标准畜当量产甲烷潜力研究

吉 进 朱洪光 成潇伟 徐宇鹏

（同济大学新农村发展研究院，上海 201804）

随着我国养殖业规模化的快速发展，畜禽粪污的产生量越来越多。沼气技术作为一项能够处理农业废弃物并能够产生可再生能源的环境工程技术，正备受关注。当前我国也大力支持沼气工程建设，积极推进农村沼气工程转型升级，开展以县为单位的农业废弃物资源化利用试点工作，并投入大量资金支持养殖大县整县推进粪污资源化利用。

对于县域范围内的畜禽养殖业而言，往往是以生猪、肉牛、禽类养殖为主，多种畜禽养殖共同发展的产业格局，在进行沼气与生物天然气产业发展时，不同畜禽的排污系数与产甲烷潜力不同，不利于进行区域内的统一规划。因此，本文将对产排污系数、猪粪的产气潜力等参数进行系统的梳理和总结，计算出合理的标准畜当量的产气量，便于以后的统计与规划。

1 畜禽排污系数的确定

我国工业化畜禽养殖业起步较晚，相关的研究进行得比较晚。由于我国养殖的畜禽种类众多，主要统计资料大多将畜禽简化为生猪、肉牛、奶牛、肉鸡和蛋鸡5类，为了与国家统计资料衔接，产排污系数的研究也主要围绕这5种畜禽开展，其中生猪和奶牛的研究最多，其他畜禽种类大多根据《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）中相关规定折算为生猪当量。

牛若峰全面地介绍了畜禽的产排污系数，其中规定一头生猪每天的粪便排泄量是2 kg，尿污水量为10 L［1］。但是，畜禽在不同饲养阶段和不同养殖方式下会有不同的产排污系数，因而需要对其分别进行讨论。其中，我国2008年发布的《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》详细地介绍了各地区生猪在保育阶段（参考体质量32 kg）、育肥阶段（参考体质量72 kg）和妊娠阶段（参考体质量232 kg）的产排污系数［2］。谢飞、汪开英、蒋治国等［3-5］均对不同饲养阶段生猪的产排污系数进行了调查与研究。郭德杰等［6］对不同猪群粪、尿产生量进行了检测，发现公猪粪尿日产生量及养分日产生量均显著大于其他猪群，哺乳仔猪粪尿日产生量及养分日产生量均显著小于其他猪群，平均日产量在0.88～2.53 kg。统计各技术手册及相关研究中关于华东地区生猪的产排污系数，汇总如表1所示。

对上述研究结果进行总结可知，畜禽粪污的产排污系数会因畜种、饲养管理水平、气候、季节等情况而产生较大差异，一头生猪每天的粪便量为0.88～4.76 kg。通过对崇明沼气工程和阜南县在运营沼气工程的调研可知，在实际工程中一般会取2.00 kg作为一头生猪的粪便日产量，以便于工程的相关数据估算。

2 甲烷产量的计算方法

2.1 COD转换计算甲烷产量

根据Mccarry的报告［8］，假定厌氧消化过程中，有机物能够被充分分解、利用，同时不吸收外界的氧气，则可以建立下面的反应平衡式：COD进料-COD出料=CODCH4

。

厌氧消化时，甲烷主要来源于醋酸的降解，在厌氧发酵中如不考虑基质被合成为菌体，则可以建立化学反应式1：CH3COOH→CH4+CO2。而醋酸被完全氧化成二氧化碳和水，其转化为反应式2：CH3COOH+2O2→2CO2+2H2O。

醋酸的COD即为化学反应式2中所消耗的氧，即1 g氧能够氧化0.937 5 g醋酸，根据化学反应式1计算，能产生0.25 g甲烷，在标况下的体积为0.35 L。而厌氧消化过程中合成甲烷的另一条途径是由氢还原二氧化碳，该部分占比较少，且其计算结果与醋酸转化是相同的。

表1 华东地区生猪产排污系数

在确定有机物的甲烷产量时还需要考虑温度和压力对气体体积的影响，因此实际的甲烷产量可由公式（1）计算得到。

式（1）中，Q表示1 g COD转化后能够得到的甲烷体积，单位为L；T表示试验时的温度；P标表示标准大气压；P实表示试验时所测得的实际大气压。

由于各种有机物用高锰酸钾法和重铬酸钾法测得的COD会因有机物种类不同而相差不一，且大部分有机物不能完全被氧化。而COD产甲烷的理论计算是进出料在彻底氧化时的耗氧量之差，所以需要引入系数k1来对甲烷产量进行修正。其中，k1=有机物最大氧化率/有机物氧化率。有机物最大氧化率可以用延长有机物与重铬酸钾的煮沸时间或增加重铬酸钾浓度来求得，对于大部分有机物来说，其氧化率在达95%以上。所以k1值略大于1，但对直链烃、芳香烃及苯等有机物来说，k1值需另外确定。

同时，尽管厌氧消化过程中所产生的菌体很少，但总有一些基质会被用于菌体的合成，因此需要引入系数k2来对甲烷产量进行修正。其中，k2=CODCH4/COD=（CODCOD细菌）/COD。由于用于菌体合成的有机物占总量的比例较小，因此系数k2的值为0.97～0.99。

通过系数k1和k2的引入，可以得到修正后的有机物厌氧消化产甲烷体积公式，见公式（2）。

成潇伟等［9］对纯猪粪进行厌氧消化试验，室温为20℃，气压为标准大气压时，得到猪粪平均COD去除量为68 498.00 mg/L，发酵液中的猪粪平均质量比例为28.72%，取k1和k2的中间值，当猪的排泄量为2 kg/d时，标准畜当量的产甲烷潜力约为180.23 L/d，取沼气甲烷平均含量为60%计，折算得到产沼气潜力约为0.30 m3/d。由上文确定的华东地区每头生物每天排泄粪便的质量范围，COD转换计算的标准猪当量产气潜力范围为0.132～0.714 m3/d。

通过测COD计算产甲烷量适于测小剂量的试验样品，而在实际工程中由于测量的烦琐性和样品间的差异性，进出液的COD值波动范围较大，因此在实验室中测量COD的方法并不能完全适用于实际工程中。需要引入沼气工程中猪粪的COD去除率r来对公式（2）进行修正，得到沼气工程中产气潜力计算公式（3）。

式（3）中，r表示沼气池中猪粪COD的去除率。

张进等［10］对标准户用沼气池处理养猪场废水进行了研究，12月中旬之前COD的去除率为92%。程洋等［11］通过搅拌对猪粪进行半干法发酵，45 d后COD的去除率为91.96%。侯如梁等［12］对新疆维吾尔自治区石河子市一座100 m3膜结构水压式沼气池进行研究，发现COD的去除率为65%。因此，COD的去除率会受工艺选择设备环境条件的影响，在计算时要以实际工程参数为标准进行研究。

2.2 化学式计算甲烷理论产量

由于在猪粪的厌氧消化过程中，甲烷是由猪粪中的碳元素转换所得到的，因此可以由猪粪的化学式，根据巴斯维尔—穆勒公式［13］来计算甲烷的理论产量，公式如下：

晏红梅［14］发现猪粪5种组成元素的含量分别是氮0.808%～4.238%、碳25.072%～47.158%、氢3.650%～10.388%、硫0.280%～0.986%以及氧0.808%，所有样品的各元素范围很大，5种元素质量分数变化幅度较大，因此通过化学式确定甲烷产气量需要对样品进行检测以确定所用猪粪的5种元素成分组成。

孙辰等［15］对采集的猪粪进行了测试，发现试验用猪粪化学式为C161H327O103N10S，根据巴斯维尔—穆勒公式，单位摩尔的猪粪可得70 mol二氧化碳和92 mol甲烷。假设所采集的猪粪中的碳元素处于理想条件，能够完全转化为甲烷和二氧化碳，则经过换算，可以得到猪粪理论的生化产甲烷潜力为646.7 mL CH4/g VS。

以每头生猪每天的粪便产量为2 kg，猪粪的挥发性固体量（VS）为386.02 g来计算，通过化学式计算理论甲烷产量的方法可以得到标准畜当量的产甲烷潜力为249.64 L，折算得到产沼气潜力为0.416 07 m3。由上文确定的华东地区猪粪质量范围，猪粪化学式的理论产气潜力范围为0.18～0.99 m3。

2.3 经验值计算沼气产量

国外对厌氧消化产气量的核算方法展开了大量研究，获得了多种农业废弃物产气量的基础参数。能值潜力估算动物数据库型（ABEPE）为厌氧消化沼气产量的测算提供了依据，得到了多国研究人员的认可。

希腊研究人员Batzias等［16］于2003年提出了ABEPE模型，用于计算希腊全境沼气产气量，该模型以各类农业废弃资源（农作物秸秆、畜禽粪污）的干物质质量与产气因子为出发点，采用公式（5）估算相应物质的产气量，经过近几年的发展，该模型理念已经成熟。

式（5）中，Bi表示第i种物质的理论产气量，单位为m3；Faci表示第i种物质单位质量干物质的产气因子（在35℃的条件下测定），单位为m3/kg；DMi表示第i种物质的干物质质量，单位为kg。

研究中猪粪的产气因子一般以0.42 m3/kg来计［16］，猪粪一天的干物质产量以0.43 kg来计［17］，通过ABEPE模型公式来计算，可得标准畜当量的产气潜力为0.18 m3/d。

熊承永［18］也对沼气产气量的经验计算进行了研究，通过归纳总结得到了公式（6），用于计算畜禽粪污的沼气产量。

式（6）中，Q表示畜禽粪污的沼气产量，单位为m3；k表示发酵原料产气率；n表示畜禽养殖数量；M表示一头畜禽的粪便日产量，单位为kg；TS表示畜禽粪便的干物质量。

研究中所用的参数为猪粪日产量5 kg、干物质量20%、原料产气率0.3，通过计算可以确定标准畜当量的产气潜力为0.30 m3/d。

而通过试验可以测得猪粪的实际产甲烷潜力，胡玉瑛等［19］研究表明猪粪的产甲烷潜力为190.03 mL/g，孙辰等［15］的研究表明猪粪的产甲烷潜力为479.40 mL/g，王明等［20］研究表明猪粪的产甲烷潜力为508.00 mL/g。上述产甲烷潜力均以CH4/VS add计，通过计算，可得到标准畜当量的产气潜力分别为0.081、0.206、0.218 m3/d。

3 结论

通过上文的分析可得，COD转换计算和化学式计算这两种方法受生猪排污系数影响较大，标准畜当量产甲烷潜力在0.13～0.99 m3/d之间大幅波动。当每头猪每天粪便排泄量为2 kg时，利用3种方法计算可得标准畜当量的产气潜力为0.18～0.42 m3/d。上述结果表明不同计算方法下标准畜当量的产气潜力相差较大。

我国农业部于2011年发布的《沼气工程规模分类》（NY/T 667—2011）中规定一个猪当量的粪便产气量约为0.1 m3。《沼气产量计算及热值换算方法大全》中记录5头猪的粪便产气量约为1.0 m3，这与ABEPE模型计算所得的值较为接近，会更加符合工程中的实际情况。