西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术综合评价_王颖.pdf

西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术综合评价王颖，王月*，吴昌永，范帅，王浩环境基准与风险评估国家重点实验室,中国环境科学研究院摘要畜禽粪污处理技术在不同地区适用性有较大差异。为全面、客观、科学地筛选出适宜西北地区的畜禽粪污处理技术，将生命周期评价、费用效益评价与层次分析法耦合，从技术、经济、气候、直接环境影响与间接环境影响 5 个方面，建立了包含18 项指标的西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术评价体系；以兰州市畜禽粪污处理技术为例，分析好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用 3 种处理技术的适用性。结果表明：兰州市畜禽粪污处理技术适用性综合排序为垫料利用（72.21 分）好氧堆肥（71.55 分）厌氧发酵（68.79 分），垫料利用技术更适宜在西北地区推广；垫料利用技术环境友好性明显优于厌氧发酵和好氧堆肥技术；使用好氧堆肥和厌氧发酵技术处理畜禽粪污可为养殖场增加额外收益。该研究可为西北地区畜禽粪污处理技术模式构建和优化提供指导。关键词生态脆弱区；畜禽粪污处理技术；层次分析法；生命周期评价；费用效益分析；技术评价中图分类号：X713 文章编号：1674-991X（2023）02-0654-09doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220080Comprehensive evaluation research of livestock and poultry waste treatmenttechnologies in the ecological fragile areas of Northwest ChinaWANG Ying,WANG Yue*,WU Changyong,FAN Shuai,WANG HaoState Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment,Chinese Research Academy of Environmental SciencesAbstract The applicability of livestock and poultry waste treatment technology is quite different in differentregions.In order to comprehensively,objectively and scientifically screen out suitable livestock and poultry wastetreatment technologies in Northwest China,the life cycle assessment,cost benefit analysis(CBA)and analytichierarchy process(AHP)methods were coupled to establish a screening system for livestock and poultry wastetreatment technologies in Northwest China.The system included five factors of technology,economy,climate,direct and indirect environmental impacts,with a total of 18 indicators.Taking the livestock and poultry wastetreatment technologies in Lanzhou as an example,the applicability of the technologies of aerobic composting,anaerobic fermentation,and litter utilization were analyzed.The results showed that the comprehensive ranking ofthe applicability of livestock and poultry waste treatment technologies in Lanzhou City was litter utilizationtechnology (72.21 points)aerobic composting technology (71.55 points)anaerobic fermentation technology(68.79 points).It was more suitable to use litter utilization technology in Northwest China.The environmentalfriendliness of litter utilization technology is obviously better than that of anaerobic fermentation and aerobiccomposting technologies.The use of aerobic composting and anaerobic fermentation technologies could generateadditional profits for the breeding farm.This research could provide guidance for the construction and optimizationof livestock and poultry waste treatment technology models in Northwest China.Key wordsecological fragile area;livestock and poultry waste treatment technology;analytic hierarchy process;life cycle assessment;cost benefit analysis;technology assessment 西北地区地处我国西北内陆，包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆 5 省（自治区），是黄河中上游和黄土高原、青藏高原北部生态屏障的重要支撑，生态系统功能重要，但生态环境本底脆弱、土地承载力有 收稿日期：2022-01-24基金项目：国家重点研发计划项目(2018YFC19037000)作者简介：王颖(1995)，女，硕士研究生，主要从事固体废物污染控制研究，*责任作者：王月(1982)，女，高级工程师，主要从事固体废物污染控制研究， Vol.13，No.2环境工程技术学报第 13 卷，第 2 期Mar.，2023Journal of Environmental Engineering Technology2023 年 3 月王颖，王月，吴昌永，等.西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术综合评价 J.环境工程技术学报，2023，13（2）：654-662.WANG Y,WANG Y,WU C Y,et al.Comprehensive evaluation research of livestock and poultry waste treatment technologies in the ecological fragileareas of Northwest ChinaJ.Journal of Environmental Engineering Technology，2023，13（2）：654-662.限1。近年来，随着西北地区畜禽养殖业的专业化、规模化、集约化发展，畜禽粪污产生量日益增加。畜禽粪污中富含有机质、氮、磷、钾、重金属、致病菌等污染物，超标排放会造成水体富营养化、土壤养分过剩及重金属超标、空气恶臭弥漫等环境问题2-3。第二次全国污染源普查公报4显示，2017 年我国畜禽养殖业水污染物中化学需氧量（COD）、氨氮、总氮、总磷的排放量分别占农业面源总排放量的93.76%、51.30%、42.14%、56.46%，畜禽养殖粪污排放已成为农业面源主要污染源之一。畜禽养殖粪污主要通过资源化利用和工业化处理 2 种途径进行处理，从目前国内外研究和应用情况看，资源化利用是解决畜禽粪污污染的最佳方式5-6。常用的资源化利用方式可分为肥料化、能源化、饲料化 3 种类型，受地区经济发展水平、自然条件、资源环境承载力和农业生产方式等因素的影响，不同地区适用的处理方式存在一定的差别7。国内外学者也从经济效益、环境影响、环境承载力等方面对畜禽粪污处理技术展开诸多评价研究，常用的评价方法包括层次分析法（analytic hierarchyprocess，AHP）、生命周期评价（life cycle assessment，LCA）和费用效益分析（cost benefit analysis，CBA）等。罗娟等7针对规模化畜禽养殖场，运用层次分析法构建了涵盖技术、经济、环境 3 个方面 15 项指标的畜禽粪污处理综合评价指标体系；向欣等8通过层次分析法和模糊综合评价，从技术、经济、社会环境、适应性 4 个方面对武汉地区沼气工程进行综合评价；Garbs等9从经济和环境影响 2 个方面分析了畜禽粪污的运输距离对沼气厂选址的影响；Ruiz等10运用生命周期法、生命周期成本法和费用效益评价对沼气发电技术的环境效益进行了研究。然而，现有的评价多集中在单一技术或单一因素评价，尚不能综合考虑特定气候、经济效益、环境污染及温室气体排放等多方面影响因素。因此，针对某地区的畜禽粪污处理技术进行综合筛选，成为粪污处理项目建设过程中的难题。基于此，笔者将 AHP 与 LCA 和 CBA 联用，从技术、经济、气候、直接与间接环境影响 5 个方面，建立西北地区畜禽粪污处理技术综合评价体系，通过与 LCA、CBA 相结合建立指标体系的方式，对评价指标进行定量化分析，使评价更加科学、合理；并以兰州市为例开展畜禽粪污处理技术综合评价，分析技术适用性并根据评价结果提出技术优化改进建议，以期为西北地区畜禽粪污处置管理提供方法体系和理论依据。1研究方法畜禽粪污处理技术评价是一个较复杂的决策过程，既要考虑技术自身特性及参数，还要考虑地区的经济、气候及技术应用过程产生的环境影响等多方面的因素和制约条件，其所涉及的领域宽泛且指标多样。通过 LCA 和 CBA 与 AHP 耦合，将工程运行过程中的间接环境影响和废物利用收益等因素引入指标体系中，并利用分析结果为指标评价提供数据支撑，充分利用层次结构与 LCA 及 CBA 定量分析的优势，以期系统、科学地对西北地区畜禽粪污处理技术进行评价。技术筛选流程如图 1 所示。图 1 畜禽粪污处理技术筛选基本流程Fig.1 Flow diagram of livestock and poultry waste treatmenttechnology screening 1.1生命周期评价分析根据 ISO 140402006生命周期评价原则与框架，将 LCA 过程分为目标定义与范围确定、清单分析和影响评价 3 个部分。1.1.1目标定义与范围确定好氧堆肥、厌氧发酵和垫料利用是当前西北地区常用的畜禽粪污处理技术11，以处理 1 t 粪污为评价功能单位（functional unit，FU），对 3 种畜禽粪污处理技术的全生命周期过程进行综合评价。根据研究目的，确定系统边界范围主要是粪污收集、处理以及资源利用过程中的能源投入及污染物排放。3 种畜禽粪污处理技术的工作流程如图 2 所示。好氧堆肥LCA 过程分为堆肥、翻堆、废水处理 3 个阶段12-13（图 2（a）；厌氧发酵 LCA 过程分为厌氧发酵、沼气发电和沼液沼渣处理 3 个阶段（图 2（b）；垫料利用 LCA 过程分为固液分离、高温发酵、垫料利用、废液处理 3 个阶段（图 2（c）。第 2 期王颖等：西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术综合评价 655 1.1.2清单分析畜禽粪污处理过程中产生的环境污染物分为直接排放和间接排放 2 种方式。直接排放污染来源包括13,14-19：1）堆肥阶段，来自堆肥过程中 CO2、CH4、N2O 和 NH3的释放；2）废水处理阶段，来自活性污泥与废水反应过程中释放的 CH4和 CO2，以及废水达标处理后排放的 COD、NH3-N 和 TP20；3）厌氧发酵阶段，主要为沼气运送过程中 1%的沼气损失释放的 CH4和 CO2；4）沼气发电阶段，主要为沼气燃烧产生的 CO2；5）沼液、沼渣处理阶段，主要为沼液处理过程中释放的 CO2，沼液达标处理后排放的 COD、NH3-N 和 TP，沼渣还田产生的 CO2、CH4、NOx、CO、SO2以及氮和磷淋失21-22；6）高温发酵阶段，来自于好氧发酵过程中发酵仓内 CO2和 CH4的流出；7）垫料储存阶段，来自于垫料储存过程中 CO2、CH4和 N2O的释放。间接排放主要为施工设备（如拖拉机、翻抛机、铲车、包装机等）和处理设施运行过程中电、柴油消耗23产生的污染排放，其中，堆肥阶段设备运行总能耗折合成电能消耗为 3.13 kWh/FU，翻堆阶段设备运行总能耗折合成电能消耗为 3.00 kWh/FU，厌氧发酵阶段处理设施运行电力消耗为 22.06 kWh/FU，沼液、沼渣处理阶段设施运行电力消耗为 99.88kWh/FU，垫料利用阶段设备运行电力消耗为 6.46kWh/FU。每消耗 1 kWh 电能的污染物排放量如表 1所示。3 种技术各阶段污染物排放清单如表 2 所示。表 1 单位耗电量污染物排放量 Table 1 Electric pollutant emissionsper 1 kWh consumedkg/(kWh)CO2CH4NOxCOSO21.072.601036.461031.551039.93103 1.1.3影响评价畜禽粪污处理过程的环境影响类型为全球变暖、环境酸化、富营养化、光化学臭氧合成污染 4 个方面13。根据清单分析结果，按不同环境影响类型进行特征化24-25、标准化26及环境影响加权计算，结果如表 3 所示。4 类环境问题的综合影响排序为垫料利用技术（0.010）厌氧发酵技术（0.149）好氧堆肥技术（0.189）。好氧堆肥技术在畜禽粪污处理过程中产生的环境污染最大，主要是由于好氧堆肥技术在环境酸化和富营养化 2 个方面的环境影响远远高于其他 2 种技术。好氧堆肥技术的生命周期影响主要来自于环境酸化和全球变暖，二者合计占环境影响潜值的比例分别为 68.78%和 13.76%。1.2费用效益分析CBA 是一种通过权衡不同方案实施过程中全部费用成本和预期效益的评价方法，被广泛应用于方案合理性的经济评价27。目前针对畜禽粪污处理技术的经济评价，多集中在养殖场的经济效益，而忽略了种植业使用化肥、沼液、沼渣和沼气发电产生的经济、环境和社会外部效益。根据文献9,28-30及现场调研情况，确定西北地区畜禽粪污处理体系中的成本主要包括项目建设、人员、水、电、物料购买及粪污运输投入的费用，效益主要包括沼渣、沼液等废物利用以及沼气、有机肥、垫料产物利用产生的效益。1.3评价指标体系的构建 1.3.1指标体系构建结合 LCA 和 CBA，从技术、经济、气候、直接环境影响和间接环境影响 5 个方面，建立西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术评价体系，结果如图 3 所示。1.3.2指标权重确定根据已建立的评价指标体系，通过文献调研31-33和专家咨询等方式，采用 19 标度法34-35对同层次指标组中各元素进行重要性比较，构建的目标层（A）与准则层（B）的判断矩阵如表 4 所示，准则层（B）与指标层（C）的判断矩阵如表 5表 9 所示。表中Wi为指标权重，lmax为判断矩阵最大特征根，CR 为 图 2 3 种畜禽粪污处理技术的工作流程Fig.2 Workflow of three livestock and poultry waste treatment technologies 656 环境工程技术学报第 13 卷 表 2 3 种畜禽粪污处理技术生命周期清单分析结果 Table 2 Analysis results of life cycle inventory of three livestock and poultry waste treatment technologieskg/FU技术处理环节排放方式CO2CH4NOxCOSO2N2ONH3CODNH3-NTP好氧堆肥堆肥阶段直接排放78.1003.8000.1473.260间接排放3.3490.0080.0200.0050.031翻堆阶段直接排放间接排放3.2100.0080.0190.0050.030废水处理阶段直接排放45.2000.0130.2400.1300.013间接排放合计129.8593.8290.0390.0100.0610.1473.2600.2400.1300.013厌氧发酵厌氧发酵阶段直接排放5.2313.509间接排放23.6040.0570.1430.0340.219沼气发电阶段直接排放96.498间接排放沼液、沼渣处理阶段直接排放148.9860.0030.0090.0020.0120.0011.2470.4090.061间接排放106.8720.2600.6450.1550.992合计381.1913.8290.7970.1911.2230.0011.2470.4090.061垫料利用垫料利用设备运行直接排放间接排放6.9120.0170.0420.0100.064高温发酵阶段直接排放3.4800.004间接排放垫料储存阶段直接排放11.4100.1010.005间接排放废水处理阶段直接排放19.3960.2010.1090.011间接排放合计41.1980.1220.0420.010.0640.0050.2010.1090.011 表 3 3 种畜禽粪污处理技术生命周期过程的标准化数值及加权评估值Table 3 Standardized value and weighted evaluation value oflife cycle process of three livestock and poultry waste treatmenttechnologies技术环境影响类型标准化数值 加权评估值 环境总影响好氧堆肥全球变暖0.0310.0260.189环境酸化0.1780.130富营养化0.0210.015光化学臭氧合成0.0340.018厌氧发酵全球变暖0.0550.0450.149环境酸化0.0510.037富营养化8.291036.05103光化学臭氧合成0.1140.061垫料利用全球变暖3.031034.361030.010环境酸化2.661031.94103富营养化4.921041.10103光化学臭氧合成5.261032.79103 图 3 畜禽粪污处理技术评价指标体系Fig.3 Index evaluation system of livestock and poultry wastetreatment technology 第 2 期王颖等：西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术综合评价 657 层次总排序一致性比率。依据上述计算结果，整理计算指标层（C）总排序结果，如表 10 所示，层次总排序一致性比率（CR）=0.054 931.5311.50.514030402030102020152010155105单位（年）处理量效益（C23）/(元/m3)30常年风向（C31）位于主导风向上风向且风频高于10%位于主导风向上风向且风频低于10%全年平均风速低于1 m/s位于主导风向下风向且风频低于10%位于主导风向下风向且风频高于10%年均降水量（C32）/mm1 6001 2001 6008001 200400800400年平均气温（C33）/15水环境影响程度（C41）一级评价二级评价三级评价仅做简要说明土壤环境影响程度（C42）一级评价二级评价三级评价仅做简要说明大气环境敏感程度（C43）一级评价二级评价三级评价仅做简要说明环境风险（C44）一级评价二级评价三级评价仅做简要说明生态影响程度（C45）一级评价二级评价三级评价仅做简要说明全球变暖（C51）环境影响潜值高于0.09环境影响潜值为0.060.09环境影响潜值为0.030.06环境影响潜值为0.010.03环境影响潜值低于0.01环境酸化（C52）环境影响潜值高于0.09环境影响潜值为0.060.09环境影响潜值为0.030.06环境影响潜值为0.010.03环境影响潜值低于0.01富营养化（C53）环境影响潜值高于0.09环境影响潜值为0.060.09环境影响潜值为0.030.06环境影响潜值为0.010.03环境影响潜值低于0.01光化学臭氧合成（C54）环境影响潜值高于0.09环境影响潜值为0.060.09环境影响潜值为0.030.06环境影响潜值为0.010.03环境影响潜值低于0.01 2案例研究 2.1研究区概况兰州市位于甘肃省中部、黄河上游，处于黄土高原、青藏高原、内蒙古高原交接地带，是我国西北第二大城市。市区南北皆为高山，黄河横贯市区中心，总体呈现“两山夹一河”的地理形态。平均海拔为1 5003 000 m，属温带大陆性气候，全年平均气温为 10.3，年平均降水量为 327 mm。受地理环境和人为因素影响，兰州市植被覆盖率低、地质灾害频发、水土流失严重，总体生态环境较为脆弱。据统计，2020 年全市畜禽饲养量为 809.39 万头（只），畜禽粪污资源总量为 306.12 万 t，资源化利用量为 244.13万 t，利用率达到 79.75%以上。其中，直接还田 39.25万t，占比16.11%；肥料化利用190.51 万t，占比78.18%；能源化利用 6.81 万 t，占比 2.79%；垫料化利用 7.11万 t，占比 2.92%。2.2技术费用效益评价兰州市已有的好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用技术应用过程中的项目建设、人员、水、电、物料购买费用38如表 12 所示。效益部分折合为市场对应物料购买费用，其中有机肥按照市场售价 700 元/t 计算；沼气按 1.8 kWh/m3折合为电能后，根据兰州市的一般工商用电价格 1.026 元/（kWh）计算；沼液、沼渣折合为 4 500 t 有机肥计算；垫料按照 35 元/m3第 2 期王颖等：西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术综合评价 659 计算，技术应用过程中效益如表 12 所示。由表 12可见，厌氧发酵技术成本和效益均为 3 种技术中最高，与另外 2 种技术相比，厌氧发酵技术的运营管理相对复杂，成本投入也相对较高，但效益来源也更加多样化，包括沼气发电、沼液和沼渣还田利用等。3 种技术粪污处理量与单位（年）处理量成本及效益的关系如图 4所示，好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用单位（年）处理量成本分别为19.44、23.75、28.88 元/m3，单位（年）处理量效益分别为21.72、27.74、22.37 元/m3，好氧堆肥和厌氧发酵技术的使用均可产生利润，分别为 2.28、3.99 元/m3，为养殖场增加额外收益，垫料利用技术虽未产生利润，但垫料的使用可降低养殖场运营成本。2.3技术比选根据兰州市好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用3 种技术应用现状及 LCA 结果（表 3）和 CBA 结果（表 12），结合西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术适用性评价标准（表 11），对技术指标进行参数赋值，结果如表 13 所示。根据式（1）计算 3 种处理技术的适用性评价得分（图 5），排序为垫料利用技术（72.21 分）好氧堆肥技术（71.55 分）厌氧发酵技术（68.79 分）。从综合得分情况看，3 种技术得分较为接近，垫料利用技术较为理想，评价结果与相关文献7研究结果一致。根据 LCA 结果，垫料利用技术环境友好性明显优于好氧堆肥技术和厌氧发酵技术，但在技术和经济指标方面得分较低，应进一步优化设备、工艺流程，提高机械自动化程度，缩短处理周期，提高处理效率。好氧堆肥技术虽然投入成本低、操作简单、机械化程度较高，但该技术对环境间接影响较大，应针对性地改进处理设施和完善处理工艺，减少温室气体排放和养分损失，以降低对环境的二次影响；厌氧发酵技术机械化程度高、投资回收期较短，且可以产生持续的经济效益，但操作复杂、投资成本和运行维护费用高，应在政府给予补贴的基础上，强化技术指导、改进治理工艺，进而提高处理效率，降低工程建设和运行成本。表 13 3 种畜禽粪污处理技术的指标参数得分Table 13 Index parameter score of three livestock and poultry waste treatment technologies技术C11C12C13C21C22C23C31C32C33C41C42C43C44C45C51C52C53C54好氧堆肥80806080606080100608080601008080208080厌氧发酵10040806080804080608060608080606010040垫料利用806020604060801006080606010080100100100100 表 12 3 种畜禽粪污处理技术成本及效益分析Table 12 Cost and benefit analysis of three livestock and poultry waste treatment technologies技术养殖场规模/头(猪)粪污处理量/（万m3/a）主要产物成本/(万元/a)效益/(万元/a)有机肥/(t/a)沼气/(万m3/a)沼液、沼渣/(t/a)垫料/(万m3/a)建设投资人员工费水、电及物料费合计有机肥沼气发电沼液、沼渣还田垫料利用合计好氧堆肥15 0000.58180.2924.84.4811.2812.612.6厌氧发酵100 00018.25103.584 50083.872277.61433.41191.29315506.29垫料利用100 00011.757.5137.9848253.34339.32262.89 262.89 图 4 3 种技术粪污处理量与单位（年）处理量成本及效益关系Fig.4 Relationship between the amount of waste treatment andannual cost and benefit per unit treatment amount of3 technologies 660 环境工程技术学报第 13 卷图 5 畜禽粪污处理技术适用性综合得分Fig.5 Comprehensive score of applicability of livestock andpoultry waste treatment technologies 3结论（1）针对西北地区生态脆弱的特点，结合 LCA和 CBA，通过 AHP 建立包含技术、经济、气候、直接环境影响、间接环境影响 5 个方面共 18 项指标的畜禽粪污处理技术筛选体系。依据专家咨询结果，确定评价体系权重，进一步建立综合评价模型，为西北地区畜禽粪污管理工作提供技术支撑。（2）生命周期评价结果显示，3 种处理技术环境总影响值排序为垫料利用（0.010）厌氧发酵（0.149）好氧堆肥（0.189），垫料利用技术环境友好性明显优于厌氧发酵和好氧堆肥技术；费用效益评价结果显示，好氧堆肥和厌氧发酵技术处理粪便均可产生利润，分别为 2.28、3.99 元/m3。（3）以兰州市好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用3 种畜禽粪污处理技术为例，运用建立的指标体系开展分析研究，结果表明，垫料利用技术的适用性评价得分最高，为 72.21 分，该技术在环境影响方面较其他 2 种技术具有明显优势，更适宜在西北地区推广。参考文献 程东林,陈英,乔蕻强,等.西北生态脆弱区城市土地生态安全时序性评价:以兰州市为例J.中国国土资源经济，2020，33（7）：83-89.CHENG D L,CHEN Y,QIAO H Q,et al.Time series evaluationof urban land eco-security in eco-vulnerable areas of northwestChina:a case study of LanzhouJ.Natural Resource Economicsof China，2020，33（7）：83-89.1 LI F,CHENG S K,YU H L,et al.Waste from livestock andpoultry breeding and its potential assessment of biogas energy inrural ChinaJ.Journal of Cleaner Production，2016，126：451-460.2 WANG M L,LIU R H,LU X Y,et al.Heavy metalcontamination and ecological risk assessment of swine manureirrigated vegetable soils in Jiangxi Province,ChinaJ.Bulletin ofEnvironmental 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