標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量產(chǎn)甲烷潛力研究

吉 進(jìn) 朱洪光 成瀟偉 徐宇鵬

（同濟(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，上海 201804）

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；目焖侔l(fā)展，畜禽糞污的產(chǎn)生量越來越多。沼氣技術(shù)作為一項(xiàng)能夠處理農(nóng)業(yè)廢棄物并能夠產(chǎn)生可再生能源的環(huán)境工程技術(shù)，正備受關(guān)注。當(dāng)前我國也大力支持沼氣工程建設(shè)，積極推進(jìn)農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)，開展以縣為單位的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點(diǎn)工作，并投入大量資金支持養(yǎng)殖大縣整縣推進(jìn)糞污資源化利用。

對(duì)于縣域范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)而言，往往是以生豬、肉牛、禽類養(yǎng)殖為主，多種畜禽養(yǎng)殖共同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局，在進(jìn)行沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)，不同畜禽的排污系數(shù)與產(chǎn)甲烷潛力不同，不利于進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)一規(guī)劃。因此，本文將對(duì)產(chǎn)排污系數(shù)、豬糞的產(chǎn)氣潛力等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，計(jì)算出合理的標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)氣量，便于以后的統(tǒng)計(jì)與規(guī)劃。

1 畜禽排污系數(shù)的確定

我國工業(yè)化畜禽養(yǎng)殖業(yè)起步較晚，相關(guān)的研究進(jìn)行得比較晚。由于我國養(yǎng)殖的畜禽種類眾多，主要統(tǒng)計(jì)資料大多將畜禽簡(jiǎn)化為生豬、肉牛、奶牛、肉雞和蛋雞5類，為了與國家統(tǒng)計(jì)資料銜接，產(chǎn)排污系數(shù)的研究也主要圍繞這5種畜禽開展，其中生豬和奶牛的研究最多，其他畜禽種類大多根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）中相關(guān)規(guī)定折算為生豬當(dāng)量。

牛若峰全面地介紹了畜禽的產(chǎn)排污系數(shù)，其中規(guī)定一頭生豬每天的糞便排泄量是2 kg，尿污水量為10 L［1］。但是，畜禽在不同飼養(yǎng)階段和不同養(yǎng)殖方式下會(huì)有不同的產(chǎn)排污系數(shù)，因而需要對(duì)其分別進(jìn)行討論。其中，我國2008年發(fā)布的《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》詳細(xì)地介紹了各地區(qū)生豬在保育階段（參考體質(zhì)量32 kg）、育肥階段（參考體質(zhì)量72 kg）和妊娠階段（參考體質(zhì)量232 kg）的產(chǎn)排污系數(shù)［2］。謝飛、汪開英、蔣治國等［3-5］均對(duì)不同飼養(yǎng)階段生豬的產(chǎn)排污系數(shù)進(jìn)行了調(diào)查與研究。郭德杰等［6］對(duì)不同豬群糞、尿產(chǎn)生量進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)公豬糞尿日產(chǎn)生量及養(yǎng)分日產(chǎn)生量均顯著大于其他豬群，哺乳仔豬糞尿日產(chǎn)生量及養(yǎng)分日產(chǎn)生量均顯著小于其他豬群，平均日產(chǎn)量在0.88～2.53 kg。統(tǒng)計(jì)各技術(shù)手冊(cè)及相關(guān)研究中關(guān)于華東地區(qū)生豬的產(chǎn)排污系數(shù)，匯總?cè)绫?所示。

對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)可知，畜禽糞污的產(chǎn)排污系數(shù)會(huì)因畜種、飼養(yǎng)管理水平、氣候、季節(jié)等情況而產(chǎn)生較大差異，一頭生豬每天的糞便量為0.88～4.76 kg。通過對(duì)崇明沼氣工程和阜南縣在運(yùn)營沼氣工程的調(diào)研可知，在實(shí)際工程中一般會(huì)取2.00 kg作為一頭生豬的糞便日產(chǎn)量，以便于工程的相關(guān)數(shù)據(jù)估算。

2 甲烷產(chǎn)量的計(jì)算方法

2.1 COD轉(zhuǎn)換計(jì)算甲烷產(chǎn)量

根據(jù)Mccarry的報(bào)告［8］，假定厭氧消化過程中，有機(jī)物能夠被充分分解、利用，同時(shí)不吸收外界的氧氣，則可以建立下面的反應(yīng)平衡式：COD進(jìn)料-COD出料=CODCH4

。

厭氧消化時(shí)，甲烷主要來源于醋酸的降解，在厭氧發(fā)酵中如不考慮基質(zhì)被合成為菌體，則可以建立化學(xué)反應(yīng)式1：CH3COOH→CH4+CO2。而醋酸被完全氧化成二氧化碳和水，其轉(zhuǎn)化為反應(yīng)式2：CH3COOH+2O2→2CO2+2H2O。

醋酸的COD即為化學(xué)反應(yīng)式2中所消耗的氧，即1 g氧能夠氧化0.937 5 g醋酸，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式1計(jì)算，能產(chǎn)生0.25 g甲烷，在標(biāo)況下的體積為0.35 L。而厭氧消化過程中合成甲烷的另一條途徑是由氫還原二氧化碳，該部分占比較少，且其計(jì)算結(jié)果與醋酸轉(zhuǎn)化是相同的。

表1 華東地區(qū)生豬產(chǎn)排污系數(shù)

在確定有機(jī)物的甲烷產(chǎn)量時(shí)還需要考慮溫度和壓力對(duì)氣體體積的影響，因此實(shí)際的甲烷產(chǎn)量可由公式（1）計(jì)算得到。

式（1）中，Q表示1 g COD轉(zhuǎn)化后能夠得到的甲烷體積，單位為L；T表示試驗(yàn)時(shí)的溫度；P標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P實(shí)表示試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的實(shí)際大氣壓。

由于各種有機(jī)物用高錳酸鉀法和重鉻酸鉀法測(cè)得的COD會(huì)因有機(jī)物種類不同而相差不一，且大部分有機(jī)物不能完全被氧化。而COD產(chǎn)甲烷的理論計(jì)算是進(jìn)出料在徹底氧化時(shí)的耗氧量之差，所以需要引入系數(shù)k1來對(duì)甲烷產(chǎn)量進(jìn)行修正。其中，k1=有機(jī)物最大氧化率/有機(jī)物氧化率。有機(jī)物最大氧化率可以用延長有機(jī)物與重鉻酸鉀的煮沸時(shí)間或增加重鉻酸鉀濃度來求得，對(duì)于大部分有機(jī)物來說，其氧化率在達(dá)95%以上。所以k1值略大于1，但對(duì)直鏈烴、芳香烴及苯等有機(jī)物來說，k1值需另外確定。

同時(shí)，盡管厭氧消化過程中所產(chǎn)生的菌體很少，但總有一些基質(zhì)會(huì)被用于菌體的合成，因此需要引入系數(shù)k2來對(duì)甲烷產(chǎn)量進(jìn)行修正。其中，k2=CODCH4/COD=（CODCOD細(xì)菌）/COD。由于用于菌體合成的有機(jī)物占總量的比例較小，因此系數(shù)k2的值為0.97～0.99。

通過系數(shù)k1和k2的引入，可以得到修正后的有機(jī)物厭氧消化產(chǎn)甲烷體積公式，見公式（2）。

成瀟偉等［9］對(duì)純豬糞進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，室溫為20℃，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，得到豬糞平均COD去除量為68 498.00 mg/L，發(fā)酵液中的豬糞平均質(zhì)量比例為28.72%，取k1和k2的中間值，當(dāng)豬的排泄量為2 kg/d時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)甲烷潛力約為180.23 L/d，取沼氣甲烷平均含量為60%計(jì)，折算得到產(chǎn)沼氣潛力約為0.30 m3/d。由上文確定的華東地區(qū)每頭生物每天排泄糞便的質(zhì)量范圍，COD轉(zhuǎn)換計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)豬當(dāng)量產(chǎn)氣潛力范圍為0.132～0.714 m3/d。

通過測(cè)COD計(jì)算產(chǎn)甲烷量適于測(cè)小劑量的試驗(yàn)樣品，而在實(shí)際工程中由于測(cè)量的煩瑣性和樣品間的差異性，進(jìn)出液的COD值波動(dòng)范圍較大，因此在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量COD的方法并不能完全適用于實(shí)際工程中。需要引入沼氣工程中豬糞的COD去除率r來對(duì)公式（2）進(jìn)行修正，得到沼氣工程中產(chǎn)氣潛力計(jì)算公式（3）。

式（3）中，r表示沼氣池中豬糞COD的去除率。

張進(jìn)等［10］對(duì)標(biāo)準(zhǔn)戶用沼氣池處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水進(jìn)行了研究，12月中旬之前COD的去除率為92%。程洋等［11］通過攪拌對(duì)豬糞進(jìn)行半干法發(fā)酵，45 d后COD的去除率為91.96%。侯如梁等［12］對(duì)新疆維吾爾自治區(qū)石河子市一座100 m3膜結(jié)構(gòu)水壓式沼氣池進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)COD的去除率為65%。因此，COD的去除率會(huì)受工藝選擇設(shè)備環(huán)境條件的影響，在計(jì)算時(shí)要以實(shí)際工程參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

2.2 化學(xué)式計(jì)算甲烷理論產(chǎn)量

由于在豬糞的厭氧消化過程中，甲烷是由豬糞中的碳元素轉(zhuǎn)換所得到的，因此可以由豬糞的化學(xué)式，根據(jù)巴斯維爾—穆勒公式［13］來計(jì)算甲烷的理論產(chǎn)量，公式如下：

晏紅梅［14］發(fā)現(xiàn)豬糞5種組成元素的含量分別是氮0.808%～4.238%、碳25.072%～47.158%、氫3.650%～10.388%、硫0.280%～0.986%以及氧0.808%，所有樣品的各元素范圍很大，5種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較大，因此通過化學(xué)式確定甲烷產(chǎn)氣量需要對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)以確定所用豬糞的5種元素成分組成。

孫辰等［15］對(duì)采集的豬糞進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用豬糞化學(xué)式為C161H327O103N10S，根據(jù)巴斯維爾—穆勒公式，單位摩爾的豬糞可得70 mol二氧化碳和92 mol甲烷。假設(shè)所采集的豬糞中的碳元素處于理想條件，能夠完全轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，則經(jīng)過換算，可以得到豬糞理論的生化產(chǎn)甲烷潛力為646.7 mL CH4/g VS。

以每頭生豬每天的糞便產(chǎn)量為2 kg，豬糞的揮發(fā)性固體量（VS）為386.02 g來計(jì)算，通過化學(xué)式計(jì)算理論甲烷產(chǎn)量的方法可以得到標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)甲烷潛力為249.64 L，折算得到產(chǎn)沼氣潛力為0.416 07 m3。由上文確定的華東地區(qū)豬糞質(zhì)量范圍，豬糞化學(xué)式的理論產(chǎn)氣潛力范圍為0.18～0.99 m3。

2.3 經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算沼氣產(chǎn)量

國外對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣量的核算方法展開了大量研究，獲得了多種農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)氣量的基礎(chǔ)參數(shù)。能值潛力估算動(dòng)物數(shù)據(jù)庫型（ABEPE）為厭氧消化沼氣產(chǎn)量的測(cè)算提供了依據(jù)，得到了多國研究人員的認(rèn)可。

希臘研究人員Batzias等［16］于2003年提出了ABEPE模型，用于計(jì)算希臘全境沼氣產(chǎn)氣量，該模型以各類農(nóng)業(yè)廢棄資源（農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污）的干物質(zhì)質(zhì)量與產(chǎn)氣因子為出發(fā)點(diǎn)，采用公式（5）估算相應(yīng)物質(zhì)的產(chǎn)氣量，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，該模型理念已經(jīng)成熟。

式（5）中，Bi表示第i種物質(zhì)的理論產(chǎn)氣量，單位為m3；Faci表示第i種物質(zhì)單位質(zhì)量干物質(zhì)的產(chǎn)氣因子（在35℃的條件下測(cè)定），單位為m3/kg；DMi表示第i種物質(zhì)的干物質(zhì)質(zhì)量，單位為kg。

研究中豬糞的產(chǎn)氣因子一般以0.42 m3/kg來計(jì)［16］，豬糞一天的干物質(zhì)產(chǎn)量以0.43 kg來計(jì)［17］，通過ABEPE模型公式來計(jì)算，可得標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)氣潛力為0.18 m3/d。

熊承永［18］也對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算進(jìn)行了研究，通過歸納總結(jié)得到了公式（6），用于計(jì)算畜禽糞污的沼氣產(chǎn)量。

式（6）中，Q表示畜禽糞污的沼氣產(chǎn)量，單位為m3；k表示發(fā)酵原料產(chǎn)氣率；n表示畜禽養(yǎng)殖數(shù)量；M表示一頭畜禽的糞便日產(chǎn)量，單位為kg；TS表示畜禽糞便的干物質(zhì)量。

研究中所用的參數(shù)為豬糞日產(chǎn)量5 kg、干物質(zhì)量20%、原料產(chǎn)氣率0.3，通過計(jì)算可以確定標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)氣潛力為0.30 m3/d。

而通過試驗(yàn)可以測(cè)得豬糞的實(shí)際產(chǎn)甲烷潛力，胡玉瑛等［19］研究表明豬糞的產(chǎn)甲烷潛力為190.03 mL/g，孫辰等［15］的研究表明豬糞的產(chǎn)甲烷潛力為479.40 mL/g，王明等［20］研究表明豬糞的產(chǎn)甲烷潛力為508.00 mL/g。上述產(chǎn)甲烷潛力均以CH4/VS add計(jì)，通過計(jì)算，可得到標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)氣潛力分別為0.081、0.206、0.218 m3/d。

3 結(jié)論

通過上文的分析可得，COD轉(zhuǎn)換計(jì)算和化學(xué)式計(jì)算這兩種方法受生豬排污系數(shù)影響較大，標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量產(chǎn)甲烷潛力在0.13～0.99 m3/d之間大幅波動(dòng)。當(dāng)每頭豬每天糞便排泄量為2 kg時(shí)，利用3種方法計(jì)算可得標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)氣潛力為0.18～0.42 m3/d。上述結(jié)果表明不同計(jì)算方法下標(biāo)準(zhǔn)畜當(dāng)量的產(chǎn)氣潛力相差較大。

我國農(nóng)業(yè)部于2011年發(fā)布的《沼氣工程規(guī)模分類》（NY/T 667—2011）中規(guī)定一個(gè)豬當(dāng)量的糞便產(chǎn)氣量約為0.1 m3?！墩託猱a(chǎn)量計(jì)算及熱值換算方法大全》中記錄5頭豬的糞便產(chǎn)氣量約為1.0 m3，這與ABEPE模型計(jì)算所得的值較為接近，會(huì)更加符合工程中的實(shí)際情況。