（农业生物环境与能源工程专业论文）集约化猪场NHlt3gt的排放系数研究.pdf

逝匹盔堂亟堂焦玲塞 生芸塞擅墨 摘要 集约化畜禽养殖场氨( n h 3 ) 等有害气体排放已成为主要的空气污染问题之一，n h 3 是欧 美各国检验畜禽场空气质量的通用指标。n h 3 排放系数是对规模化养殖场n h 3 排放量估算的 主要方法之一，也是评价养殖场环境空气质量以及空气污染物减排技术应用效果的指标。n h 3 排放的影响因素、排放系数、排放模型及减排与控制措施等方面的研究正日益受到相关领域研 究者的重视及公众的关注，是目前畜禽环境工程学研究领域的热点。 1 本文在模拟实际生产的动物人工气候室对4 种不同地板结构的猪舍n h 3 排放相关参数 进行连续在线检测，研究了猪舍n h 3 排放与猪舍内温度、湿度、通风量及猪体重等主要影响 因子相关性，利用m a t l a b 对试验期间有效数据进行回归分析，建立了不同类型地板的猪舍 中育成育肥猪n h 3 释放浓度的预测模型。根据分析结果得如下公式： 全缝隙地面舍：局珊一1 3 8 3 7 0 0 4 5 5 t - 0 0 0 2 8 h + 0 0 7 6 5 1 4 1 - 1 6 5 5 5 e 半缝隙地面舍：b 眦= 7 8 5 5 5 0 0 8 9 9 t - 0 0 0 2 9 h + 0 2 4 5 8 w - 4 2 5 3 8 4 v ； 水泥地面舍：昂肋= 1 0 4 9 7 0 0 1 8 2 t - 0 0 2 0 9 h + 0 1 3 4 8 w - 3 5 9 5 8 3 以 生物发酵床舍：r 恸一2 6 3 7 9 + 0 2 3 6 8 t - 0 0 2 8 1 h + 0 0 1 7 6 w + 0 7 6 4 0 v ； 式中f n h 3氨气浓度，p p m ；t 为温度，；h 为相对湿度，；形为猪体重，k g ；y 为 通风量，m 3 s 。 2 研究了4 种不同地面类型猪舍自然通风和机械通风下的n h 3 排放系数。自然通风方式 下的全缝隙地面舍、半缝隙地面舍、实心地面舍、生物发酵床猪舍n h 3 排放系数分别为： 9 8 7 + 5 7 7g ( d p i 曲，9 4 7 4 - 7 0 9g ( d p i g ) ，11 2 3 + 4 2 3g ( d p i g ) ，4 2 7 4 - 2 0 9g ( d p i g ) 。机械通风方 式下的全缝隙地面舍、半缝隙地面舍、实心地面舍、生物发酵床猪舍n h 3 排放系数分别为： 7 1 0 士7 1 4g ( d p i g ) ，4 7 9 4 - 6 1 6g ( d p i g ) ，5 9 1 4 - 6 6 6g ( d p i g ) ，4 8 3 + 1 7 6g ( d p i g ) 。 3 研究了堆肥间夏季堆肥过程中n h 3 排放规律、排放系数及其影响因素相关性。结果表 明，整个堆肥过程中n h 3 日平均浓度为2 0 4 - 1 4 6 7 p p m ，均值为7 2 4 - 4 1 7 p p m ；堆肥的第3 1 2 d 为n h 3 主要排放期，占总排放量的6 0 ，堆肥全过程累计排放系数为3 2 6 9 k g 鲜样，并以此 估算了浙江省畜禽粪便年氨氮损失为6 8 7 万t 。 堆肥过程中，翻混、堆体温度与环境温度均影响n h 3 的排放。n h 3 高排放发生在翻混时 和日高温阶段，翻混时浓度可达到翻混前的2 5 1 2 倍，每日白天8 ：0 0 至晚2 0 ：0 0 的n h 3 排放 量占全天总排放量的6 5 左右，日高温时段( 下午1 3 ：0 0 1 7 ：0 0 ) 的排放量达全天排放量的3 3 左右。检测也发现n h 3 浓度的高低影响臭气浓度。 t t 4 研究了商业规模猪场猪舍的n h 3 排放系数，结果表明，试验室检测所得n h 3 浓度、排 放系数与规模猪场猪舍内和堆肥场的n h 3 浓度、排放系数具有可比性。得出了育肥舍、保育 舍、母猪舍的n h 3 平均排放系数分别为：6 6 7 1g ( d p i g ) ，1 0 2 2g ( d p i g ) ，1 2 5 一1 7 3g ( d p i g ) 以及公猪舍为3 5 2g ( d p i g ) 。 本研究是我国饲养模式下的集约化养殖场n h 3 排放系数的初步探索，其结果可为今后进 一步开展畜禽养殖场空气污染监控、对人畜及周围生态环境影响评估及适合我国养猪生产特征 的低n h 3 排放技术的研究提供理论和技术基础。 关键词：排放系数；释放模型；氨气；猪舍；堆肥间 i i i a b s t r a c t a m m o n i a ( n h 3 ) a n do t h e ra i rp o l l u t a n t se m i s s i o nf r o mc o n c e n t r a t e da n i m a lf e e d i n go p e r a t i o n s ( c a f o s ) a r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl i v e s t o c ka n dp o u l t r y p r o d u c t i o ni nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e c o m et h ec o m m o ni n d e xt oa s s e s st h ef a r ma i rq u a l i t yi ne u r o p e a n du s a t h en h 3e m i s s i o nf a c t o ri so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d sf o re s t i m a t i n ga m m o n i ae m i s s i o n f r o mc a f o s ，a s s e s s i n gt h ea i rq u a l i t yi na n da r o u n dc a f o sa n de v a l u a t i n ge f f i c i e n c yo fe m i s s i o n r e d u c t i o nt e c h n o l o g i e s t h er e s e a r c h e r sa n dp u b l i ca r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o no nt h ef i e l d so fn h 3 e m i s s i o nf a c t o r s ，m o d e l sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，a n di th a sb e e nh o ti nt h el i v e s t o c ka n dp o u l t r y e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gr e s e a r c hf i e l d 1 a m m o n i ae m i s s i o na n di m p a c tf a c t o r so ft h ef o u rp i gr o o m sw i t hd i f f e r e n tf l o o rs y s t e m s w e r es t u d i e d ，t h en h 3c o n c e n t r a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sw e r em o n i t o r e dc o n t i n u a l l yi n t h i sr e s e a r c h t h ea m m o n i ae m i s s i o nm o d e l so ft h ef o u rp i gr o o m sw e r ed e v e l o p e db a s e do ni n s i d e r o o mt e m p e r t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , r o o mv e t i l a t i o nr a t ea n ds w i n ew e i g h t t h ef u l l y s l a t t e df l o o rs y s t e mr o o m ，昧胁= 一1 3 8 3 7 0 0 4 5 5 t - 0 0 0 2 8 h + 0 0 7 6 5 w - 1 6 5 5 5 1 i ； t h es e m i s l a t t e df l o o rs y s t e mr o o m ，局肋一7 8 5 5 5 0 0 8 9 9 t - 0 0 0 2 9 肿0 2 4 5 8 w - 4 2 5 3 8 4 以 t h ec o n c r e t ef l o o rs y s t e mr o o m ，= 1 0 4 9 7 - 0 0 1 8 2 t - 0 0 2 0 9 h + 0 1 3 4 8 w - 3 5 9 5 8 3 耽 t h ed e e p - l i t t e rs y s t e mr o o m ，局呦一2 6 3 7 9 + 0 2 3 6 8 t - 0 0 2 8 1 h + 0 0 1 7 6 w + 0 7 6 4 0 以 w h e r e 凡暇广- a m m o n i ac o n c e n t r a t i o n ，p p m ；t - - t e m p e r a t u r e ，；h - - h u m i d i t y , ；彤_ p i g w e i g h t ，k g ；v - - v e n t i l a t i o nr a t e ，m s 2 m e a nd a i l ya m m o n i ae m i s s i o nf a c t o r so ft h ef o u rn a t u r a lv e n t i l a t i o nr o o m sw i t h f u l l y s l a t t e df l o o rs y s t e m ，s e m i - s l a t t e df l o o rs y s t e m ，c o n c r e t ef l o o rs y s t e ma n dd e e p l i t t e rs y s t e m w e r e9 8 7 + 5 7 7g ( d p i g ) ，9 4 7 + 7 0 9g ( d p i g ) ，l1 2 3 + 4 2 3g ( d p i g ) ，4 2 7 + 2 0 9g ( d p i g ) r e s p e c t i v e l y w h i l e ，t h e e m i s s i o nf a c t o r so ft h ef o u rm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nr o o m sw e r e7 10 = t = 7 1 4 ( d p i g ) ， 4 7 9 4 - 6 1 6g ( d p i g ) ，5 9 1 4 - 6 6 6g ( d - p i g ) a n d4 8 3 4 - 1 7 6g ( d p i g ) ，r e s p e c t i v e l y 3 t h ea m m o n i ae m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e m i s s i o nf a c t o r sa n di m p a c tf a c t o r sd u r i n gc o m p o s ti n s u m m e rw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed a i l ya m m o n i ac o n c e n t r a t i o n sw e r e2 0 4t o14 6 7 p p m ，a n da v e r a g ec o n c e n t r a t i o nd u r i n g t h ec o m p o s tw a s7 2 4 - 4 17p p m h i g h e ra m m o n i a c o n c e n t r a t i o n sh a p p e n e df r o mt h i r dt ot w e l f t hd a y s ，w h i c ha c c o u n t sf o r6 0 o ft h et o t a la m m o n i a e m i s s i o n t h ea m m o n i ae m i s s i o nf a c t o ro ft h ec o m p o s tw a s3 2 6 9 k gm a n u r ea n dt h ey e a r l yn i t r o g e n l o s so ft h el i v e s t o c ka n dp o u l t r ym a n u r ei nz h e ji a n gp r o v i n c ew a se s t i m a t e d ，a n di tw a sa b o u t6 8 7 m i l l i o nk i l o g r a m i v t h ea m m o n i ae m i s s i o no fc o m p o s t i n gw a sa f f e c t e db yt u r n i n g ，c o m p o s t i n gt e m p e r a t u r ea n d a m b i e n tt e m p e r a t u r e t h ea m m o n i ae m i s s i o nr a t ew a s2 5t o12t i m e st h a nn o r m a lw h e nt h ec o m p o s t w a st u r n e da n d6 5 o ft h ea m m o n i av o l a t i l i z a t i o nd u r i n gt h ed a yt i m e ( 8 ：0 0 a mt o2 0 ：0 0 p m ) ，3 3 o ft h et o t a la m m o n i ae m i t t e dd u r i n gt h ep e r i o do fh i g ht e m p e r a t u r et i m e ( 13 ：0 0 p mt o17 ：0 0 p m ) i t w a sf o u n dt h a ta m m o n i ae m i s s i o na f f e c t e dt h eo d o re m i s s i o n 4 a m m o n i ae m i s s i o nf a c t o r si ne x t e n s i v ep i gf a r m sw e r es t u d i e d t h er e s u l t so ft h ef i e l da n d l a b o r a t o r i a le x p e r i m e n t sw e r ec o m p a r a b l e t h ee m i s s i o nf a c t o r so ft h ef a t t e n i n g ，w e a n i n g ，f a r r o w i n g p i gr o o m sw e r e6 6 - 7 1 ( d p i g ) ，1 0 2 2g ( d p i g ) ，1 2 5 1 7 3g ( d p i g ) ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h eb o a r r o o mw a s35 2g ( d p i g ) i tw a sp r i m a r yr e s e a r c ho ft h ea m m o n i ae m i s s i o nf a c t o r si nc h i n a t h ef i n g d i n g sw i l lp r o v i d e t h et h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lb a s et ot h er e s e a r c ho fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ea i rp o l l u t a n t s e m i s s i o nf r o mc a f o s ，t h ea s s e s s m e n to ft h ea n i m a lb u i l d i n g sa i rq u a l i t yi m p a c t e do nh u m a na n d a n i m a lh e a l t h ，t h er e s e a r c ho fl o wn h 3e m i s s i o nh o u s i n g sa n ds l u r r ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sf o r c h i n e s es w i n eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：e m i s s i o nf a c t o r s ；e m i s s i o nm o d e l s ；a m m o n i a ；p i gr o o m s ；c o m p o s t i n gr o o m v 浙江大学硕士学位论文 插图与附表清单 1 插图 插图与附表清单 i i 浙江大学硕士学位论文插图与附表清单 2 附表 i i i 浙江大学硕士学位论文 插图与附表清单 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：代n 喏 签字日期：伽p 年弓月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：伐n 菪 签字日期：加f o 年弓月玎日 导师签名： 签字日期：矽侈f 口年弓月矿日 致谢 本论文是在导师汪开英副教授的悉心指导下完成的。整篇论文，从选题、方案设计、实验 跟进到论文的最终成形，每个细节无一不凝聚着导师的心血和汗水。汪开英副教授治学严谨、 求真务实、视野开阔，对待学生更是既热心又耐心，不仅在科研上给了我很大的帮助和启发， 还教会了我如何为人处世、如何面对人生中的困难与挫折，使我受益匪浅。在此，谨向我的导 师汪开英副教授致以最衷心的感谢和最诚挚的敬意! 在硕士学习期间，衷心感谢盛奎川教授、郭宗楼教授，两位老师在导师赴美交流期间在科 研和学习上给予我极大的帮助与指导，他们深厚的学术功底和严谨的治学态度，启发我开阔科 研思路并努力提高自我。感谢冯水娟等生工食品学院所有给予过我帮助的老师们。 衷心的感谢陪我走过硕士阶段的师兄、师姐、师弟、师妹们，他们是：博士生王华、王会、 夏亦华，硕士生魏波、孙文君、陈娜娜、陈珠丽、胡荣祥、李虎、王福山、郑水生、李琦等， 以及已经毕业的博士周益明和硕士陈敏娇、楚洪亮、吕朝阳、陈小霞等，与他们一起度过的紧 张愉快的研究生生活，将是我人生中值得回忆的一段美好时光。在此也要特别要感谢孙通博士 给予的技术支持和耐心帮助。 衷心的感谢我的研究生同学王淑珍、尹凡、常蕊、廖文艳、余琳、王东亭、伍学千、刘孔 绚、虞佳佳、袁石林、孙光明、留学生爱德等好友，是他们在我需要时给我安慰和鼓励，给我 克服困难的勇气和前行的动力，他们的友情我将一直珍藏。 衷心的感谢动物科技学院实验牧场的徐宁迎教授、夏克民老师和生物环境工程研究所工作 人员雷衍国先生在实验上给予的帮助。感谢浙江绿嘉园牧业和慈龙畜业养猪场工作人员给予的 支持和协助。 特别要感谢我的父母、家人和我的男友肖玉林多年来对我科研、学习以及生活上的关心和 照顾，他们的鼓励与期盼赋予我无尽的动力，使我能够不懈地向更高的目标迈进，他们无私的 爱，。是我生活永不枯竭的动力和源泉。 感谢那些没有提及姓名，但也同样给予我关心和帮助的老师、同学和朋友。 感谢参加本论文评阅、答辩和对本论文提出宝贵建议的所有专家和老师们! 代小蓉 2 0 1 0 年1 月于杭州华家池 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，肉类消费量急剧增长，伴随而来的 是养殖业规模逐步扩大，集约化程度越来越高。据统计，2 0 0 8 年，我国畜禽肉类总产量达到 7 2 7 9 万t ，占世界总产量的2 9 ，成为世界上最大的肉类生产国。其中，猪肉年产量高达4 6 2 0 5 万t ，占我国肉类总产量的6 3 5 ，世界总产量的4 6 【l 】。为满足消费需求，近5 年来生猪存栏 量年均以1 4 的速度递增，到2 0 0 8 年，我国生猪存栏4 6 3 亿头，占世界总存栏的5 1 。据农 业部统计，到2 0 0 8 年底，我国规模化生猪养殖场( 户) 出栏数量所占比重已经上升至6 2 。 集约化养殖符合现代化农业的发展方向，对提高农业产值，增加农民收入，促使我国畜牧业长 足发展，增强畜牧业的综合生产力发挥着越来越重要的作用。养殖业的集约化和规模化给提高 畜牧业生产效率和经济效益带来了新的发展契机，同时也带来了日益突出的环境问题。 我国巨大的养殖业规模使得每年产生畜禽粪便2 6 亿t ，是世界上农业废弃物产出量最大的 国家。畜禽场产生的污染问题已受到我国广大研究者及政府部门的重视。在2 0 0 7 年启动了全 国面源污染普查工作，将畜牧业污染列入了重点普查项，主要包括畜禽粪、尿、养殖污水等的 产排污系数测算，但未涉及空气污染的调查。畜禽场污染物的排放发生在畜禽生产的各个阶段， 不仅引起水体、土壤污染，还导致严重的空气污染。集约化养殖造成的空气污染问题早已引起 国际上广泛的关注。欧洲在上世纪8 0 年代末就启动了大量关于畜禽养殖业带来的空气污染的 研究工作和减排计划。为减轻酸化、富营养化和地表臭氧，欧盟于1 9 9 9 年制定了哥特协议， 提出欧盟在2 0 1 0 年氨气( n h 3 ) 排放量将比1 9 9 0 年减少1 7 【2 1 。荷兰政府对畜牧业n h 3 排放 制定了减排目标，即到2 0 1 0 年荷兰畜牧业的n h 3 排放量要比1 9 8 5 年减少8 0 【3 1 。美国农业部 ( u s d a ) 和环境保护署( e p a ) 及各州相关部f - j 自上世纪9 0 年代初启动了各类有关畜禽场空 气质量研究项目，2 0 0 5 年以来，u s d a 每年投入5 0 0 万美元支持有关畜禽养殖场空气污染方面 的科研项目，2 0 0 6 年美国e p a 启动了国家( 畜牧业) 气体排放监测( n a e m s ) 大型研究 项目，开展规模畜禽场的空气污染物的监测方法与技术、排放系数和排放总量预测等方面的研 究【4 】o 畜禽养殖业排放的空气污染物是由n h 3 、p m 、h 2 s 、v o c s 和有害微生物组成的混合物， 其中n h 3 是最主要的污染物之一。n h 3 挥发主要是在畜禽粪尿排泄时，粪污贮存处置过程中以 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 及土壤施肥后；它是由畜禽粪尿中的含氮有机物在尿素酶的作用下分解产生。有资料表明，动 物排放出的n h 3 占全球总量的5 0 ，美国约8 0 【5 1 ，欧洲达到9 0 【6 1 。一个年产1 0 万头的猪 场，每小时可向大气中排放1 5 9k gn h 3 川。养殖场的n h 3 通过刺激嗅觉神经与三又神经，对呼 吸中枢发生作用，影响人畜的呼吸功能，危害人畜健康。n h 3 的反应产物还是吸入性气溶胶p m 2 5 的主要成分，据测美国有近5 0 的p m 2 5 为n h 3 的衍生物硫酸铵 8 l ，易引发慢性支气管炎、高 早产死亡率、哮喘疾病等。由n h 3 等组成的空气污染物质在大气中可以存在几小时甚至几天， 对大气的污染半径可达1 5 5 0k m ，并随着空气流动向周围扩散几百公里【9 1 。由此可见，养殖业 产生的n h 3 排放和扩散已经成为一个全球性关注的环境问题。 n h 3 是猪场空气质量的一个重要评价指标，也是猪场臭气的主要来源。基于对n h 3 排放的 控制和管理，我国已经出台了一系列的标准和法规，包括畜禽场环境质量标准 ( n y t 3 8 8 1 9 9 9 ) 、畜禽养殖业污染物排放标准( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 、恶臭污染物排放标准 ( g b l 4 5 5 4 1 9 9 3 ) 、畜禽养殖业污染防治技术规范( h j t 8 1 2 0 0 1 ) 、畜禽场环境质量评价准 则( g b t 1 9 9 5 2 5 2 2 0 0 4 ) 、畜禽场环境质量及卫生控制规范( n y t 1 1 6 7 2 0 0 6 ) 等。同时， 我国也开展了一些养殖场n h 3 排放相关研究，包括：n h 3 排放的影响因素、排放规律 1 0 】、排放 通量、排放模型【1 1 】、对畜禽生产的影响以及减排措施 1 2 - 1 3 1 等。但是对于n h 3 排放量的基础数据 研究还相当缺乏，特别是基于长期连续监测的动态变化数据。 影响n h 3 排放量的因素很多，如畜禽饲养方式、畜禽种类及生长阶段、饲料组成、畜禽舍 类型、粪污管理模式及环境条件等。所有这些影响因素因国而异、因区域环境而异，因而n h 3 排放因子和年排放量也不同。美国北卡罗莱纳州立大学研究表明，使用欧洲畜禽n h 3 排放因子 所估算的结果与实际检测结果差异较大，如育肥猪舍n h 3 的排放估算值与北卡罗莱纳州实测值 相差2 5 【1 4 1 。欧美国家关于养殖场n h 3 浓度的检测与挥发模型的建立已经有较为深入的研究， 当前我国有关畜禽养殖生产中n h 3 等臭气的资料主要来自欧美，然而我国的集约化养殖模式与 欧美国家差异极大。欧美国家猪舍多为全封闭人工气候环境，采用机械通风装置，舍内环境自 动化控制程度高，而我国猪舍多为自然通风，或半机械通风( 即天气热时启动风扇和湿帘等降 温装置) ，猪舍环境控制程度低，猪舍内环境温湿度受外界气候变化影响较大；同时猪舍内贮 粪与清理模式也不同，如欧美猪场一般采用深坑贮粪、深床、水冲粪，而当前我国猪场一般采 用人工干清粪、刮粪板清粪等。其次，欧美国家猪场内有大的氧化塘，农田为2 年轮耕，机械 深耕；我国多数养殖场已经配有粪污处理设备，但实际运作中存在一定问题，部分养殖场污水 厌氧发酵后直接排放农田，导致二次污染。此外，国内外在猪的品种、饲料成分等也有差异， 因而现有欧美各国实验所得的n h 3 排放系数未经验证并不能应用于我国养殖业。 2 渐江大学硕士学位论文第一章绪论 目前针对我国养殖模式的猪场n h 3 排放系数研究较少，可参考的数据非常有限，也尚未建 立合理的预测模型。因此，迫切需要开展针对中国特殊的养殖环境和养殖模式下n h 3 的排放系 数研究，监测n h 3 的实际排放量，估算我国当前养殖规模下n h 3 挥发总量，建立n h 3 挥发模 型。n h 3 排放浓度的检测与排放系数估算结果可为进一步建立排放模型和时空分布，确定n h 3 扩散的影响及范围，评价与控制畜禽养殖生产引起的空气污染，探讨可行的减少和控制畜 禽场n h 3 的排放措施和技术，实现畜禽业的清洁生产以及保证畜牧业的可持续发展提供理 论与技术基础。 1 2 n h 3 对人畜健康和生态环境影响 n h 3 为无色、具有强烈刺激性臭味的气体，易溶于水，在水中以n h 3 h 2 0 的形式存在，少 量水解成n 地十和o h - - 9 氨的水溶液呈碱性，因此对粘膜有刺激性，严重时可发生碱灼伤，引 起眼睛流泪、灼痛、角膜和结膜发炎、视觉障碍；若n h 3 进入呼吸道则可引起咳嗽、气管炎和 支气管炎、肺水肿出血、呼吸困难甚至窒息等。易中华研究表明，幼猪生活环境的空气中含5 0 p p m 的n h 3 ，其增重会下降1 2 ，含1 0 0 p p m 的n h 3 则下降3 0 b s 。据测定，鸡舍中n h 3 浓度达 到2 0 m g l 时，球虫病等发病率升高，当浓度升至5 0 m g l 时，引起呼吸道黏膜充血、水肿，发 生支气管炎、肺炎、肺气肿及中枢神经麻痹等【1 6 】。 表1 。1 短期8 接触n h 3 的危害 t a b l el 一1h a z a r do fs h o r t - t e r me x p o s u r et oa m m o n i a 注：a 表示少于14 d ；来源：a i re m i s s i o n sf r o ma n i m a lf e e d i n go p e r a t i o n s ：c u r r e n tk n o w l e d g e ，f u t u r en e e d s 人如果长期暴露在极低浓度( 0 3 p p m ) 的n h 3 环境中就会危害健康，而当浓度大于5 0 p p m 时才会被人感知，n h 3 对人体的危害见表1 1 和表1 2 【5 1 。美国研究者指出，3 0 g j 养殖场工人 患有慢性支气管炎、职业性哮喘等呼吸系统疾病，而6 0 的养殖场工人健康受到空气污染物的 影响【1 7 1 。在北卡罗来纳州，某农区有饲养量6 0 0 0 头猪的养殖场，该村的居民有头痛，流鼻水， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 喉咙痛，咳嗽过多，腹泻，眼睛灼痛等现象。 因此，欧美国家已经针对n h 3 浓度对工人工作时间作了限定，如美国养殖场工人不能在 2 5 p p m 浓度的环境中工作超过8 h ，在n h 3 浓度为3 5 p p m 的环境中曝露时间不能超过1 5 m i n t 18 1 。 表1 - 2 长期b 接触n h 3 的危害 t a b l e1 - 2h a z a r do f l o n g t e r me x p o s u r et oa m m o n i a 注：b 表示多于14 d ；来源：a i re m i s s i o n sf r o ma n i m a lf e e d i n go p e r a t i o n s ：c u r r e n tk n o w l e d g e ，f u t u r en e e d s n h 3 作为畜禽场排放的主要污染气体之一，对大气质量产生直接的影响。n h 3 排放到空气 中后一部分形成酸雨，一部分水解后以硝酸盐的形式沉积于土壤或地表、地下水中，造成严重 的大气、水体、土壤污染。由n h 3 引起的酸雨降水量已经比较严重，如荷兰1 9 8 9 年的酸雨降 水有4 5 是来自n h 3 。而挥发的n h 3 随着降雨沉积于水体或土壤中，将会造成植物的富营养化 或改变生态结构，从而对生物多样性产生一定影响。n h 3 在大气中的挥发、转移和沉降等一系 列的时空变化是大范围、跨区域的，西欧的很多国家和地区氨的沉降都已超过了允许值。 1 3 国内外研究现状 快速精确地检测畜禽场空气污染排放浓度、分析其时空分布特征、预测排放总量是研发空 气污染控制技术、评估养殖场空气污染对人畜健康和周围生态环境影响、制定相关监督法规的 技术依据。近二十年来欧美国家不断运用各种先进技术开展了畜牧养殖场空气污染排放、监测 以及控制技术等方面的研究，取得了较大的进展。 1 3 1n h 3 排放的影响因素 畜禽舍内、粪便处理过程以及粪便施肥过程中的氨气排放量主要受到畜舍结构、粪污清理 和饲喂管理方式、环境温度、饲养阶段以及饲料和粪尿成分等的影响。 1 3 1 1 畜舍结构 畜舍结构对氮的转化和氮损失有很大的影响。欧美国家猪舍多为全缝隙或半缝隙地面，并 设有储粪坑，猪排泄的粪尿通过漏缝落入储粪坑内。漏缝地板的面积影响n h 3 的散发，猪舍内 减少漏缝面积和储粪坑挥发表面积可以减少n h 3 的挥发，如将地面5 0 漏缝面积降到2 5 ， 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 n h 3 排放量可下降2 0 【1 9 】。此外，增加储粪坑的深度可以减少粪便暴露的表面积，粪便的表面 积越小，表面的气流对n h 3 排放影响也就越小，从而减少n h 3 的排放【2 0 1 。 在我国，规模化养殖场育成育肥猪舍以半缝隙地面居多，而养殖小区、散户多以水泥、泥 砖地面为主。有关垫料猪舍n h 3 的排放国外也进行了相关研究，j e p p s s o n l 2 l 】对4 种使用不同的 垫草( 长稻草、短稻草、混有海藻和植物油的短稻草、6 0 泥煤+ 4 0 长稻草) 的牛舍内n h 3 排放量进行了测量，结果显示，与长稻草相比，使用6 0 泥煤+ 4 0 长稻草的混合物作为垫草的 舍内，n h 3 的排放率大约减少5 7 。g r o e n e s t e i n 等2 2 1 对比锯末垫草生产系统和传统漏缝地板生 产系统发现前者可以使n h 3 的排放量减少5 0 以上。n i c k s 等【2 3 1 对使用稻草和锯末作为垫料的 断奶仔猪舍内有害气体进行比较，结果显示，稻草垫料猪舍中n h 3 排放量比锯末垫料舍多2 ：6 倍。 1 3 1 2 清粪和管理模式 存积在猪舍内粪、尿是舍内n h 3 释放的最主要来源，及时的清理可显著降低舍内n h 3 的浓 度。a a m i n k 等【1 9 1 认为把漏缝地板和水冲清粪的斜坡地面相结合，每天多次冲水，可以减少3 0 的n h 3 排放量。h a r t u n g 和p h i l l i p s 【2 0 】表示相对于漏缝地板来说，不断的用水冲洗粪沟，可以减 少n h 3 排放量7 0 。t h e o v a i e m p e n 报道，猪舍设有4 的坡度使尿液直接排出舍外，每天 清理粪便一次，可减少6 5 8 0 的n h 3 排放量。垫料猪舍n h 3 排放量与垫料管理有较大关系， n i c k s 等【2 3 1 研究表明，添加新的垫料可以使n h 3 浓度降低5 0 ，并持续1 2 2 4 h 。 1 3 1 3 猪舍内温湿度和通风量 温度是影响畜禽舍n h 3 排放的重要因素之一。一方面温度升高直接影响n h 3 挥发，另一方 面，温度变化导致其它环境参数( 如湿度、风速、动物行为等) 改变从而间接影响n h 3 排放。 a a m i n k 等2 5 1 研究发现温度升高1 ，n h 3 排放量增加6 7 。舍内通风量影响n h 3 排放的速 度，舍内通风率从2 次1 1 增加到7 次h ，漏缝地板下粪浆n h 3 排放量将增加2 倍 2 0 1 。n i 和h e b e r 2 6 1 研究了机械通风育肥猪舍( 猪舍地面下设有面积为8 0 0 m 2 、深2 4 m 的集粪坑) 温度和通风速率 对n h 3 等空气污染物排放影响，结果表明，加热可以迅速提高集粪坑和猪舍内的n h 3 浓度和释 放速率，加热前后( 温度升高约8 c ) l h 排放速率分别为9 4 + 1 2 9 h 和1 6 7 + 1 1 9 h ，而加热结束 后( 温度较加热时下降9 5 ) 的l h 内的排放速率下降至6 8 + 2 9 h ；同时，高的通风速率引起 n h 3 的高排放，通风速率为9 6 0 0 + 7 5 0 m 3 h 时的n h 3 排放率是通风速率2 1 0 0 0 + 1 4 0 0 m 3 h 的5 8 。 虽然降低通风量可以减少n h ，排放量，但是却使舍内空气温度上升，而空气温度的升高也会导 致n h ，排放量的增加，因此，最佳的空气温度和通风的管理能减少氮损失，提高动物生产率。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 4 生长阶段 猪舍内的n h 3 排放量与动物生产阶段相关，随着动物体重的增长，排泄量加大，单位时间 内在舍内的粪便蓄积量增多，这是影响n h ，排放量的主要因素，此外，不同生长阶段猪活动量 也有影响。h a y e s 等【2 7 1 研究表明，保育猪( 3 5 k g ) 舍内 n h 3 浓度平均值分别为5 2 5 p p m 、8 1 5 p p m 、1 3 0 p p m ，排放速率分别为1 4 9 ( d p i g ) 、2 8 5g ( d p i g ) 、 1 0 0g ( d p i g ) 。g r o o tk o e r k a m p 等2 8 1 表示，英国缝隙地面的仔猪、育肥猪舍内排放系数分别为 2 5 1 9 ( d a u ) 、6 2 2g ( d a u ) ；丹麦2 种猪舍内的排放系数为3 7 5g ( d a u ) 、6 1 6g ( d a 功；德 国为1 5 6g ( d a u ) 、5 7 6g ( d a u ) ，对比发现，n h 3 排放系数与体重成正相关。 综上所述，尽管欧美国家对猪舍内n h 3 排放相关影响因子和排放系数进行了一些文献报道， 但这些研究主要是针对国外机械通风的密闭猪舍，多数为深坑储粪、采用水冲式或水泡式清粪， 与我国养殖模式存在很大差异。而垫料舍的垫料材料与我国近几年从日本引进了生物发酵床 ( 垫料+ 菌种) 差异极大，针对这类发酵床养猪舍的n h 3 等空气质量研究未有报道。 1 3 2n h 3 采样方法 根据n h 3 检测目的的不同，选取不同的采样点。检测排放浓度对人体或畜禽影响，则选取 布点高度与畜禽或人的呼吸高度进行布点检测，排放速率的检测要选择进风1 3 和排风口布点检 测。氧化塘n h 3 的排放速率则选择液表面进行检测。 1 3 2 1 密闭式采样 通常密闭式采样需要借助采样箱，如图1 - 1 所示。美国有研究者用此方法检测氧化塘 ( 1 a g o o n ) 表面n h 3 的浓度及挥发速率。 密闭采样箱风扇 募罂实验室分析 气体、现场分析 图1 1 密闭式采样示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co fc l o s e dm e t h o df o rs a m p l i n g 1 3 2 2 点式采样 点式采样( 如图l 一2 所示) 分为主动和被动两种方式。主动采样又称为抽取法，是将检测 渐江大学硕士学位论文 第一章绪论 点的气体用抽气装置抽入容器中( 如采样袋或采样瓶) ，该方法可进行现场采样或集中采样。 被动采样也叫暴露法，是将采样仪器直接放入需检测的空间进行采样。 采 图1 - 2 点式采样示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i co fp o i n ts a m p l i n gm e t h o d 源 图1 - 3 开路式采样示意图【2 9 】 f i g 1 - 3s c h e m a t i co fo p e n - p o t hs a m p l i n gm e t h o d 表1 - 3三种采样方法比较 t a b l el 一3c o m p a r i s o no fa m m o n i as a m p l i n gm e t h o d s 来源：n ij q ，h e b e r aj ，e t a l 2 0 0 8 1 3 2 3 开路式采样 开路式采样( 如图1 3 所示) 主要是利用红外光谱仪( f t i r ) 进行检测，其采样过程与检 测过程同步进行。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 3 种采样方法各有其适用的方面，其对比如表1 3 所示【3 0 1 。 1 3 3n h 3 检测技术 畜牧生产过程中产生的气体污染对环境、对畜禽和人都有巨大的危害。如何快速准确地检 测它们的存在以及含量，以采取有效的措施，具有重大的意义。污染气体的检测方法与技术根 据检测对象大致可分为3 类，即畜禽舍内、舍外以及粪污贮存和堆放处等 3 0 1 。 n h 3 主要检测方法对比如表1 4 所示。其中，湿化学法灵敏度高，成本低，可以获取准确 的n h 3 浓度，电化学传感器法灵敏度高、可以连续检测和记录n h 3 浓度、且仪器成本适中。本 研究采用电化学传感器法进行n h 3 浓度检测，并采用湿化学法进行校验。 表1 4n h 3 主要检测方法对比 t a b l e1 - 4c o m p a r i s o no fa m m o n i am e