整縣推進畜禽糞污資源化利用項目溫室氣體減排量評估方法

朱志成，鐘民正，侯磊，田玉聰，付錦濤，楊陽

1.內蒙古自治區生態環境督察技術支持中心

2.中農創達(北京)環?？萍加邢薰?/p>

人類活動產生的溫室氣體（greeenhouse gas）與全球氣候變暖存在密切聯系，《聯合國氣候變化框架公約》框架下，各締約國將甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮（NF3）等氣體（統稱“非二氧化碳溫室氣體”，以下簡稱非二溫室氣體）納入溫室氣體減排管控范圍[1]，其中CH4和N2O 作為2 種主要的非二溫室氣體，其單位質量的溫室效應分別為CO2的28 和265 倍。

全球農業對溫室氣體排放的貢獻率為14%，僅次于工業，其中畜牧業產生的CH4和N2O 占農業非二溫室氣體排放量的80%[2]。畜禽糞污處置不當會產生大量的CH4和N2O，糞污中揮發性固體在厭氧條件下被產甲烷菌利用產生CH4[3]，有機氮和銨態氮會通過細菌不完全的硝化、反硝化作用產生N2O[4]，其排放量約占全球農業源排放總量的10%[5]。國內方面，根據國家溫室氣體排放清單數據[6]，我國農業溫室氣體凈排放為8.3 億t（以CO2當量計，下同），貢獻率為7.4%，在非二溫室氣體排放中，農業占比高達48%，其中動物糞便處理約為16.7%。

溫室氣體排放核算評估是重要的基礎性工作，是評價其排放水平、量化減排量的前提[7]，但目前我國相關核算標準規范尚不健全[8]，且農業環境本身是溫室氣體排放的源和匯，構建科學可靠的核算評估體系難度較大。目前采取的核算評估方法主要有實測法和排放因子法。實測法由于數據獲取難、成本高、應用范圍小等局限，僅適用于科研試驗；排放因子法由于其計算方法合理，參考數值可靠，參考價值和指導意義較高，在工程和更高尺度的溫室氣體排放清單被廣泛認可和應用[9]。朱志平等[10]分析了1994—2014 年我國畜禽糞便管理溫室氣體排放量變化，結果表明2014 年單位動物糞便管理CH4和N2O 排放強度分別為57.5 和62.7 kg，為1994 年的4.0 和5.8 倍。張哲瑜等[11]采用《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》（簡稱IPCC 2006 指南）[12]對北京市24 家規模豬場調研核算得出，生豬糞便管理過程中CH4、N2O 排放量和能源消耗CO2排放量分別為0.12、0.97 和0.95 kg/kg。楚天舒等[13]參考《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南（2019 年修訂版）》（簡稱IPCC 2019 指南）[14]對黑龍江農墾種養系統溫室氣體排放核算評估，其中糞便管理過程中CH4和N2O 排放量分別為3.44×107和1.93×108kg。

推進畜禽糞污資源化利用，是貫徹落實黨的二十大精神，推動綠色發展，促進人與自然和諧共生的重要舉措，也是破解農業農村突出環境問題、實施鄉村振興戰略、建設生態文明國家的戰略選擇[15]。目前研究多集中于糞便管理過程CH4和N2O 的排放，較少涉及糞肥還田的固碳效應和替代化肥減排，且鮮有將IPCC 2019 指南結合第二次全國污染普查（簡稱二污普）統計的活動數據對縣域范圍畜禽糞污資源化利用溫室氣體排放的評估分析。本研究聚焦于畜禽糞污無害化處理與資源化利用環節，以X 市整縣推進畜禽糞污資源化利用項目（簡稱整縣項目）為研究對象，核算評估整縣項目實施前后X 市畜禽糞污處置溫室氣體變化情況，以期為區域畜禽養殖業綠色低碳發展提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 數據來源與計算方法

通過分析畜禽養殖溫室氣體排放核算方法研究進展[9]，選取排放因子法作為本研究的核算評估方法，以整縣項目實施前的溫室氣體排放為基線，通過核算項目實施后溫室氣體排放量確定減排量，核算方法參考IPCC 2006 指南、IPCC 2019 指南；畜禽相關活動數據來源于對X 市的調研數據、統計年鑒及《第二次全國污染源普查產排污系數手冊（農業源）》[16]。

1.2 溫室氣體排放計算與評價

1.2.1 核算邊界

為保證計算結果的準確性，避免遺漏關鍵排放源，需要確定溫室氣體排放核算的邊界。本研究核算評估邊界包括糞便處理過程中的CH4和N2O 排放、糞污處理設施對應電熱供應源產生的CO2排放、第三方企業糞污收運過程中燃料使用造成的CO2排放、糞肥還田過程中N2O 排放、土壤固碳量以及糞肥替代化肥減排量。

1.2.2 溫室氣體排放計算方法

畜禽糞污處置系統的溫室氣體排放計算公式：

式中：E為基線/項目情景溫室氣體排放量，t；ECH4為糞污處理的CH4排放量，t；EN2O為糞污處理的N2O 排放量，t ；EEC/FC為糞污處理過程能源消耗的CO2排放量，t；Etrans為糞污運輸環節消耗燃料的CO2排放量，t；EN2O,OF為糞肥、有機肥、沼液還田造成 的N2O 排放量，t；ΔSOC為土壤CO2固碳量，t；Erep為糞肥還田替代化肥減排量，t。

1.2.2.1 糞污處理過程CH4排放量

式中：GWPCH4為CH4增溫潛勢，取28；ρCH4為CH4密度，取0.000 67 t/m3；MCFj為糞污處理工藝j對應的CH4轉化因子，按IPCC 2019 指南對應取值，槽式堆肥參考巴士迪[17]基于meta 分析得到的相關結論，膜式堆肥通過對相關研究的二次分析得出[18-19]；B0,LT為LT 類型畜禽糞污最大CH4生產潛力，m3/kg，按IPCC 2019 指南對應取值；NLT為調研統計的LT 類型畜禽的存欄量，頭；VSLT為糞便揮發性固體含量，t/頭，按IPCC 2019 指南對應取值；MSj為用糞污處理工藝j處理的糞便比例，%，按調研統計的不同糞污處理工藝占比取值。

1.2.2.2 糞污處理過程N2O 排放量

式中：GWPN2O為N2O 的全球增溫潛勢，取265；EFN2O為N2O-N 到N2O 的轉化系數，為44/28；EN2O,D為糞污處理的直接N2O 排放量，kg/kg；EN2O,ID為糞污處理的間接N2O 排放量，kg/kg。

式中：EFN2O,D,j為糞污處理工藝j的直接N2O 排放因子，kg/kg，按IPCC 2019 指南對應取值；NEXLT為動物年均TN 排泄量，kg/頭，按IPCC 2019 指南和二污普產污系數對應取值（表1 和表2）。

表1 二污普公布的不同畜種年均TN 排泄量Table 1 Annual total nitrogen excretion of different breeds in the second national polluting sources survey kg/頭

表2 IPCC 不同畜種氮排泄量以及可揮發物質排泄量Table 2 Nitrogen excretion and volatile substances excretion of different breeds in IPCC kg/頭

式中：EFN2O,ID,vol為揮發氮的N2O 間接排放因子，0.01 kg/kg[12]；EFN2O,ID,leach為徑流淋溶損失引起N2O 間接排放因子，0.007 5 kg/kg[12]；Fvol為糞污處理過程揮發氮損失量，%，按IPCC 2019 指南對應取值；Fleach為糞污處理過程徑流淋溶氮損失量，%，按NY/T 4243—2022《畜禽養殖場溫室氣體排放核算方法》[20]進行對應取值。

1.2.2.3 糞污處理過程能源消耗CO2排放量

式中：EEC為糞污處理耗電產生的CO2排放量，t；EGPL為糞污處理過程的耗電量，MW·h。如果沒有測量電力消耗量，則按設備額定功率乘以運行時間計算；EFEC,CO2為電網排放系數，0.581 t/(MW·h)[21]。

式中：FGPL為糞污處理過程消耗的化石燃料，t；EFFC,CO2為糞污處理化石燃料的排放系數，t/t，參考GB/T 32151.10—2015《溫室氣體排放核算與報告要求》[22]公布的化石燃料排放因子（表3）。

表3 燃料排放因子默認值Table 3 Default values for fuel emission factors t/t

1.2.2.4 運輸環節燃料消耗CO2排放量

式中：Nveh為糞污運輸車輛運輸批次；D為車輛批次運輸平均運輸距離，km；FCf為單位距離車輛消耗的燃料f的量，kg/km；EFFC,f,CO2為化石燃料的排放系數，t/t，按表3 取值。

1.2.2.5 還田利用造成的N2O 直接排放量

式中：EN2O,D,OF為化肥、糞肥施入農田造成的N2O 直接排放量，t；EN2O,ID,OF為化肥、糞肥施入農田造成的N2O 間接排放，t；FOF為化肥、糞肥施入土壤的總氮含量，t，糞肥可根據氮排泄量和氮留存率進行核算，按表4 取值；EFfl為土壤的N2O 直接排放因子，t/t；Ffl,vol為揮發造成的氮損失比例，按IPCC 2006 指南取平均值，化肥為10%，糞肥、有機肥為20%；Ffl,leach淋溶和徑流造成的氮損失比例，按IPCC 2006 指南取平均值，化肥和有機肥均為30%。

表4 還田環節養分留存量Table 4 Nutrient retention in the process of returning farmland by different disposal technologies %

1.2.2.6 還田利用造成土壤固碳量

式中：FOM為施入土壤的總有機質的量，t，根據VSLT和有機質留存率（表4）進行核算；EFOM-OC為有機質與有機碳的換算系數，取0.58[23]；Utc為農田土壤碳利用效率，%，取值參考表5；EFC?CO2為將土壤碳換算成CO2的系數，為44/12，無量綱。

表5 全國農田土壤碳利用效率Table 5 Carbon use efficiency of national farmland soil %

1.2.2.7 有機肥替代化肥CO2減排量

式中：Erep為還田部分替代化肥量，t；EFcf為生產氮肥的CO2排放因子，取7.76 kg/kg（以總氮計）[27]，Utm為農田糞肥利用效率，取25%[24]；Utcf為農田化肥利用效率，取40%[24]。

1.2.3 溫室氣體排放評價

為評估整縣推進項目前后溫室氣體排放變化情況，選取3 個指標對項目減排固碳進行系統性評價：1）溫室氣體凈排放量，數值上為畜禽糞污處置各環節的溫室氣體排放量與土壤固碳量的差值，表征畜禽糞污處置過程中溫室氣體的凈排放量；2）單位牲畜糞污處置碳排放，數值上為溫室氣體凈排放量與畜禽養殖規模的比值，表征畜禽糞污處置綠色水平；3）不同處理工藝單位牲畜糞污處理碳排放，數值上為工藝處理單位豬當量年產生糞污過程中產生的二氧化碳當量值，表征糞污處理工藝的綠色水平，指導溫室氣體減排中工藝比選。

1.3 研究區概況

X 市整縣推進畜禽糞污資源化利用項目通過規模養殖場設施提升改造工程、中小養殖場（戶）設施提升改造工程、糞肥還田利用示范基地建設工程、第三方服務組織（集中處理中心）建設工程以及糞肥還田利用管理監測體系工程，提升全市畜禽規模養殖場設施裝備配套率、畜禽糞污綜合利用率。

2021 年，X 市全市生豬總存欄量38.52 萬頭，家禽總存欄量450.00 萬只，肉牛存欄量0.75 萬頭，肉羊存欄量0.38 萬只。項目實施主體大型規模養殖場11 家，中小規模養殖主體若干，承載區域性糞污處理中心2 家，新建/改建糞污處理設施可承載豬4.3 萬頭，家禽46.75 萬頭，肉牛166 牛。本研究的基線情形為項目未實施情況下養殖畜種糞污處理方式，依據納入項目養殖主體調研實際情況：規?；i超出糞污處理能力部分處理方式為固體糞污堆糞棚，液體糞污為開放式兼性氧化塘，其余畜種固體糞污以固體儲存和露天堆放，液體糞污以化糞池或單室貯存池處理。項目情形即按規?；B殖場提升改造、規模以下養殖場填平補齊的方式確定建設內容，具體如表6 所示。

表6 實施方案新建及擴建畜禽糞污處理內容Table 6 New and expanded livestock and poultry waste disposal contents in the implementation plan

對于糞肥處理階段的核算評估原則，由于IPCC公布的核算方法尚未考慮糞污經固液分離后分別處理，對于相關數據獲取的問題，簡化為固液分離后固體糞污和液體糞污中的總氮及揮發性固體各占50%，具體數據及來源見表7。

表7 數據選取依據Table 7 Data selection basis

對于糞肥還田階段的核算評估，項目實施前按糞肥80%進行還田（80%為X 市官方公布的糞污資源化利用率），項目實施后納入項目主體通過就地還田、與周邊農戶簽訂消納協議等方式進行100%糞肥全量還田。

2 結果與討論

2.1 項目實施前后溫室氣體凈排放比較

核算基線情景下X 縣畜禽糞污處置各環節的溫室氣體排放量，糞污資源化利用的凈碳排放量為21 652.12 t（圖1），其中固體糞污以露天直接堆放，液體糞污為敞口貯存，糞污處理環節CH4直接排放和N2O 間接排放量較大，折合成CO2當量為24 439.99 t；還田環節較為粗放，糞肥資源化利用率低，土壤固碳及替代化肥環節的減排量為2 787.87 t。

圖1 項目實施前后溫室氣體排放量Fig.1 Greenhouse gas emissions before and after project implementation

項目情景下，核算出X 縣按方案實施畜禽糞污資源化利用工程后的凈碳排放量為479.31 t（圖1），減少了21 172.81 t，降幅為97.79%，說明項目實施后，參與項目的養殖主體提升了畜禽糞污處理和利用的標準化水平，顯著減少了溫室氣體排放。其中糞污處理環節碳排放量為5 448.06 t，相較于項目實施前降低了18 991.93 t，降低了77.71%。對應工藝能耗環節碳排放為16.71 t，糞污轉運環節能源消耗碳排放為69.33 t。項目采用糞肥、沼液全量還田模式，該環節碳排放量相較于項目實施前降低了81%，包括還田固碳環節和替代化肥環節，通過糞肥還田提升農田土壤有機質含量，核算還田階段土壤固碳量為1 346.68 t，有機肥替代化肥相當于間接減少上游化肥生產，核算出該環節碳減排量為3 708.11 t（以CO2計）。

整縣推進項目實施后，養殖場、糞污集中處理中心和農田形成良好的種養循環系統，一方面實現了畜禽糞污處理環節的碳減排；另一方面發揮了農田土壤的固碳增匯作用。其中糞污處理環節約占總減排量的89.70%，糞污轉運環節占0.4%，還田固碳及替代化肥環節占10.70%，本結果糞便管理環節減排量占比高于孫志巖等[31]研究結果的55.90%，是由于本項目生豬液體糞污處理工藝改建，其減排量高達16 697.96 t，對于糞便管理環節的碳減排量占比有極大的提升作用，從而稀釋了農田固碳增匯的碳減排量占比，與王榮昌等[32]認為糞污處理中厭氧消化單元對溫室氣體減排的貢獻最大的研究結果相一致。

2.2 項目實施前后單位牲畜糞污處置碳排放比較

單位牲畜糞污處置碳排放，是以豬作為單位牲畜，處置其一年產生糞污的溫室氣體排放量，數值上為溫室氣體凈排放量與畜禽養殖規模的比值。

根據《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》[28]中畜禽豬當量換算方式，項目新建糞污處理工程承載的豬當量為41 234 頭，結合項目實施前后畜禽糞污資源化利用凈碳排放量核算數據，新建糞污處理工程前后單位牲畜糞污處置碳排放分別為525.10 和11.62 kg（圖2），即項目按實施方案推進后，通過改變糞污處理方式以及提升資源化利用率，單位牲畜糞污處置碳排放量降低513.48 kg，顯著提升了畜禽糞污處置的綠色化水平。

圖2 單位牲畜糞污處置碳排放Fig.2 Carbon emissions per unit of livestock waste disposal

《省級溫室氣體清單編制指南》[33]中提到的生豬糞污處置碳排放因子平約為159.18 kg/頭，與本研究項目實施前后結果差異較大，其原因一是項目實施前生豬養殖氧化塘和貯存池等敞口式貯存工藝應用較多，CH4直接排放量較大；二是省級排放清單未涉及糞肥還田階段的固碳和替代化肥效應。孫志巖等[31]對豬場糞便循環利用項目溫室氣體碳減排量核算結果表明，實現種養循環項目后，4 個生豬養殖場平均單位牲畜糞污處置碳排放降低了約414.93 kg，與本研究評估結果相近。

2.3 不同處理工藝單位牲畜糞污處理碳排放比較

為進一步明確單位牲畜糞污處理碳排放的減少途徑，指導畜禽養殖糞污處理工藝比選，本評估方法核算出需不同糞污處理工藝單位牲畜糞污處理碳排放（圖3），固體糞污處理方面，槽式堆肥和膜式堆肥單位牲畜糞污處理碳排放相較于露天堆放和固體儲存碳排放大幅度降低，降幅為50%以上，其中膜式堆肥單位碳排放最低，為49.09 kg。液體糞污處理方面，黑膜厭氧池相較于氧化塘和貯存池碳排放分別降低了83.04%和63.30%，是由于黑膜厭氧池等密閉貯存發酵工藝包含CH4的收集及利用環節，避免CH4直接排放到大氣，相較于敞口式貯存工藝有明顯的減排效應。

圖3 不同工藝單位牲畜糞污處理碳排放Fig.3 Carbon emissions per unit of livestock manure disposal by different processes

好氧堆肥具備較強的溫室氣體減排潛力，其原理為在好氧堆肥過程堆體充分好氧的情況下，抑制了水解發酵和產氫產乙酸菌及產甲烷菌的活性，導致CH4排放減少[34]；且充分好氧可防止堆體在厭氧和好氧間的切換，防止硝化和反硝化細菌作用下產生N2O[4]，覆膜好氧堆肥將堆肥物料覆膜形成密閉空間，在強制通風的情況下在膜內形成微正壓的環境[18]，相較于傳統好氧堆肥工藝，其堆體的好氧程度更高，溫室氣體排放量更高。目前對于覆膜好氧堆肥的溫室氣體減排效應已有較多研究，如Ma 等[35]研究結果表明，膜堆肥反應器系統比普通反應器堆肥系統的CH4排放減少38.67%；Sun 等[36]研究結果表明，膜式堆肥膜外CO2、CH4和N2O 的排放速率分別比膜內低73.43%、95.57%和79.75%；Fang 等[37]通過比較條垛式堆肥和膜式堆肥的溫室氣體排放，得出膜式堆肥CH4和N2O 排放速率相較于條垛式堆肥分別低99.89%和60.48%。目前該好氧堆肥技術在國內逐步推廣，陸續進入了北京、河北和山東等地方的農機購置補貼目錄[38]，并成為農業農村部減排固碳十大主推技術之一。

黑膜厭氧池是用黑色的HDPE（高密度聚乙烯）防滲膜材料將氧化塘底部、頂部密封成一體的超大型污水厭氧反應器[39]，配備沼氣回用設施，防止貯存池或開放式氧化塘厭氧產生CH4直接排放到大氣中，從而減少碳排放。本研究評估黑膜厭氧池排放量尚不涉及沼氣的末端利用，沼氣的能源替代利用的碳減排潛力已有相關研究，如邱韶峰等[40]研究表明，日產1.7 m3的沼氣發電替代標煤減排量為4 640 t，更體現出厭氧發酵技術是“雙碳”背景下解決畜禽養殖污染的有效途徑。但由于傳統厭氧消化工藝建設成本高、運行管理復雜，一定程度上制約了其在中小型養殖場的推廣應用，黑膜厭氧池建設成本低、施工簡單、建設周期短，具有廣闊的應用前景。

由于整縣推進畜禽糞污資源化利用項目建設期為2 年，建設內容截至目前尚未完工，本研究核算評估結果基于實施方案而非驗收實際情況，結果為項目建設的預期值。由于項目要求建設內容變動小于5%，可基本認為實施方案建設情形為實際建設情況，核算結果具備科學性和合理性，具體實際減排效益應根據項目驗收后的實際糞污資源化利用進行進一步優化評估。

3 結論

（1）整縣推進項目按實施方案推進后的碳排放為479.31 t，相較于項目實施前減少了21 172.81 t，相當于減少了約10 萬豬當量糞污處置環節的碳排放。

（2）新建糞污處置工程單位牲畜糞便處置碳排放降低513.48 kg，建設工程顯著提升了糞污處置及還田水平，對區域畜禽養殖業綠色發展起到良好的示范帶動作用。

（3）好氧堆肥相較于露天堆放畜禽糞便管理碳排放降低了50%，其中膜堆肥碳排放最低為49.09 kg，密閉式厭氧發酵相較于厭氧氧化塘碳排放降低了83.04%。

（4）整縣推進畜禽糞污資源化利用項目建設內容中，糞污處理工藝建議設計為固體糞便覆膜好氧堆肥、液體糞污密閉貯存發酵和糞肥全量還田模式，對于區域種養循環的減排固碳有重要意義，是實現農業碳達峰的有效途徑。