引言畜禽粪便属于典型固体废弃物，如果不妥善处理，会对大气、土壤和水体等生态环境造成危害[1-3]，畜禽粪便处置利用的重要性不可忽视。目前，较普遍与成熟的国内畜禽粪便处置利用方法是厌氧发酵和好氧堆肥[4]。以厌氧发酵产沼气发电为代表的沼气工程项目能够改善随意处置畜禽粪便造成的环境问题，从畜禽粪便中回收部分能量（沼气燃烧产生电力）和有机物（氮、磷、钾及微量元素），改善了传统火力发电过程中燃煤燃烧不充分带来的环境问题，成为畜禽粪便资源化利用的热门技术。畜禽粪便发酵产生的沼气可代替化石能源作为燃料，从而减缓环境影响，但沼气生产过程需要外部热源给系统增温保温[5]，沼气燃烧发电具有不确定性[6]，会对环境造成一些不利影响，可以运用生命周期评价方法（LCA）评估畜禽粪便产沼气发电各个过程的环境表现。20世纪60年代，美国中西部资源研究所运用LCA评价方法分析一次性塑料瓶和可回收玻璃瓶两种饮料包装的环境影响表现[7]。随着LCA框架、术语和方法的统一和LCA理论的发展，生命周期评价在绿色建筑[8]、城市垃圾[9]、电子废弃物[10]、生活污水[11]、农业废弃物[12]等领域被广泛应用。王火根[13]等采用生命周期评价方法对比研究沼气发电、秸秆发电与常规煤炭发电3种方式在全生命周期过程中的环境影响和经济效益。李金平[14]等基于生命周期评价方法，分别从经济、能效和环境3个方面分析沼气工程发酵出料中不同处理方式的差异性。宋晓勇[15]等采用生命周期评价方法，以烟台市某奶牛场为例，分析好氧堆肥和黑膜沼气工艺两种粪便处理模式的潜在环境影响，计算处理过程的成本及产出，评价两种粪便处理模式的经济效益。以唐山市某畜禽粪便处理沼气工程项目为案例，以项目正常运行时的生产数据和实际的能源消耗量作为基础数据，计算加权的环境影响潜能值，将项目中沼气发电各阶段的环境潜能值与传统的火力发电进行对比，以期为唐山市畜禽粪便厌氧发酵产沼气发电项目提供参考。1项目概况根据项目的工艺流程划分系统边界，主要涵盖畜禽粪便收运、预处理、厌氧发酵产沼气、沼气脱硫、消化液还田、沼气发电等6个过程；运用LCA分析评估唐山市畜禽粪便产沼气发电项目与传统火力发电项目在各个阶段的环境表现。本研究以唐山市某畜禽粪便资源化利用项目为研究对象，项目的畜禽粪便日处理量为940 t/d，日产沼气量约50 000 m3；沼气发电效率与甲烷浓度有关，一般为1.4~2.0 kWh/m³，文中取1.8 kWh/m³。相关计算以项目每天的发电量为9 000 kWh作为功能单位，材料输入值、电力和柴油等能源消耗、产品（电力和肥料）输出值、各过程污染物排放值均为功能单位下的对应值；火力发电全周期过程的输入、输出及排放也使用该功能单位的对应值作为计算基准。畜禽粪便产沼气发电的系统边界如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.016.F001图1畜禽粪便产沼气发电的系统边界2评价方法2.1阶段划分将唐山市畜禽粪便资源化利用项目分为4个阶段：（1）畜禽粪便收运阶段，污染物主要源自畜禽粪便运输过程的柴油消耗。（2）沼气生产阶段包含畜禽粪便预处理、厌氧发酵两个过程，主要污染物来自设备运行时的电力消耗和厌氧系统增温保温的化石能源消耗。（3）发酵产出物处理阶段主要包括沼气脱硫、消化液还田两个主要流程，主要污染物来自发酵产出物（沼气和消化液）的直接排放。（4）沼气发电阶段，污染物主要为沼气燃烧过程产生的CO2、SO2和NOx。此外，火力发电只考虑煤炭开采、原料运输和燃煤发电阶段3个阶段的物质投入、能源消耗和污染物排放，火力发电的数据源自软件嵌入的中国生命周期基础数据库（CLCD）。为了便于比较两种发电方式的电力生产过程差异性，将沼气发电中的畜禽粪便收运阶段、沼气生产阶段和发酵产出物处理阶段设定为S11，沼气发电阶段设定为S12；将火力发电的煤炭开采、原料运输两个阶段设定为S21，燃煤发电阶段设定为S22。2.2环境影响评价采用排放因子系数法[16]，构建畜禽粪便产沼气发电的生命周期评价模型，根据清单的数据及文献[17]至文献[21]中的计算方法和当量因子、标准化基准值、权重因子。为了识别畜禽粪便产沼气发电过程中，排放二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、甲烷（CH4）和挥发性有机物（VOC）6类污染物对环境的影响，本研究选取全球变暖潜势（GWP）、环境酸化潜势（AP）、富营养化潜势（EP）和人体毒性潜势（HTP）4个环境影响类型进行评估。4类环境影响评价的参数值如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.016.T001表14类环境影响评价的参数值环境影响类型参照物当量因子标准化基准值权重因子GWPCO21.008 7000.240CO2.00CH421.00APSO21.00350.159NOx0.70EPNO3-1.00590.105NOx1.35HTPCO1.009 1000.047SO2100.00NOx65.003评价结果分析沼气发电与火力发电的不同阶段的染物排放量如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.016.T002表2沼气发电与火力发电不同阶段的污染物排放量项目阶段SO2CO2CONOxCH4VOC沼气发电阶段S1125.022 133.123.513.422.523.59阶段S120.191 071.252.612.070.012.08全过程25.213 204.376.125.492.535.67火力发电阶段S216.93450.000.092.5223.3110.80阶段S2282.449 180.0013.8655.620.0917.01全过程89.379 630.0013.9558.1423.4027.81g/kWh由表2可知，沼气发电全过程的SO2排放主要源自阶段S11，该阶段SO2排放量占全过程的99.25%，与厌氧系统增温保温的能源消耗相关；火力发电的SO2排放主要源自阶段S12，占全过程的92.24%，与燃煤的含硫量有关。沼气发电全过程的CO2排放主要源自阶段S11，占全过程的66.57%，可能与柴油生产的能源消耗以及沼气生产的电力消耗具有直接联系；火力发电的CO2排放主要集中在阶段S22，占全过程的95.33%，与沼气发电阶段S12相比，排放量高756.94%，主要与火力发电厂燃煤锅炉的热量利用效率较低相关。沼气发电两个阶段的CO排放量差值较小，分别占全过程的57.35%和42.65%；火力发电两个阶段的CO排放量差异性极大，几乎全部来自阶段S22，比阶段S21高98.71%，与燃煤的不充分燃烧有关。沼气发电的NOx排放量远低于火力发电，尤其在阶段S12的排放量比火力发电少96.27%，与燃料的组成成分直接相关。两种发电方式的CH4排放均集中于阶段1，分别占比全生命周期过程的99.60%和99.62%，与沼气生产过程及燃煤开采过程的直接排放有关。沼气发电全过程的VOC排放量比火力发电少79.61%，主要与原料运输的柴油消耗有关。沼气发电与火力发电的不同阶段的环境影响潜能值如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.016.T003表3沼气发电与火力发电不同阶段的环境影响潜能值项目阶段GWPAPEPHTP沼气发电阶段S116.05×10-21.25×10-28.22×10-31.41×10-2阶段S122.97×10-27.45×10-34.97×10-38.07×10-4全过程9.02×10-21.99×10-21.32×10-21.49×10-2火力发电阶段S212.59×10-23.95×10-26.05×10-34.43×10-3阶段S222.54×10-15.51×10-11.34×10-26.13×10-2全过程2.80×10-15.91×10-11.40×10-26.57×10-2由表3可知，沼气发电全过程的GWP、AP、EP和HTP 4种环境影响类型的加权潜能值均小于火力发电。其中，沼气发电的AP潜能值为1.99×10-2，火力发电为5.91×10-1，两者相差96.64%，表明沼气发电对环境酸化的减排效益远大于火力发电；沼气发电的HTP减排效益为77.32%，GWP和EP分别减排67.78%和5.71%，表明畜禽粪便产沼气发电比火力发电更具减排潜力。4结语（1）分析两种发电方式的污染物排放量发现，沼气发电的污染物排放主要集中于上游的粪便运输及沼气生产阶段，尤其是SO2和CO2的排放量，贡献率分别为99.25%和66.57%，火力发电污染物排放除CH4外，主要集中于燃煤发电阶段。（2）基于LCA分析，畜禽粪便厌氧发酵产沼气发电全生命周期产生污染物对环境影响均明显小于火力发电；其中，环境酸化（AP）的减排能力最显著，沼气发电比火力发电高96.64%。