论文部分内容阅读
中图分类号：S8-1 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2017）08-0106-03
2.3 粪便处理生命周期评估
虽然研究表明饲料始终是家畜生产最大的环境压力，但在养殖地区，粪便处理是更大的问题，因为如果排泄物管理不善，N和P有可能流失进入淡水和地下水，NH3也存在酸化风险。可通过厌氧消化等技术减少直接施肥等传统处理方式带来的风险，同时沼气生产还可获得新效益。有效施肥也可减少化肥用量。LCA分析方法已经大量应用于猪粪分析。
法国布列塔尼地区是硝酸盐脆弱区，所以养猪户将粪污集中输送给周边地区的种植业农户。研究人员调查了这是否为最环保的策略。作者模拟了现场存放、运输至种植园、临时贮存及施肥的过程。其次考虑生物处理（有氧）。先进行离心固液分离，液体经过硝化（氧化为NO3）和脱氮，将NO3分解为无害的元素N。固体则堆肥并用作肥料。由于减少了气体排放和化石燃料消耗，施肥方式对环境更友好。
利用归果模型评估丹麦和整个欧盟粪便管理和利用的最佳技术。作者根据处理阶段（无处理、厌氧消化或固/液分离）、贮存阶段（厌氧池或自然存放池）和施肥阶段（地表施肥、快速掺入，浅层注射或深层注射）共分为12种情景。研究发现，综合使用厌氧消化与地表贮存对GWP和水生EP影响最小，能源和营养成分回收效率高。
使用LCA方法比较欧洲西北部地区猪粪单独厌氧消化或与其他成分一起消化的环境影响。共有6种情景，第一种是猪粪单独消化，另外五种分别与玉米青贮、玉米青贮及甘油、甜菜根、小麦酵母浓缩物和杂草共同消化。作者发现，与撒施相比，猪粪单独消化具有相同（海洋EP、土地占用和颗粒物形成）或更低的环境影响（淡水EP、化石燃料消耗和GWP）。单独消化的环保效果比共同消化更好，但是生成的生物能源较少。
西班牙使用LCA方法比较了粪污撒施与人工湿地处理的环境影响。液體粪水已经通过澄清设备与固体进行了机械分离，并通过湿地进行生物、化学和物理学处理。湿地系统通常由多个池组成，综合了沉淀、过滤、微生物降解和植物摄取营养成分等功能，以对废水进行净化。粪污的固体部分被撒到土壤中，处理过的液体成分可用作灌溉水或排放到水道。直接撒施对生物枯竭、AP和EP的效果优于湿地处理。湿地情景的GWP较优。
在猪舍中使用V型带对猪粪固体和液体部分进行分离的新技术，证明可降低对环境的影响。研究人员使用LCA比较了荷兰肥育猪舍标准粪便储存和施用（通过灌注）与有氧贮存固体粪便及厌氧贮存液体粪便的效果，尿液被储存在带盖的坑内。研究分析了四种影响类别：AP（陆地）、EP（海洋）、GWP和颗粒物形成（PMF）。对于AP、GWP和PMF，该分离方式较传统撒施方式更有效，而液体肥料的分离比固体粪便略好。
使用归果建模法分析丹麦肥育猪舍分离消化猪粪的影响和收益。研究从两个方面对分离粪便进行了分析：一是对分离已消化粪便（在沼气厂发酵后富磷部分立即施用于缺磷土壤）与常规处理方式（沼气厂发酵后现场贮存和撒施）进行比较；二是考虑现场分离、沼气生产的全系统与消化粪便处理得比较。由于减少了室外贮存引起的CH4排放，分离法的GWP略好于常规处理法。从全系统角度看，由于沼气生产减少了化石燃料能源的使用，因此分离法优于常规处理法。全系统情景对矿物肥料需求大幅度下降，因为在沼气生产后进行分离期间，大量的磷被除去。
法国布列塔尼地区也使用LCA评估了硝酸盐脆弱区猪粪的生物（有氧）处理。作者使用混合排放模型（即来自矿物肥料的NH3和有机肥料的NH3来计算施肥产生的排放。研究考虑了需氧处理（例如离心、堆肥、生物处理等）的所有过程，并将结果与不经处理的标准场景进行比较。总体而言，处理对环境的影响要小于不处理，特别是GWP。在意大利分析了猪粪、玉米和黑小麦共消化系统中沼气生产的环境影响。四个子系统设计如下：生物质生产（玉米和黑小麦）；原料运输和加工；生物能源生产厂及消化液管理（贮存和施肥）。猪粪生产被排除在系统边界之外。研究重点是能源生产，功能单位为100 kWh。结果发现生物质子系统对AP和EP产生的影响最大，主要是因为使用肥料，作物吸收二氧化碳对GWP有积极的影响。生物能源生产对GWP有重大影响，沼液储存对AP和EP也是一个问题，但共消化物施用与土壤降低了矿物肥料的需求，因而产生效益。
中国的研究人员对常规粪便处理方法与及建议的替代方法进行了比较。常规方法在一年中收集粪便和废水九个月，并将其运送到沼气厂。在夏季，粪便被送到一个堆肥厂并加入大量木屑。在沼气工厂，猪粪通常与家禽粪便共同消化，污水在曝气设备/沼气池中处理。替代方案方法是将粪便仅在堆肥厂处理，以玉米秸秆和矿物磷替代锯屑，而废水仍被送到沼气厂。替代系统不使用曝气设备，而是使用带盖的沼气池防止CH4和NH3排放。作者认为，提出的方案可使AP、EP和GWP分别减少64.1%，96.7%和22%。该研究还指出，在替代方法中，可持续有机肥使用所需的土地占用可以从238 hm2（常规情况）降低到139 hm2。
西班牙评估了猪粪与农业加工废弃物厌氧共消化的效果。以猪粪单一发酵作为基础情景（M），有三种共发酵替代情景：（C1）糖蜜和鱼类废弃物与粪便；（C2）粪便与生物柴油废弃物及（C3）粪便与酒糟废弃物（糖蜜副产物）。共构建6个子系统，分别为：粪便和共同消化底物的供应和贮存；预处理（巴氏消毒）；厌氧消化；能源回收单元；沼液储存；沼液施用。总体来看，共消化比单一发酵更有利，但是C3除外，其效果大大低于其他情景，特别是AP和EP。在所有影响类别中C2表现最为有利。沼液施用子系统对AP和EP产生的影响最大，而粪便与共同底物的供应和贮存对GWP影响最大。
丹麦对未处理粪水直接撒施与四种不同处理技术进行了比较。第一种用机械螺旋压榨机对粪污进行处理，其中液体部分由生产粪污的农场使用，固体部分被运送至接收地。第二种采用螺杆压榨法及运输前固体堆肥，第三种采用沉降式离心分离，液体部分由生产粪污的农场使用，固体部分被运送至接收地，第四种采用NH3洗脱离心分离生产压实的氮肥。由于有毒化合物会破坏厌氧发酵的生物处理，NH3洗脱是降低氮含量的一种最适的理化方法。分离和处理对整体环境影响较小，离心技术最为有利。由于矿物肥料需求减少，撒施需要的化石燃料消耗更少。 3 讨论
很少有食品行业像养猪及猪肉生产业那样受到如此多的环保关注。这是由于畜牧业往往是低效率的自然资源使用者，而猪肉是世界上消费量最大的肉类。
3.1 饲料
研究表明养猪业环境问题的焦点正在转移。饲料生产是猪供应链中环境影响最大的环节，因此大量研究关注于如何减少饲料生产的环境负担。文献中反复出现的最常见主题是用合成氨基酸替代粗蛋白。结果表明，饲用氨基酸可显著降低与大豆生产、加工和运输相关的风险。猪饲料中添加植酸酶也可减少无机磷的需求，具有积极的意义。另一方面，Stone等（2011）發现猪饲料中添加治疗水平的抗菌药会增加环境负担，特别是在能源消耗和全球气候变暖潜能方面。这表明生产力提高所带来的益处可能会潜在地被环境破坏产生的不良后果所抵消。
3.2 系统比较
生猪生产全系统生命周期评估比较了不同舍饲单元的环境绩效。在澳大利亚，发酵床对环境的危害要小于传统的板条地板，而美国则相反。这主要是由于建模系统的集约化程度和生产效率所致。澳大利亚将发酵床饲养视为一种集约化系统，而美国将其视为低生产力的粗放饲养方式。这表明提高效率特别是饲料效率可以显著改善环境绩效。另有两项研究表明，提高牧场生产效率（主要是饲料）可降低与养猪相关的环境和经济成本。
多项生猪生产全系统生命周期评估研究对常规和替代系统进行了比较。这些研究强调了功能单位和模型范围的重要性。在生猪生产LCA分析中，最常见的功能单位是1 kg猪肉（活重或宰后重）。但用于低密度生产系统时，这种功能单位会使结果产生偏倚。此时可以引入第二功能单位——1 hm2土地使用——来进行更严格的比较。使用1 hm2的功能单位，粗放系统的表现通常优于集约化室内饲养系统。使用1 kg的功能单位，集约化系统的环境负担通常会更低。虽然这增加了科学的可靠性，但使结果比较时有一定的难度。
3.3 粪污处理及利用
可能是由于提出了欧盟水框架指令（CEC，2005）目标的缘故，近年来粪便处理相关的生命周期分析在欧盟受到广泛关注。粪便处理是养猪生产中最为关注的地方性问题，因为动物粪便中氮磷含量高。大多数粪便处理LCA研究评估了传统处理技术及新技术如分离和需氧或厌氧处理。研究中普遍的共识是处理后的粪便或粪水比未经处理的排泄物环境负担更小。传统的撒施方式优于人工湿地，对需氧处理的影响要小一些。尽管这些研究发现撒施比有氧发酵和湿地处理更加环保，但厌氧发酵相对撒施存在多种好处，比如沼气生产可减少化石燃料消耗。
3.4 范围与功能单位问题
对大多数研究而言，模型范围、功能单位和假设是不同的，这妨碍了案例研究之间的准确比较。即便在生猪生产全系统生命周期评估中，范围和功能单位基本相似，也存在着影响方法和类别等方法决策问题。以饲料、全系统分析和粪便处理分析为重点，可获得更为清晰的认识，因为这些主题中的目标往往类似。
3.5 进一步的研究
世界各地特别是欧洲生猪生产开展了大量的生命周期评估研究。但还有许多新的方面需要关注。例如，将海藻提取物加入猪饲料中以增加猪肉中的抗氧化剂含量，海藻还含有大量的氨基酸，有助于减少大豆的使用量，但这种正在开发的技术尚未在猪LCA中予以考虑。
4 结论
本文综述了生猪生产生命周期评估研究成果。过去10年进行的研究已经变得越来越专业化，通常专注于饲料生产或粪便处理。添加合成氨基酸以减少动物饲料中粗蛋白含量已成为一个广泛的研究课题，猪粪通过厌氧消化作为沼气来源也表现出环境绩效的潜在改善。但是不同的目标、功能单位、范围和模型假设使得生命周期评估之间的准确比较变得困难。不过通过饲料、全系统分析和粪便处理这三个主题进行分类研究，可以进行更广泛的比较。
原题名：A thematic review of life cycle assessment （LCA） applied to pig production（英文）
原作者：Graham McAuliffe、Deborah Chapman和Colin Sage
2.3 粪便处理生命周期评估
虽然研究表明饲料始终是家畜生产最大的环境压力，但在养殖地区，粪便处理是更大的问题，因为如果排泄物管理不善，N和P有可能流失进入淡水和地下水，NH3也存在酸化风险。可通过厌氧消化等技术减少直接施肥等传统处理方式带来的风险，同时沼气生产还可获得新效益。有效施肥也可减少化肥用量。LCA分析方法已经大量应用于猪粪分析。
法国布列塔尼地区是硝酸盐脆弱区，所以养猪户将粪污集中输送给周边地区的种植业农户。研究人员调查了这是否为最环保的策略。作者模拟了现场存放、运输至种植园、临时贮存及施肥的过程。其次考虑生物处理（有氧）。先进行离心固液分离，液体经过硝化（氧化为NO3）和脱氮，将NO3分解为无害的元素N。固体则堆肥并用作肥料。由于减少了气体排放和化石燃料消耗，施肥方式对环境更友好。
利用归果模型评估丹麦和整个欧盟粪便管理和利用的最佳技术。作者根据处理阶段（无处理、厌氧消化或固/液分离）、贮存阶段（厌氧池或自然存放池）和施肥阶段（地表施肥、快速掺入，浅层注射或深层注射）共分为12种情景。研究发现，综合使用厌氧消化与地表贮存对GWP和水生EP影响最小，能源和营养成分回收效率高。
使用LCA方法比较欧洲西北部地区猪粪单独厌氧消化或与其他成分一起消化的环境影响。共有6种情景，第一种是猪粪单独消化，另外五种分别与玉米青贮、玉米青贮及甘油、甜菜根、小麦酵母浓缩物和杂草共同消化。作者发现，与撒施相比，猪粪单独消化具有相同（海洋EP、土地占用和颗粒物形成）或更低的环境影响（淡水EP、化石燃料消耗和GWP）。单独消化的环保效果比共同消化更好，但是生成的生物能源较少。
西班牙使用LCA方法比较了粪污撒施与人工湿地处理的环境影响。液體粪水已经通过澄清设备与固体进行了机械分离，并通过湿地进行生物、化学和物理学处理。湿地系统通常由多个池组成，综合了沉淀、过滤、微生物降解和植物摄取营养成分等功能，以对废水进行净化。粪污的固体部分被撒到土壤中，处理过的液体成分可用作灌溉水或排放到水道。直接撒施对生物枯竭、AP和EP的效果优于湿地处理。湿地情景的GWP较优。
在猪舍中使用V型带对猪粪固体和液体部分进行分离的新技术，证明可降低对环境的影响。研究人员使用LCA比较了荷兰肥育猪舍标准粪便储存和施用（通过灌注）与有氧贮存固体粪便及厌氧贮存液体粪便的效果，尿液被储存在带盖的坑内。研究分析了四种影响类别：AP（陆地）、EP（海洋）、GWP和颗粒物形成（PMF）。对于AP、GWP和PMF，该分离方式较传统撒施方式更有效，而液体肥料的分离比固体粪便略好。
使用归果建模法分析丹麦肥育猪舍分离消化猪粪的影响和收益。研究从两个方面对分离粪便进行了分析：一是对分离已消化粪便（在沼气厂发酵后富磷部分立即施用于缺磷土壤）与常规处理方式（沼气厂发酵后现场贮存和撒施）进行比较；二是考虑现场分离、沼气生产的全系统与消化粪便处理得比较。由于减少了室外贮存引起的CH4排放，分离法的GWP略好于常规处理法。从全系统角度看，由于沼气生产减少了化石燃料能源的使用，因此分离法优于常规处理法。全系统情景对矿物肥料需求大幅度下降，因为在沼气生产后进行分离期间，大量的磷被除去。
法国布列塔尼地区也使用LCA评估了硝酸盐脆弱区猪粪的生物（有氧）处理。作者使用混合排放模型（即来自矿物肥料的NH3和有机肥料的NH3来计算施肥产生的排放。研究考虑了需氧处理（例如离心、堆肥、生物处理等）的所有过程，并将结果与不经处理的标准场景进行比较。总体而言，处理对环境的影响要小于不处理，特别是GWP。在意大利分析了猪粪、玉米和黑小麦共消化系统中沼气生产的环境影响。四个子系统设计如下：生物质生产（玉米和黑小麦）；原料运输和加工；生物能源生产厂及消化液管理（贮存和施肥）。猪粪生产被排除在系统边界之外。研究重点是能源生产，功能单位为100 kWh。结果发现生物质子系统对AP和EP产生的影响最大，主要是因为使用肥料，作物吸收二氧化碳对GWP有积极的影响。生物能源生产对GWP有重大影响，沼液储存对AP和EP也是一个问题，但共消化物施用与土壤降低了矿物肥料的需求，因而产生效益。
中国的研究人员对常规粪便处理方法与及建议的替代方法进行了比较。常规方法在一年中收集粪便和废水九个月，并将其运送到沼气厂。在夏季，粪便被送到一个堆肥厂并加入大量木屑。在沼气工厂，猪粪通常与家禽粪便共同消化，污水在曝气设备/沼气池中处理。替代方案方法是将粪便仅在堆肥厂处理，以玉米秸秆和矿物磷替代锯屑，而废水仍被送到沼气厂。替代系统不使用曝气设备，而是使用带盖的沼气池防止CH4和NH3排放。作者认为，提出的方案可使AP、EP和GWP分别减少64.1%，96.7%和22%。该研究还指出，在替代方法中，可持续有机肥使用所需的土地占用可以从238 hm2（常规情况）降低到139 hm2。
西班牙评估了猪粪与农业加工废弃物厌氧共消化的效果。以猪粪单一发酵作为基础情景（M），有三种共发酵替代情景：（C1）糖蜜和鱼类废弃物与粪便；（C2）粪便与生物柴油废弃物及（C3）粪便与酒糟废弃物（糖蜜副产物）。共构建6个子系统，分别为：粪便和共同消化底物的供应和贮存；预处理（巴氏消毒）；厌氧消化；能源回收单元；沼液储存；沼液施用。总体来看，共消化比单一发酵更有利，但是C3除外，其效果大大低于其他情景，特别是AP和EP。在所有影响类别中C2表现最为有利。沼液施用子系统对AP和EP产生的影响最大，而粪便与共同底物的供应和贮存对GWP影响最大。
丹麦对未处理粪水直接撒施与四种不同处理技术进行了比较。第一种用机械螺旋压榨机对粪污进行处理，其中液体部分由生产粪污的农场使用，固体部分被运送至接收地。第二种采用螺杆压榨法及运输前固体堆肥，第三种采用沉降式离心分离，液体部分由生产粪污的农场使用，固体部分被运送至接收地，第四种采用NH3洗脱离心分离生产压实的氮肥。由于有毒化合物会破坏厌氧发酵的生物处理，NH3洗脱是降低氮含量的一种最适的理化方法。分离和处理对整体环境影响较小，离心技术最为有利。由于矿物肥料需求减少，撒施需要的化石燃料消耗更少。 3 讨论
很少有食品行业像养猪及猪肉生产业那样受到如此多的环保关注。这是由于畜牧业往往是低效率的自然资源使用者，而猪肉是世界上消费量最大的肉类。
3.1 饲料
研究表明养猪业环境问题的焦点正在转移。饲料生产是猪供应链中环境影响最大的环节，因此大量研究关注于如何减少饲料生产的环境负担。文献中反复出现的最常见主题是用合成氨基酸替代粗蛋白。结果表明，饲用氨基酸可显著降低与大豆生产、加工和运输相关的风险。猪饲料中添加植酸酶也可减少无机磷的需求，具有积极的意义。另一方面，Stone等（2011）發现猪饲料中添加治疗水平的抗菌药会增加环境负担，特别是在能源消耗和全球气候变暖潜能方面。这表明生产力提高所带来的益处可能会潜在地被环境破坏产生的不良后果所抵消。
3.2 系统比较
生猪生产全系统生命周期评估比较了不同舍饲单元的环境绩效。在澳大利亚，发酵床对环境的危害要小于传统的板条地板，而美国则相反。这主要是由于建模系统的集约化程度和生产效率所致。澳大利亚将发酵床饲养视为一种集约化系统，而美国将其视为低生产力的粗放饲养方式。这表明提高效率特别是饲料效率可以显著改善环境绩效。另有两项研究表明，提高牧场生产效率（主要是饲料）可降低与养猪相关的环境和经济成本。
多项生猪生产全系统生命周期评估研究对常规和替代系统进行了比较。这些研究强调了功能单位和模型范围的重要性。在生猪生产LCA分析中，最常见的功能单位是1 kg猪肉（活重或宰后重）。但用于低密度生产系统时，这种功能单位会使结果产生偏倚。此时可以引入第二功能单位——1 hm2土地使用——来进行更严格的比较。使用1 hm2的功能单位，粗放系统的表现通常优于集约化室内饲养系统。使用1 kg的功能单位，集约化系统的环境负担通常会更低。虽然这增加了科学的可靠性，但使结果比较时有一定的难度。
3.3 粪污处理及利用
可能是由于提出了欧盟水框架指令（CEC，2005）目标的缘故，近年来粪便处理相关的生命周期分析在欧盟受到广泛关注。粪便处理是养猪生产中最为关注的地方性问题，因为动物粪便中氮磷含量高。大多数粪便处理LCA研究评估了传统处理技术及新技术如分离和需氧或厌氧处理。研究中普遍的共识是处理后的粪便或粪水比未经处理的排泄物环境负担更小。传统的撒施方式优于人工湿地，对需氧处理的影响要小一些。尽管这些研究发现撒施比有氧发酵和湿地处理更加环保，但厌氧发酵相对撒施存在多种好处，比如沼气生产可减少化石燃料消耗。
3.4 范围与功能单位问题
对大多数研究而言，模型范围、功能单位和假设是不同的，这妨碍了案例研究之间的准确比较。即便在生猪生产全系统生命周期评估中，范围和功能单位基本相似，也存在着影响方法和类别等方法决策问题。以饲料、全系统分析和粪便处理分析为重点，可获得更为清晰的认识，因为这些主题中的目标往往类似。
3.5 进一步的研究
世界各地特别是欧洲生猪生产开展了大量的生命周期评估研究。但还有许多新的方面需要关注。例如，将海藻提取物加入猪饲料中以增加猪肉中的抗氧化剂含量，海藻还含有大量的氨基酸，有助于减少大豆的使用量，但这种正在开发的技术尚未在猪LCA中予以考虑。
4 结论
本文综述了生猪生产生命周期评估研究成果。过去10年进行的研究已经变得越来越专业化，通常专注于饲料生产或粪便处理。添加合成氨基酸以减少动物饲料中粗蛋白含量已成为一个广泛的研究课题，猪粪通过厌氧消化作为沼气来源也表现出环境绩效的潜在改善。但是不同的目标、功能单位、范围和模型假设使得生命周期评估之间的准确比较变得困难。不过通过饲料、全系统分析和粪便处理这三个主题进行分类研究，可以进行更广泛的比较。
原题名：A thematic review of life cycle assessment （LCA） applied to pig production（英文）
原作者：Graham McAuliffe、Deborah Chapman和Colin Sage