猪粪好氧堆肥碳排放分析
2024-01-15龚静阳徐名汉王飞跃赵明杰
丁 旻， 龚静阳， 徐名汉， 王飞跃， 边 远， 闫 飞， 赵明杰， 李 辉
（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083； 2.信阳农林学院，河南 信阳 464000；3.中机华丰（北京）科技有限公司，北京 100083）
0 引言
随着温室气体排放量剧增，全球气候变暖已成为全人类共同面临的问题。畜牧业是碳排放的重要来源之一，温室气体排放量占总排放量的8.0%～10.8%，2020 年，全球畜禽粪便管理过程CH4、N2O 产生总量为5.23×104t CO2e，占农业人为非CO2温室气体排放的7.2%，与1990 年相比，涨幅21%[1-2]。我国作为畜牧大国，每年畜禽粪污产生总量近40 亿t，数量庞大的畜禽粪污若得不到合理的储存及处理管理，将造成大量的CH4、N2O 等温室气体排放[3]。2014 年我国动物粪便管理排放温室气体总量为1.38×108t CO2e，其中CH4316 万t，N2O 23 万t，占比农业活动排放16.7%[4]。据估算，我国由于未对畜禽粪便及其他农业固体废弃物进行资源化利用而产生的温室气体排放量已超过1亿t CO2e[5]。
“碳达峰、碳中和”大背景下，畜禽粪便管理及资源化利用有了新的要求。2022 年，农业农村部印发的《农业农村减排固碳实施方案》指出，要提升畜禽养殖粪污资源化利用水平，增加有机肥投入，实现畜牧业减排降碳[6]。堆肥是经济有效实现该目标的重要技术手段，能将不稳定状态的废弃有机物转化为稳定腐殖质。通过施用有机肥，可有效减少化肥使用量，提升农田土壤固碳水平[7]。
目前国内外已开展了基于中小规模堆肥的温室气体排放种类及排放量的各项研究，但结合机械加工设备的工厂化有机肥生产过程温室气体排放核算研究较少，缺乏对有机肥替代化肥及进行土地施用的减排量研究。本研究根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）提供的系数法核算准则，以山东省某猪粪有机肥厂生产为例，应用LCA 生命周期评价法，覆盖有机肥生产、加工、成型包装及土地应用全生命周期，对温室气体排放环境影响进行计算评估。
1 堆肥温室气体排放特征
由于有机物的微生物降解及在废弃物管理操作中电力及燃料的使用，堆肥生产过程将释放温室气体。堆肥过程产生的温室气体主要包括生物及化石成因的CO2、CH4、N2O，全球增温潜势值分别为1、25、298。除此之外，堆肥场景下不会产生其他温室气体[8]。研究表明，好氧堆肥过程的碳主要以 CO2的形式损失，随着堆肥微生物分解有机质，堆肥期间大部分可降解有机碳DOC 将转化为CO2，因CO2生成及释放造成的碳素损失占原料总碳的31.4%～57.9%[9]。生物成因的CO2排放为自然碳循环的一部分，被视为不导致全球变暖的“碳中性”气体，废弃物管理部分无须对其进行核算[10-11]。当堆体局部厌氧时，产甲烷菌分解易降解脂类、碳水化合物、有机酸和蛋白质将释放温室气体CH4，其性质不稳定，在好氧区域可被氧化为CO2[12]。堆肥过程中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、反硝化过程，可能同时发生在堆肥中温阶段堆体内部不同位置，CH4和N2O 排放量分别占堆肥原料总碳、总氮损失的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 值和挥发性固体含量，好氧分解及温室气体大气排放速率存在差异[15]。在进行不同原料堆肥比较时，粪便堆肥的CH4及 N2O 排放量最高[16]。
2 有机肥施用固碳潜力
堆肥产品腐殖质及营养丰富，可用作有机肥料或土壤改良剂，替代化肥或生长介质泥炭的使用，不仅能避免化肥、泥炭生产过程中的碳排放，还将促进碳与土壤的结合、固定，对于减少温室气体排放具有积极作用[17]。截至2016 年底，我国畜禽粪便数量超过23 亿t，养分总量 4.71×107t，N、P2O5、K2O 养分含量分别为1.13×107t，1.15×107t 和 2.43×107t，占当年氮、磷、钾化肥施用量的 49.1%、138.2%和381.1%，可分别替代3.7%、17.5%和44.2%的氮、磷、钾化肥[18]。同时，研究表明，堆肥稳定有机质可以周转100～1 000 年，部分碳可以长期保存于土壤中，形成不参与碳循环的结合碳，有机肥进行土地施用后，土壤有机质含量从10.38%上升至15.69%，100 年后仍与土壤结合的碳估计占堆肥投入的2%～10%，该过程被视为碳汇过程，可增加植物对大气碳吸收和储存，有效实现土壤固碳[8,19-21]。
3 堆肥碳排放核算
3.1 山东省某猪粪有机肥厂简介
山东省某猪粪有机肥厂处理原料为猪粪和玉米秸秆，年处理总量约10 万t，年产有机肥6 万t，采用槽式堆肥工艺，配套设备均采用电力驱动，包括布料系统、堆肥翻抛机、曝气系统、出料系统、除尘系统和制粒生产线等，设备每日工作16 h，日处理混合物420 t，日产有机肥20 t。场内机械相关信息如表1 所示。
表1 场内机械信息Tab.1 Information of compost equipment
3.2 边界
先确定系统边界及有机肥生产工艺流程，从而保证各个生产环节数据的代表性、准确性、完整性。本研究范围：一是直接排放。堆肥厂物理边界内与堆肥现场活动和废弃物降解相关活动产生的排放。二是间接排放。布料系统、翻抛设备、其他加工设备电力消耗等上游活动产生的排放；作为化肥替代品的减排量、土地施用后的土壤碳结合等下游活动减排量。温室气体排放种类包括CH4、N2O、化石成因CO2，不覆盖原料、堆肥运输过程。
3.3 功能单元
本研究生命周期评价选取的功能单元为含水率60%的420 t 猪粪秸秆混合堆肥原料，其他辅料投入、电力、生产、产品替代及土地施用温室气体排放均基于每处理 420 t 新鲜原料的对应值，结果为边界系统内每日处理量及生产量下的碳排放。温室气体排放量均以CO2e 来表示，CH4、N2O 按照100 年全球增温潜势转化为CO2e 进行计算。生命周期模型如图1 所示。
图1 生命周期模型Fig.1 Life-cycle model
3.4 计算方法及主要参数
3.4.1 直接排放
堆肥生物降解过程N2O 释放量
式中EN2O——堆肥生物降解过程N2O 释放量，t CO2e
GWPN2O——N2O 全球增温潜势，t CO2e/t N2O
EFN2O——堆肥过程N2O 排放因子，t N2O/t
Qdm——堆肥原料干质量，t
堆肥生物降解过程CH4释放量
式中ECH4——堆肥生物降解过程CH4释放量，t CO2e
GWPCH4——CH4全球增温潜势，t CO2e/t CH4
EFCH4——堆肥过程CH4排放因子，t CH4/t
堆肥生物降解过程碳排放量
式中Ecom——生物降解过程碳排放量，tCO2e
3.4.2 间接排放
机械加工设备电力消耗碳排放
式中Eele——机械加工设备电力消耗碳排放量，t CO2e
EFele——我国区域电力碳排放因子，t CO2/(MW·h)
Wele——堆肥生产总耗电量，MW·h
替代氮、磷、钾化肥减排量
式中Rfer——有机肥替代化肥减排量，t CO2e
QOF——有机肥日产量，t
ωOF,N——有机肥氮含量，%
ωOF,P——有机肥磷含量，%
ωOF,K——有机肥钾含量，%
CN——化肥产品中氮含量，%
CP——化肥产品中磷含量，%
CK——化肥产品中钾含量，%
EFN——氮肥生产碳排放系数，t CO2e/t
EFP——磷肥生产碳排放系数，t CO2e/t
EFK——钾肥生产碳排放系数，t CO2e/t
土地施用固碳量
式中Rsoil——有机肥土地施用固碳量，t CO2e
Qmanure——堆肥原料质量，t
EFfix——土壤净碳通量系数，t CO2e/t
3.4.3 取值说明
取值说明如表2 所示。
表2 取值说明Tab.2 Description of value
4 结束语
（1）猪粪堆肥生物降解过程产生的CH4、N2O 直接排放量分别为0.31 和18.94 t CO2e，其形成均与堆体缺氧相关，因此需加强堆肥过程的管理[26]。应用温度及氧气变化自动监测控制系统，可准确调节堆肥曝气频率，避免堆体内部厌氧情况的发生，工艺优化可最大限度地减少直接排放[27]。
（2）上游活动电力消耗产生的排放量17.84 t CO2e，与直接排放强度相当。使用清洁能源、合理优化设备运行及堆肥工艺参数，有利于减少堆肥过程中产生的碳排放。
（3）有机肥替代化肥使用可减少一定的碳排放。20 t 猪粪有机肥的氮、磷、钾含量分别为0.41、0.55和0.37 t，与0.88 t 尿素、2.73 t 重钙和0.69 t 氯化钾相当，替代化肥减排量为0.87 t CO2，进行土地施用后土壤固碳量为113.4 t CO2e。
（4）排放因子估算温室气体排放量的重要参数，其选择将直接影响计算结果。我国国家温室气体清单动物粪便管理的排放因子为基于《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南》的默认值，未根据废弃物类型进一步说明，仍存在较大的不确定性。因原料类型等诸多因素变化，建立确定的、广泛适用的堆肥温室气体排放因子具有一定难度。本研究引用猪粪槽式堆肥实际生产排放因子研究，结合机械设备对整个生产过程进行核算。今后的研究中，有必要进一步采集、分析堆肥现场运行数据，优化生产工艺及核算方法。
（5）整个生命周期来看，生产、使用有机肥实现了负碳排放，具有较好的碳减排潜力。“双碳”发展背景下，通过好氧堆肥工艺处置有机固体废弃物不仅实现了资源化、无害化目标，同时结合VCS 自愿减排机制，将温室气体减排及清除转化为可交易的碳信用额，还具有良好的经济效益。
