吉 進 朱洪光 成瀟偉 徐宇鵬

（同濟大學(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)，積極推進農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級，開展以縣為單位的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點工作，并投入大量資金支持養(yǎng)殖大縣整縣推進糞污資源化利用。

對于縣域范圍內(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，在進行沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展時，不同畜禽的排污系數(shù)與產(chǎn)甲烷潛力不同，不利于進行區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)一規(guī)劃。因此，本文將對產(chǎn)排污系數(shù)、豬糞的產(chǎn)氣潛力等參數(shù)進行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，計算出合理的標(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)的研究進行得比較晚。由于我國養(yǎng)殖的畜禽種類眾多，主要統(tǒng)計資料大多將畜禽簡化為生豬、肉牛、奶牛、肉雞和蛋雞5類，為了與國家統(tǒng)計資料銜接，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)殖方式下會有不同的產(chǎn)排污系數(shù)，因而需要對其分別進行討論。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》詳細地介紹了各地區(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］均對不同飼養(yǎng)階段生豬的產(chǎn)排污系數(shù)進行了調(diào)查與研究。郭德杰等［6］對不同豬群糞、尿產(chǎn)生量進行了檢測，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)計各技術(shù)手冊及相關(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。

對上述研究結(jié)果進行總結(jié)可知，畜禽糞污的產(chǎn)排污系數(shù)會因畜種、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。通過對崇明沼氣工程和阜南縣在運營沼氣工程的調(diào)研可知，在實際工程中一般會取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)量的計算方法

2.1 COD轉(zhuǎn)換計算甲烷產(chǎn)量

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

。

厭氧消化時，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)

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

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表示試驗時的溫度；P標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P實表示試驗時所測得的實際大氣壓。

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

同時，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)會被用于菌體的合成，因此需要引入系數(shù)k2來對甲烷產(chǎn)量進行修正。其中，k2=CODCH4/COD=（CODCOD細菌）/COD。由于用于菌體合成的有機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物厭氧消化產(chǎn)甲烷體積公式，見公式（2）。

成瀟偉等［9］對純豬糞進行厭氧消化試驗，室溫為20℃，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，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，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，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COD計算產(chǎn)甲烷量適于測小劑量的試驗樣品，而在實際工程中由于測量的煩瑣性和樣品間的差異性，進出液的COD值波動范圍較大，因此在實驗室中測量COD的方法并不能完全適用于實際工程中。需要引入沼氣工程中豬糞的COD去除率r來對公式（2）進行修正，得到沼氣工程中產(chǎn)氣潛力計算公式（3）。

式（3）中，r表示沼氣池中豬糞COD的去除率。

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

2.2 化學(xué)式計算甲烷理論產(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)氣量需要對樣品進行檢測以確定所用豬糞的5種元素成分組成。

孫辰等［15］對采集的豬糞進行了測試，發(fā)現(xiàn)試驗用豬糞化學(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來計算，通過化學(xué)式計算理論甲烷產(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)驗值計算沼氣產(chǎn)量

國外對厭氧消化產(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)。能值潛力估算動物數(shù)據(jù)庫型（ABEPE）為厭氧消化沼氣產(chǎn)量的測算提供了依據(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，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［16］，豬糞一天的干物質(zhì)產(chǎn)量以0.43 kg來計［17］，通過ABEPE模型公式來計算，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］也對沼氣產(chǎn)氣量的經(jīng)驗計算進行了研究，通過歸納總結(jié)得到了公式（6），用于計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。

而通過試驗可以測得豬糞的實際產(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，通過計算，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)換計算和化學(xué)式計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。當(dāng)每頭豬每天糞便排泄量為2 kg時，利用3種方法計算可得標(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)定一個豬當(dāng)量的糞便產(chǎn)氣量約為0.1 m3?！墩託猱a(chǎn)量計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模型計算所得的值較為接近，會更加符合工程中的實際情況。