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隨著養殖規模的不斷擴大,畜禽養殖業逐漸從

個體化、獨立化向規模化、集中化發展,養殖業的迅

速發展帶來了農民收入的增加和人民生活水平的提

高。但是,畜禽養殖業的規模化也帶來了不可忽視

的環境污染問題。隨著大中型沼氣項目工程的出現

在解決規模化養殖所帶來的污染問題的同時,進行

熱、電、氣、肥的四位一體供應2。相對于傳統堆的

肥,既有效地控制了甲烷和氮氧化物等溫室氣體的

肆意排放,還能生成對農作物有益的有機肥料。農

業部的統計數據表明,目前全國沼氣項目年生產能力為

160多億m3,可減排二氧化碳5000多萬噸,每年生產有機沼肥近4億噸,可減少20%以上的化肥施用量,在保護生態環境和節能減排上,具有良好的生  態、環境效益4。但目前由于沼液沼渣綜合利用率低、沼氣項目發電技術不成熟及售電價低等多方面因素,我國沼氣項目工程基本依賴政府投資,自身造血能力差,從而大大挫傷了投資者的積極性5。沼氣項目工程的  收益僅僅局限于經濟性是不全面的,故研究沼氣項目工程的經濟、能效及環境效益,從而選擇較好的運行模式,是極有必要的。 Pra-paspongsa“等基于生命周期評價比較了養豬場廢棄物的12種不同綜合處理方式的環境影響,研究結果表明全球變暖潛勢、水體富營養化和可吸人無機物是豬糞處理過程中最重要的環境影響因素;羅一鳴等對養豬場現行四中堆肥方式的環境影響進行分析,基于生命周期評價法得出其能源投人類型和堆肥過程中的氣體排放與其環境影響關系密切,并得出了堆肥適宜翻堆時間;王效琴8等應用生命周期評價方法,建立了奶牛養殖系統溫室氣體排放量評估方法,并以此方法分析了西安郊區典型的規模化奶牛場的奶牛養殖系統溫室氣體排放特點和排放量

隨著沼氣項目技術的利用和影響擴大,逐漸得到國家的重視和關注,近年來隨著《生物質能發展“十三五”規劃》、《到2020年化肥使用量零增長行動方案》的頒布,各地積極響應,紛紛出臺新的能源補貼政策,為大中型沼氣項目工程刮來一陣春風。為順應這個大背景使禽畜養殖場沼氣項目工程的經濟、能效、生態益并存,客觀評價其不同運行方式的性能,選擇較優的運行方式。本研究以某養殖場沼氣項目工程為例就新常態下禽畜養殖大中型沼氣項目工程進行生命周期分析,對比分析兩種沼渣處理方式,對其生命周期建立詳細的經濟清單、能效清單及環境清單,對其運行程中的經濟性和能量效率及對環境的影響進行定

量分析,從而比較二者的優劣。

1研究對象及系統邊界

1.1研究對象

沼氣項目工程采用USR升流式固體厭氧發酵工藝,建有2座容積600m3發酵罐,發酵溫度37℃。工程的工藝流程如圖1所示。新鮮牛糞由場區收集運輸至進料房,牛糞通過旋轉進料器和格柵處理去除較大雜質,經過調漿池、酸化池預處理。預處理后的料液由濃漿泵從發酵罐底部加壓進料,上部溢流出料。假設溢出的沼液進行好氧處理后達標排放。發酵產生的沼氣項目經過脫水、脫硫處理后進入儲氣罐。沼氣項目發電機燃燒沼氣項目發電,產生電量并網供養殖場生產生活消耗,發電機余熱用于維持中溫發酵。

物料水力滯留期(HRT)為15d,日進料量80m3,消耗Ts為20%的牛糞大約22m。牛糞產氣量為0.3m3kg干物質,產氣量為1320m3d。發電設備為捷克 TEDOM公司生產的 Cento T88spEBIO型,配置2臺76kW發電機組。發電機額定輸出:120/96kVA/kW;電壓:400V;頻率:50Hz。發電機組電氣比為1.4kWh·m-3。機組運行電效率為24.4%,熱效率為40.5%,總效率為64.9%。1.2目的定義及范圍確定

本研究采用生命周期分析法,設定情況一為系統滿負荷運行情況,發酵出料處理達標后排放灌溉牧草;情況二為在情況一的基礎上,購置固液分離機,將分離后的沼渣作為有機肥基質出售給生物有機肥生產廠。對比分析情況一、情況二運行過程能源消耗、經濟效益及運行過程中所排放污染物造成的環境效應。沼氣項目工程的發酵原料牛糞的來源為配套的奶牛養殖區域,故忽略原料收集及運輸過程中

對環境造成的影響,設定生命周期起始邊界設定為牛糞收集輸送至進料區域,終止邊界為固液分離后吧料基質成型,廢水達標排放(見圖2)。

功能單位及評價方法  根據國際標準1SO14040《生命周期評價原則及  框架》,本研究選取1t牛糞為生命周期評價的功  能單元( Functional unit,FU),沼氣項目的功能單位取為  m3,能耗的功能單位取為MJ。對比分析兩種沼渣處  理方式下的經濟、能源投入產出、污染物排放情況,  通過能源、經濟狀況及環境影響的大小比較兩種方式下的優劣。

2清單分析

2.1經濟清單分析

制定經濟分析清單,根據該工程的年運行成本及經濟收益,得出工程年凈收益。其中工程收益主要體現在節省電費、節省排污費以及沼液沼肥銷售費;運行成本主要為運行人員人工工資、維修維護費

該沼氣項目工程總投資680萬元,其中政府出資450萬元,其余企業自籌230萬元。奶牛排污費為每頭每月7元,按照每年平均存欄3500頭計算。發電機余熱經回收后通過加熱盤管對發酵罐進行加熱可保證中溫發酵,無其他增溫方式。運行成本主要是指沼氣項目工程系統運行保養費用及工人工資,維修費每年6萬元/年,配件費年均7萬元,油料、保溫等  耗材每年3萬元,清池通嘗等費用每年1萬元。沼  氣站配置3個工作人員,人均月薪為2500元。系統運行自耗電為243.8kWh·d-2,電費以0.6  元kWh-計。  情況二下增加兩臺固液分離裝置,運行參數為

7.5kW,33.7rmin,配套的沼液提升泵運行參數  為3kW,1450rmin-1,價格4萬元。處理能力為15  m3h-,故每日兩臺固液分離裝置運行2.5小時。  對發酵后產物進行固液分離后所得含水率60%沼  渣作為生產生物有機肥的基質出售給化肥廠,售價為300元m  系統運行各部運行耗電詳情見表  1,工程在情況一及情況二下生命周期內經濟清單見

2.2能效清單分析  用能量清單來分析沼氣項目生產生命周期過程中的  能量輸入和能量輸出,計算產生1m3沼氣項目所需能  量。單位能耗是指生產1m3沼氣項目需要的能量投入,  單位產能指生產1m3沼氣項目帶來的能量效益。在計  算能量的投入與產出時需要分析原料的預處理過  程、發酵過程、沼氣項目發電、沼肥制備四個過程中涉及  的能量輸入與輸出,這些過程中涉及的能量輸入主  要為系統內部的電力消耗,運行人員的人工消耗。  能量的輸出主要為沼氣項目發電、沼液及沼肥。在生命  周期分析中的4個過程詳細能量輸入如下。  (1)原料預處理過程中增溫所需熱量來自于系  統內部發電機余熱,酸化池不配備攪拌設施。所涉

及到的能量輸入為人力消耗及進料泵運行期間所消耗的電力。

(2)發酵過程的主能量輸入為維持中溫發酵所需要的熱量,該熱量由系統內部的發電機余熱提供;以及發酵罐底部增強回熱回質的回流泵所消耗的電力

(3)沼氣項目發電過程中能量輸入為發電機余熱利用系統中循環水泵用電,及發電機內部用電。

(4)沼渣的處理過程中主要消耗的能量為固液分離機所消耗的電力。

系統運行期間所輸出的能量為向外輸出的電能、沼氣項目,產生的生物有機肥基質

工程日產氣量1320m3,沼氣項目能量折算系數為20920kJm-3;日發電量1848kWh,電力能量折算系數為359824 kJ. kWh-10。假設每日發酵出料經過固液分離后得到含水率為60%的沼渣,沼渣能量折算系數為1.266MJkg-1l;人力投入能量折算按照732.7kJh-計算12。

2.3環境清單分析

針對沼氣項目工程對環境影響的評價時,將不進行沼液固液分離(情況一)、對沼液進行固液分離(情況二)進行對比,針對環境排放清單,重點是計算整個發酵、發電、沼液沼渣處理過程中造成的污染物排放

2.3.1排放清單分析

2.3.1.1厭氧發酵過程

牛糞漿料通過兩臺7.5kW螺桿濃漿泵進料,在罐底和中部之間設置回流泵以加強傳熱傳質。電力的主要用于驅動進料泵、沼氣項目增壓裝置、回流泵。電力生產過程中的污染物排放見表4。

2.3.1.2沼氣項目發電過程

通過設定運行數據可知功能單位發電量為92.4  kW·h。根據中華人民共和國農業行業標準NY/  1704200氣電站技術規范,選取甲烷含量為50%-60%時,沼氣項目中H2S的含量不得超過250mg:m3假設沼氣項目經過凈化能夠滿足要求,則沼氣項目燃燒發電過程中SO2功能單位排放量為28.2g。沼氣項目燃燒過程中的CO2排放量采用王革華的計算方法,公式如下:

Ce=B。×0.209×15.3×412=11.725B

式中:CB為燃燒沼氣項目的CO2排放量,t;Bc是沼氣項目消耗量,萬m3;0.209是沼氣項目熱值,們·萬m3;15.3是天然氣碳排放系數,t·TJ。計算得沼氣項目燃燒過程中CO2的功能單位排放量為43.1kg。

2.3.1.3沼液沼渣處理及有機肥基質制備  情況一:對厭氧發酵的出料未進行固液分離,沼  液溢流經好氧處理達標后由水泵運輸至廠外排放灌  溉。沼液好氧處理中主要排放的污染物為CO2,計  算可得功能單位CO2的排放量為35583kg  情況二:厭氧發酵后的出料進行固液分離,分離  后沼液經好氧處理達標后,被泵至廠外灌溉牧草,固  液分離后固體作為肥料基質出售給肥料廠。分離后  沼液處理階段的功能單位CO2排放量為147.67

此環節其他污染來自于固液分離、水泵等設備的電力消耗排放的污染物。沼液排放需達到《畜禽養殖業污染物排放標準》(GB18596-2001)的要求,則其中BOD3,COD,SS,NH3N,TP在情況一下的功能單位排放量為0.315,0.84,0.42,0.168,0.0168kg;在情況二下功能單位排放量分別為0.252,0.672,0.336,0.1344,0.0134kg。具體污染物排放生命周期清單見表5。

2.3.2特征化

特征化的目的是將每一個影響類目中的不同物  質轉化和匯總成為統一的單元。本文中主要考慮全  球變暖潛力(GWP),環境酸化潛力(AP)及富營養化潛力(EP)。影響評價采用相關因子方法來計算,  結果由排放的相關氣體與對應的相關因子相乘得  到。全球變暖以CO2為參照物,CO,NH4和NO2的

當量系數分別為2,21,310m”;環境酸化潛力以sO2  為參照物,NO3,NH3的當量系數分別為0.7,  1.89;富營養化以PO為參照物,NO,NO3、N,  NH3的當量系數為0.1,0.42,0.356

2.3.3標準化及加權

為了將全球性、地區性以及局地性影響在同一水平上進行比較,本文采用 Stranddorf et all12005年11月發布的世界人均環境影響潛力作為環境影響基準。確定各種環境影響類型的權重時,參考王明新20等設置的權重系數,進行歸一化后取值。具體數據見表6。

3結果與分析

.1經濟性分析

收回原投資所需的時間是評價項目的一個非常  重要的因素,是指從項目投建之日起,用項目所得  的凈現金流量回收原始投資所需要的年限。它代表  了預期投資回本的年數。假設運行期間每年現金流量相等。

凈現值計算公式表示為:

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

式中:CI和CO為第i年的現金流入、現金流出;R為基準折現率,根據資金來源情況,扶持資金約占66%,可視其成本為0;自籌資金占34%。假

設機會成本為10%,則基準折現率為:66%×0+

34%×10%=3.4%  動態投資回收期(P,年)是指收回成本需要的

年數,計算公式如下

式中:A為累計效益凈現值出現正值的年份;E

為第A-1年累計效益凈現值的絕對值;F為第A

年累計效益凈現值。  通過對其動態回收期的計算可得情況一下在工

程生命周期20年內無法回收投資,凈現值為

282.73萬元<0,若僅計算自籌資金投資回收期,則  自籌資金動態投資回收期為9.7年。情況二下在生  命周期20年內凈現值為1227.77萬元,動態投資回  收期為9.8年,自籌資金動態回收期為3.21年。  以上結果均是在沼渣售價為300元,m的基  礎上得到的。經計算,當沼渣售價降低至90元,m3時,情況二的經濟性失去優勢,與情況一相持平。當沼渣售價繼續下降,沼渣收人無法抵消由于加入固液分離設備用電量的額外支出,導致在此情景下在情況一運行模式將獲得相對較高的收益。3.2能效分析  從能效角度分析,通過計算情況一與情況二  的單位能耗為0.65M·m3,0.82MJm2,單位產能為5.04M·m23及14.15M·m-3,能效產出比分別為7.75和17.26。該沼氣項目工程的能量投入產出比均為正值,證明兩種運行方案均具有可行性;情況與情況一相比產出比提高2.2倍,原因在于通過增加固液分離裝置,使得原本廢棄的沼液沼渣在系統中得到了利用,由于系統日產固液分離后沼渣9.5m3,其中蘊含相當可觀的能量,這部分能量大大提高了系統的能量產出比。在情況二運行模式下僅  需要增加0.17MJ·m-3的能量投入,即可增加9.11Mm單位產能。從能量投入構成來看,不管是情況一還是情況二的數據表示超過九成的能量投入為系統所消耗的電力。這是由于該系統采用熱電聯供發電機組,沼氣項目發電余熱用于加熱料液及發酵罐的增溫保溫,節省了大量其他形式能源作為沼氣項目工程熱源的消耗。

3.3環境影響分析

經分析可知,情況一,情況二的環境綜合影響潛

力分別為0.072和0.067,即分別通過兩種方式處理It牛糞所產生的全球變暖、環境酸化及富營養化潛力相當于世界人均影響潛力的7.2%和6.7%。具體數據詳見表7

根據研究結果顯示,在全球變暖潛力方面情況

與情況二相差2.38%,這是由于雖然情況二加入了固液分離設備導致系統用電量略大于情況一,使得在電力消耗中排放的污染物有所增加,但是由于固液分離后的沼液中各種有機質含量都有所下降,導致在沼液后續處理環節的排放也同時大大下降,導致情況一中CO2排放量遠大于情況二。故在全球變暖指標中所顯示的結果為情況二優于情況一。兩者的環境酸化指標與富營養化指標所得結果都非常相近,這是因為在沼氣項目發電的預處理環節對沼氣項目進行脫硫,降低了環境酸化主要影響物SO2的排放量;沼液處理后達標排放,對富營養化指標影響較

4討論與結論

在基于生命周期分析的基礎上對分別對該沼氣項目  工程的經濟、能效及環境影響進行評價。在經濟性  方面,情況二以動態投資回收期9.8年、自籌資金動  態投資回收期3.21年明顯優于情況一,情況一無法  在運行周期20年內收回成本,自籌資金投資回收期  9.7年。在僅考慮經濟性的情況下情況二是理想的  沼氣項目工程運行模式。在能效評價中可知,不論是情況一還是情況二都具有能效方面的可行性,情況二的能耗高于情況一0.17MJ·m-3,但單位產能即可增加9.11MJ·m-3。環境影響分析結果表示情況的綜合環境影響潛力大于環境二,增加電力帶來的環境影響沒有大幅減弱系統的環境表現,情況二對環境的影響更小。因此,在設定運行情況下綜合考慮經濟、能效及環境影響三方面因素得到情況二是經濟、節能、環境友好的沼氣項目工程運行模式。

從沼氣項目工程的眾多評價研究中可以看出,發展  沼氣項目工程關鍵在于是否能取得較好的效益。雖然在  政策扶持下工程建造初期能獲得數目可觀的政府投  資,但自身的造血能力關系著后續運行之中企業的維護和持續投資的積極性。故甄選一種可行的、經濟、節能并且環境友好的運行模式,對推動我國大中型沼氣項目工程由主要依賴政府資金扶持的瘸腿狀態轉型為能為企業帶來紅利的生產模式,是極其有必要的。在沼肥可帶來穩定收益的前提下,沼渣作為生物有機肥基質可從源頭上解決經濟性問題、提高能源產出率、降低一定的環境負荷。筆者對禽畜養殖廠沼氣項目工程的兩種處理模式從經濟、能效、環境影響三方面進行了清單分析和影響評價,可為沼氣項目工程的工藝流程選擇提供科學依據,并為開展禽畜糞便資源化利用綜合評價提供數據參考。