豬糞好氧堆肥碳排放分析

丁 旻， 龔靜陽， 徐名漢， 王飛躍， 邊 遠， 閆 飛， 趙明杰， 李 輝

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100083； 2.信陽農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽 464000；3.中機華豐（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著溫室氣體排放量劇增，全球氣候變暖已成為全人類共同面臨的問題。畜牧業(yè)是碳排放的重要來源之一，溫室氣體排放量占總排放量的8.0%～10.8%，2020 年，全球畜禽糞便管理過程CH4、N2O 產(chǎn)生總量為5.23×104t CO2e，占農(nóng)業(yè)人為非CO2溫室氣體排放的7.2%，與1990 年相比，漲幅21%[1-2]。我國作為畜牧大國，每年畜禽糞污產(chǎn)生總量近40 億t，數(shù)量龐大的畜禽糞污若得不到合理的儲存及處理管理，將造成大量的CH4、N2O 等溫室氣體排放[3]。2014 年我國動物糞便管理排放溫室氣體總量為1.38×108t CO2e，其中CH4316 萬t，N2O 23 萬t，占比農(nóng)業(yè)活動排放16.7%[4]。據(jù)估算，我國由于未對畜禽糞便及其他農(nóng)業(yè)固體廢棄物進行資源化利用而產(chǎn)生的溫室氣體排放量已超過1億t CO2e[5]。

“碳達峰、碳中和”大背景下，畜禽糞便管理及資源化利用有了新的要求。2022 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實施方案》指出，要提升畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用水平，增加有機肥投入，實現(xiàn)畜牧業(yè)減排降碳[6]。堆肥是經(jīng)濟有效實現(xiàn)該目標(biāo)的重要技術(shù)手段，能將不穩(wěn)定狀態(tài)的廢棄有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定腐殖質(zhì)。通過施用有機肥，可有效減少化肥使用量，提升農(nóng)田土壤固碳水平[7]。

目前國內(nèi)外已開展了基于中小規(guī)模堆肥的溫室氣體排放種類及排放量的各項研究，但結(jié)合機械加工設(shè)備的工廠化有機肥生產(chǎn)過程溫室氣體排放核算研究較少，缺乏對有機肥替代化肥及進行土地施用的減排量研究。本研究根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提供的系數(shù)法核算準(zhǔn)則，以山東省某豬糞有機肥廠生產(chǎn)為例，應(yīng)用LCA 生命周期評價法，覆蓋有機肥生產(chǎn)、加工、成型包裝及土地應(yīng)用全生命周期，對溫室氣體排放環(huán)境影響進行計算評估。

1 堆肥溫室氣體排放特征

由于有機物的微生物降解及在廢棄物管理操作中電力及燃料的使用，堆肥生產(chǎn)過程將釋放溫室氣體。堆肥過程產(chǎn)生的溫室氣體主要包括生物及化石成因的CO2、CH4、N2O，全球增溫潛勢值分別為1、25、298。除此之外，堆肥場景下不會產(chǎn)生其他溫室氣體[8]。研究表明，好氧堆肥過程的碳主要以 CO2的形式損失，隨著堆肥微生物分解有機質(zhì)，堆肥期間大部分可降解有機碳DOC 將轉(zhuǎn)化為CO2，因CO2生成及釋放造成的碳素?fù)p失占原料總碳的31.4%～57.9%[9]。生物成因的CO2排放為自然碳循環(huán)的一部分，被視為不導(dǎo)致全球變暖的“碳中性”氣體，廢棄物管理部分無須對其進行核算[10-11]。當(dāng)堆體局部厭氧時，產(chǎn)甲烷菌分解易降解脂類、碳水化合物、有機酸和蛋白質(zhì)將釋放溫室氣體CH4，其性質(zhì)不穩(wěn)定，在好氧區(qū)域可被氧化為CO2[12]。堆肥過程中46%～98%的CH4在逸散前便被甲烷氧化菌分解消耗[13]。堆肥N2O 的形成涉及硝化、反硝化過程，可能同時發(fā)生在堆肥中溫階段堆體內(nèi)部不同位置，CH4和N2O 排放量分別占堆肥原料總碳、總氮損失的0.01%～8.00%、0.1%～5.0%[14]。不同特性的堆肥原料，如含水率、碳氮比、pH 值和揮發(fā)性固體含量，好氧分解及溫室氣體大氣排放速率存在差異[15]。在進行不同原料堆肥比較時，糞便堆肥的CH4及 N2O 排放量最高[16]。

2 有機肥施用固碳潛力

堆肥產(chǎn)品腐殖質(zhì)及營養(yǎng)豐富，可用作有機肥料或土壤改良劑，替代化肥或生長介質(zhì)泥炭的使用，不僅能避免化肥、泥炭生產(chǎn)過程中的碳排放，還將促進碳與土壤的結(jié)合、固定，對于減少溫室氣體排放具有積極作用[17]。截至2016 年底，我國畜禽糞便數(shù)量超過23 億t，養(yǎng)分總量 4.71×107t，N、P2O5、K2O 養(yǎng)分含量分別為1.13×107t，1.15×107t 和 2.43×107t，占當(dāng)年氮、磷、鉀化肥施用量的 49.1%、138.2%和381.1%，可分別替代3.7%、17.5%和44.2%的氮、磷、鉀化肥[18]。同時，研究表明，堆肥穩(wěn)定有機質(zhì)可以周轉(zhuǎn)100～1 000 年，部分碳可以長期保存于土壤中，形成不參與碳循環(huán)的結(jié)合碳，有機肥進行土地施用后，土壤有機質(zhì)含量從10.38%上升至15.69%，100 年后仍與土壤結(jié)合的碳估計占堆肥投入的2%～10%，該過程被視為碳匯過程，可增加植物對大氣碳吸收和儲存，有效實現(xiàn)土壤固碳[8,19-21]。

3 堆肥碳排放核算

3.1 山東省某豬糞有機肥廠簡介

山東省某豬糞有機肥廠處理原料為豬糞和玉米秸稈，年處理總量約10 萬t，年產(chǎn)有機肥6 萬t，采用槽式堆肥工藝，配套設(shè)備均采用電力驅(qū)動，包括布料系統(tǒng)、堆肥翻拋機、曝氣系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和制粒生產(chǎn)線等，設(shè)備每日工作16 h，日處理混合物420 t，日產(chǎn)有機肥20 t。場內(nèi)機械相關(guān)信息如表1 所示。

表1 場內(nèi)機械信息Tab.1 Information of compost equipment

3.2 邊界

先確定系統(tǒng)邊界及有機肥生產(chǎn)工藝流程，從而保證各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性、完整性。本研究范圍：一是直接排放。堆肥廠物理邊界內(nèi)與堆肥現(xiàn)場活動和廢棄物降解相關(guān)活動產(chǎn)生的排放。二是間接排放。布料系統(tǒng)、翻拋設(shè)備、其他加工設(shè)備電力消耗等上游活動產(chǎn)生的排放；作為化肥替代品的減排量、土地施用后的土壤碳結(jié)合等下游活動減排量。溫室氣體排放種類包括CH4、N2O、化石成因CO2，不覆蓋原料、堆肥運輸過程。

3.3 功能單元

本研究生命周期評價選取的功能單元為含水率60%的420 t 豬糞秸稈混合堆肥原料，其他輔料投入、電力、生產(chǎn)、產(chǎn)品替代及土地施用溫室氣體排放均基于每處理 420 t 新鮮原料的對應(yīng)值，結(jié)果為邊界系統(tǒng)內(nèi)每日處理量及生產(chǎn)量下的碳排放。溫室氣體排放量均以CO2e 來表示，CH4、N2O 按照100 年全球增溫潛勢轉(zhuǎn)化為CO2e 進行計算。生命周期模型如圖1 所示。

圖1 生命周期模型Fig.1 Life-cycle model

3.4 計算方法及主要參數(shù)

3.4.1 直接排放

堆肥生物降解過程N2O 釋放量

式中EN2O——堆肥生物降解過程N2O 釋放量，t CO2e

GWPN2O——N2O 全球增溫潛勢，t CO2e/t N2O

EFN2O——堆肥過程N2O 排放因子，t N2O/t

Qdm——堆肥原料干質(zhì)量，t

堆肥生物降解過程CH4釋放量

式中ECH4——堆肥生物降解過程CH4釋放量，t CO2e

GWPCH4——CH4全球增溫潛勢，t CO2e/t CH4

EFCH4——堆肥過程CH4排放因子，t CH4/t

堆肥生物降解過程碳排放量

式中Ecom——生物降解過程碳排放量，tCO2e

3.4.2 間接排放

機械加工設(shè)備電力消耗碳排放

式中Eele——機械加工設(shè)備電力消耗碳排放量，t CO2e

EFele——我國區(qū)域電力碳排放因子，t CO2/(MW·h)

Wele——堆肥生產(chǎn)總耗電量，MW·h

替代氮、磷、鉀化肥減排量

式中Rfer——有機肥替代化肥減排量，t CO2e

QOF——有機肥日產(chǎn)量，t

ωOF,N——有機肥氮含量，%

ωOF,P——有機肥磷含量，%

ωOF,K——有機肥鉀含量，%

CN——化肥產(chǎn)品中氮含量，%

CP——化肥產(chǎn)品中磷含量，%

CK——化肥產(chǎn)品中鉀含量，%

EFN——氮肥生產(chǎn)碳排放系數(shù)，t CO2e/t

EFP——磷肥生產(chǎn)碳排放系數(shù)，t CO2e/t

EFK——鉀肥生產(chǎn)碳排放系數(shù)，t CO2e/t

土地施用固碳量

式中Rsoil——有機肥土地施用固碳量，t CO2e

Qmanure——堆肥原料質(zhì)量，t

EFfix——土壤凈碳通量系數(shù)，t CO2e/t

3.4.3 取值說明

取值說明如表2 所示。

表2 取值說明Tab.2 Description of value

4 結(jié)束語

（1）豬糞堆肥生物降解過程產(chǎn)生的CH4、N2O 直接排放量分別為0.31 和18.94 t CO2e，其形成均與堆體缺氧相關(guān)，因此需加強堆肥過程的管理[26]。應(yīng)用溫度及氧氣變化自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)堆肥曝氣頻率，避免堆體內(nèi)部厭氧情況的發(fā)生，工藝優(yōu)化可最大限度地減少直接排放[27]。

（2）上游活動電力消耗產(chǎn)生的排放量17.84 t CO2e，與直接排放強度相當(dāng)。使用清潔能源、合理優(yōu)化設(shè)備運行及堆肥工藝參數(shù)，有利于減少堆肥過程中產(chǎn)生的碳排放。

（3）有機肥替代化肥使用可減少一定的碳排放。20 t 豬糞有機肥的氮、磷、鉀含量分別為0.41、0.55和0.37 t，與0.88 t 尿素、2.73 t 重鈣和0.69 t 氯化鉀相當(dāng)，替代化肥減排量為0.87 t CO2，進行土地施用后土壤固碳量為113.4 t CO2e。

（4）排放因子估算溫室氣體排放量的重要參數(shù)，其選擇將直接影響計算結(jié)果。我國國家溫室氣體清單動物糞便管理的排放因子為基于《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南》的默認(rèn)值，未根據(jù)廢棄物類型進一步說明，仍存在較大的不確定性。因原料類型等諸多因素變化，建立確定的、廣泛適用的堆肥溫室氣體排放因子具有一定難度。本研究引用豬糞槽式堆肥實際生產(chǎn)排放因子研究，結(jié)合機械設(shè)備對整個生產(chǎn)過程進行核算。今后的研究中，有必要進一步采集、分析堆肥現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝及核算方法。

（5）整個生命周期來看，生產(chǎn)、使用有機肥實現(xiàn)了負(fù)碳排放，具有較好的碳減排潛力。“雙碳”發(fā)展背景下，通過好氧堆肥工藝處置有機固體廢棄物不僅實現(xiàn)了資源化、無害化目標(biāo)，同時結(jié)合VCS 自愿減排機制，將溫室氣體減排及清除轉(zhuǎn)化為可交易的碳信用額，還具有良好的經(jīng)濟效益。