整县推进畜禽粪污资源化利用项目温室气体减排量评估方法

朱志成，钟民正，侯磊，田玉聪，付锦涛，杨阳

1.内蒙古自治区生态环境督察技术支持中心

2.中农创达(北京)环保科技有限公司

人类活动产生的温室气体（greeenhouse gas）与全球气候变暖存在密切联系，《联合国气候变化框架公约》框架下，各缔约国将甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮（NF3）等气体（统称“非二氧化碳温室气体”，以下简称非二温室气体）纳入温室气体减排管控范围[1]，其中CH4和N2O 作为2 种主要的非二温室气体，其单位质量的温室效应分别为CO2的28 和265 倍。

全球农业对温室气体排放的贡献率为14%，仅次于工业，其中畜牧业产生的CH4和N2O 占农业非二温室气体排放量的80%[2]。畜禽粪污处置不当会产生大量的CH4和N2O，粪污中挥发性固体在厌氧条件下被产甲烷菌利用产生CH4[3]，有机氮和铵态氮会通过细菌不完全的硝化、反硝化作用产生N2O[4]，其排放量约占全球农业源排放总量的10%[5]。国内方面，根据国家温室气体排放清单数据[6]，我国农业温室气体净排放为8.3 亿t（以CO2当量计，下同），贡献率为7.4%，在非二温室气体排放中，农业占比高达48%，其中动物粪便处理约为16.7%。

温室气体排放核算评估是重要的基础性工作，是评价其排放水平、量化减排量的前提[7]，但目前我国相关核算标准规范尚不健全[8]，且农业环境本身是温室气体排放的源和汇，构建科学可靠的核算评估体系难度较大。目前采取的核算评估方法主要有实测法和排放因子法。实测法由于数据获取难、成本高、应用范围小等局限，仅适用于科研试验；排放因子法由于其计算方法合理，参考数值可靠，参考价值和指导意义较高，在工程和更高尺度的温室气体排放清单被广泛认可和应用[9]。朱志平等[10]分析了1994—2014 年我国畜禽粪便管理温室气体排放量变化，结果表明2014 年单位动物粪便管理CH4和N2O 排放强度分别为57.5 和62.7 kg，为1994 年的4.0 和5.8 倍。张哲瑜等[11]采用《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》（简称IPCC 2006 指南）[12]对北京市24 家规模猪场调研核算得出，生猪粪便管理过程中CH4、N2O 排放量和能源消耗CO2排放量分别为0.12、0.97 和0.95 kg/kg。楚天舒等[13]参考《2006年IPCC 国家温室气体清单指南（2019 年修订版）》（简称IPCC 2019 指南）[14]对黑龙江农垦种养系统温室气体排放核算评估，其中粪便管理过程中CH4和N2O 排放量分别为3.44×107和1.93×108kg。

推进畜禽粪污资源化利用，是贯彻落实党的二十大精神，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生的重要举措，也是破解农业农村突出环境问题、实施乡村振兴战略、建设生态文明国家的战略选择[15]。目前研究多集中于粪便管理过程CH4和N2O 的排放，较少涉及粪肥还田的固碳效应和替代化肥减排，且鲜有将IPCC 2019 指南结合第二次全国污染普查（简称二污普）统计的活动数据对县域范围畜禽粪污资源化利用温室气体排放的评估分析。本研究聚焦于畜禽粪污无害化处理与资源化利用环节，以X 市整县推进畜禽粪污资源化利用项目（简称整县项目）为研究对象，核算评估整县项目实施前后X 市畜禽粪污处置温室气体变化情况，以期为区域畜禽养殖业绿色低碳发展提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 数据来源与计算方法

通过分析畜禽养殖温室气体排放核算方法研究进展[9]，选取排放因子法作为本研究的核算评估方法，以整县项目实施前的温室气体排放为基线，通过核算项目实施后温室气体排放量确定减排量，核算方法参考IPCC 2006 指南、IPCC 2019 指南；畜禽相关活动数据来源于对X 市的调研数据、统计年鉴及《第二次全国污染源普查产排污系数手册（农业源）》[16]。

1.2 温室气体排放计算与评价

1.2.1 核算边界

为保证计算结果的准确性，避免遗漏关键排放源，需要确定温室气体排放核算的边界。本研究核算评估边界包括粪便处理过程中的CH4和N2O 排放、粪污处理设施对应电热供应源产生的CO2排放、第三方企业粪污收运过程中燃料使用造成的CO2排放、粪肥还田过程中N2O 排放、土壤固碳量以及粪肥替代化肥减排量。

1.2.2 温室气体排放计算方法

畜禽粪污处置系统的温室气体排放计算公式：

式中：E为基线/项目情景温室气体排放量，t；ECH4为粪污处理的CH4排放量，t；EN2O为粪污处理的N2O 排放量，t ；EEC/FC为粪污处理过程能源消耗的CO2排放量，t；Etrans为粪污运输环节消耗燃料的CO2排放量，t；EN2O,OF为粪肥、有机肥、沼液还田造成 的N2O 排放量，t；ΔSOC为土壤CO2固碳量，t；Erep为粪肥还田替代化肥减排量，t。

1.2.2.1 粪污处理过程CH4排放量

式中：GWPCH4为CH4增温潜势，取28；ρCH4为CH4密度，取0.000 67 t/m3；MCFj为粪污处理工艺j对应的CH4转化因子，按IPCC 2019 指南对应取值，槽式堆肥参考巴士迪[17]基于meta 分析得到的相关结论，膜式堆肥通过对相关研究的二次分析得出[18-19]；B0,LT为LT 类型畜禽粪污最大CH4生产潜力，m3/kg，按IPCC 2019 指南对应取值；NLT为调研统计的LT 类型畜禽的存栏量，头；VSLT为粪便挥发性固体含量，t/头，按IPCC 2019 指南对应取值；MSj为用粪污处理工艺j处理的粪便比例，%，按调研统计的不同粪污处理工艺占比取值。

1.2.2.2 粪污处理过程N2O 排放量

式中：GWPN2O为N2O 的全球增温潜势，取265；EFN2O为N2O-N 到N2O 的转化系数，为44/28；EN2O,D为粪污处理的直接N2O 排放量，kg/kg；EN2O,ID为粪污处理的间接N2O 排放量，kg/kg。

式中：EFN2O,D,j为粪污处理工艺j的直接N2O 排放因子，kg/kg，按IPCC 2019 指南对应取值；NEXLT为动物年均TN 排泄量，kg/头，按IPCC 2019 指南和二污普产污系数对应取值（表1 和表2）。

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

表2 IPCC 不同畜种氮排泄量以及可挥发物质排泄量Table 2 Nitrogen excretion and volatile substances excretion of different breeds in IPCC kg/头

式中：EFN2O,ID,vol为挥发氮的N2O 间接排放因子，0.01 kg/kg[12]；EFN2O,ID,leach为径流淋溶损失引起N2O 间接排放因子，0.007 5 kg/kg[12]；Fvol为粪污处理过程挥发氮损失量，%，按IPCC 2019 指南对应取值；Fleach为粪污处理过程径流淋溶氮损失量，%，按NY/T 4243—2022《畜禽养殖场温室气体排放核算方法》[20]进行对应取值。

1.2.2.3 粪污处理过程能源消耗CO2排放量

式中：EEC为粪污处理耗电产生的CO2排放量，t；EGPL为粪污处理过程的耗电量，MW·h。如果没有测量电力消耗量，则按设备额定功率乘以运行时间计算；EFEC,CO2为电网排放系数，0.581 t/(MW·h)[21]。

式中：FGPL为粪污处理过程消耗的化石燃料，t；EFFC,CO2为粪污处理化石燃料的排放系数，t/t，参考GB/T 32151.10—2015《温室气体排放核算与报告要求》[22]公布的化石燃料排放因子（表3）。

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

1.2.2.4 运输环节燃料消耗CO2排放量

式中：Nveh为粪污运输车辆运输批次；D为车辆批次运输平均运输距离，km；FCf为单位距离车辆消耗的燃料f的量，kg/km；EFFC,f,CO2为化石燃料的排放系数，t/t，按表3 取值。

1.2.2.5 还田利用造成的N2O 直接排放量

式中：EN2O,D,OF为化肥、粪肥施入农田造成的N2O 直接排放量，t；EN2O,ID,OF为化肥、粪肥施入农田造成的N2O 间接排放，t；FOF为化肥、粪肥施入土壤的总氮含量，t，粪肥可根据氮排泄量和氮留存率进行核算，按表4 取值；EFfl为土壤的N2O 直接排放因子，t/t；Ffl,vol为挥发造成的氮损失比例，按IPCC 2006 指南取平均值，化肥为10%，粪肥、有机肥为20%；Ffl,leach淋溶和径流造成的氮损失比例，按IPCC 2006 指南取平均值，化肥和有机肥均为30%。

表4 还田环节养分留存量Table 4 Nutrient retention in the process of returning farmland by different disposal technologies %

1.2.2.6 还田利用造成土壤固碳量

式中：FOM为施入土壤的总有机质的量，t，根据VSLT和有机质留存率（表4）进行核算；EFOM-OC为有机质与有机碳的换算系数，取0.58[23]；Utc为农田土壤碳利用效率，%，取值参考表5；EFC−CO2为将土壤碳换算成CO2的系数，为44/12，无量纲。

表5 全国农田土壤碳利用效率Table 5 Carbon use efficiency of national farmland soil %

1.2.2.7 有机肥替代化肥CO2减排量

式中：Erep为还田部分替代化肥量，t；EFcf为生产氮肥的CO2排放因子，取7.76 kg/kg（以总氮计）[27]，Utm为农田粪肥利用效率，取25%[24]；Utcf为农田化肥利用效率，取40%[24]。

1.2.3 温室气体排放评价

为评估整县推进项目前后温室气体排放变化情况，选取3 个指标对项目减排固碳进行系统性评价：1）温室气体净排放量，数值上为畜禽粪污处置各环节的温室气体排放量与土壤固碳量的差值，表征畜禽粪污处置过程中温室气体的净排放量；2）单位牲畜粪污处置碳排放，数值上为温室气体净排放量与畜禽养殖规模的比值，表征畜禽粪污处置绿色水平；3）不同处理工艺单位牲畜粪污处理碳排放，数值上为工艺处理单位猪当量年产生粪污过程中产生的二氧化碳当量值，表征粪污处理工艺的绿色水平，指导温室气体减排中工艺比选。

1.3 研究区概况

X 市整县推进畜禽粪污资源化利用项目通过规模养殖场设施提升改造工程、中小养殖场（户）设施提升改造工程、粪肥还田利用示范基地建设工程、第三方服务组织（集中处理中心）建设工程以及粪肥还田利用管理监测体系工程，提升全市畜禽规模养殖场设施装备配套率、畜禽粪污综合利用率。

2021 年，X 市全市生猪总存栏量38.52 万头，家禽总存栏量450.00 万只，肉牛存栏量0.75 万头，肉羊存栏量0.38 万只。项目实施主体大型规模养殖场11 家，中小规模养殖主体若干，承载区域性粪污处理中心2 家，新建/改建粪污处理设施可承载猪4.3 万头，家禽46.75 万头，肉牛166 牛。本研究的基线情形为项目未实施情况下养殖畜种粪污处理方式，依据纳入项目养殖主体调研实际情况：规模化生猪超出粪污处理能力部分处理方式为固体粪污堆粪棚，液体粪污为开放式兼性氧化塘，其余畜种固体粪污以固体储存和露天堆放，液体粪污以化粪池或单室贮存池处理。项目情形即按规模化养殖场提升改造、规模以下养殖场填平补齐的方式确定建设内容，具体如表6 所示。

表6 实施方案新建及扩建畜禽粪污处理内容Table 6 New and expanded livestock and poultry waste disposal contents in the implementation plan

对于粪肥处理阶段的核算评估原则，由于IPCC公布的核算方法尚未考虑粪污经固液分离后分别处理，对于相关数据获取的问题，简化为固液分离后固体粪污和液体粪污中的总氮及挥发性固体各占50%，具体数据及来源见表7。

表7 数据选取依据Table 7 Data selection basis

对于粪肥还田阶段的核算评估，项目实施前按粪肥80%进行还田（80%为X 市官方公布的粪污资源化利用率），项目实施后纳入项目主体通过就地还田、与周边农户签订消纳协议等方式进行100%粪肥全量还田。

2 结果与讨论

2.1 项目实施前后温室气体净排放比较

核算基线情景下X 县畜禽粪污处置各环节的温室气体排放量，粪污资源化利用的净碳排放量为21 652.12 t（图1），其中固体粪污以露天直接堆放，液体粪污为敞口贮存，粪污处理环节CH4直接排放和N2O 间接排放量较大，折合成CO2当量为24 439.99 t；还田环节较为粗放，粪肥资源化利用率低，土壤固碳及替代化肥环节的减排量为2 787.87 t。

图1 项目实施前后温室气体排放量Fig.1 Greenhouse gas emissions before and after project implementation

项目情景下，核算出X 县按方案实施畜禽粪污资源化利用工程后的净碳排放量为479.31 t（图1），减少了21 172.81 t，降幅为97.79%，说明项目实施后，参与项目的养殖主体提升了畜禽粪污处理和利用的标准化水平，显著减少了温室气体排放。其中粪污处理环节碳排放量为5 448.06 t，相较于项目实施前降低了18 991.93 t，降低了77.71%。对应工艺能耗环节碳排放为16.71 t，粪污转运环节能源消耗碳排放为69.33 t。项目采用粪肥、沼液全量还田模式，该环节碳排放量相较于项目实施前降低了81%，包括还田固碳环节和替代化肥环节，通过粪肥还田提升农田土壤有机质含量，核算还田阶段土壤固碳量为1 346.68 t，有机肥替代化肥相当于间接减少上游化肥生产，核算出该环节碳减排量为3 708.11 t（以CO2计）。

整县推进项目实施后，养殖场、粪污集中处理中心和农田形成良好的种养循环系统，一方面实现了畜禽粪污处理环节的碳减排；另一方面发挥了农田土壤的固碳增汇作用。其中粪污处理环节约占总减排量的89.70%，粪污转运环节占0.4%，还田固碳及替代化肥环节占10.70%，本结果粪便管理环节减排量占比高于孙志岩等[31]研究结果的55.90%，是由于本项目生猪液体粪污处理工艺改建，其减排量高达16 697.96 t，对于粪便管理环节的碳减排量占比有极大的提升作用，从而稀释了农田固碳增汇的碳减排量占比，与王荣昌等[32]认为粪污处理中厌氧消化单元对温室气体减排的贡献最大的研究结果相一致。

2.2 项目实施前后单位牲畜粪污处置碳排放比较

单位牲畜粪污处置碳排放，是以猪作为单位牲畜，处置其一年产生粪污的温室气体排放量，数值上为温室气体净排放量与畜禽养殖规模的比值。

根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[28]中畜禽猪当量换算方式，项目新建粪污处理工程承载的猪当量为41 234 头，结合项目实施前后畜禽粪污资源化利用净碳排放量核算数据，新建粪污处理工程前后单位牲畜粪污处置碳排放分别为525.10 和11.62 kg（图2），即项目按实施方案推进后，通过改变粪污处理方式以及提升资源化利用率，单位牲畜粪污处置碳排放量降低513.48 kg，显著提升了畜禽粪污处置的绿色化水平。

图2 单位牲畜粪污处置碳排放Fig.2 Carbon emissions per unit of livestock waste disposal

《省级温室气体清单编制指南》[33]中提到的生猪粪污处置碳排放因子平约为159.18 kg/头，与本研究项目实施前后结果差异较大，其原因一是项目实施前生猪养殖氧化塘和贮存池等敞口式贮存工艺应用较多，CH4直接排放量较大；二是省级排放清单未涉及粪肥还田阶段的固碳和替代化肥效应。孙志岩等[31]对猪场粪便循环利用项目温室气体碳减排量核算结果表明，实现种养循环项目后，4 个生猪养殖场平均单位牲畜粪污处置碳排放降低了约414.93 kg，与本研究评估结果相近。

2.3 不同处理工艺单位牲畜粪污处理碳排放比较

为进一步明确单位牲畜粪污处理碳排放的减少途径，指导畜禽养殖粪污处理工艺比选，本评估方法核算出需不同粪污处理工艺单位牲畜粪污处理碳排放（图3），固体粪污处理方面，槽式堆肥和膜式堆肥单位牲畜粪污处理碳排放相较于露天堆放和固体储存碳排放大幅度降低，降幅为50%以上，其中膜式堆肥单位碳排放最低，为49.09 kg。液体粪污处理方面，黑膜厌氧池相较于氧化塘和贮存池碳排放分别降低了83.04%和63.30%，是由于黑膜厌氧池等密闭贮存发酵工艺包含CH4的收集及利用环节，避免CH4直接排放到大气，相较于敞口式贮存工艺有明显的减排效应。

图3 不同工艺单位牲畜粪污处理碳排放Fig.3 Carbon emissions per unit of livestock manure disposal by different processes

好氧堆肥具备较强的温室气体减排潜力，其原理为在好氧堆肥过程堆体充分好氧的情况下，抑制了水解发酵和产氢产乙酸菌及产甲烷菌的活性，导致CH4排放减少[34]；且充分好氧可防止堆体在厌氧和好氧间的切换，防止硝化和反硝化细菌作用下产生N2O[4]，覆膜好氧堆肥将堆肥物料覆膜形成密闭空间，在强制通风的情况下在膜内形成微正压的环境[18]，相较于传统好氧堆肥工艺，其堆体的好氧程度更高，温室气体排放量更高。目前对于覆膜好氧堆肥的温室气体减排效应已有较多研究，如Ma 等[35]研究结果表明，膜堆肥反应器系统比普通反应器堆肥系统的CH4排放减少38.67%；Sun 等[36]研究结果表明，膜式堆肥膜外CO2、CH4和N2O 的排放速率分别比膜内低73.43%、95.57%和79.75%；Fang 等[37]通过比较条垛式堆肥和膜式堆肥的温室气体排放，得出膜式堆肥CH4和N2O 排放速率相较于条垛式堆肥分别低99.89%和60.48%。目前该好氧堆肥技术在国内逐步推广，陆续进入了北京、河北和山东等地方的农机购置补贴目录[38]，并成为农业农村部减排固碳十大主推技术之一。

黑膜厌氧池是用黑色的HDPE（高密度聚乙烯）防渗膜材料将氧化塘底部、顶部密封成一体的超大型污水厌氧反应器[39]，配备沼气回用设施，防止贮存池或开放式氧化塘厌氧产生CH4直接排放到大气中，从而减少碳排放。本研究评估黑膜厌氧池排放量尚不涉及沼气的末端利用，沼气的能源替代利用的碳减排潜力已有相关研究，如邱韶峰等[40]研究表明，日产1.7 m3的沼气发电替代标煤减排量为4 640 t，更体现出厌氧发酵技术是“双碳”背景下解决畜禽养殖污染的有效途径。但由于传统厌氧消化工艺建设成本高、运行管理复杂，一定程度上制约了其在中小型养殖场的推广应用，黑膜厌氧池建设成本低、施工简单、建设周期短，具有广阔的应用前景。

由于整县推进畜禽粪污资源化利用项目建设期为2 年，建设内容截至目前尚未完工，本研究核算评估结果基于实施方案而非验收实际情况，结果为项目建设的预期值。由于项目要求建设内容变动小于5%，可基本认为实施方案建设情形为实际建设情况，核算结果具备科学性和合理性，具体实际减排效益应根据项目验收后的实际粪污资源化利用进行进一步优化评估。

3 结论

（1）整县推进项目按实施方案推进后的碳排放为479.31 t，相较于项目实施前减少了21 172.81 t，相当于减少了约10 万猪当量粪污处置环节的碳排放。

（2）新建粪污处置工程单位牲畜粪便处置碳排放降低513.48 kg，建设工程显著提升了粪污处置及还田水平，对区域畜禽养殖业绿色发展起到良好的示范带动作用。

（3）好氧堆肥相较于露天堆放畜禽粪便管理碳排放降低了50%，其中膜堆肥碳排放最低为49.09 kg，密闭式厌氧发酵相较于厌氧氧化塘碳排放降低了83.04%。

（4）整县推进畜禽粪污资源化利用项目建设内容中，粪污处理工艺建议设计为固体粪便覆膜好氧堆肥、液体粪污密闭贮存发酵和粪肥全量还田模式，对于区域种养循环的减排固碳有重要意义，是实现农业碳达峰的有效途径。