猪粪处理中固液分离与全粪污的环境及经济生命周期评估比较

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Comparative environmental and economic life cycle assessment of solid-liquid separation or whole-slurry for treating swine manure

　　

摘要

可持续猪粪（SM）处理中的一个关键决策是：在进行生化处理之前是否要先进行固液分离（S/L-S），还是对全浆料（WS）进行整体处理。这一选择会引发沼气产量、养分回收、排放、成本和生命周期影响等方面的权衡，但实际农场规模的比较证据仍然稀缺。本研究以1千克SM为功能单位，对四种SM处理方案进行了比较生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）。结果显示，S/L-S有助于快速减容并减轻厌氧消化（AD）中的氨抑制，但通过将大量有机质转移至好氧堆肥（AC），降低了整体能量回收效率。这导致多个影响类别的升高（例如陆地酸化潜力和土地利用），并且由于机械分离成本最高，其净生命周期成本（LCC）也最高。相比之下，WS处理，尤其是先AD后AC的顺序，最大化了沼气产量，产生了163.72 Wh/FU的净电力输出，与填埋基准相比，在大多数影响类别中实现了20-60%的削减。在全球变暖潜力、生态毒性、人体毒性和资源消耗方面，其表现也优于S/L-S策略。LCC证实，先AD的全浆料方案在经济上最为可行（净成本433.65 CNY/FU或63.58 USD/FU），沼气发电抵消了约50%的运营成本。敏感性分析表明，沼气产量和电价是影响经济绩效的最关键因素。总之，WS先AD处理在环境可持续性和经济表现方面均优于S/L-S策略。这些发现为优化规模化养猪生产的SM管理提供了基于证据的指导，以促进向循环、低碳系统的转型。

引言

猪肉是人类最重要的膳食蛋白质来源之一，近年来全球消费量超过1.1亿吨[1]。为满足这一巨大需求，规模化养猪生产迅速扩张，每年产生约45亿吨猪粪（SM）[2]。根据粪污收集方法（干清粪、水冲粪或水泡粪）的不同，SM的特性各异，但其始终具有高含水率、有机质和氨氮（NH₃-N）含量，在能量回收、公共卫生和生态风险方面构成重大全球挑战[3]。在中国，特别是在集约化养殖地区，传统的SM管理做法造成了巨大的环境负担[4]。这些包括大量CH₄和NH₃挥发导致温室效应和恶臭形成，养分流失导致水体富营养化，以及在储存和还田期间显著排放N₂O[5]。在中国南方的广东等人口稠密的养殖地区，用于粪污循环利用的有限土地资源进一步加剧了这些压力，凸显了需要更有效处理途径的必要性[6]。由于环境污染物（如温室气体（GHG）如CO₂和CH₄）排放量高且资源回收效率低，传统做法被广泛认为是不可持续的[7]、[8]。因此，有效回收和利用SM中的有机质对于减少粪污量并增强能量回收至关重要。

生化处理被认为是管理有机废物的可持续方法。厌氧消化（AD）在厌氧条件下通过水解、产酸和产甲烷将有机质转化为沼气（主要为CH₄），通过热电联产（CHP）系统实现可再生能源回收[9]、[10]、[11]。然而，厌氧微生物相对缓慢的生长导致较长的处理周期[12]。相比之下，好氧堆肥（AC）在富氧条件下快速将有机质分解为CO?、水和稳定的肥料，得益于氧的高氧化还原电位和产生的大量热量（通常为40-60°C），促进水分蒸发和减容[13]、[14]、[15]。因此，结合AD和AC是平衡能量回收和快速减容的常见策略。一个关键挑战是SM固体部分中NH₃-N浓度高，可抑制AD微生物[16]、[17]。因此，实践中广泛采用固液分离（S/L-S），其中液体部分进行AD，固体部分进行AC。该方法减轻了NH₃-N对AD的抑制作用，同时实现了SM的快速减容。S/L-S通常使用螺旋压榨或离心分离器进行。螺旋压榨系统因其相对较低的资本和运营成本而被广泛采用，尽管所得固体部分仍保持较高的含水率；而离心分离效率更高，但代价是消耗更多的能源[18]、[19]。尽管S/L-S减轻了氨抑制并实现了快速减容，但它将大量可降解有机质从AD中转移出来。这些有机质中的大部分随后在堆肥过程中被氧化为CO₂，限制了能量回收并增加了温室气体排放[20]。近年来，猪粪处理技术取得了显著进展。各种预处理方法，包括碱处理、高铁酸钾氧化和热水解，已被探索用于提高水解效率和沼气产量[21]。猪粪与农业废弃物或食品废弃物共消化也被研究用于优化碳氮比并改善过程稳定性[22]。此外，先进的监测和过程控制技术开始应用于大型沼气厂[23]。全浆料（不进行S/L-S，WS）结合的厌氧消化和好氧堆肥（AD-AC）系统因其同时回收能源和生产稳定肥料的能力而受到越来越多的关注，这似乎是能量回收更理想的选择，但存在某些操作挑战[24]。WS系统中AD和AC的顺序也需要进一步研究，因为不同顺序涉及不同的实施难度和性能结果。总体而言，这些SM管理策略的经济可行性和环境可持续性仍然不确定。

生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）为评估SM管理系统的环境和经济绩效提供了强大的框架[25]、[26]。先前的研究强调了S/L-S在猪粪（SM）管理中的权衡。研究发现，实施S/L-S显著减少了环境影响，与没有分离的场景相比（例如直接堆肥和土地施用）。具体而言，全球变暖潜力（GWP）、人体毒性潜力（HTP）、酸化潜力（AP）和富营养化潜力（EP）分别降低了56%、273%、83%和81%[27]。相反，一项研究表明S/L-S在AD之前存在潜在弊端，即分离可以减少每日甲烷产量（由于富有机固体的移除从进入AD的液体部分中），并可能增加某些类别的影响，如海洋富营养化和陆地酸化，取决于下游处理和养分分配[25]。集成的AD-AC系统在全球变暖潜力、毒性和资源指标方面显示出优势，并具备潜在的经济效益[28]。尽管许多研究已应用LCA和/或LCC评估SM处理的环境和经济可持续性，但这些研究中报告的直接排放数据通常来自文献、以前的报告和海外的环境数据库，而不是从当地项目的测量中获得。这种对二次数据的依赖降低了它们对实际SM处置计划的实际参考价值。此外，很少有研究考虑到未来电力供应结构改善与中国电力产生相关环境效益之间的相互作用，从而忽视了SM处理技术与优化的电力生成和供应系统的兼容性。更重要的是，涉及S/L-S与WS方法处理方案的比较分析，特别是AD和AC的顺序，在SM管理领域仍然稀缺。

本研究进行了比较LCA和LCC分析，以评估S/L-S或WS以及不同AD和AC顺序的SM管理的环境和经济影响。对四种SM管理方案进行了全面考察：(i) S/L-S，固体部分进行AC，液体部分进行AD（S1）；(ii) WS，填埋和自然老化（S2）；(iii) WS，先AC后AD（S3）；(iv) WS，先AD后AC（S4）。此外，对沼气和有机肥生产、电力和有机肥料价格以及电力供应结构进行了敏感性分析，以评估LCA和LCC结果的稳健性和可持续性。本研究有望为养猪场建立经济可行、环境友好的基于AD的SM管理系统提供理论指导。

章节摘要

目标与范围定义

猪粪（SM）来自中国的广州某养猪场，该场采用了固液分离、液体厌氧消化回收沼气、固体好氧减量和残余污泥焚烧发电的工艺。其成分包括猪粪和尿液、冲洗废水和养猪场生活区污水，含水率为89.25%。同时，表S1展示了本研究中猪粪的一般特性。

质量与能量平衡

质量与能量平衡分析展示了本研究中考察的四种方案生产沼气和电力所需的质量与能量的输入和输出。图3a展示了每1千克新鲜猪粪（1 FU）消耗和产生的物质质量流，特别强调了沼气和有机肥料（干重）的生产。与S2（以填埋和老化为主的传统猪粪处置实践）相比，S1、S3和S4

结论

本研究使用LCA和LCC，基于广州某养猪场特定站点的数据，比较了S/L-S和WS处理用于猪粪管理。结果表明，当主要目标是全面减少影响和经济可行性时，S/L-S并非最佳途径。尽管它能实现快速减容和更好的氨控制，但S/L-S增加了能源需求，将有机质从沼气生产中转移出来，升高了若干环境影响，并产生了最高的净

作者贡献声明（CRediT）

Yukai Zheng（郑育凯）：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿，方法学，调查，数据整理，概念化。Chengzu Wang（王承祖）：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。Shuling Chen（陈淑玲）：验证，监督。Liqun Sun（孙丽群）：验证，监督。Xiaojun Niu（牛晓军）：验证，监督，资金获取，数据整理。Kai Li（李凯）：写作 – 审稿与编辑，方法学。Dan Yu（于丹）：验证，数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本研究报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号42177369）、武汉纺织大学生物质纤维与生态染整湖北省重点实验室（编号STRZ202507）、新疆人才发展基金、乌鲁木齐红山人才计划（编号XJRC-2025-JY-YJ-GX-RX-003）以及深圳职业技术大学博士后后期基金项目（编号6024271002k）的支持。

Yukai Zheng|Chengzu Wang|Shuling Chen|Liqun Sun|Xiaojun Niu|Kai Li|Dan Yu

深圳职业技术大学碳中和技术研究所，中国深圳518055