標準畜當量產甲烷潛力研究

吉 進 朱洪光 成瀟偉 徐宇鵬

（同濟大學新農村發展研究院，上海 201804）

隨著我國養殖業規模化的快速發展，畜禽糞污的產生量越來越多。沼氣技術作為一項能夠處理農業廢棄物并能夠產生可再生能源的環境工程技術，正備受關注。當前我國也大力支持沼氣工程建設，積極推進農村沼氣工程轉型升級，開展以縣為單位的農業廢棄物資源化利用試點工作，并投入大量資金支持養殖大縣整縣推進糞污資源化利用。

對于縣域范圍內的畜禽養殖業而言，往往是以生豬、肉牛、禽類養殖為主，多種畜禽養殖共同發展的產業格局，在進行沼氣與生物天然氣產業發展時，不同畜禽的排污系數與產甲烷潛力不同，不利于進行區域內的統一規劃。因此，本文將對產排污系數、豬糞的產氣潛力等參數進行系統的梳理和總結，計算出合理的標準畜當量的產氣量，便于以后的統計與規劃。

1 畜禽排污系數的確定

我國工業化畜禽養殖業起步較晚，相關的研究進行得比較晚。由于我國養殖的畜禽種類眾多，主要統計資料大多將畜禽簡化為生豬、肉牛、奶牛、肉雞和蛋雞5類，為了與國家統計資料銜接，產排污系數的研究也主要圍繞這5種畜禽開展，其中生豬和奶牛的研究最多，其他畜禽種類大多根據《畜禽養殖業污染物排放標準》（GB 18596—2001）中相關規定折算為生豬當量。

牛若峰全面地介紹了畜禽的產排污系數，其中規定一頭生豬每天的糞便排泄量是2 kg，尿污水量為10 L［1］。但是，畜禽在不同飼養階段和不同養殖方式下會有不同的產排污系數，因而需要對其分別進行討論。其中，我國2008年發布的《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》詳細地介紹了各地區生豬在保育階段（參考體質量32 kg）、育肥階段（參考體質量72 kg）和妊娠階段（參考體質量232 kg）的產排污系數［2］。謝飛、汪開英、蔣治國等［3-5］均對不同飼養階段生豬的產排污系數進行了調查與研究。郭德杰等［6］對不同豬群糞、尿產生量進行了檢測，發現公豬糞尿日產生量及養分日產生量均顯著大于其他豬群，哺乳仔豬糞尿日產生量及養分日產生量均顯著小于其他豬群，平均日產量在0.88～2.53 kg。統計各技術手冊及相關研究中關于華東地區生豬的產排污系數，匯總如表1所示。

對上述研究結果進行總結可知，畜禽糞污的產排污系數會因畜種、飼養管理水平、氣候、季節等情況而產生較大差異，一頭生豬每天的糞便量為0.88～4.76 kg。通過對崇明沼氣工程和阜南縣在運營沼氣工程的調研可知，在實際工程中一般會取2.00 kg作為一頭生豬的糞便日產量，以便于工程的相關數據估算。

2 甲烷產量的計算方法

2.1 COD轉換計算甲烷產量

根據Mccarry的報告［8］，假定厭氧消化過程中，有機物能夠被充分分解、利用，同時不吸收外界的氧氣，則可以建立下面的反應平衡式：COD進料-COD出料=CODCH4

。

厭氧消化時，甲烷主要來源于醋酸的降解，在厭氧發酵中如不考慮基質被合成為菌體，則可以建立化學反應式1：CH3COOH→CH4+CO2。而醋酸被完全氧化成二氧化碳和水，其轉化為反應式2：CH3COOH+2O2→2CO2+2H2O。

醋酸的COD即為化學反應式2中所消耗的氧，即1 g氧能夠氧化0.937 5 g醋酸，根據化學反應式1計算，能產生0.25 g甲烷，在標況下的體積為0.35 L。而厭氧消化過程中合成甲烷的另一條途徑是由氫還原二氧化碳，該部分占比較少，且其計算結果與醋酸轉化是相同的。

表1 華東地區生豬產排污系數

在確定有機物的甲烷產量時還需要考慮溫度和壓力對氣體體積的影響，因此實際的甲烷產量可由公式（1）計算得到。

式（1）中，Q表示1 g COD轉化后能夠得到的甲烷體積，單位為L；T表示試驗時的溫度；P標表示標準大氣壓；P實表示試驗時所測得的實際大氣壓。

由于各種有機物用高錳酸鉀法和重鉻酸鉀法測得的COD會因有機物種類不同而相差不一，且大部分有機物不能完全被氧化。而COD產甲烷的理論計算是進出料在徹底氧化時的耗氧量之差，所以需要引入系數k1來對甲烷產量進行修正。其中，k1=有機物最大氧化率/有機物氧化率。有機物最大氧化率可以用延長有機物與重鉻酸鉀的煮沸時間或增加重鉻酸鉀濃度來求得，對于大部分有機物來說，其氧化率在達95%以上。所以k1值略大于1，但對直鏈烴、芳香烴及苯等有機物來說，k1值需另外確定。

同時，盡管厭氧消化過程中所產生的菌體很少，但總有一些基質會被用于菌體的合成，因此需要引入系數k2來對甲烷產量進行修正。其中，k2=CODCH4/COD=（CODCOD細菌）/COD。由于用于菌體合成的有機物占總量的比例較小，因此系數k2的值為0.97～0.99。

通過系數k1和k2的引入，可以得到修正后的有機物厭氧消化產甲烷體積公式，見公式（2）。

成瀟偉等［9］對純豬糞進行厭氧消化試驗，室溫為20℃，氣壓為標準大氣壓時，得到豬糞平均COD去除量為68 498.00 mg/L，發酵液中的豬糞平均質量比例為28.72%，取k1和k2的中間值，當豬的排泄量為2 kg/d時，標準畜當量的產甲烷潛力約為180.23 L/d，取沼氣甲烷平均含量為60%計，折算得到產沼氣潛力約為0.30 m3/d。由上文確定的華東地區每頭生物每天排泄糞便的質量范圍，COD轉換計算的標準豬當量產氣潛力范圍為0.132～0.714 m3/d。

通過測COD計算產甲烷量適于測小劑量的試驗樣品，而在實際工程中由于測量的煩瑣性和樣品間的差異性，進出液的COD值波動范圍較大，因此在實驗室中測量COD的方法并不能完全適用于實際工程中。需要引入沼氣工程中豬糞的COD去除率r來對公式（2）進行修正，得到沼氣工程中產氣潛力計算公式（3）。

式（3）中，r表示沼氣池中豬糞COD的去除率。

張進等［10］對標準戶用沼氣池處理養豬場廢水進行了研究，12月中旬之前COD的去除率為92%。程洋等［11］通過攪拌對豬糞進行半干法發酵，45 d后COD的去除率為91.96%。侯如梁等［12］對新疆維吾爾自治區石河子市一座100 m3膜結構水壓式沼氣池進行研究，發現COD的去除率為65%。因此，COD的去除率會受工藝選擇設備環境條件的影響，在計算時要以實際工程參數為標準進行研究。

2.2 化學式計算甲烷理論產量

由于在豬糞的厭氧消化過程中，甲烷是由豬糞中的碳元素轉換所得到的，因此可以由豬糞的化學式，根據巴斯維爾—穆勒公式［13］來計算甲烷的理論產量，公式如下：

晏紅梅［14］發現豬糞5種組成元素的含量分別是氮0.808%～4.238%、碳25.072%～47.158%、氫3.650%～10.388%、硫0.280%～0.986%以及氧0.808%，所有樣品的各元素范圍很大，5種元素質量分數變化幅度較大，因此通過化學式確定甲烷產氣量需要對樣品進行檢測以確定所用豬糞的5種元素成分組成。

孫辰等［15］對采集的豬糞進行了測試，發現試驗用豬糞化學式為C161H327O103N10S，根據巴斯維爾—穆勒公式，單位摩爾的豬糞可得70 mol二氧化碳和92 mol甲烷。假設所采集的豬糞中的碳元素處于理想條件，能夠完全轉化為甲烷和二氧化碳，則經過換算，可以得到豬糞理論的生化產甲烷潛力為646.7 mL CH4/g VS。

以每頭生豬每天的糞便產量為2 kg，豬糞的揮發性固體量（VS）為386.02 g來計算，通過化學式計算理論甲烷產量的方法可以得到標準畜當量的產甲烷潛力為249.64 L，折算得到產沼氣潛力為0.416 07 m3。由上文確定的華東地區豬糞質量范圍，豬糞化學式的理論產氣潛力范圍為0.18～0.99 m3。

2.3 經驗值計算沼氣產量

國外對厭氧消化產氣量的核算方法展開了大量研究，獲得了多種農業廢棄物產氣量的基礎參數。能值潛力估算動物數據庫型（ABEPE）為厭氧消化沼氣產量的測算提供了依據，得到了多國研究人員的認可。

希臘研究人員Batzias等［16］于2003年提出了ABEPE模型，用于計算希臘全境沼氣產氣量，該模型以各類農業廢棄資源（農作物秸稈、畜禽糞污）的干物質質量與產氣因子為出發點，采用公式（5）估算相應物質的產氣量，經過近幾年的發展，該模型理念已經成熟。

式（5）中，Bi表示第i種物質的理論產氣量，單位為m3；Faci表示第i種物質單位質量干物質的產氣因子（在35℃的條件下測定），單位為m3/kg；DMi表示第i種物質的干物質質量，單位為kg。

研究中豬糞的產氣因子一般以0.42 m3/kg來計［16］，豬糞一天的干物質產量以0.43 kg來計［17］，通過ABEPE模型公式來計算，可得標準畜當量的產氣潛力為0.18 m3/d。

熊承永［18］也對沼氣產氣量的經驗計算進行了研究，通過歸納總結得到了公式（6），用于計算畜禽糞污的沼氣產量。

式（6）中，Q表示畜禽糞污的沼氣產量，單位為m3；k表示發酵原料產氣率；n表示畜禽養殖數量；M表示一頭畜禽的糞便日產量，單位為kg；TS表示畜禽糞便的干物質量。

研究中所用的參數為豬糞日產量5 kg、干物質量20%、原料產氣率0.3，通過計算可以確定標準畜當量的產氣潛力為0.30 m3/d。

而通過試驗可以測得豬糞的實際產甲烷潛力，胡玉瑛等［19］研究表明豬糞的產甲烷潛力為190.03 mL/g，孫辰等［15］的研究表明豬糞的產甲烷潛力為479.40 mL/g，王明等［20］研究表明豬糞的產甲烷潛力為508.00 mL/g。上述產甲烷潛力均以CH4/VS add計，通過計算，可得到標準畜當量的產氣潛力分別為0.081、0.206、0.218 m3/d。

3 結論

通過上文的分析可得，COD轉換計算和化學式計算這兩種方法受生豬排污系數影響較大，標準畜當量產甲烷潛力在0.13～0.99 m3/d之間大幅波動。當每頭豬每天糞便排泄量為2 kg時，利用3種方法計算可得標準畜當量的產氣潛力為0.18～0.42 m3/d。上述結果表明不同計算方法下標準畜當量的產氣潛力相差較大。

我國農業部于2011年發布的《沼氣工程規模分類》（NY/T 667—2011）中規定一個豬當量的糞便產氣量約為0.1 m3。《沼氣產量計算及熱值換算方法大全》中記錄5頭豬的糞便產氣量約為1.0 m3，這與ABEPE模型計算所得的值較為接近，會更加符合工程中的實際情況。