《Science of The Total Environment》：Toward cleaner poultry manure management in Canada: Life cycle impacts of anaerobic digestion with ammonia recovery versus traditional practices
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禽类粪便管理策略研究：比较直接土地利用、风堆堆肥和AD-PHAS工艺的环境效益，发现AD-PHAS在降低全球变暖（51%）、酸化（91%）和富营养化（93%）潜力方面最显著，但石灰生产影响温室气体排放。研究采用ISO 14044生命周期评估框架，结合加拿大清洁燃料法规（CFR）的碳强度（CI）指标，验证AD-PHAS在环境可持续性和碳交易市场准入潜力上的优势。
M. Adghim | M. Sartaj | B. Strehler | N. Abdehagh | M. Abdallah
渥太华大学土木工程系，加拿大渥太华
摘要
加拿大的家禽粪便会产生大量的氮相关排放物，因此需要制定既能满足环境要求又能兼顾运营效率的管理策略。本研究比较了三种粪便管理方法：1）直接施用于土地；2）堆肥；3）厌氧消化结合水解后氨气去除（AD-PHAS）。研究采用了生命周期评估（LCA）方法，以1吨粪便为功能单位进行评估。评估遵循ISO 14040/14044标准，并涵盖了四个影响类别：全球变暖潜力（GWP）、酸化潜力（AP）、富营养化潜力（EP）以及化石燃料的非生物消耗（ADP-FF）。与现有做法相比，AD-PHAS方案在GWP、AP和EP方面的影响最低，分别减少了51%、91%和93%。在该方案中，石灰生产是GWP的主要贡献因素。敏感性分析表明，使用氢氧化钠替代或微生物适应可以减少某些影响，但会带来权衡，并降低甲烷产量。根据加拿大清洁燃料法规（CFR）的指导原则，AD-PHAS系统的碳强度（CI）得分为+25.8克二氧化碳当量/兆焦（g CO?-eq/MJ）。总体而言，AD-PHAS在加拿大条件下表现出最强的环境效益，为提高家禽粪便管理的可持续性提供了可行的途径。
引言
由于家禽产业的快速发展、粪便中氮含量高以及由此带来的温室气体（GHG）和氨气排放风险，家禽粪便的环境管理变得越来越重要。加拿大家禽产业的生产量和动物数量持续增长，2024年鸡肉和火鸡的产量超过了16亿公斤，销售额超过44亿加元。该行业每年产生约670万吨粪便，其中大部分通过直接施用于土地或堆肥方式进行管理（加拿大统计局，2025a）。尽管家禽粪便富含养分且具有很高的农业价值，但其高氮含量在传统处理方式中带来了环境和运营上的挑战（Ahlberg-Eliasson等，2021；Rodriguez-Verde等，2018）。尽管厌氧消化（AD）在能源回收、温室气体减排和养分管理方面具有潜力，但在加拿大家禽产业中仍未得到充分应用（加拿大统计局，2025b）。其主要障碍是粪便中的总氨氮（TAN）含量过高，当浓度超过2000毫克/升时会抑制甲烷生成（Adghim等，2023a；Adghim等，2023b；Fuchs等，2018；Mao等，2015）。
多项研究表明，未经处理的粪便会导致厌氧消化过程中甲烷产量低且过程不稳定（Fakkaew和Polprasert，2021；Nie等，2015）。为此，人们广泛测试了热水解、与富碳底物共消化和氨气去除等预处理方法（Yin等，2019；Zhu等，2022）。然而，很少有研究将这些预处理过程纳入完整的生命周期框架，尤其是在北美地区的监管条件下。现有的生命周期评估研究探讨了不同粪便管理技术的环境影响。例如，Adghim等人（2020）对乳制品废液处理进行了比较分析，强调了氮回收在减少酸化和富营养化潜力方面的作用（Adghim等，2020）。Hijazi等人（2016）回顾了欧洲牲畜废物管理的生命周期评估应用，指出氨气排放和能源抵消是关键问题。然而，大多数研究集中在猪或乳制品废物上，这些废物的氨气浓度相对容易控制。家禽粪便的独特特性（如高TAN含量、低水分和较小的单次产量）要求进行专门的、针对家禽粪便的分析。
历史上，家禽粪便管理的研究主要集中在鸡蛋或肉类生产行业，主要关注现有做法对环境的影响，而非采用厌氧消化（AD）等其他技术。Pelletier（2017）研究了家禽粪便管理对鸡蛋产业的环境影响，发现由于养分排放，家禽粪便是酸化和富营养化的关键因素，分别占鸡蛋产业总AP和EP的45%和46%。其他针对加拿大的研究（如Bele等，2023）探讨了通过将家禽粪便厌氧消化与藻类培养相结合来创建闭环经济的潜力，并强调了AD系统在寒冷气候下的优势。然而，目前缺乏系统性和定量方法（如生命周期评估）来比较AD与其他现有粪便管理方法的文献。本研究旨在填补这一知识空白。
本研究批判性地讨论了不同粪便管理系统对环境的影响，并估算了采用结合水解后氨气去除（PHAS）系统的AD后鸡蛋产业环境影响的潜在改善（Adghim等，2021；Adghim等，2022；Adghim等，2023a；Adghim等，2023b）。PHAS系统通过从水解后的粪便流中去除氨气并转化为硫酸铵来克服氨气抑制问题，从而提高甲烷产量并回收可销售的肥料（Georgiou等，2019；Vingerhoets等，2024）。
将家禽粪便作为主要或唯一底物，为中型和大型家禽农场提供了可行的选择，避免了获取外部碳原料的物流复杂性，特别是考虑到现有研究表明，未经处理的粪便占比超过5-30%时效果不佳（Adghim等，2021；Rodriguez-Verde等，2018；Valenti等，2020）。
碳强度（CI）是加拿大燃料行业用来表示生产和使用燃料所产生的温室气体排放的指标，以每兆焦（MJ）能量为单位。CI得分用于根据清洁燃料法规（Canada）评估燃料，确保燃料生产商和进口商符合规定的排放强度限制。CI值较低的燃料可以生成合规信用，使清洁能源生产商能够参与加拿大的碳信用市场。据我们所知，这也是首次基于CFR指南，为家禽养殖户和政策制定者提供可再生天然气（RNG）生产碳强度的估算和讨论。
本研究的具体目标是：1）使用ISO 14044标准生命周期评估框架，比较直接施用于土地、堆肥和结合PHAS的厌氧消化（AD-PHAS）对全球变暖潜力（GWP）、酸化潜力（AP）、富营养化潜力（EP）以及化石燃料非生物消耗潜力（ADP-FF）的环境影响；2）评估和讨论家禽粪便管理在鸡蛋产业更广泛范围内的环境影响；3）在加拿大清洁燃料法规的背景下，讨论生命周期评估结果对家禽养殖进入AD和碳信用市场的潜在影响（加拿大政府，2022）。
问卷调查
问卷
为了建立生命周期评估的代表性基准，我们开展了一项针对性问卷调查，收集了加拿大各农场当前粪便管理实践的信息，涵盖了不同规模的农场和运营方式（家禽类型、现有的有机废物管理策略以及对采用沼气技术的看法）。问卷的问题和答案见补充数据（S1）。
根据调查结果
问卷调查结果
问卷调查结果提供了关于当前粪便管理实践、挑战以及对新兴技术（如AD）看法的宝贵信息。受访者涵盖了从少于1000只家禽的小型养殖场到超过100万只家禽的大型企业。直接施用于土地和堆肥被认为是主要的粪便管理方法，这主要是由于这些方法资本需求低且操作简单。
结论
本研究对加拿大三种家禽粪便管理策略（直接施用于土地、堆肥和AD-PHAS）进行了全面的生命周期评估。结果表明，虽然堆肥在减少酸化和富营养化影响方面优于直接施用于土地，但由于两者都需要储存粪便的过程，其环境效果与直接施用于土地相当，而储存过程是多个影响类别的主要贡献因素。
AD-PHAS方案被证明是最优方案
作者贡献声明
M. Adghim：撰写初稿、可视化处理、软件开发、方法论设计、研究开展、资金筹集、数据分析、概念构建。
M. Sartaj：撰写与编辑、验证、项目监督、资金筹集。
B. Strehler：撰写与编辑、方法论设计、数据分析、概念构建。
N. Abdehagh：撰写与编辑、软件开发、项目管理。
M. Abdallah：撰写与编辑、软件开发、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢MITACS对本项目的资助（MITACS IT34815）。
