氣體減排政策，推動規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣工程建設(shè)，實現(xiàn)福建省生豬養(yǎng)殖業(yè)清潔生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《中國畜牧業(yè)年鑒2011》[7]和《中國畜牧業(yè)年鑒2016》[8]。

1.2 養(yǎng)豬場糞便資源量計算方法

豬糞便資源量=豬飼養(yǎng)量×日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)周期（1）

日排泄系數(shù)即每頭豬每天的排泄量，參考徐慶賢等[9]研究成果，每頭體重90 kg的豬，其日均排泄糞2.2 kg、尿2.9 kg，飼養(yǎng)周期按照365 d計算。本文所指的規(guī)?；B(yǎng)豬場包括養(yǎng)殖專業(yè)戶（年存欄生豬50～499頭）和規(guī)?；B(yǎng)殖場（年存欄生豬500頭以上）。豬糞和豬尿的干物質(zhì)含量和含水量參考張無敵等[10] 的研究成果（表1）。

1.3 沼氣潛力計算

規(guī)?；B(yǎng)豬場豬糞便的沼氣潛力按照35℃時產(chǎn)量當(dāng)量計算，參考張無敵等[11-12]、徐慶賢等[13]研究成果，豬糞便沼氣產(chǎn)量當(dāng)量按照0.42 m3·kg-1 TS計算。

1.4 養(yǎng)豬場溫室氣體排放量計算

1.4.1 CO2排放量計算

參照王革華等[14]的方法計算CO2排放量，計算規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便資源全部用于沼氣工程所帶來的溫室氣體減排效益，即沼氣替代物薪柴的燃燒排放量與沼氣燃燒排放量的差值。

（1）燃煤的CO2排放量計算公式為：

式中，Ccoal為燃煤的CO2排放量，t;C為燃煤消耗量，t;Cp為含碳量，%;Cs為產(chǎn)品固碳量，%;Co為碳氧化率，%;44/12為CO2相對分子質(zhì)量與C原子質(zhì)量之比。

產(chǎn)品固碳量指燃料作非能源利用時不排放或不立即排放的碳，在能源消費中，這部分能源可以忽略;含碳量為燃料的熱值與碳排放系數(shù)之積。煤炭熱值為0.0209 TJ·t-1，碳排放系數(shù)為24.26 t·TJ-1，民用碳氧化率為80%[15]。燃煤的CO2排放量計算公式為：

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

（2）薪柴的CO2排放量計算公式為：

生物質(zhì)燃燒的CO2排放量計算公式如下：

式中，CBM為生物質(zhì)燃燒的CO2排放量，t;BM為生物質(zhì)燃料的消耗量，t;Ccont為生物質(zhì)燃料的含碳量，%;Ofrac為生物質(zhì)燃料的氧化率，%;薪柴的含碳量為45%，氧化率87%。

薪柴的CO2排放量采用如下公式計算：

式中，CW是薪柴燃燒的CO2排放量，t;W是薪柴的消費量，t。

（3）沼氣燃燒的CO2排放量為：

式中，CBG為沼氣燃燒的CO2排放量，t;沼氣熱值為 0.209 TJ/萬m3;沼氣碳排放系數(shù)為15.3 t/TJ;BG為沼氣消耗量，萬m3。

（4）沼氣替代傳統(tǒng)燃料的CO2減排量為：

式中，C為沼氣替代傳統(tǒng)燃料的CO2減排量，t;Ci為沼氣替代傳統(tǒng)燃料的CO2排放量，t。

沼氣折合標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.714 kg·m-3、薪柴和煤炭折合標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)分別為0.571和0.714 kg·kg-1[6]。沼氣燃燒熱效率為55%[16]，薪柴爐灶燃燒熱效率為20%[16]，煤炭爐灶燃燒熱效率為30%[17]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)以及規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便資源量產(chǎn)氣潛力數(shù)據(jù)，以等量的標(biāo)準(zhǔn)煤為依據(jù)計算沼氣燃燒替代傳統(tǒng)能源減少CO2的排放量。

1.4.2 甲烷排放量估算方法

糞便管理系統(tǒng)CH4排放采用《IPCC國家溫室氣體清單優(yōu)良作法指南和不確定性管理》[18]推薦方法，公式如下：

式中，CCH4為牲畜糞便管理系統(tǒng)中的CH4總排放量，kg;ri為i種牲畜糞便管理中每頭牲畜CH4排放因子，kg·a-1;pi為i種牲畜數(shù)量。福建地處溫和氣候區(qū)（15℃≤T≤25℃），生豬CH4排放因子為3.48 kg·a-1[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便資源量及沼氣生產(chǎn)潛力

2010年和2015年福建省生豬飼養(yǎng)規(guī)模情況見表2。生豬飼養(yǎng)規(guī)模分為農(nóng)戶散養(yǎng)（年存欄生豬1～49頭）、養(yǎng)豬專業(yè)戶（年存欄生豬50～499頭）、規(guī)?；B(yǎng)殖場（年存欄生豬500頭以上）。2010年和2015年年末福建省生豬存欄數(shù)分別為1 272.57萬頭和1 066.16萬頭，其中農(nóng)戶散養(yǎng)生豬占總存欄生豬比例分別為18.99%和7.08%，養(yǎng)殖專業(yè)戶占比分別為28.65%和20.62%，規(guī)模化養(yǎng)殖場占比分別為52.36%和72.30%，50頭以上規(guī)模化養(yǎng)殖占比分別為81.01%和92.92%。

根據(jù)公式（1）及表1和表2，計算得到2010年和2015年福建省規(guī)模化養(yǎng)豬場排泄物干物質(zhì)總量分別為169.93萬t和163.29萬t。根據(jù)養(yǎng)豬場每年排放的排泄物干物質(zhì)總量和產(chǎn)量當(dāng)量，計算得到2010年和2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便資源產(chǎn)沼氣潛力分別為7.14億m3和6.86億m3（表3）。

2.2 CO2減排效益

假設(shè)規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便所產(chǎn)沼氣全部用于替代薪柴和煤炭，依據(jù)不同能源替代折算成相同標(biāo)準(zhǔn)煤的原則，計算得到2010年和2015年福建省規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便資源量沼氣潛力可替代薪柴的實物量分別為245.42萬t 和235.84萬t，可替代煤炭的實物量分別為130.85萬t和125.74萬t（表4）。

依據(jù)公式（3）、（5）、（6），如2010年和2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便所產(chǎn)沼氣全部用于代替薪柴，則可減少CO2排放量分別為268.74萬t和258.25萬t，若全部用于替代煤炭，則可減少CO2排放量分別為110.89萬t和106.56萬t（表4）。

2.3 甲烷減排效益

沼氣工程將畜禽糞便作為原料進行厭氧發(fā)酵，避免了養(yǎng)殖場CH4的直接排放，對減少CH4排放具有重要貢獻。按照公式（8）的方法，2010年和2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便如果全部用于沼氣工程，則可減少CH4排放分別為3.59萬t和3.45萬t（表5）。

3 討論與結(jié)論

3.1 規(guī)?；B(yǎng)豬場溫室氣體減排潛力分析

本研究表明，養(yǎng)豬場沼氣工程產(chǎn)生的沼氣替代傳統(tǒng)能源可減少CO2排放，禽畜糞便厭氧消化減少CH4排放，具有顯著的社會及環(huán)境效益。然而，受建設(shè)和維護成本影響，養(yǎng)豬場建設(shè)沼氣工程的積極性不高，一些已建沼氣工程也被閑置[3]。溫室氣體減排及碳交易政策給沼氣工程帶來新的發(fā)展機遇，提高了沼氣工程盈利能力，對沼氣工程發(fā)展起到積極的促進作用[4， 20]。

畜禽養(yǎng)殖是重要的農(nóng)業(yè)活動，養(yǎng)豬業(yè)是福建省最重要的養(yǎng)殖污染源[21]。研究表明，控制和減少畜禽養(yǎng)殖CH[22-23]4和N2O[24-25]排放，就要從影響動物源溫室氣體排放的因素[26]入手，優(yōu)化養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)、提升養(yǎng)殖規(guī)模、改良畜禽品種、改進飼養(yǎng)技術(shù)，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖全程控制，從源頭上實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)清潔生產(chǎn)[27]，從深層次解決畜禽養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體排放及糞便污染問題[28]。

3.2 福建省規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污處理存在問題及對策

本研究表明，2010年和2015年福建省年存欄生豬50頭以上的養(yǎng)豬場存欄生豬占全年存欄生豬比例分別為81.01%和92.92%，2015年比2010年提高14.70%。500頭以上規(guī)?；B(yǎng)殖場存欄生豬占全年存欄生豬比例由2010年的52.36%提高到2015年的72.30%，養(yǎng)豬專業(yè)戶（年存欄生豬50-499頭）存欄數(shù)占比由2010年的28.65%降到2015年的20.62%，農(nóng)戶散養(yǎng)（年存欄生豬1～49頭）存欄數(shù)占比由2010年的18.99%降到2015年的7.08%。福建省養(yǎng)豬業(yè)已經(jīng)從散養(yǎng)階段步入規(guī)?；B(yǎng)殖階段。

近年來，福建省養(yǎng)豬污染由面源污染逐步演變?yōu)辄c源污染，其污染成因主要有產(chǎn)業(yè)規(guī)劃滯后、政府監(jiān)管不力、違規(guī)操作突出等[29]。福建省養(yǎng)豬業(yè)產(chǎn)生了全省大部分養(yǎng)殖業(yè)污染物。阮妙鴻等[21]研究表明，福建省畜禽養(yǎng)殖污染物中98.3%污水、62.9%糞便、74.2% COD、86.9%總氮、67.5%總磷、96.4%銅、86.5%鋅、98.4%氨氮都由養(yǎng)豬場（戶）產(chǎn)生。和2010年相比，雖然2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬比例有了較大幅度提高，但是小規(guī)模養(yǎng)豬專業(yè)戶仍占較大比重。養(yǎng)豬專業(yè)戶受限于落后的污染處理設(shè)施，污染物削減能力偏弱。一些養(yǎng)殖場運行管理不規(guī)范，糞污治理效果難以保障[30]。另外，沼氣項目政策不到位，缺乏有效配套機制，限制了養(yǎng)殖場發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)的積極性。針對畜禽養(yǎng)殖污染成因及養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，要加強污染治理頂層設(shè)計及源頭監(jiān)管、加強科學(xué)管理及技術(shù)創(chuàng)新、提高全民環(huán)保及參與意識，建立和完善畜禽養(yǎng)殖業(yè)長效管理機制，以促進經(jīng)濟社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：張 梅）