Comprehensive evaluation research of livestock and poultry waste treatment technologies in the ecological fragile areas of Northwest China
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摘要:
畜禽粪污处理技术在不同地区适用性有较大差异。为全面、客观、科学地筛选出适宜西北地区的畜禽粪污处理技术，将生命周期评价、费用效益评价与层次分析法耦合，从技术、经济、气候、直接环境影响与间接环境影响5个方面，建立了包含18项指标的西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术评价体系；以兰州市畜禽粪污处理技术为例，分析好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用3种处理技术的适用性。结果表明：兰州市畜禽粪污处理技术适用性综合排序为垫料利用（72.21分）>好氧堆肥（71.55分）>厌氧发酵（68.79分），垫料利用技术更适宜在西北地区推广；垫料利用技术环境友好性明显优于厌氧发酵和好氧堆肥技术；使用好氧堆肥和厌氧发酵技术处理畜禽粪污可为养殖场增加额外收益。该研究可为西北地区畜禽粪污处理技术模式构建和优化提供指导。
Abstract:The applicability of livestock and poultry waste treatment technology is quite different in different regions. In order to comprehensively, objectively and scientifically screen out suitable livestock and poultry waste treatment technologies in Northwest China, the life cycle assessment, cost benefit analysis (CBA) and analytic hierarchy process (AHP) methods were coupled to establish a screening system for livestock and poultry waste treatment technologies in Northwest China. The system included five factors of technology, economy, climate, direct and indirect environmental impacts, with a total of 18 indicators. Taking the livestock and poultry waste treatment technologies in Lanzhou as an example, the applicability of the technologies of aerobic composting, anaerobic fermentation, and litter utilization were analyzed. The results showed that the comprehensive ranking of the applicability of livestock and poultry waste treatment technologies in Lanzhou City was litter utilization technology (72.21 points)>aerobic composting technology (71.55 points) > anaerobic fermentation technology (68.79 points). It was more suitable to use litter utilization technology in Northwest China. The environmental friendliness of litter utilization technology is obviously better than that of anaerobic fermentation and aerobic composting technologies. The use of aerobic composting and anaerobic fermentation technologies could generate additional profits for the breeding farm. This research could provide guidance for the construction and optimization of livestock and poultry waste treatment technology models in Northwest China.
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西北地区地处我国西北内陆，包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆5省（自治区），是黄河中上游和黄土高原、青藏高原北部生态屏障的重要支撑，生态系统功能重要，但生态环境本底脆弱、土地承载力有限[1]。近年来，随着西北地区畜禽养殖业的专业化、规模化、集约化发展，畜禽粪污产生量日益增加。畜禽粪污中富含有机质、氮、磷、钾、重金属、致病菌等污染物，超标排放会造成水体富营养化、土壤养分过剩及重金属超标、空气恶臭弥漫等环境问题[2-3]。《第二次全国污染源普查公报》[4]显示，2017年我国畜禽养殖业水污染物中化学需氧量（COD）、氨氮、总氮、总磷的排放量分别占农业面源总排放量的93.76%、51.30%、42.14%、56.46%，畜禽养殖粪污排放已成为农业面源主要污染源之一。
畜禽养殖粪污主要通过资源化利用和工业化处理2种途径进行处理，从目前国内外研究和应用情况看，资源化利用是解决畜禽粪污污染的最佳方式[5-6]。常用的资源化利用方式可分为肥料化、能源化、饲料化3种类型，受地区经济发展水平、自然条件、资源环境承载力和农业生产方式等因素的影响，不同地区适用的处理方式存在一定的差别[7]。国内外学者也从经济效益、环境影响、环境承载力等方面对畜禽粪污处理技术展开诸多评价研究，常用的评价方法包括层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）、生命周期评价（life cycle assessment，LCA）和费用效益分析（cost benefit analysis，CBA）等。罗娟等[7]针对规模化畜禽养殖场，运用层次分析法构建了涵盖技术、经济、环境3个方面15项指标的畜禽粪污处理综合评价指标体系；向欣等[8]通过层次分析法和模糊综合评价，从技术、经济、社会环境、适应性4个方面对武汉地区沼气工程进行综合评价；Garbs等[9]从经济和环境影响2个方面分析了畜禽粪污的运输距离对沼气厂选址的影响；Ruiz等[10]运用生命周期法、生命周期成本法和费用效益评价对沼气发电技术的环境效益进行了研究。然而，现有的评价多集中在单一技术或单一因素评价，尚不能综合考虑特定气候、经济效益、环境污染及温室气体排放等多方面影响因素。因此，针对某地区的畜禽粪污处理技术进行综合筛选，成为粪污处理项目建设过程中的难题。
基于此，笔者将AHP与LCA和CBA联用，从技术、经济、气候、直接与间接环境影响5个方面，建立西北地区畜禽粪污处理技术综合评价体系，通过与LCA、CBA相结合建立指标体系的方式，对评价指标进行定量化分析，使评价更加科学、合理；并以兰州市为例开展畜禽粪污处理技术综合评价，分析技术适用性并根据评价结果提出技术优化改进建议，以期为西北地区畜禽粪污处置管理提供方法体系和理论依据。
1. 研究方法
畜禽粪污处理技术评价是一个较复杂的决策过程，既要考虑技术自身特性及参数，还要考虑地区的经济、气候及技术应用过程产生的环境影响等多方面的因素和制约条件，其所涉及的领域宽泛且指标多样。通过LCA和CBA与AHP耦合，将工程运行过程中的间接环境影响和废物利用收益等因素引入指标体系中，并利用分析结果为指标评价提供数据支撑，充分利用层次结构与LCA及CBA定量分析的优势，以期系统、科学地对西北地区畜禽粪污处理技术进行评价。技术筛选流程如图1所示。
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图 1 畜禽粪污处理技术筛选基本流程Figure 1. Flow diagram of livestock and poultry waste treatment technology screening1.1 生命周期评价分析
根据ISO 14040—2006《生命周期评价原则与框架》，将LCA过程分为目标定义与范围确定、清单分析和影响评价3个部分。
1.1.1 目标定义与范围确定
好氧堆肥、厌氧发酵和垫料利用是当前西北地区常用的畜禽粪污处理技术[11]，以处理1 t粪污为评价功能单位（functional unit，FU），对3种畜禽粪污处理技术的全生命周期过程进行综合评价。根据研究目的，确定系统边界范围主要是粪污收集、处理以及资源利用过程中的能源投入及污染物排放。3种畜禽粪污处理技术的工作流程如图2所示。好氧堆肥LCA过程分为堆肥、翻堆、废水处理3个阶段[12-13]〔（图2（a）〕；厌氧发酵LCA过程分为厌氧发酵、沼气发电和沼液沼渣处理3个阶段〔（图2（b）〕；垫料利用LCA过程分为固液分离、高温发酵、垫料利用、废液处理3个阶段〔（图2（c）〕。
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图 2 3种畜禽粪污处理技术的工作流程Figure 2. Workflow of three livestock and poultry waste treatment technologies1.1.2 清单分析
畜禽粪污处理过程中产生的环境污染物分为直接排放和间接排放2种方式。直接排放污染来源包括[13,14-19]：1）堆肥阶段，来自堆肥过程中CO2、CH4、N2O和NH3的释放；2）废水处理阶段，来自活性污泥与废水反应过程中释放的CH4和CO2，以及废水达标处理后排放的COD、NH3-N和TP[20]；3）厌氧发酵阶段，主要为沼气运送过程中1%的沼气损失释放的CH4和CO2；4）沼气发电阶段，主要为沼气燃烧产生的CO2；5）沼液、沼渣处理阶段，主要为沼液处理过程中释放的CO2，沼液达标处理后排放的COD、NH3-N和TP，沼渣还田产生的CO2、CH4、NOx、CO、SO2以及氮和磷淋失[21-22]；6）高温发酵阶段，来自于好氧发酵过程中发酵仓内CO2和CH4的流出；7）垫料储存阶段，来自于垫料储存过程中CO2、CH4和N2O的释放。
间接排放主要为施工设备（如拖拉机、翻抛机、铲车、包装机等）和处理设施运行过程中电、柴油消耗[23]产生的污染排放，其中，堆肥阶段设备运行总能耗折合成电能消耗为3.13 kW·h/FU，翻堆阶段设备运行总能耗折合成电能消耗为3.00 kW·h/FU，厌氧发酵阶段处理设施运行电力消耗为22.06 kW·h/FU，沼液、沼渣处理阶段设施运行电力消耗为99.88 kW·h/FU，垫料利用阶段设备运行电力消耗为6.46 kW·h/FU。每消耗1 kW·h电能的污染物排放量如表1所示。3种技术各阶段污染物排放清单如表2所示。
表 1 单位耗电量污染物排放量Table 1. Electric pollutant emissions per 1 kW·h consumedkg/(kW·h) CO2 CH4 NOx CO SO2 1.07 2.60×10−3 6.46×10−3 1.55×10−3 9.93×10−3 表 2 3种畜禽粪污处理技术生命周期清单分析结果Table 2. Analysis results of life cycle inventory of three livestock and poultry waste treatment technologieskg/FU 技术 处理环节 排放方式 CO2 CH4 NOx CO SO2 N2O NH3 COD NH3-N TP 好氧堆肥 堆肥阶段 直接排放 78.100 3.800 0.147 3.260 间接排放 3.349 0.008 0.020 0.005 0.031 翻堆阶段 直接排放 间接排放 3.210 0.008 0.019 0.005 0.030 废水处理阶段 直接排放 45.200 0.013 0.240 0.130 0.013 间接排放 合计 129.859 3.829 0.039 0.010 0.061 0.147 3.260 0.240 0.130 0.013 厌氧发酵 厌氧发酵阶段 直接排放 5.231 3.509 间接排放 23.604 0.057 0.143 0.034 0.219 沼气发电阶段 直接排放 96.498 间接排放 沼液、沼渣处理阶段 直接排放 148.986 0.003 0.009 0.002 0.012 0.001 1.247 0.409 0.061 间接排放 106.872 0.260 0.645 0.155 0.992 合计 381.191 3.829 0.797 0.191 1.223 0.001 1.247 0.409 0.061 垫料利用 垫料利用设备运行 直接排放 间接排放 6.912 0.017 0.042 0.010 0.064 高温发酵阶段 直接排放 3.480 0.004 间接排放 垫料储存阶段 直接排放 11.410 0.101 0.005 间接排放 废水处理阶段 直接排放 19.396 0.201 0.109 0.011 间接排放 合计 41.198 0.122 0.042 0.01 0.064 0.005 0.201 0.109 0.011 1.1.3 影响评价
畜禽粪污处理过程的环境影响类型为全球变暖、环境酸化、富营养化、光化学臭氧合成污染4个方面[13]。根据清单分析结果，按不同环境影响类型进行特征化[24-25]、标准化[26]及环境影响加权计算，结果如表3所示。4类环境问题的综合影响排序为垫料利用技术（0.010）<厌氧发酵技术（0.149）<好氧堆肥技术（0.189）。好氧堆肥技术在畜禽粪污处理过程中产生的环境污染最大，主要是由于好氧堆肥技术在环境酸化和富营养化2个方面的环境影响远远高于其他2种技术。好氧堆肥技术的生命周期影响主要来自于环境酸化和全球变暖，二者合计占环境影响潜值的比例分别为68.78%和13.76%。
表 3 3种畜禽粪污处理技术生命周期过程的标准化数值及加权评估值Table 3. Standardized value and weighted evaluation value of life cycle process of three livestock and poultry waste treatment technologies技术 环境影响类型 标准化数值 加权评估值 环境总影响 好氧堆肥 全球变暖 0.031 0.026 0.189 环境酸化 0.178 0.130 富营养化 0.021 0.015 光化学臭氧合成 0.034 0.018 厌氧发酵 全球变暖 0.055 0.045 0.149 环境酸化 0.051 0.037 富营养化 8.29×10−3 6.05×10−3 光化学臭氧合成 0.114 0.061 垫料利用 全球变暖 3.03×10−3 4.36×10−3 0.010 环境酸化 2.66×10−3 1.94×10−3 富营养化 4.92×10−4 1.10×10−3 光化学臭氧合成 5.26×10−3 2.79×10−3 1.2 费用效益分析
CBA是一种通过权衡不同方案实施过程中全部费用成本和预期效益的评价方法，被广泛应用于方案合理性的经济评价[27]。目前针对畜禽粪污处理技术的经济评价，多集中在养殖场的经济效益，而忽略了种植业使用化肥、沼液、沼渣和沼气发电产生的经济、环境和社会外部效益。根据文献[9,28-30]及现场调研情况，确定西北地区畜禽粪污处理体系中的成本主要包括项目建设、人员、水、电、物料购买及粪污运输投入的费用，效益主要包括沼渣、沼液等废物利用以及沼气、有机肥、垫料产物利用产生的效益。
1.3 评价指标体系的构建
1.3.1 指标体系构建
结合LCA和CBA，从技术、经济、气候、直接环境影响和间接环境影响5个方面，建立西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术评价体系，结果如图3所示。
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图 3 畜禽粪污处理技术评价指标体系Figure 3. Index evaluation system of livestock and poultry waste treatment technology1.3.2 指标权重确定
根据已建立的评价指标体系，通过文献调研[31-33]和专家咨询等方式，采用1~9标度法[34-35]对同层次指标组中各元素进行重要性比较，构建的目标层（A）与准则层（B）的判断矩阵如表4所示，准则层（B）与指标层（C）的判断矩阵如表5~表9所示。表中Wi为指标权重，lmax为判断矩阵最大特征根，CR为层次总排序一致性比率。
表 4 目标层（A）与准则层（B1~B5）判断矩阵Table 4. Judgment matrix about target layer (A) and criterion layer (B1-B5)A B1 B2 B3 B4 B5 Wi lmax CR B1 1 1/2 5 1/2 2 0.203 5.178 0.032 B2 2 1 4 1/2 2 0.252 B3 1/5 1/4 1 1/5 1/4 0.051 B4 2 2 5 1 2 0.346 B5 1/2 1/2 4 1/2 1 0.148 表 5 准则层（B1）与指标层（C11~C13）判断矩阵Table 5. Judgment matrix about criterion layer (B1) and index layer (C11-C13)B1 C11 C12 C13 Wi lmax CR C11 1 2 4 0.532 3.095 0.054 C12 1/2 1 5 0.366 C13 1/4 1/5 1 0.102 表 6 准则层（B2）与指标层（C21~C23）判断矩阵Table 6. Judgment matrix about criterion layer (B2) and index layer (C21-C23)B2 C21 C22 C23 Wi lmax CR C21 1 4 2 0.522 3.137 0.079 C22 1/4 1 1/6 0.095 C23 1/2 6 1 0.382 表 7 准则层（B3）与指标层（C31~C33）判断矩阵Table 7. Judgment matrix about criterion layer (B3) and index layer (C31-C33)B3 C31 C32 C33 Wi lmax CR C31 1 2 2 0.478 3.136 0.078 C32 1/2 1 1/3 0.172 C33 1/2 3 1 0.350 表 8 准则层（B4）与指标层（C41~C45）判断矩阵Table 8. Judgment matrix about criterion layer (B4) and index layer (C41-C45)B4 C41 C42 C43 C44 C45 Wi lmax CR C41 1 3 2 3 7 0.382 5.478 0.085 C42 1/3 1 3 3 6 0.265 C43 1/2 1/3 1 3 8 0.204 C44 1/3 1/3 1/3 1 6 0.116 C45 1/7 1/6 1/8 1/6 1 0.034 表 9 准则层（B5）与指标层（C51~C54）判断矩阵Table 9. Judgment matrix about criterion layer (B5) and index layer (C51-C54)B5 C51 C52 C53 C54 Wi lmax CR C51 1 1/5 2 1/3 0.112 4.079 0.022 C52 5 1 6 3 0.558 C53 1/2 1/6 1 1/4 0.071 C54 3 1/3 4 1 0.259 依据上述计算结果，整理计算指标层（C）总排序结果，如表10所示，层次总排序一致性比率（CR）=0.054 9<0.10，表明矩阵具有良好的一致性。其中水环境影响程度（C41）的权重最大，为0.132；其次分别为单位（年）处理量投资（C21）、机械化程度（C11）、运行效益（C23）和土壤环境影响程度（C42），权重分别为0.131、0.108、0.096和0.092。
表 10 指标层（C）总排序结果Table 10. Total ranking result of index layer (C)目标层 准则层 准则层权重 指标层 指标层权重 综合权重 综合排序 西北生态脆弱区畜禽粪污处理
技术评价（A）技术因素（B1） 0.203 机械化程度（C11） 0.532 0.108 3 操作复杂程度（C12） 0.366 0.074 7 占地面积（C13） 0.102 0.021 13 经济因素（B2） 0.252 单位（年）处理量投资（C21） 0.522 0.131 2 处理周期（C22） 0.095 0.024 12 单位（年）处理量效益（C23） 0.382 0.096 4 气候因素（B3） 0.051 常年风向（C31） 0.478 0.024 11 年均降水量（C32） 0.172 0.009 18 年均气温（C33） 0.350 0.018 14 直接环境影响因素（B4） 0.346 水环境影响程度（C41） 0.382 0.132 1 土壤环境影响程度（C42） 0.265 0.092 5 大气环境影响程度（C43） 0.204 0.071 8 环境风险程度（C44） 0.116 0.040 9 生态影响程度（C45） 0.034 0.013 16 间接环境影响因素（B5） 0.148 全球变暖（C51） 0.112 0.017 15 环境酸化（C52） 0.558 0.083 6 富营养化（C53） 0.071 0.011 17 光化学臭氧合成（C54） 0.259 0.038 10 1.3.3 畜禽粪污处理技术综合评价
首先，根据已建立的评价指标体系，专家依据评价赋值表[36-37]（表11）结合技术实际应用情况对评价指标进行打分。然后，采用加权求和法计算3种处理技术的综合得分，公式如下：
表 11 西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术适用性评价赋值Table 11. Assignment of applicability evaluation of livestock and poultry waste treatment technologies in ecological fragile areas of Northwest China指标层 20分 40分 60分 80分 100分 机械化程度（C11） 人工 以人工为主 半自动 以机械化设备为主 全自动 操作复杂程度（C12） 复杂 较复杂 一般 较简单 简单 占地面积（C13）/hm2 >3 1.5~3 1~1.5 0.5~1 <0.5 单位（年）处理量投资（C21）/(元/m3) >40 30~40 20~30 10~20 <10 处理周期（C22）/d >20 15~20 10~15 5~10 <5 单位（年）处理量效益（C23）/(元/m3) <15 15~20 20~25 25~30 >30 常年风向（C31） 位于主导风向上风向且风频高于10% 位于主导风向上风向且风频低于10% 全年平均风速低于
1 m/s位于主导风向下风向且风频低于10% 位于主导风向下风向且风频高于10% 年均降水量（C32）/mm >1 600 1 200~1 600 800~1 200 400~800 <400 年平均气温（C33）/℃ <0 0~5 5~10 10~15 >15 水环境影响程度（C41） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 土壤环境影响程度（C42） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 大气环境敏感程度（C43） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 环境风险（C44） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 生态影响程度（C45） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 全球变暖（C51） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 环境酸化（C52） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 富营养化（C53） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 光化学臭氧合成（C54） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 $$ \begin{split} R=&\sum _{i=1}^{3}{\alpha }_{i}{M}_{i}+\sum _{j=1}^{3}{\beta }_{j}{N}_{j}+\sum _{k=1}^{3}{\gamma }_{k}{O}_{k}+\\&\sum _{l=1}^{5}{\delta }_{l}{P}_{l}+\sum _{m=1}^{4}{\mu }_{m}{Q}_{m} \\[-12pt] \end{split}$$ (1) 式中：R为西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术评价综合得分；αi、βj、γk、δl、μm为评价指标体系中各准则层的权重；Mi、Nj、Ok、Pl、Qm为对应指标的评分值。
2. 案例研究
2.1 研究区概况
兰州市位于甘肃省中部、黄河上游，处于黄土高原、青藏高原、内蒙古高原交接地带，是我国西北第二大城市。市区南北皆为高山，黄河横贯市区中心，总体呈现“两山夹一河”的地理形态。平均海拔为1 500~3 000 m，属温带大陆性气候，全年平均气温为10.3 ℃，年平均降水量为327 mm。受地理环境和人为因素影响，兰州市植被覆盖率低、地质灾害频发、水土流失严重，总体生态环境较为脆弱。据统计，2020年全市畜禽饲养量为809.39万头（只），畜禽粪污资源总量为306.12万t，资源化利用量为244.13万t，利用率达到79.75%以上。其中，直接还田39.25万t，占比16.11%；肥料化利用190.51万t，占比78.18%；能源化利用6.81万t，占比2.79%；垫料化利用7.11万t，占比2.92%。
2.2 技术费用效益评价
兰州市已有的好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用技术应用过程中的项目建设、人员、水、电、物料购买费用[38]如表12所示。效益部分折合为市场对应物料购买费用，其中有机肥按照市场售价700元/t计算；沼气按1.8 kW·h/m3折合为电能后，根据兰州市的一般工商用电价格1.026元/（kW·h）计算；沼液、沼渣折合为4 500 t有机肥计算；垫料按照35元/m3计算，技术应用过程中效益如表12所示。由表12可见，厌氧发酵技术成本和效益均为3种技术中最高，与另外2种技术相比，厌氧发酵技术的运营管理相对复杂，成本投入也相对较高，但效益来源也更加多样化，包括沼气发电、沼液和沼渣还田利用等。3种技术粪污处理量与单位（年）处理量成本及效益的关系如图4所示，好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用单位（年）处理量成本分别为19.44、23.75、28.88元/m3，单位（年）处理量效益分别为21.72、27.74、22.37元/m3，好氧堆肥和厌氧发酵技术的使用均可产生利润，分别为2.28、3.99元/m3，为养殖场增加额外收益，垫料利用技术虽未产生利润，但垫料的使用可降低养殖场运营成本。
表 12 3种畜禽粪污处理技术成本及效益分析Table 12. Cost and benefit analysis of three livestock and poultry waste treatment technologies技术 养殖场规
模/头(猪)粪污处理量/
（万m3/a）主要产物 成本/(万元/a) 效益/(万元/a) 有机
肥/(t/a)沼气/
(万m3/a)沼液、沼渣/(t/a) 垫料/
(万m3/a)建设
投资人员
工费水、电及物料费 合计 有机肥 沼气
发电沼液、沼渣
还田垫料
利用合计 好氧
堆肥15 000 0.58 180.29 2 4.8 4.48 11.28 12.6 12.6 厌氧
发酵100 000 18.25 103.58 4 500 83.8 72 277.61 433.41 191.29 315 506.29 垫料
利用100 000 11.75 7.51 37.98 48 253.34 339.32 262.89 262.89 ![]()
图 4 3种技术粪污处理量与单位（年）处理量成本及效益关系Figure 4. Relationship between the amount of waste treatment and annual cost and benefit per unit treatment amount of 3 technologies2.3 技术比选
根据兰州市好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用3种技术应用现状及LCA结果（表3）和CBA结果（表12），结合西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术适用性评价标准（表11），对技术指标进行参数赋值，结果如表13所示。
表 13 3种畜禽粪污处理技术的指标参数得分Table 13. Index parameter score of three livestock and poultry waste treatment technologies技术 C11 C12 C13 C21 C22 C23 C31 C32 C33 C41 C42 C43 C44 C45 C51 C52 C53 C54 好氧堆肥 80 80 60 80 60 60 80 100 60 80 80 60 100 80 80 20 80 80 厌氧发酵 100 40 80 60 80 80 40 80 60 80 60 60 80 80 60 60 100 40 垫料利用 80 60 20 60 40 60 80 100 60 80 60 60 100 80 100 100 100 100 根据式（1）计算3种处理技术的适用性评价得分（图5），排序为垫料利用技术（72.21分）>好氧堆肥技术（71.55分）>厌氧发酵技术（68.79分）。从综合得分情况看，3种技术得分较为接近，垫料利用技术较为理想，评价结果与相关文献[7]研究结果一致。根据LCA结果，垫料利用技术环境友好性明显优于好氧堆肥技术和厌氧发酵技术，但在技术和经济指标方面得分较低，应进一步优化设备、工艺流程，提高机械自动化程度，缩短处理周期，提高处理效率。好氧堆肥技术虽然投入成本低、操作简单、机械化程度较高，但该技术对环境间接影响较大，应针对性地改进处理设施和完善处理工艺，减少温室气体排放和养分损失，以降低对环境的二次影响；厌氧发酵技术机械化程度高、投资回收期较短，且可以产生持续的经济效益，但操作复杂、投资成本和运行维护费用高，应在政府给予补贴的基础上，强化技术指导、改进治理工艺，进而提高处理效率，降低工程建设和运行成本。
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图 5 畜禽粪污处理技术适用性综合得分Figure 5. Comprehensive score of applicability of livestock and poultry waste treatment technologies3. 结论
（1）针对西北地区生态脆弱的特点，结合LCA和CBA，通过AHP建立包含技术、经济、气候、直接环境影响、间接环境影响5个方面共18项指标的畜禽粪污处理技术筛选体系。依据专家咨询结果，确定评价体系权重，进一步建立综合评价模型，为西北地区畜禽粪污管理工作提供技术支撑。
（2）生命周期评价结果显示，3种处理技术环境总影响值排序为垫料利用（0.010）<厌氧发酵（0.149）<好氧堆肥（0.189），垫料利用技术环境友好性明显优于厌氧发酵和好氧堆肥技术；费用效益评价结果显示，好氧堆肥和厌氧发酵技术处理粪便均可产生利润，分别为2.28、3.99 元/m3。
（3）以兰州市好氧堆肥、厌氧发酵、垫料利用3种畜禽粪污处理技术为例，运用建立的指标体系开展分析研究，结果表明，垫料利用技术的适用性评价得分最高，为72.21分，该技术在环境影响方面较其他2种技术具有明显优势，更适宜在西北地区推广。
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图 1 畜禽粪污处理技术筛选基本流程
Figure 1. Flow diagram of livestock and poultry waste treatment technology screening
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图 2 3种畜禽粪污处理技术的工作流程
Figure 2. Workflow of three livestock and poultry waste treatment technologies
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图 3 畜禽粪污处理技术评价指标体系
Figure 3. Index evaluation system of livestock and poultry waste treatment technology
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图 4 3种技术粪污处理量与单位（年）处理量成本及效益关系
Figure 4. Relationship between the amount of waste treatment and annual cost and benefit per unit treatment amount of 3 technologies
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图 5 畜禽粪污处理技术适用性综合得分
Figure 5. Comprehensive score of applicability of livestock and poultry waste treatment technologies
表 1 单位耗电量污染物排放量
Table 1 Electric pollutant emissions per 1 kW·h consumed
kg/(kW·h) CO2 CH4 NOx CO SO2 1.07 2.60×10−3 6.46×10−3 1.55×10−3 9.93×10−3 
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表 2 3种畜禽粪污处理技术生命周期清单分析结果
Table 2 Analysis results of life cycle inventory of three livestock and poultry waste treatment technologies
kg/FU 技术 处理环节 排放方式 CO2 CH4 NOx CO SO2 N2O NH3 COD NH3-N TP 好氧堆肥 堆肥阶段 直接排放 78.100 3.800 0.147 3.260 间接排放 3.349 0.008 0.020 0.005 0.031 翻堆阶段 直接排放 间接排放 3.210 0.008 0.019 0.005 0.030 废水处理阶段 直接排放 45.200 0.013 0.240 0.130 0.013 间接排放 合计 129.859 3.829 0.039 0.010 0.061 0.147 3.260 0.240 0.130 0.013 厌氧发酵 厌氧发酵阶段 直接排放 5.231 3.509 间接排放 23.604 0.057 0.143 0.034 0.219 沼气发电阶段 直接排放 96.498 间接排放 沼液、沼渣处理阶段 直接排放 148.986 0.003 0.009 0.002 0.012 0.001 1.247 0.409 0.061 间接排放 106.872 0.260 0.645 0.155 0.992 合计 381.191 3.829 0.797 0.191 1.223 0.001 1.247 0.409 0.061 垫料利用 垫料利用设备运行 直接排放 间接排放 6.912 0.017 0.042 0.010 0.064 高温发酵阶段 直接排放 3.480 0.004 间接排放 垫料储存阶段 直接排放 11.410 0.101 0.005 间接排放 废水处理阶段 直接排放 19.396 0.201 0.109 0.011 间接排放 合计 41.198 0.122 0.042 0.01 0.064 0.005 0.201 0.109 0.011
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表 3 3种畜禽粪污处理技术生命周期过程的标准化数值及加权评估值
Table 3 Standardized value and weighted evaluation value of life cycle process of three livestock and poultry waste treatment technologies
技术 环境影响类型 标准化数值 加权评估值 环境总影响 好氧堆肥 全球变暖 0.031 0.026 0.189 环境酸化 0.178 0.130 富营养化 0.021 0.015 光化学臭氧合成 0.034 0.018 厌氧发酵 全球变暖 0.055 0.045 0.149 环境酸化 0.051 0.037 富营养化 8.29×10−3 6.05×10−3 光化学臭氧合成 0.114 0.061 垫料利用 全球变暖 3.03×10−3 4.36×10−3 0.010 环境酸化 2.66×10−3 1.94×10−3 富营养化 4.92×10−4 1.10×10−3 光化学臭氧合成 5.26×10−3 2.79×10−3
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表 4 目标层（A）与准则层（B1~B5）判断矩阵
Table 4 Judgment matrix about target layer (A) and criterion layer (B1-B5)
A B1 B2 B3 B4 B5 Wi lmax CR B1 1 1/2 5 1/2 2 0.203 5.178 0.032 B2 2 1 4 1/2 2 0.252 B3 1/5 1/4 1 1/5 1/4 0.051 B4 2 2 5 1 2 0.346 B5 1/2 1/2 4 1/2 1 0.148
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表 5 准则层（B1）与指标层（C11~C13）判断矩阵
Table 5 Judgment matrix about criterion layer (B1) and index layer (C11-C13)
B1 C11 C12 C13 Wi lmax CR C11 1 2 4 0.532 3.095 0.054 C12 1/2 1 5 0.366 C13 1/4 1/5 1 0.102
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表 6 准则层（B2）与指标层（C21~C23）判断矩阵
Table 6 Judgment matrix about criterion layer (B2) and index layer (C21-C23)
B2 C21 C22 C23 Wi lmax CR C21 1 4 2 0.522 3.137 0.079 C22 1/4 1 1/6 0.095 C23 1/2 6 1 0.382
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表 7 准则层（B3）与指标层（C31~C33）判断矩阵
Table 7 Judgment matrix about criterion layer (B3) and index layer (C31-C33)
B3 C31 C32 C33 Wi lmax CR C31 1 2 2 0.478 3.136 0.078 C32 1/2 1 1/3 0.172 C33 1/2 3 1 0.350
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表 8 准则层（B4）与指标层（C41~C45）判断矩阵
Table 8 Judgment matrix about criterion layer (B4) and index layer (C41-C45)
B4 C41 C42 C43 C44 C45 Wi lmax CR C41 1 3 2 3 7 0.382 5.478 0.085 C42 1/3 1 3 3 6 0.265 C43 1/2 1/3 1 3 8 0.204 C44 1/3 1/3 1/3 1 6 0.116 C45 1/7 1/6 1/8 1/6 1 0.034
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表 9 准则层（B5）与指标层（C51~C54）判断矩阵
Table 9 Judgment matrix about criterion layer (B5) and index layer (C51-C54)
B5 C51 C52 C53 C54 Wi lmax CR C51 1 1/5 2 1/3 0.112 4.079 0.022 C52 5 1 6 3 0.558 C53 1/2 1/6 1 1/4 0.071 C54 3 1/3 4 1 0.259
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表 10 指标层（C）总排序结果
Table 10 Total ranking result of index layer (C)
目标层 准则层 准则层权重 指标层 指标层权重 综合权重 综合排序 西北生态脆弱区畜禽粪污处理
技术评价（A）技术因素（B1） 0.203 机械化程度（C11） 0.532 0.108 3 操作复杂程度（C12） 0.366 0.074 7 占地面积（C13） 0.102 0.021 13 经济因素（B2） 0.252 单位（年）处理量投资（C21） 0.522 0.131 2 处理周期（C22） 0.095 0.024 12 单位（年）处理量效益（C23） 0.382 0.096 4 气候因素（B3） 0.051 常年风向（C31） 0.478 0.024 11 年均降水量（C32） 0.172 0.009 18 年均气温（C33） 0.350 0.018 14 直接环境影响因素（B4） 0.346 水环境影响程度（C41） 0.382 0.132 1 土壤环境影响程度（C42） 0.265 0.092 5 大气环境影响程度（C43） 0.204 0.071 8 环境风险程度（C44） 0.116 0.040 9 生态影响程度（C45） 0.034 0.013 16 间接环境影响因素（B5） 0.148 全球变暖（C51） 0.112 0.017 15 环境酸化（C52） 0.558 0.083 6 富营养化（C53） 0.071 0.011 17 光化学臭氧合成（C54） 0.259 0.038 10
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表 11 西北生态脆弱区畜禽粪污处理技术适用性评价赋值
Table 11 Assignment of applicability evaluation of livestock and poultry waste treatment technologies in ecological fragile areas of Northwest China
指标层 20分 40分 60分 80分 100分 机械化程度（C11） 人工 以人工为主 半自动 以机械化设备为主 全自动 操作复杂程度（C12） 复杂 较复杂 一般 较简单 简单 占地面积（C13）/hm2 >3 1.5~3 1~1.5 0.5~1 <0.5 单位（年）处理量投资（C21）/(元/m3) >40 30~40 20~30 10~20 <10 处理周期（C22）/d >20 15~20 10~15 5~10 <5 单位（年）处理量效益（C23）/(元/m3) <15 15~20 20~25 25~30 >30 常年风向（C31） 位于主导风向上风向且风频高于10% 位于主导风向上风向且风频低于10% 全年平均风速低于
1 m/s位于主导风向下风向且风频低于10% 位于主导风向下风向且风频高于10% 年均降水量（C32）/mm >1 600 1 200~1 600 800~1 200 400~800 <400 年平均气温（C33）/℃ <0 0~5 5~10 10~15 >15 水环境影响程度（C41） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 土壤环境影响程度（C42） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 大气环境敏感程度（C43） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 环境风险（C44） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 生态影响程度（C45） 一级评价 二级评价 三级评价 仅做简要说明 全球变暖（C51） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 环境酸化（C52） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 富营养化（C53） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01 光化学臭氧合成（C54） 环境影响潜值高于0.09 环境影响潜值为0.06~0.09 环境影响潜值为0.03~0.06 环境影响潜值为0.01~0.03 环境影响潜值低于0.01
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表 12 3种畜禽粪污处理技术成本及效益分析
Table 12 Cost and benefit analysis of three livestock and poultry waste treatment technologies
技术 养殖场规
模/头(猪)粪污处理量/
（万m3/a）主要产物 成本/(万元/a) 效益/(万元/a) 有机
肥/(t/a)沼气/
(万m3/a)沼液、沼渣/(t/a) 垫料/
(万m3/a)建设
投资人员
工费水、电及物料费 合计 有机肥 沼气
发电沼液、沼渣
还田垫料
利用合计 好氧
堆肥15 000 0.58 180.29 2 4.8 4.48 11.28 12.6 12.6 厌氧
发酵100 000 18.25 103.58 4 500 83.8 72 277.61 433.41 191.29 315 506.29 垫料
利用100 000 11.75 7.51 37.98 48 253.34 339.32 262.89 262.89
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表 13 3种畜禽粪污处理技术的指标参数得分
Table 13 Index parameter score of three livestock and poultry waste treatment technologies
技术 C11 C12 C13 C21 C22 C23 C31 C32 C33 C41 C42 C43 C44 C45 C51 C52 C53 C54 好氧堆肥 80 80 60 80 60 60 80 100 60 80 80 60 100 80 80 20 80 80 厌氧发酵 100 40 80 60 80 80 40 80 60 80 60 60 80 80 60 60 100 40 垫料利用 80 60 20 60 40 60 80 100 60 80 60 60 100 80 100 100 100 100
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