随着我国城市化进程的加快，城市近郊畜禽养殖业分布普遍密集，由于这些地区人口稠密、农业耕地稀少，多数存在畜禽粪便养分负荷较大的问题。以北京市顺义区为例，2012年顺义区生猪出栏总数达93.4万头^[1]，仅一类畜种即已高于李帏等^[2]根据该区县现有适宜施用畜禽粪便的耕地面积测算的畜禽养殖最大承载量30.2万头。过量的畜禽粪便若不能合理输出和消纳将造成一系列的环境污染，而高温好氧堆肥是处理畜禽粪便有效途经之一，且相比厌氧沼气发酵等液相处理方式更便于实现养分输出，缓解养殖区周边农田环境压力^[3,4]。典型规模化养殖场如何进行粪便堆肥化工艺方案的合理选择，尽可能减少堆肥过程中的二次环境污染，提高资源化效率，需在生产实践中深入探索。

生命周期评价法（Life cycle assessment，LCA）作为一种评估产品在整个生命周期体系中的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法，近年来也逐渐被国内外学者应用于生活垃圾管理^[5,6,7]和农业废弃物管理研究^[8,9,10]。周道曦等^[11]对生活垃圾高温静态堆肥过程的环境影响进行了生命周期分析，并与垃圾焚烧典型工艺进行对比，为工艺决策提供依据；张颖等^[12]和籍春蕾等^[13]则运用生命周期评价法对规模化养牛场粪便好氧和厌氧两种不同工艺进行环境影响对比。Prapaspongsa等^[14]基于生命周期评价比较了养猪场废弃物的12种不同综合处理方式的环境影响，研究结果表明全球变暖潜势、水体富营养化和可吸入无机物是猪粪处理过程中最重要的环境影响因素。农业有机废弃物生化处理不同于一般工业产品生产体系，处理过程的污染物排放受原料种类和工艺条件的影响较大，针对好氧堆肥过程的生命周期系统分析尚处于起步阶段。Cadena等^[15]的研究表明，堆肥过程的环境影响主要与现场堆肥工艺、能源投入和气体排放等因素相关，生命周期评价是可被用于分析堆肥环境影响和优选工艺的有效工具。

针对我国城市近郊区中小型规模化养殖场特点，系统分析典型养猪场粪便堆肥处理的环境影响对于促进规模化养殖场废弃物的科学管理具有重要现实意义。为此，本文以北京郊区某典型规模化养猪场堆肥设施为例，运用生命周期评价方法，对该养猪场现行堆肥处理过程的环境影响进行分析，并对比评价不同工艺方案的环境影响，为典型养猪场粪便堆肥处理工艺优选提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 生命周期评价目标与范围

依照ISO 14040—2006^[16]和ISO 14044—2006^[17]，采用生命周期评价法对比分析北京市郊区某养猪场粪便处理不同堆肥方案对电力、燃油等能源消耗，以及处理过程排放的污染物对环境造成的影响。研究的系统边界范围包括：堆肥原料和能源投入（不含运输）；堆肥过程；堆肥产品输出和污染物排放。 1.2 功能单位

本研究选取的养猪场位于北京市郊区，2010年出栏生猪总数13 040头，全年新鲜猪粪清出量约4120 t。生命周期评价选取的功能单位为1 t新鲜猪粪。其他辅料投入、电力和燃料投入、产品输出、污染物排放均基于每处理1 t新鲜猪粪的对应值。 1.3 评估方法与标准

运算建模使用生命周期评价工具软件Gabi 5（德国PE-international）。环境影响评价选用CML 2001（2010年11月修订版）标准方法^[8,18,19]。该方法使用政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental panel on climate change，IPCC）2007年气候变化综合报告温室气体排放特征系数计算全球变暖潜势（Global warming potential，GWP）^[20]。本研究中评价涉及的主要环境影响类别如表 1所示。

表 1 环境影响评价类别 Table 1 Category of environmental impacts（CML method）

表选项

该养猪场现有堆肥设施采用槽式堆肥工艺，堆肥原料为猪粪和玉米秸秆，年处理物料总量约5000 t。场内机械包括：自走式槽式翻堆机一台，工作功率30 kW，处理能力220 m³·h^-1；液压铲车一台，铲斗容积1.5 m³，工作油耗10 L·h^-1；秸秆粉碎机一台，工作功率7.5 kW，处理能力60 m³·h^-1。堆肥作业区均为水泥硬化地面，顶棚防雨。 1.5 方案设计

以养猪场现行堆肥工艺为方案1，周期42 d，翻堆频率每周2次。另以4种不同翻堆频率（每周2次、每周1次、每两周1次和不翻堆）条件下的条垛式堆肥工艺作为不同处理方案，即备选方案2、3、4、5，堆肥周期不变。备选方案2至方案5的翻堆机械参数参照巴库斯（BACKHUS）14.28 CN条垛式翻堆机参数（处理能力250 m³·h^-1，工作油耗10 L·h^-1），其他所需铲车与粉碎机等机械参数与现行工艺方案1相同。 1.6 数据监测

现行堆肥处理过程（方案1）的物料平衡和气体排放采用现场监测数据，于2011年5月至10月进行气体和堆肥样品采集。备选方案2至方案5堆肥处理过程的物料平衡和气体排放采用发酵仓中试获取的试验数据，单个发酵仓尺寸为1.0 m×0.8 m×1.5 m（长×宽×高），体积为1.2 m³，模拟条垛中部氧气最为缺乏的部分。现行工艺（方案1）与各备选工艺（方案2至方案5）条件下的温室气体和NH₃均采用静态箱法采集气体样本^[21,22]，平均每1~2 d测定1次，每个监测日分三个时段各采集三个平行样品，每次采样时长为30 min，取采样时间内的浓度平均值作为当日单位时间排放通量。CH4和N₂O用安装有火焰电离检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）的气相色谱（北分瑞利SP-3420A）测定。NH₃样本经大气采样器用2%的硼酸吸收，标准浓度的稀硫酸滴定。CO₂采用便携式气体检测仪（Geotech GA2000）直接测定。堆肥样品依照农业行业标准《NY 525—2012 有机肥料》中标准方法测定堆肥起始和结束样品含水率、总氮（TN）和总有机碳（TOC）。 2 结果与分析 2.1 生命周期评价清单分析

清单分析使用的试验所得主要气体损失率结果如表 2所示。其中方案1损失率为3个堆肥周期监测平均值；方案2至方案5损失率为夏季和冬季2次中试试验监测平均值。结合物料平衡与设施能耗分析，经过生命周期评价清单数据计算，5种方案的输入和输出清单如表 3所示。输入清单中各方案能源消耗量依照设备处理总量和单位处理量的额定工作能耗计算所得。输出清单中堆肥气体排放仅考虑4种列入监测范围的气体，因此环境影响评价中不包括其他少量有机臭气等排放可能造成的环境影响。此外，各方案堆肥混合原料鲜基含水率约为65%，现场堆肥过程和中试试验中未收集到渗滤液，故本研究未将渗滤液列入输出清单。

表 2 不同堆肥工艺方案的碳、氮损失（%） Table 2 Carbon and nitrogen losses during composting（%）

表选项

表 3 不同堆肥工艺方案生命周期清单 Table 3 Life cycle inventory of composting modules

表选项

生命周期评价的环境影响评价是对数据清单分析中所涉及的资源耗竭以及污染物排放对环境所造成的压力进行定性和定量评价的过程^[6]。本研究使用Gabi 5软件对不同方案堆肥系统进行建模，各方案主要模块组成如图 1所示。因处理的废弃物来自于设施所在农场，运算中未考虑原料运输环节造成的资源消耗。模型中电力和柴油投入量仅为堆肥设施场地内产生的能源消耗。电力和柴油从生产到使用环节的整个生命周期所造成的资源消耗和相应的环境污染均纳入模型运算项目中。5种处理方案的主要环境影响潜值计算结果如表 4所示。

图 1 堆肥设施生命周期评价模型 Figure 1 LCA modules of composting process

图选项

表 4 环境影响评价结果 Table 4 Environmental impacts of pig manure composing

表选项

由表 4可以看出，除臭氧层损耗潜值（OLDP）外，方案2、方案3和方案4的各项环境影响潜值均不同程度地低于方案1；除全球变暖潜势（GWP）外，方案5的环境影响也比方案1较低。因本研究仅考虑了堆肥过程的CO₂、CH4、NH₃和N₂O排放，各方案的环境影响评价结果中，与有机气体和氮氧化物排放密切相关的人体毒性潜值（HTP）、生态毒性潜值（FAETP、TETP）及臭氧层相关环境影响（OLDP、POCP）均主要来自电力和柴油的能源消耗，堆肥过程中上述环境影响可能被低估。因此，仅分析以下几项主要环境影响因素。 2.2.1 化石能源消耗

各方案化石能源消耗的差别主要在于方案1采用了电力槽式翻堆机，其他方案使用柴油动力的条垛式翻堆机。由表 4化石能源消耗对比结果可以看出，除通过减少翻堆频率降低能源消耗外，在同等翻堆频率条件下，方案2与方案1相比可节省约42%的非可再生资源消耗。这主要是由于我国北方地区目前使用的电能仍以火力发电为主，需要消耗大量的煤炭资源。如图 2a所示，本研究方案1处理1 t猪粪造成的化石能源消耗中，煤消耗约为157 MJ，占该方案能源消耗总量的70.9%，其余为原油和天然气消耗；方案2原油消耗约为100 MJ，占该方案能源消耗总量的78.6%，其余为煤和天然气消耗。由此可见，在基本相同的处理能力条件下，以火力发电电能为动力的化石能源消耗略高于使用柴油动力造成的化石能源消耗。因此，在不受资源总量限制的前提下，小型堆肥厂适合选用柴油动力及其他非火电电能以减缓对化石能源的消耗。但今后随着我国火电技术的提升和能源结构的调整，燃油动力相比电力的环境优势将可能不再明显。 2.2.2 酸化效应

本研究中堆肥过程产生的氨气排放对酸化效应的贡献较大（图 2b），占各方案酸化效应总量的96%～99%，与Lopez-Ridaura等^[8]和Martínez-Blanco等^[23]的研究结果相似。方案2至方案5以氨挥发形式产生的氮素损失随着翻堆频率的降低逐渐减少，因此酸化效应降低。在不影响堆肥腐熟效果的条件下，适当降低翻堆频率有利于减少堆肥过程的氨挥发损失和酸化效应。方案2与现状方案1相比，约有0.22 kg SO₂当量源自电能生产过程中产生的SO₂，占方案1酸化效应总量的3.4%。堆肥生产工艺中的能源消耗排放的氮氧化物、氯化氢等对堆肥过程造成的酸化效应影响较小。尽可能减少堆肥过程氨挥发的直接排放是降低堆肥生产酸化效应的关键。 2.2.3 富营养化效应

各堆肥工艺方案处理1 t猪粪的富营养化潜值总体较低，为0.6～1.4 kg磷酸盐当量。如图 2c所示，富营养化效应影响因素中，堆肥氨挥发的贡献较大，占到各方案富营养化效应的96%以上。其余为氧化亚氮及能源生产过程产生的磷酸盐排放等。由于本研究堆肥过程未收集到渗滤液，富营养化效应中不包含堆肥过程渗滤液因素的贡献。而Prapaspongsa等^[14]的研究表明，畜禽粪便处理过程渗滤液及厌氧发酵废液的产生和排放将造成富营养化效应成倍增加。实际生产中养殖场畜禽粪便处理过程产生的渗滤液问题不容忽视，当堆肥过程中有渗滤液产生时，总体富营养化效应将可能显著增大。针对渗滤液及厌氧发酵废液氮磷养分高、处理工艺复杂以及农田利用受承载力限制等问题，应在技术选择和工艺设计方面考虑从源头控制渗滤液的产生，并增强氮磷养分资源化利用，以减少畜禽粪便处理造成的富营养化效应。 2.2.4 温室效应

各方案不同温室气体排放量换算为CO₂当量结果如图 2d所示。可以看出CO₂和N₂O对畜禽粪便堆肥处理过程的全球变暖潜势（100年）贡献较大，其中CO₂占总温室效应的58%～88%，N₂O排放占总温室效应的8%～35%，其余主要为CH4（2%～7%）。CO₂作为有机物好氧堆肥生物降解反应的主产物，其在堆肥过程中的减排较难实现。但是，降低堆肥过程的总温室效应可通过减少其他温室气体排放量来实现，例如采用N₂O和CH4减排技术（N₂O和CH4的100年温室效应分别是等质量CO₂的298倍和25倍^[20]）。在同等翻堆频率条件下，方案2的总温室效应相比方案1降低约6%。方案5不翻堆条件下，堆体有机物降解速率降低，从而使CO₂排放量降低，但N₂O和CH4排放量明显升高，总温室效应高于其他4个方案。总体来看，方案2和方案3采用简便条垛式堆肥工艺，每周翻堆1～2次的总温室效应相对较低，且方案2与方案3的总温室效应相差不大。

图 2 主要环境影响因素组成 Figure 2 Major environmental impacts of pig manure composing

图选项

在本研究条件下重点讨论的生命周期评价环境影响类别中，温室效应、酸化效应和化石能源消耗方面的环境影响问题相对较为突出。在畜禽粪便堆肥处理实践中，可通过温室气体和氨气减排技术、废气收集处理工艺减少堆肥设施污染气体排放，降低温室效应和酸化效应等环境影响。此外，清洁能源的使用和设备工艺的合理选择也有利于减少堆肥生产对非可再生资源的消耗和对环境的污染。从本研究中不同工艺实例对比结果来看，采用相对灵活的条垛式堆肥工艺并未造成堆肥生产过程环境影响负荷的增加。相反，若仅从环境影响角度考虑，使用柴油动力的翻堆机在减少化石能源消耗、降低对人体和生态的毒性等方面均更具优势，这主要与火力发电环境影响负荷较大有关。另一方面，不同的翻堆频率对堆肥过程能源消耗和气体排放均有影响。在本研究的处理规模下，以猪粪和玉米秸秆为原料的条垛式堆肥的较适宜翻堆频率为每周1～2次。其中每周翻堆1次的堆肥工艺方案在保持相对较低的温室效应的同时，在化石能源损耗、酸化效应和富营养化等方面的环境影响相对较低。实际生产中，根据农村堆肥设施特点和对堆肥周期长短的实际需求合理设计堆肥翻堆频率等工艺条件，对于有效降低堆肥生产环节的环境影响具有现实意义。

此外，本研究分析的备选堆肥工艺方案通过发酵仓试验完成，模拟条垛堆肥中氧气最缺乏的中部区域，与养猪场实际堆肥生产状况相比，在气体监测与采样条件控制等方面仍存在一定差异。今后的研究中，有必要更深入地分析实践生产中丰富的堆肥工艺案例与现场运行数据，进一步为生产工艺优化提供依据。 4 结论

（1）能源投入和堆肥过程中的气体排放与养猪场粪便堆肥处理的环境影响关系密切。若使用柴油动力替代部分火力发电生产的电能，可使总化石能源损耗潜值降低42%以上，进而降低能源使用造成的环境影响。

（2）在不影响堆肥腐熟效果的条件下，适当减少翻堆频率有利于降低堆肥过程中氨挥发造成的酸化效应和富营养化效应。本研究条件下，N₂O和CH4排放对堆肥系统总温室效应的贡献率可达35%和7%。

（3）以猪粪和玉米秸秆为原料的条垛式堆肥的适宜翻堆频率为每周1～2次。实践生产中应充分考虑堆肥设施条件、原料类别和堆肥周期时间限制等，合理调整堆肥工艺参数，最大限度地降低环境影响。