陳 理，崔志陽(yáng)，董仁杰，劉名洋，鞠鑫鑫

基于能值分析的規(guī)?；託夤こ陶右夯亓鞴に嚿鷳B(tài)效益評(píng)價(jià)

陳 理1，崔志陽(yáng)1，董仁杰1，劉名洋1，鞠鑫鑫2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2. 山東中農(nóng)三月環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆瑹熍_(tái) 264006）

為評(píng)價(jià)沼氣工程沼液回流以及不回流2種模式的優(yōu)劣，該研究引入相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)和生態(tài)投入能值的概念，給出了三沼分配產(chǎn)出能值的方法，并選取D（CSTR工藝）和L（USR工藝）2座具有代表性的沼氣工程實(shí)例應(yīng)用，每個(gè)工程均設(shè)定沼液回流和不回流2種模式相對(duì)應(yīng)，利用能值評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)2座工程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明D工程各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)于L工程，沼液不回流模式優(yōu)于沼液回流模式；但當(dāng)沼氣工程無(wú)途徑消納產(chǎn)生的沼液時(shí)，回流模式可以降低沼液對(duì)周邊環(huán)境的污染，此時(shí)沼液回流模式優(yōu)于不回流模式，L工程周邊土地較少，采用回流工藝使環(huán)境負(fù)載率由2.15降低為1.05，能值可持續(xù)指標(biāo)由0.41增加到0.93。采用何種模式要根據(jù)工程實(shí)際情況而定，建議沼氣工程每處理每噸VS（雞糞）需配備的土地為0.5 hm2/t，處理每噸VS（牛糞）需配備土地0.2 hm2/t，當(dāng)周邊土地小于需配備土地時(shí)，沼氣工程應(yīng)適當(dāng)采用沼液回流。

沼氣；能值分析；生態(tài)評(píng)價(jià)；沼液回流；相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅猛，產(chǎn)量已達(dá)8 537.8萬(wàn)t[1]。中國(guó)沼氣工程大多采用濕法發(fā)酵，在處理糞污過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量沼液，而大型沼氣工程周邊往往沒(méi)有足夠的土地消納這些沼液[2-3]，考慮成本問(wèn)題，所以有些沼氣工程采用沼液回流技術(shù)。

周邊沼液適當(dāng)回流能夠避免污染周邊環(huán)境，增加原料利用率，提高厭氧發(fā)酵效率，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，并減少地下水的使用[4-5]。但在沼氣工程實(shí)際運(yùn)行以及實(shí)驗(yàn)室研究中發(fā)現(xiàn)不當(dāng)?shù)鼗亓饕矔?huì)對(duì)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。吳樹(shù)彪等[6]在37 ℃下運(yùn)行CSTR厭氧反應(yīng)器，研究牛糞在長(zhǎng)期沼液回流模式下的產(chǎn)氣情況，結(jié)論表明：回流50%的沼液使得產(chǎn)氣率降低了22.4%。盧艷娟等[7]通過(guò)大量的文獻(xiàn)研究得出，沼液回流對(duì)于沼氣工程的發(fā)酵穩(wěn)定性有不利的影響，對(duì)回流的管道也會(huì)造成堵塞。

能值分析方法可以將系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)輸出的不同形式的能量和物質(zhì)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化和分析[8]。利用能值分析方法可以對(duì)應(yīng)用沼液回流工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行量化比較，對(duì)沼氣工程的可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出沼液回流工藝生態(tài)角度的建議。

1 研究的沼氣工程概況

選取了L和D工程作為案例，L工程采用USR工藝，D工程采用CSTR工藝，具有一定的代表性。地下水壓式沼氣池、CSTR和USR是中國(guó)應(yīng)用最廣泛的工藝，占總比例的66%[9]。

北京市大興區(qū)L沼氣工程建于1992年，歷經(jīng)3期工程，第1期已于2016年停用，2期工程建于2000年，池容200 m3，3期工程建于2008年運(yùn)行至今，本文僅分析其第2、3期工程在2017年的情況，第3期工程發(fā)酵罐為2個(gè)平行罐，總體容積為1 600 m3，水力停留時(shí)間為40 d。工程原料現(xiàn)為距工程40 km處養(yǎng)殖場(chǎng)的雞糞，日處理雞糞約6 t，進(jìn)料濃度TS約為6%。該工程運(yùn)用沼液回流工藝，除用少量地下水沖刷運(yùn)送車外都用沼液稀釋。工程發(fā)酵溫度為32 ℃左右，采用地源熱泵進(jìn)行增溫。L工程日產(chǎn)沼氣600 m3左右，沼氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)約為62%，生產(chǎn)的沼氣通過(guò)凈化后供附近村民使用，工程產(chǎn)生的沼液沼渣供附近農(nóng)田和果園使用。

北京市房山區(qū)D沼氣工程建于2008年，工程使用附近2 km處養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污。采用牛糞和雞糞2種原料，約2周變換一次原料，日處理干清糞7 t左右，進(jìn)料濃度TS約為7.3%。日進(jìn)料60 m3，工程擁有4個(gè)平行發(fā)酵罐，發(fā)酵罐總?cè)莘e2 000 m3，在4個(gè)發(fā)酵罐中間有一個(gè)儲(chǔ)存溢流沼液的儲(chǔ)存罐可發(fā)揮沼液剩余潛力。儲(chǔ)存罐中的沼液發(fā)揮剩余潛力后可排放至施肥罐車供周圍農(nóng)田使用。工程周邊有足夠農(nóng)田消納沼液，無(wú)需采用回流模式。工程的發(fā)酵溫度約42 ℃，日產(chǎn)沼氣約750 m3，沼氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)約60%，工程生產(chǎn)的沼氣主要用于供戶和自身反饋沼氣鍋爐增溫。

通過(guò)對(duì)L和D沼氣工程2017年11月至2018年5月每半月1次的取樣監(jiān)測(cè)，均按照現(xiàn)行國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得本研究所需數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：D工程無(wú)固液分離工藝，不產(chǎn)生沼渣。

Note: D plant does not have solid-liquid separation technology and produce biogas residue.

2 沼氣工程能值分析方法

Odum將能值定義為流動(dòng)或儲(chǔ)存的能量所包含另一種類別能量的數(shù)量，稱為該能量的能值，一般以太陽(yáng)能作為統(tǒng)一基準(zhǔn)來(lái)衡量各種能量[8,10]。太陽(yáng)能值在數(shù)量上即生產(chǎn)這一能量所需的太陽(yáng)能的量，單位為太陽(yáng)能焦耳（sej）。流動(dòng)或儲(chǔ)存的能量所包含的太陽(yáng)能值依靠能值轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行換算。由于本文研究重點(diǎn)為沼氣工程沼液回流工藝，不關(guān)注沼氣工程原料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及三沼(沼氣、沼液、沼渣)的應(yīng)用情況，故本研究系統(tǒng)邊界為原料從養(yǎng)殖場(chǎng)運(yùn)輸開(kāi)始到沼氣工程至三沼的使用結(jié)束。本研究能值基線為15.83×1024[11]。能值轉(zhuǎn)換率與能值基線有著密切關(guān)系，其關(guān)系式如下

2.1 原料及三沼能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定

2.1.1 原料相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)外沼氣工程能值分析的文章中，牛糞、雞糞、豬糞等糞便原料的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)幾乎全部引用自O(shè)dum于1996年給出的2.7×104sej/J[8,12-16]，而2002年Odum及其團(tuán)隊(duì)重新測(cè)定了能值基線，因此本文采用更新的數(shù)據(jù)15.83×1024sej/a[11]。

每個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)情況不同使得不同出處的糞污能值轉(zhuǎn)換系數(shù)不同，如本研究L和D 2座沼氣工程使用的雞糞干清糞品質(zhì)相差較大，L工程的雞糞中明顯混有較多的雞毛和蛋殼。但已有研究對(duì)不同原料的沼氣工程進(jìn)行能值分析時(shí)，在能值轉(zhuǎn)換系數(shù)上沒(méi)有因不同糞便原料而區(qū)別對(duì)待[8,12-16]。當(dāng)前許多沼氣工程原料使用干清糞，其含水率要低于鮮糞。沼氣工程原料能值的投入所占比例較高，通過(guò)多篇文獻(xiàn)對(duì)比分析，總體來(lái)看原料能值占總投入能值的70%[8,12-16]左右，當(dāng)原料的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)改變時(shí)，對(duì)系統(tǒng)總投入能值的影響是不可忽略的[17]。

因此，為更好的分析沼氣工程效益，便于沼氣工程各種技術(shù)模式和工程之間的綜合對(duì)比，在能值分析理論的基礎(chǔ)上引入原料相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的概念以區(qū)分不同原料對(duì)沼氣工程的影響。

目前中國(guó)沼氣工程的主要目的是為了處理廢棄物并達(dá)到資源化利用，可以通過(guò)原料的產(chǎn)甲烷潛力來(lái)衡量原料品質(zhì)，所以不考慮原料真正能值，而是通過(guò)原料的VS含量以及單位VS產(chǎn)甲烷能力來(lái)衡量?，F(xiàn)定義標(biāo)準(zhǔn)糞污的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.5×1011sej/kg，VS百分含量為14%，單位VS產(chǎn)甲烷潛力為250 m3/t[18]。其他原料通過(guò)與其比較，得出相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中1是所求糞污的相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)；0是標(biāo)準(zhǔn)糞污能值轉(zhuǎn)換系數(shù)；0是標(biāo)準(zhǔn)糞污VS百分含量，%；0是標(biāo)準(zhǔn)糞污單位VS甲烷產(chǎn)量，m3；1是所求糞污VS百分含量，%；1是所求糞污單位VS甲烷產(chǎn)量，m3。

2.1.2 三沼能值轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算方法

目前對(duì)于沼氣工程能值分析的案例中，關(guān)于三沼能值及其能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定主要有3種方式：

1）利用投入等于產(chǎn)出，得出三沼的能值，再通過(guò)計(jì)算可得出三沼的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)。但是，對(duì)于三沼這種多產(chǎn)品的情況并沒(méi)有對(duì)產(chǎn)出能值進(jìn)行分配，單獨(dú)產(chǎn)品和多產(chǎn)品的能值均等于投入能值，這樣造成單獨(dú)計(jì)算一種產(chǎn)出時(shí)的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)過(guò)高且不利于工程之間綜合比較。三沼分配產(chǎn)出能值的比例尚無(wú)案可稽。

2）三沼產(chǎn)出的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)直接通過(guò)文獻(xiàn)引用得出。這種方法只能在產(chǎn)出的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)對(duì)結(jié)果分析的影響較小的情況下應(yīng)用，具有一定的局限性。

3）沼液和沼渣折合成氮磷鉀肥料進(jìn)行計(jì)算。由于沼液沼渣主要作為肥料施用，故考慮其氮磷鉀含量作為其優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是比較合理的。本文在此方法的基礎(chǔ)上結(jié)合投入等于產(chǎn)出的原則進(jìn)行改進(jìn)。

沼液、沼渣按其相對(duì)于原料的VS含量來(lái)分配產(chǎn)出能值。

式中Y為沼液能值，sej；為總投入能值，sej；為沼液VS含量，kg；為沼液不回流工藝時(shí)進(jìn)料總VS或沼液回流工藝時(shí)原料總VS含量，kg。

由表1看出沼液回流使得沼液中的氮磷鉀積累，磷和鉀在回流過(guò)程中基本不會(huì)損失，但會(huì)有較多的氨氮轉(zhuǎn)化為氨氣散失。故本文沼液依靠氨氮含量來(lái)計(jì)算其能值轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中為沼液能值轉(zhuǎn)換系數(shù)sej/kg，Y為沼液能值，sej；M為沼液中氨氮質(zhì)量，kg。

式中Y為沼渣的能值，sej；為沼渣的總VS量，kg；為進(jìn)料總VS量，kg。

式中為沼渣能值轉(zhuǎn)換系數(shù)sej/kg；M為沼渣質(zhì)量，kg。

式中Y為沼氣的能值，sej。

式中沼氣的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)；C沼氣產(chǎn)量，m3；為沼氣甲烷含量，m3。

2.2 沼氣工程生態(tài)貢獻(xiàn)能值指標(biāo)

對(duì)于沼氣工程沼液回流的能值分析應(yīng)考慮產(chǎn)生的沼液對(duì)環(huán)境的影響，當(dāng)產(chǎn)生的沼液量超過(guò)了周圍土地所能承受的最大量，排放沼液將會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞，這時(shí)沼氣工程能值分析的投入能值要考慮添加生態(tài)貢獻(xiàn)能值。生態(tài)貢獻(xiàn)能值通過(guò)土地承載力進(jìn)行計(jì)算。在參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)后[19]，確定耕地年施氮限量為200 kg/hm2。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB 8978-1996知排放污水的氨氮含量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于15 mg/L，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于30 mg/L[20]，本文選用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

定義將沼氣工程一年內(nèi)產(chǎn)生的周邊土地?zé)o處消納的沼液相應(yīng)稀釋到規(guī)定濃度排放所需的地下水的能值即為生態(tài)貢獻(xiàn)能值。

式中T為生態(tài)貢獻(xiàn)能值，sej；M為工程一年中產(chǎn)生的氨氮總量，kg；1為土地年施氮限量， kg/hm2；工程周邊土地面積，hm2；2為排放污水的氨氮含量標(biāo)準(zhǔn) kg/kg；為吉布斯自由能（4.94×103J/kg）；為地下水能值轉(zhuǎn)換系數(shù)。

L工程采用回流工藝，故無(wú)法獲得其對(duì)應(yīng)模式不回流狀態(tài)下沼液的氨氮含量。由于沼液不回流模式時(shí)氨氮損失較少，故直接由雞糞含氮量估算L工程一年沼液的氨氮量，雞糞含氮量為2.55%[21]左右，L工程一年處理雞糞2.08×106kg，故沼液不回流模式下沼液的氨氮總量約為5.30×104kg，沼液回流的模式下L工程沼液氨氮質(zhì)量濃度由表1知為7 598 mg/L，沼液量為2 700 m3，沼液氨氮總量為2.05×104kg。D工程不回流模式下產(chǎn)生沼液2.1萬(wàn)m3，沼液氨氮質(zhì)量濃度由表1知為1 756.2 mg/L，計(jì)算可得沼液氨氮總量為3.69×104kg，其回流模式下的沼液氨氮總量無(wú)法得出，由L工程回流和不回流的氨氮損失比例推算出D工程應(yīng)為1.43×104kg。

D工程周邊農(nóng)田約350 hm2，且農(nóng)民普遍能夠接受沼液作為肥料，經(jīng)上述公式計(jì)算，D工程無(wú)需投入生態(tài)貢獻(xiàn)能值。L工程周邊通過(guò)調(diào)研得知僅110 hm2土地可施用沼液，其應(yīng)用回流工藝時(shí)不需要投入生態(tài)能值，但其不應(yīng)用沼液回流需投入生態(tài)能值為1.3×1018sej。

3 沼氣工程沼液回流模式的能值分析

為對(duì)比分析應(yīng)用沼液回流工藝的效益，選擇2座具有代表性的沼氣工程L和D作為案例。兩工程在原有模式的基礎(chǔ)上再設(shè)定一種模式對(duì)應(yīng)，L工程應(yīng)用了沼液回流模式，稱其為模式1，設(shè)定模式2為L(zhǎng)工程不應(yīng)用沼液回流模式的情況。D工程沒(méi)有應(yīng)用沼液回流工藝，稱其為模式1，設(shè)定模式2為工程D應(yīng)用沼液回流的情況。由于D工程沼液為發(fā)酵罐中的上清液溢流產(chǎn)生，溢流后的沼液又經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存罐發(fā)揮了剩余產(chǎn)氣潛力，所以D工程的沼液固體含量很少，其VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.98%±0.95%（表1），不需要固液分離，可以直接進(jìn)行回流。本文沼氣工程L和D實(shí)際運(yùn)行模式的能值投入和產(chǎn)出原始數(shù)據(jù)均來(lái)自工程的工作日志和實(shí)際調(diào)研。圖1為L(zhǎng)和D沼氣工程能值系統(tǒng)圖。

圖1 L和D沼氣工程能值系統(tǒng)圖

3.1 投入能值

土建設(shè)備折舊：L和D工程設(shè)計(jì)使用年限均為20 a，將不同年份且尚在使用的土建設(shè)備按照人民幣購(gòu)買力折算系數(shù)統(tǒng)一折算為2017年的同等購(gòu)買力，再除以使用年限即為工程的土建設(shè)備投入，美元對(duì)人民幣2017年匯率約為6.9人民幣/美元。

同一工程對(duì)照組的以下投入能值會(huì)發(fā)生變化：

1）地下水：按照工程原料兌沼液量或水量一致的原則，根據(jù)工程實(shí)際情況推算出對(duì)照模式下的地下水需求量或沼液的反饋量。

2）燃油：本文中燃油消耗源自原料運(yùn)輸和沼液施用兩部分，對(duì)應(yīng)模式需增加或減去沼液施用時(shí)的燃油消耗量。

3）沼氣產(chǎn)量：由于L工程以雞糞為原料并且常年采用沼液回流模式，故存在較為嚴(yán)重的氨氮抑制情況，由表1知經(jīng)過(guò)沼氣潛力試驗(yàn)測(cè)得L沼氣工程原料VS產(chǎn)甲烷量為（329.1±26.2）mL/g，L工程實(shí)際產(chǎn)沼氣量為（1.9×105）m3/a，沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)為62%。D工程產(chǎn)沼氣量為（2.83×105）m3/a，甲烷體積分?jǐn)?shù)為59%，其中5.5×104m3用于工程自身加熱系統(tǒng)將不計(jì)入產(chǎn)出。通過(guò)其他相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，以牛糞、雞糞等為原料，連續(xù)沼液回流發(fā)酵試驗(yàn)測(cè)得產(chǎn)氣量下降25%～43%[6-7,22-24]，由于實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵裝置較小，罐內(nèi)菌群不如實(shí)際工程豐富，并不能完全模擬沼氣工程實(shí)際情況，綜合考慮本文L和D工程回流工藝產(chǎn)甲烷量設(shè)定為降低25%。

根據(jù)公式（1）、表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)和本文定義的標(biāo)準(zhǔn)糞污能值轉(zhuǎn)換系數(shù)，得L工程雞糞相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為：（5.27×1011）sej/kg，同理可得D工程雞糞的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為（5.37×1011）sej/kg，D工程牛糞的相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為（3.65×1011）sej/kg（表2）。

表2 D&L沼氣工程能值投入

注：L模式1為沼液回流模式，L模式2為沼液不回流模式，D模式1為沼液不回流模式，D模式2為沼液回流模式，下同。

Note: L pattern 1 adopts biogas slurry recycling technology, L pattern 2 does not adopt biogas slurry recycling technology, D pattern 1 does not adopt biogas slurry recycling technology, D pattern 2 adopts biogas slurry recycling technology, the same below.

3.2 產(chǎn)出能值

根據(jù)投入等于產(chǎn)出的原則，L工程的產(chǎn)出能值為2.42×1018sej，由本文2.1.2節(jié)的三沼能值轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算方法和工程沼液年產(chǎn)量2 700 m3，得出沼液分配的產(chǎn)出能值為1.75×1017sej，沼液的氨氮總量為2.05×104kg，故L工程沼液（以氨氮計(jì)）能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為8.54×1012sej/kg。沼渣年產(chǎn)量為80 t，VS為15.27 t，原料VS為467.79 t，故根據(jù)計(jì)算公式得沼渣分配的產(chǎn)出能值為7.90×1016sej，沼渣的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為5.17×1012sej/kg（表3）。沼氣所分配的能值為2.17×1018sej，L工程沼氣甲烷產(chǎn)量為1.29×105m3，故L工程沼氣（以甲烷計(jì)）能值轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.68×1013sej/m3。D工程發(fā)酵罐中間有儲(chǔ)存發(fā)酵罐溢流沼液的儲(chǔ)存罐，其中的上清液直接排出施用，不需再進(jìn)行固液分離，同理得D工程沼液（以氨氮計(jì)）和沼氣的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為2.47×1013sej/kg和1.06× 1013sej/m3。

將三沼的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)統(tǒng)一，再計(jì)算三沼的能值，便于兩工程之間的綜合對(duì)比。為使三沼能值轉(zhuǎn)換系數(shù)盡可能接近真實(shí)值，本文將根據(jù)兩工程實(shí)際情況計(jì)算出的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行平均，用于后續(xù)計(jì)算。

表3 D&L沼氣工程能值產(chǎn)出表Table 3 Emergy output analysis of D&L biogas plant

3.3 綜合分析與評(píng)價(jià)

D工程使用沼氣鍋爐進(jìn)行加熱，每年消耗的沼氣約3.24×104m3，折算成能值為1.30×1018sej，而L工程采用地源熱泵加熱，其地源熱泵消耗的電能約1×105kW·h，折算成能值約1.1×1017sej，當(dāng)D工程采用地源熱泵時(shí)，工程自身加熱所消耗的沼氣將全部計(jì)入產(chǎn)出，其模式1和2的能值產(chǎn)出率將分別提高為1.29和0.88（表4）。

表4 D&L沼氣工程能值指標(biāo)

通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比得出D工程總體要優(yōu)于L工程，這與本實(shí)驗(yàn)室自2017年10月關(guān)注兩工程運(yùn)營(yíng)得出的結(jié)論一致。造成兩工程差距的原因主要有以下幾點(diǎn)。

1）D工程采用混合進(jìn)料的模式有較好的C/N比，利于發(fā)酵。

2）D工程發(fā)酵溫度為42 ℃，L工程為32 ℃?？傮w來(lái)說(shuō)，溫度高一些更利于發(fā)酵。

3）D工程使用牛糞使得其發(fā)酵罐的氨氮濃度維持在3 000 mg/L。

以下，不會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生抑制，而L工程全年使用雞糞這種易造成高氨氮的原料且長(zhǎng)期沼液回流，發(fā)酵過(guò)程受氨氮抑制嚴(yán)重。

4）D工程均使用當(dāng)時(shí)德國(guó)先進(jìn)的設(shè)備及工藝，而L工程許多設(shè)備已老化，D工程原料產(chǎn)氣潛力發(fā)揮較好。

5）L工程原料運(yùn)輸路徑較長(zhǎng)，燃油消耗較多，導(dǎo)致不可再生能源投入大。

L工程沒(méi)有土地消納沼液，故采用沼液回流工藝，不需要投入生態(tài)貢獻(xiàn)能值，對(duì)于L工程采用沼液回流工藝可以不破壞周邊環(huán)境，其利大于弊，L工程沼液回流各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于不回流，故在能值的角度上得出L工程回流模式要優(yōu)于不回流。對(duì)于D工程，雖然采用不回流工藝產(chǎn)生了大量沼液，但有足夠土地消納沼液，同樣不需要投入生態(tài)貢獻(xiàn)能值，D不回流的情況下，產(chǎn)生了大量沼液肥料，提高了產(chǎn)出能值，根據(jù)D工程各指標(biāo)綜合對(duì)比，不回流要優(yōu)于回流。

因沼液不回流時(shí)產(chǎn)生更多沼氣和沼液肥料，故沼氣工程沼液不回流模式總體上要優(yōu)于沼液回流模式。沼液回流會(huì)造成氨氮抑制發(fā)酵產(chǎn)氣，使得氮肥流失，并散失到空氣中污染環(huán)境。但是當(dāng)沼氣工程周邊沒(méi)有足夠土地消納沼液也無(wú)其他途徑可對(duì)沼液進(jìn)行處理的情況下，為了減小對(duì)環(huán)境的污染，采用適當(dāng)?shù)幕亓鞴に囈獌?yōu)于不回流。

雞糞沼氣工程處理2 080 t的雞糞，不進(jìn)行沼液回流的情況下約產(chǎn)生45 t氨氮，按照每公頃土地200 kg氮肥的需求量可計(jì)算出L工程以雞糞（干清糞）為原料每處理1 t雞糞需配備的土地為0.1 hm2；同理，D工程處理1 440 t牛糞（干清糞）在不回流的情況下產(chǎn)生9.2 t氨氮，可計(jì)算D工程以牛糞（干清糞）為原料每處理1 t牛糞需配備的土地為0.04 hm2。由于各工程所使用的原料含水率有差別，故利用原料VS來(lái)推薦沼氣工程處理不同糞便需配備的土地，沼氣工程每處理一噸VS（雞糞）需配備的土地為0.5 hm2/t，處理1 t VS（牛糞）需配備土地0.2 hm2/t。

4 結(jié) 論

該文對(duì)沼氣工程能值分析方法進(jìn)行研究，引入了相對(duì)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)和生態(tài)投入能值的概念，并提出了三沼分配產(chǎn)出能值的方法，通過(guò)案例工程L和D對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，得出結(jié)論如下：回流模式的能值產(chǎn)出率和能值可持續(xù)指標(biāo)要高于不回流。沼氣工程沼液不回流模式總體上要優(yōu)于沼液回流模式，但實(shí)際工程采用回流還是不回流的工藝要根據(jù)具體情況而定，通過(guò)本研究對(duì)沼氣工程的監(jiān)測(cè)分析得出，建議沼氣工程每處理一噸雞糞有機(jī)干物質(zhì)含量VS需配備的土地為0.5 hm2/t，處理一噸牛糞有機(jī)干物質(zhì)含量VS需配備土地0.2 hm2/t，當(dāng)周邊土地小于需配備土地時(shí)，沼氣工程應(yīng)適當(dāng)采用沼液回流。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局. 中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2016[M]. 北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2016.

[2] Zhang Peidong, Yang Yanli, Tian Yongsheng, et al. Bioenergy industries development in China: Dilemma and solution[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9): 2571－2579.

[3] Chen Y, Hu W, Feng Y, et al. Status and prospects of rural biogas development in China[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 39(6): 679－685.

[4] Chen L, Jiang W Z, Kitamura Y, et al. Enhancement of hydrolysis and acidification of solid organic waste by a rotational drum fermentation system with methanogenic leachate recirculation[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(11): 2194－2200.

[5] Shahriari H, Warith M, Hamoda M, et al. Effect of leachate recirculation on mesophilic anaerobic digestion of food waste[J]. Waste Management, 2012, 32(3): 400－403.

[6] 吳樹(shù)彪，黎佳茜，李偉，等. 沼液回流對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性及其動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(10)：241－246.

Wu Shubiao, Li Jiaxi, Li Wei, et al. Influence of biogas refluxing on gas production characteristics and kinetics of anaerobic fermentation of cow manure[J]. Chinese Journal of Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 241－246. (in Chinese with English abstract)

[7] 盧艷娟，尤宇嘉. 沼液回流對(duì)厭氧沼氣工程的影響[J]. 中國(guó)沼氣，2015，33(3)：66－68.

Lu Yanjuan, You Yujia. Influence of biogas reflux on anaerobic biogas project[J]. China Biogas, 2015, 33(3): 66－68. (in Chinese with English abstract)

[8] 吳樹(shù)彪，劉莉莉，劉武，等. 太陽(yáng)能加溫和沼液回用沼氣工程的生態(tài)效益評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：205－210.

Wu Shubi, Liu Lili, Liu Wu, et al. Ecological benefit evaluation of solar heating and biogas reuse project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 205－210. (in Chinese with English abstract)

[9] 劉刈，鄭丹，鄧良偉.畜禽糞污處理沼氣工程現(xiàn)狀調(diào)研及問(wèn)題分析[C]. 第十二屆 (2014)中國(guó)豬業(yè)發(fā)展大會(huì).

[10] Jansson A M, Hammer M, Falke C, et al. Investing in Natural Capital[M]. Covelo: Island Press, 1994: 200－213.

[11] 王紅彥. 基于生命周期評(píng)價(jià)的秸稈沼氣集中供氣工程能值分析[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2016.

Wang Hongyan. Energy Value Analysis of Straw Methane Concentrated Gas Supply Project Based on Life Cycle Evaluation[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[12] 韓芳，林聰. 畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程技術(shù)模式能值評(píng)價(jià)[J].中國(guó)沼氣，2014，32(1)：70－74，56.

Han Fang, Lin Cong. Energy value evaluation of biogas engineering technology model for livestock and poultry farms[J]. China Biogas, 2014, 32(1): 70－74, 56. (in Chinese with English abstract

[13] Jin Y, Chen B. Emergy analysis of a biogas-linked agricultural system in rural China: A case study in Gongcheng Yao Autonomous County[J]. Applied Energy, 2014, 118(1): 173－182.

[14] 林妮娜，陳理，董仁杰. 能值分析應(yīng)用于沼氣工程評(píng)價(jià)中的可能性分析[C]. Proceedings of International Conference on Engineering and Business Management（EBM2010). 2010.

Lin Nina, Chen Li, Dong Renjie. Possibility analysis on applying emergy analysis to evaluation the biogas project[C]// Proceedings of International Conference on Engineering and Business Management（EBM2010). 2010.(In Chinese with English abstract)

[15] Wu X, Wu F, Tong X, et al. Emergy-based sustainability assessment of an integrated production system of cattle, biogas, and greenhouse vegetables: Insight into the comprehensive utilization of wastes on a large-scale farm in northwest China[J]. Ecological Engineering, 2013, 61(19): 335－344.

[16] 孟祥海，周海川，張郁，等. 農(nóng)牧漁復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)能值分析[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，32(1)：133－142.

Meng Xianghai, Zhou Haichuan, Zhang Yu, et al. Energy value analysis of agricultural, animal husbandry and fishery complex ecological breeding system[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2016, 32(1): 133－142. (in Chinese with English abstract)

[17] Wang Y, Lin C, Li J, et al. Emergy analysis of biogas systems based on different raw materials[J]. The Scientific World Journal, 2013, 415812. Doi: 10.1155/2013/415812

[18] 董仁杰，伯恩哈特·藍(lán)寧閣. 沼氣工程與技術(shù)，沼氣指南：從生產(chǎn)到使用[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[19] 潘瑜春，孫超，劉玉，等. 基于土地消納糞便能力的畜禽養(yǎng)殖承載力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(4)：232－239.

Pan Yuchun, Sun Chao, Liu Yu, et al. Carrying capacity of livestock and poultry breeding based on the ability of land to absorb excrement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 232－239. (in Chinese with English abstract)

[20] 林良俊，文冬光，孫繼朝，等. 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題及修訂建議[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(1)：63－64.

Lin Liangjun, Wen Dongguang, Sun Jichao, et al. Problems existing in groundwater quality standard and Suggestions for revision[J]. Hydrogeology Engineering Geology, 2009, 36(1): 63－64. (in Chinese with English abstract)

[21] 汪吉東，張輝，張永春，等. 連續(xù)施用不同比例雞糞氮對(duì)水稻土有機(jī)質(zhì)積累及土壤酸化的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2014(5)：1178－1185.

Wang Jidong, Zhang Hui, Zhang Yongchun, et al. Effects of continuous application of different ratios of chicken manure nitrogen on organic matter accumulation and soil acidification in rice soil[J]. Chinese Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014(5): 1178－1185. (in Chinese with English abstract)

[22] 倪萍，孫昊，吳樹(shù)彪，等. 大中型農(nóng)業(yè)沼氣工程沼液循環(huán)回用影響分析[J]. 可再生能源，2017，35(4)：482－488.

Ni Ping, Sun Hao, Wu Shubiao, et al. Impact analysis on recycling of biogas slurry in large and medium-sized agricultural methane project[J]. Renewable Energy, 2017, 35(4): 482－488. (in Chinese with English abstract)

[23] 鄧玉營(yíng)，黃振興，阮文權(quán)，等. 沼液回流比與有機(jī)負(fù)荷對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(11)：198－206，133.

Deng Yuying, Huang Zhenxing, Ruan wenquan et al. The Effect of biogas slurry reflux thewire and organic load on anaerobic fermentation characteristics of straw [J]. Chinese Journal of Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 198－206, 133. (in Chinese with English abstract)

[24] 張應(yīng)鵬，陳廣銀，黑昆侖，等. 沼液全量連續(xù)回流對(duì)稻秸厭氧發(fā)酵特性的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，33(9)：845－851.

Zhang Yingpeng, Chen Guangyin, Hei Kunlun, et al. Effects of continuous reflux of biogas slurry on anaerobic fermentation characteristics of rice straw[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2017, 33(9): 845－851. (in Chinese with English abstract)

[25] Odu H T. Environmental Accounting: Emergy and Eenvironmental Decision Making[M]. New York, John Wiley, 1996. (in Chinese with English abstract)

[26] 楊慧. 基于能值分析的植物生物質(zhì)能評(píng)價(jià)的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011.

Yang Hui. Study on Biomass Energy Evaluation Based on Energy Value Analysis[D]. Guangzhou: South China Technology University, 2011. (in Chinese with English abstract)

Ecological evaluation of large-scale biogas engineering with biogas slurry recycle mode based on emergy analysis method

Chen Li1,Cui Zhiyang1, Dong Renjie1, Liu Mingyang1, Ju Xinxin2

(1.,100083,; 2.264006,)

Biogas project is a kind of powerful tool for dealing with and utilizing the waste of livestock, and it is crucial to the development of China where the livestock production has been up to 85.378 million tons, while A large amount of biogas slurry will be produced in the process of biogas project operation. If excessive quantities of biogas slurry directly apply to the land, it will be harmful to the environment. How to properly dispose the biogas slurry is the problem which must be solved in the biogas project development process and the technical operation mode should be studied in order to improve its efficiency. At present, recirculation is a common way to reduce the influence of biogas slurry to environment, and appropriate biogas slurry recirculation can improve the stability of fermentation system, reduce the use of groundwater and avoid secondary pollution, but the biogas slurry perennial recirculation will cause lower gas production and choke the pipeline. Emergy analysis was selected in this research in order to compare these two technology modes which were biogas slurry recirculation and no slurry recirculation, however, the application of emergy analysis in biogas project was not mature, there was no difference of transformity between livestock manures and no appropriate emergy distribution method for multi-products output system. In view of this, ‘relative emergy transformity’ had been introduced to differentiate the emergy transformity of chicken and cow manures, ecological input emergy had been introduced to measure the influence of biogas slurry excessive application on the environment, and a method to distribute the output emergy of biogas, slurry and digestate also had been given in this paper. Moreover, two representative biogas plants were selected as cases for study, researchers had observed those two plants for one year, and had done some relative experiments to get data and monitor its status. Each plant, in particular, was designed in two kinds of modes, slurry recirculation or not, to use for contrast and the two plants were analyzed and compared in details by emergy evaluation index system. The results showed that the values of evaluation indexes of biogas plant D were better than L and the mode of no slurry recirculation was better than recirculation, but the recirculation mode can reduce the pollution to the surrounding environment where the biogas slurry had no way to be used. Through the comparative analysis of the two kinds of modes, the value of ELR(environment load rate) could be decreased dramatically from 2.15 to 1.05 by using the recirculation mode in plant L, and the value of ESI(emergy sustainability index) could be increased significantly from 0.41 to 0.93, so the technical mode should be chosen according to conditions and environment of the biogas plant. It is suggested that the dispose of one ton of chicken manure VS by biogas plant should be equipped with 0.5 hm2/t land, and the dispose of one ton of cow manure VS is 0.2 hm2/t, thus the biogas plant should properly use the recirculation mode of the slurry when the surrounding land is less than its need.

biogas; emergy analysis; ecological evaluation; slurry recirculation; relative emergy transformity

2018-12-12

2019-06-28

國(guó)家科技支撐計(jì)劃：城鎮(zhèn)化大宗原料分布式供氣技術(shù)集成與示范（2015BAD21B04）

陳 理，副教授，主要從事生物質(zhì)能源工程與低碳技術(shù)研究。Email：chenli329@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029

S216.4

A

1002-6819(2019)-14-0228-07

陳 理，崔志陽(yáng)，董仁杰，劉名洋，鞠鑫鑫. 基于能值分析的規(guī)?；託夤こ陶右夯亓鞴に嚿鷳B(tài)效益評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(14)：228－234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029 http://www.tcsae.org

Chen Li, Cui Zhiyang, Dong Renjie, Liu Mingyang, Ju Xinxin. Ecological evaluation of large-scale biogas engineering with biogas slurry recycle mode based on emergy analysis method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 228－234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.029 http://www.tcsae.org