云南不同地區(qū)畜禽糞便資源量及沼氣潛力分析

楊斌 尹芳 趙興玲 王昌梅 張無敵

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

近年來，云南省出臺(tái)一系列政策文件和扶持措施，強(qiáng)力推動(dòng)畜牧業(yè)生產(chǎn)。2021年云南省牛、生豬的存欄量分別居全國第1位[1]和第4位[2]，已成為全國畜牧產(chǎn)業(yè)大省。當(dāng)前，云南畜牧業(yè)發(fā)展取得了較好的成效，但也產(chǎn)生了大量的畜禽糞便，這些糞便中富含有機(jī)質(zhì)、氮和磷等環(huán)境污染物，使得資源環(huán)境約束趨緊的問題未得到根本解決，同時(shí)，云南9大高原湖泊治理任務(wù)艱巨，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾長期存在。沼氣發(fā)酵是一種廣泛應(yīng)用于畜禽糞便處理并生產(chǎn)沼氣和沼液沼肥的技術(shù)，在有效解決環(huán)境污染問題的同時(shí)提供清潔能源和有機(jī)肥料，能在云南高原湖泊保護(hù)和鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮積極作用，而目前云南不同地區(qū)的畜禽糞便資源量尚未知曉，且這些畜禽糞便資源的沼氣潛力尚不明確，因此，有必要開展充分的調(diào)查研究工作，合理估算和預(yù)測這些畜禽糞便的資源量和沼氣潛力，為有效預(yù)防畜禽糞便對(duì)環(huán)境的污染和實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的能源化利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查范圍

本次調(diào)查范圍包括昆明、曲靖、玉溪、保山、昭通、麗江、普洱、臨滄、楚雄、紅河、文山、西雙版納、大理、德宏、怒江、迪慶等16個(gè)云南所屬的州(市)，這16個(gè)州(市)均有畜禽養(yǎng)殖。

1.2 調(diào)查對(duì)象及方法

1.2.1 調(diào)查對(duì)象

本研究以2021年云南不同地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，包括生豬、牛、羊、家禽。

1.2.2 研究方法

本研究采用調(diào)研相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料和參考相關(guān)研究成果相結(jié)合的綜合研究方法。各種畜禽的養(yǎng)殖數(shù)量采用有關(guān)單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)量，畜禽糞便資源量根據(jù)產(chǎn)污系數(shù)法進(jìn)行估算，沼氣產(chǎn)量根據(jù)ABEPE(animals data base for energy potential estimation)[3]模型進(jìn)行估算，畜禽糞便沼氣能源化利用潛力的評(píng)估采用標(biāo)準(zhǔn)煤折算法。

1.3 估算參數(shù)及相關(guān)計(jì)算方法

1.3.1 畜禽糞便資源估算方法和參數(shù)選取

各種畜禽糞便排放量的計(jì)算公式：

式中，D為畜禽糞便排放量；Hi為第i種畜禽的存欄量；di為第i種畜禽每日糞便產(chǎn)生量；Fi為第i種畜禽的飼養(yǎng)周期，為便于統(tǒng)計(jì)分析，此項(xiàng)統(tǒng)一為365d。

目前，云南畜禽糞便的種類主要包括豬、牛、羊、家禽等畜禽的糞便，每日糞便的產(chǎn)生量[4]如表1所示。

表1 云南主要畜禽每日糞便產(chǎn)生量估算參數(shù)

1.3.2 畜禽糞便產(chǎn)沼氣量的估算方法和參數(shù)選取

各種畜禽糞便產(chǎn)沼氣量的計(jì)算公式：

式中，B為沼氣產(chǎn)量；di為第i種畜禽糞便產(chǎn)生量；TSi為第i種畜禽糞便的TS百分含量；Yi為第i種畜禽糞便單位質(zhì)量的TS的產(chǎn)氣率。該公式即Batzias等于2003年建立的ABEPE模型[3]，其以各類畜禽糞便資源的TS含量與TS產(chǎn)氣率為基礎(chǔ)，進(jìn)而估算相應(yīng)畜禽糞便的產(chǎn)氣量。

不同畜禽糞便在20℃條件下單位質(zhì)量的TS的產(chǎn)氣率見表2[5]。

表2 不同畜禽糞便的TS產(chǎn)氣率

1.3.3 畜禽糞便沼氣能源和利用潛力的評(píng)估方法

對(duì)于畜禽糞便沼氣能源化利用潛力的評(píng)估，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)煤折算法，即通過估算畜禽糞便資源的產(chǎn)沼氣量，再將沼氣折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)采用國家標(biāo)準(zhǔn)《綜合能耗計(jì)算通則》[6]中規(guī)定的0.7143kgce·m-3，最終以標(biāo)準(zhǔn)煤來衡量畜禽糞便能源化潛力大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南不同地區(qū)畜禽糞便資源量及空間分布

根據(jù)2021年云南主要畜禽的存欄量數(shù)據(jù)[1，2，7]，見表3，以及排泄參數(shù)、飼養(yǎng)周期，可估算出云南不同地區(qū)畜禽糞便的資源量，見表4。由表3可知，2021年云南省飼養(yǎng)量最多的畜禽為家禽類，超過了1.9億只；其次是生豬、羊和牛，其中，生豬養(yǎng)殖規(guī)模前3位依次為曲靖、紅河、昭通，牛養(yǎng)殖規(guī)模前3位依次為曲靖、文山、紅河，羊養(yǎng)殖規(guī)模前3位依次為曲靖、楚雄、大理，家禽養(yǎng)殖規(guī)模前3位依次為紅河、昆明、大理。由表4可知，2021年云南省畜禽糞便的資源量約有1.82億t，其中，資源量最大的是牛糞便，約9538萬t，占云南畜禽糞便資源總量的52%；其次是豬糞便，資源量約6422萬t，占總量的35%；羊和家禽糞便的資源量約2200萬t，占總量的13%。云南省的畜禽糞便資源量巨大，其中，豬糞和牛糞占比達(dá)87%，是主要的畜禽糞便來源，這與生豬和牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有關(guān)。

表3 2021年云南省各州(市)主要畜禽存欄情況表

表4 2021年云南省各州(市)不同畜禽糞便產(chǎn)生情況表

由于云南各州市畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)不同，畜禽糞便在16個(gè)州(市)的區(qū)域分布具有明顯的差異。昆明、曲靖、保山、昭通、普洱、臨滄、楚雄、紅河、文山、大理10州(市)為畜禽糞便資源量大戶，在1000萬t以上，10州(市)總計(jì)約占云南畜禽糞便資源總量的88%，其中，曲靖市位居第1，達(dá)3252.27萬t，占全省畜禽糞便資源總量的17.91%，以牛和豬糞便資源為主；紅河州位居第2，畜禽糞便量為1984.07萬t，占全省畜禽糞便資源總量的10.92%，以牛糞便資源為主，其次是豬和家禽的糞便；文山、大理的畜禽糞便資源量分別位居全省第3和第4位，其畜禽糞便量分別占全省的9.16%和9.13%；畜禽糞便資源量處于中等水平的是保山、楚雄、昭通、臨滄、普洱、昆明等州(市)，均在1000～1500萬t；畜禽糞便資源量相對(duì)較少的是麗江市和玉溪市，在500～1000萬t；迪慶、怒江、德宏、西雙版納4州(市)由于人口較少、國土面積相對(duì)較小，發(fā)展畜牧業(yè)所需的消費(fèi)、土地等資源有限，畜禽糞便資源量最少，均不足300萬t?？傮w來看，云南省畜禽糞便資源量總量巨大，但由于各州(市)畜牧業(yè)發(fā)展水平的不同，導(dǎo)致畜禽糞便資源呈現(xiàn)顯著的地區(qū)差異，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高和人口密度較大的州(市)(如曲靖、紅河)，則畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá)，而畜禽養(yǎng)殖向人口密集、土地資源短缺的滇中、滇東、滇南各州市聚集，不僅加重了環(huán)境污染，也增加了畜禽糞便對(duì)食品和人體健康影響的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 云南不同地區(qū)畜禽糞便資源能源化利用潛力評(píng)價(jià)

根據(jù)2021年云南畜禽糞便資源量數(shù)據(jù)，采用ABEPE模型可估算出云南畜禽糞便的沼氣產(chǎn)量和折合標(biāo)煤量，見表5。由表5可知，若將2021年云南全省約1.82億t的畜禽糞便資源完全用于沼氣發(fā)酵，可生產(chǎn)沼氣75.92億m3，相當(dāng)于替代標(biāo)準(zhǔn)煤542.31萬t，而根據(jù)云南省統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2021云南省能源消費(fèi)總量為13426.35萬t標(biāo)準(zhǔn)煤[8]，則云南省畜禽糞便資源可轉(zhuǎn)化的能量占到全省能源消費(fèi)的4%以上，由此可看出，云南省畜禽糞便能源化利用潛力巨大。從畜禽糞便資源種類來看，牛養(yǎng)殖作為云南省主導(dǎo)的畜牧業(yè)，其糞便可轉(zhuǎn)化的能量最大，高于其他畜禽糞便可轉(zhuǎn)化的能量，相當(dāng)于23.23億m3沼氣或165.96萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，家禽糞、羊糞、生豬糞次之。從地區(qū)分布來看，畜禽糞便能源潛力最大的是曲靖市，如將曲靖市的畜禽糞便完全轉(zhuǎn)化為能量，相當(dāng)于12.04億m3沼氣或85.97萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全省的15.85%；紅河州和大理州次之，其畜禽糞便能源潛力分別占全省的11.64%和9.82%；畜禽糞便能源潛力處于中等水平的是昆明、玉溪、保山、昭通、麗江、普洱、臨滄、楚雄、文山等9個(gè)州(市)，可替代標(biāo)準(zhǔn)煤量在10～50萬t；而西雙版納、德宏、怒江和迪慶等4個(gè)州(市)的畜禽糞便能源潛力較低，可替代標(biāo)準(zhǔn)煤量在10萬t以下，這與畜禽糞便資源量的分布基本一致。

表5 2021年云南省畜禽糞便能源潛力

3 討論

《第二次全國污染源普查公報(bào)》顯示[9]，2017年全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放的化學(xué)需氧量達(dá)1000.53萬t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的93.76%，氨氮、總氮和總磷排放量分別占農(nóng)業(yè)源排放總量51.30%、42.14%和56.46%，畜禽糞便成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源，這些環(huán)境污染物若得不到及時(shí)有效的處理和利用，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，也會(huì)對(duì)畜牧業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)峻的壓力，因此，對(duì)畜禽糞便進(jìn)行有效處理和利用十分必要且迫切。2013年11月，時(shí)任國務(wù)院總理李克強(qiáng)簽發(fā)《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》[10]，國家鼓勵(lì)和支持采取糞肥還田、制取沼氣、制造有機(jī)肥等方法，對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行綜合利用；2016年12月，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議的講話中強(qiáng)調(diào)，要加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物無害化處理與資源化利用[11]；2017年6月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》，這是我國畜牧業(yè)發(fā)展史上第1個(gè)專門針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和利用的指導(dǎo)性文件[12]；“十三五”以來，我國開始實(shí)施畜禽糞污資源化利用整縣推進(jìn)項(xiàng)目，安排中央資金296億元，累計(jì)支持723個(gè)縣[13]。

畜禽糞便既是能污染生態(tài)環(huán)境的廢棄物，又是一種特殊的可再生資源，經(jīng)有效處理后在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有很大的開發(fā)潛力，針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》中提出要“構(gòu)建種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展機(jī)制”，基于此，本課題組構(gòu)建了“以沼氣工程為紐帶的4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”[14]，以期為畜禽糞便資源化利用提供一種高效、生態(tài)、循環(huán)的種養(yǎng)模式，從而加快畜禽糞便的有效處理，推動(dòng)沼氣工程健康發(fā)展?！耙哉託夤こ虨榧~帶的4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”是指通過畜禽糞便的厭氧消化處理，將飼料(Feed)、肥料(Fertilizer)、食品(Food)和能源/燃料(Fuel)的生產(chǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成一種物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的系統(tǒng)，使得養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)均得到可持續(xù)發(fā)展：沼氣工程可回收畜禽糞便中的沼氣能源，沼氣是一種很好的清潔燃料，可用于發(fā)電，產(chǎn)生的電力既可以用于并網(wǎng)，也可以用于飼料和有機(jī)肥的生產(chǎn)加工；除了沼氣外，沼氣工程還產(chǎn)生沼氣發(fā)酵殘留物(即沼渣和沼液)，沼渣和沼液是優(yōu)質(zhì)的生物肥料，可進(jìn)一步加工為有機(jī)肥，有機(jī)肥可對(duì)化肥進(jìn)行有效替代，并有效避免土壤板結(jié)、提高土壤肥力，同時(shí)生產(chǎn)出高品質(zhì)的飼料、糧食、蔬菜、水果及其他經(jīng)濟(jì)作物；飼料用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)，可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的畜禽產(chǎn)品，同時(shí)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的畜禽糞便又作為沼氣工程的原料，從而有效地實(shí)現(xiàn)了種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展。

“以沼氣工程為紐帶的4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”的積極意義體現(xiàn)在3個(gè)方面：落實(shí)我國關(guān)于加快推進(jìn)畜禽糞便處理及資源化利用決策部署的有力舉措，“4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”以種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展為核心，倡導(dǎo)的是一種建立在物質(zhì)不斷循環(huán)利用基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，通過優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而保證了畜禽糞便無害化處理和資源化利用的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的有力支撐，發(fā)達(dá)國家畜牧業(yè)GDP占農(nóng)業(yè)GDP的比重一般在50%以上[10]，而我國2021年僅為27.15%[15]，因此迫切需要優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特別是種養(yǎng)結(jié)構(gòu)，增加優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品供給，而“4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”可以促進(jìn)種養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效；緩解畜牧業(yè)環(huán)保壓力的有力途徑，面對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，一些地方將畜禽養(yǎng)殖與環(huán)境污染劃上等號(hào)，利用劃定禁養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)等方式，擠壓和限制畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，而“4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量在種養(yǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的循環(huán)利用，不產(chǎn)生或者只產(chǎn)生很少的廢棄物，可有效減輕養(yǎng)殖業(yè)環(huán)保壓力。

4 結(jié)論

4.1 云南省畜禽糞便資源量巨大，地區(qū)差異明顯

2021年云南省畜禽糞便產(chǎn)生量約1.82億t，其中牛糞便產(chǎn)量最多，約9538萬t，占云南畜禽糞便資源總量的52%；從地區(qū)分布來看，曲靖、紅河、文山、大理等4個(gè)州(市)是云南畜禽糞便資源最豐富的地區(qū)，占云南畜禽糞便資源總量的47.11%。

4.2 云南省畜禽糞便沼氣能源化利用潛力巨大

如將2021年云南省畜禽糞便資源全部進(jìn)行沼氣發(fā)酵，則可產(chǎn)生75.92億m3沼氣，相當(dāng)于替代標(biāo)準(zhǔn)煤542.31萬t，可以替代云南省4%以上的能源消耗；從地區(qū)分布來看，曲靖市、紅河州、大理州等3個(gè)州(市)是畜禽糞便沼氣能源化最具潛力的地區(qū)，其畜禽糞便所產(chǎn)沼氣占總量的37.31%。云南畜禽糞便沼氣能源化潛力較大的地區(qū)基本集中在綜合能源消費(fèi)量較高的區(qū)域，因此，在這些地區(qū)發(fā)展畜禽糞便沼氣能源化利用，將具有較好的前景。

4.3 以沼氣工程為紐帶的“4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”適宜于云南省畜禽糞便的無害化處理和資源化利用

采用“4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”建立和運(yùn)行的畜禽糞便沼氣工程，能將畜牧業(yè)、種植業(yè)、和農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)有機(jī)地聯(lián)系在一起，打通種養(yǎng)結(jié)合“最后一公里”，并產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，助力云南9大高原湖泊保護(hù)和鄉(xiāng)村振興建設(shè)。