基于微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻對蛋種雞舍氨氣和細(xì)菌氣溶膠的減排研究

鄭煒超，李宗剛，Sanjay B. Shah，李保明

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,北京 100083;

2.北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心,北京 100083;3.美國北卡羅來納州立大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系,美國)

1 引言

近年來，畜禽舍空氣污染物的排放問題受到越來越多的關(guān)注。其中，畜禽舍大量氨氣的排放會造成環(huán)境污染、大氣能見度降低，并危害公眾健康。美國和歐洲超過80%的氨氣排放來源于畜禽養(yǎng)殖。此外，畜禽舍空氣中大量的致病微生物排放后可以進(jìn)行空間傳播，造成周邊人畜感染。因此，研發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的畜禽舍空氣污染物減排技術(shù)對保護(hù)人類健康和環(huán)境具有重要意義。

擋風(fēng)墻通常位于畜禽舍排風(fēng)口的下風(fēng)向，改變排出空氣的氣流方向，使其排向擋風(fēng)墻上方，提高空氣污染物的稀釋速度。擋風(fēng)墻不能減少氣體污染物的排放，但是可以加速畜禽舍排出氣體污染物的稀釋，降低氣體污染物在畜禽舍周邊環(huán)境的濃度。擋風(fēng)墻和噴霧結(jié)合進(jìn)行排出空氣凈化，可以減少畜禽舍空氣污染物的排放。微酸性電解水是一種環(huán)境友好型的高效消毒劑。微酸性電解水噴霧可以降低畜禽舍內(nèi)空氣中的細(xì)菌濃度，且呈微酸性，可以用作去除氨氣的噴霧介質(zhì)。

當(dāng)前，歐洲研究人員研發(fā)了多種畜禽舍排出空氣處理技術(shù)，通常將所有排出空氣導(dǎo)入處理系統(tǒng)（如酸洗系統(tǒng)）時，其減排效率最高。在美國及其他國家，畜禽舍通風(fēng)廣泛采用縱向通風(fēng)技術(shù)，將排出的空氣全部導(dǎo)入處理系統(tǒng)的方式成本巨大。此外，建設(shè)空間不足也會限制現(xiàn)有畜禽舍改造，阻礙該技術(shù)的應(yīng)用。基于微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻為畜禽舍氨氣和細(xì)菌氣溶膠的減排提供了一種潛在的、低成本的處理技術(shù)，有助于改善周邊環(huán)境狀況。但是，目前尚缺乏關(guān)于基于噴霧擋風(fēng)墻的減排技術(shù)研究。迫切需要對基于微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻對畜禽舍氨氣和細(xì)菌氣溶膠的減排效果進(jìn)行驗證研究。

本研究的主要目的是：對比研究基于自來水和微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻對氨氣的減排效果；研究基于不同有效氯濃度的微酸性電解水噴霧擋風(fēng)墻對細(xì)菌氣溶膠的減排效果。

2 材料和方法

2.1 試驗蛋種雞舍

試驗雞舍位于北京市，尺寸為70m×10m×2m（長度×寬度×檐高），試驗時間為2014年冬季（11～12月）。試驗期間，雞舍共飼養(yǎng)14 000只種母雞（試驗開始時為32周齡）和400只成年種公雞，三層階梯式籠養(yǎng)，通風(fēng)方式為縱向通風(fēng)。雞舍末端安裝有6臺直徑1.38m的軸流風(fēng)機(jī)，試驗期間進(jìn)風(fēng)口為38個側(cè)墻進(jìn)風(fēng)小窗（長度×寬度=0.5m× 0.25m），試驗期間僅有一臺風(fēng)機(jī)由控制系統(tǒng)控制進(jìn)行間歇性運轉(zhuǎn)，調(diào)控舍內(nèi)溫度為17.8～20.6℃（平均溫度為19.2℃），開燈時間為早6點到晚10點（光期：暗期=16：8）。試驗雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)為AC2000系統(tǒng)，清糞方式為刮板式清糞。

2.2 噴霧裝置和擋風(fēng)墻

如圖1（a）所示，擋風(fēng)墻尺寸為3.0m×1.8m×2.1m（長度×寬度×高度），圍繞試驗風(fēng)機(jī)安裝于雞舍外部。擋風(fēng)墻以鋼架支撐，聚碳酸脂板為墻體。其中正對風(fēng)機(jī)的墻體高度為2.50m，上部也用聚碳酸脂板覆蓋，在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)端留有尺寸為0.75m×1.8m的出風(fēng)口。

如圖1（a）和（b）所示，3個噴頭安裝于風(fēng)機(jī)排風(fēng)側(cè)0.40m處，均勻分布在半徑為0.30m的圓周上，夾角為120°。噴頭為不銹鋼材質(zhì)，噴霧形狀為實心錐，噴霧角度為50°，噴霧方向為順風(fēng)向，每個噴頭噴霧流量為1.0L/min，整個噴霧系統(tǒng)的噴霧流量為3.0L/min，噴霧壓力為120kPa，由噴霧泵提供。噴霧介質(zhì)為自來水或微酸性電解水，噴霧系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)使用同一電源，同步運轉(zhuǎn)。

2.3 微酸性電解水的制備

試驗使用兩種有效氯濃度的微酸性電解水，分別為70mg/L和100mg/L，使用電解水制備機(jī)循環(huán)電解HCl和NaCl的混合溶液制得。有效氯濃度采用有效氯測試儀（Harmony-2，睿安德環(huán)保設(shè)備（北京）有限公司，北京，中國）進(jìn)行測試，測試方法為比色法。pH采用pH測試計（HM-30 R；DKKTOA Corporation，東京，日本），測試范圍為0.0～14.0。pH測試計使用前用pH為4.01和6.86標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)速和靜壓差測試

試驗風(fēng)機(jī)每周清潔一次并在試驗開始前更換皮帶，以保證最佳轉(zhuǎn)速。擋風(fēng)墻安裝前和安裝后分別進(jìn)行3次風(fēng)機(jī)風(fēng)速和舍內(nèi)外靜壓差測試。風(fēng)速測試采用便攜式光學(xué)風(fēng)速測試儀（PLT200，Monarch Instrument，新罕布什爾州，美國）測試。靜壓差采用數(shù)字壓差計（475-000-FM，DwyerInstruments，Inc.，印第安納州，美國）測試。測試目的是在風(fēng)機(jī)風(fēng)速和靜壓差的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)機(jī)廠家提供的風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能曲線計算擋風(fēng)墻安裝前后風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的變化。

2.5 氨氣采樣和分析

圖1 擋風(fēng)墻和噴霧系統(tǒng)縱向剖面圖（a）和噴頭布置圖（b）

氨氣采樣同時在擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口（噴霧前）和出風(fēng)口（噴霧后）進(jìn)行。氨氣采樣系統(tǒng)由PVC采樣歧管、氣體流量計、兩個洗氣瓶（前置洗氣瓶和后置洗氣瓶）、干燥管和真空泵組成，各部分通過聚乙烯軟管連接。兩個洗氣瓶內(nèi)都裝有250mL質(zhì)量濃度為2%的硼酸溶液，后置洗氣瓶中添加甲基紅-溴甲酚綠指示劑，用以檢驗前置洗氣瓶是否能夠完全吸收采樣氣體中的氨氣。整個采樣期間后置洗氣瓶并沒有發(fā)生顏色變化，說明采樣氣體中的氨氣被前置洗氣瓶完全吸收。采樣歧管由內(nèi)徑16mm的PVC管制作而成。如圖1（b），擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口采樣歧管A和B均設(shè)計有9個呈直線排列的直徑為2mm的進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔間距分別為0.15m和0.20m，進(jìn)氣孔朝向和風(fēng)向相同。采樣歧管設(shè)計參考Chen和Sparrow的研究結(jié)果，所有進(jìn)氣孔面積之和約為采樣歧管截面積的14%。進(jìn)風(fēng)口采樣歧管安裝在風(fēng)機(jī)后0.3m處，出風(fēng)口采樣歧管安裝在尺寸為0.75m×1.80m的長方形出風(fēng)口對角線上。由于試驗期間風(fēng)機(jī)間歇性運轉(zhuǎn)，氨氣采樣系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)使用同一電源，同步運轉(zhuǎn)。氨氣采樣時間為8：00～18：00（10h），采樣后檢測前置洗氣瓶內(nèi)的吸收液的銨氮濃度。

氨氣采樣系統(tǒng)流量為3.0L/min。采樣時長使用通電計時器讀取。采樣結(jié)束后，使用連續(xù)流動分析儀測試前置洗氣瓶中溶液的銨氮濃度，并測定溶液總體積。則采樣氣體中氨氣濃度可通過公式1計算：

2.6 細(xì)菌氣溶膠采樣和分析

細(xì)菌氣溶膠采樣與氨氣采樣類似，同時在擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口（噴霧前）和出風(fēng)口（噴霧后）進(jìn)行。細(xì)菌氣溶膠采樣系統(tǒng)由PVC采樣歧管、AGI-30液體沖撞式微生物采樣器、干燥管、氣體流量計和真空泵組成，通過聚乙烯軟管連接。采樣歧管由內(nèi)徑為21mm的PVC管制作而成。如圖1（b），進(jìn)氣口和出氣口采樣歧管A和B均設(shè)計有9個呈直線排列的直徑2mm的進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔間距分別為0.15m和0.20m，進(jìn)氣孔朝向和風(fēng)向相反。采樣歧管設(shè)計參考Chen和Sparrow的研究結(jié)果。細(xì)菌氣溶膠采樣歧管和氨氣采樣歧管安裝位置相鄰，同樣與風(fēng)機(jī)同步運轉(zhuǎn)。采樣前，細(xì)菌氣溶膠采樣器在121℃、100kPa條件下高壓滅菌15min。采樣時間為8：00～9：00和13：00～14：00，每天兩次。采樣后，更換滅過菌的采樣器，同時用75%的酒精對采樣歧管和管道進(jìn)行消毒滅菌并干燥。

AGI-30氣體沖撞式微生物采樣器液體介質(zhì)為滅菌的生理鹽水（0.9%的氯化鈉水溶液），氣體采樣流量為12.5L/min，采樣時長使用通電計時器讀取。采樣后，對采樣液進(jìn)行10倍梯度稀釋，每個梯度取0.5mL的液體進(jìn)行平板涂布培養(yǎng)，每個梯度重復(fù)兩次。培養(yǎng)基為營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，涂布后在37℃條件下培養(yǎng)24h，選取菌落數(shù)在30～300之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算?？諝饧?xì)菌濃度通過公式2計算：

式中：:Cbacteria：空氣細(xì)菌濃度（CFU/m3）

N：介于30～300之間的菌落數(shù)平均值

V1：原始樣液體積（mL）

a：原始樣液稀釋倍數(shù)

V2：每個培養(yǎng)皿涂布菌液體積（0.5mL）

Q：氣體采樣流量（12.5 L/min=0.0125 m3/min）

t：采樣時長（min）

2.7 試驗設(shè)計

氨氣減排效果研究中，自來水（pH = 7.1～7.4）和微酸性電解水（pH = 5.8～6.2，有效氯濃度為70mg/L）交替噴霧，每種介質(zhì)噴霧8天，測試每天8：00～18：00，擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處氨氣的平均濃度，具體見表1。

細(xì)菌氣溶膠減排效果研究中，70mg/L和100mg/L的微酸性電解水（pH = 5.8～6.2）交替噴霧，每種介質(zhì)噴霧6天。由于自來水噴霧不能殺滅細(xì)菌氣溶膠且通過降塵去除細(xì)菌的效果有限，本研究未進(jìn)行基于自來水噴霧的擋風(fēng)墻對細(xì)菌氣溶膠的凈化處理試驗。擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口細(xì)菌氣溶膠濃度測試時間為每天8：00～9：00和13：00～14：00，具體見表1。

2.8 數(shù)據(jù)分析

氨氣減排效果研究中，測試計算進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口每天8：00～18：00的平均氨氣濃度，并依據(jù)公式3計算氨氣凈化效率。氨氣濃度以每個采樣天的平均濃度作為一個重復(fù)，共8個重復(fù)。

細(xì)菌氣溶膠減排效果研究中，測試計算進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口每天8：00～9：00和13：00～14：00的平均細(xì)菌氣溶膠濃度，并依據(jù)公式3計算細(xì)菌氣溶膠凈化效率。細(xì)菌氣溶膠濃度以每個小時平均濃度為一個重復(fù)，共12個重復(fù)（采樣6天，每天進(jìn)行2次采樣）。

表1 污染物采樣對應(yīng)的噴霧介質(zhì)、采樣時長、噴霧量和風(fēng)機(jī)風(fēng)量[a]

式中：:Rremoval:：氨氣或空氣細(xì)菌的凈化效率（%）

Cinlet:：進(jìn)風(fēng)口氨氣或空氣細(xì)菌濃度（mg/m3或CFU/m3）

Coutlet:：出風(fēng)口氨氣或空氣細(xì)菌濃度（mg/m3或CFU/m3）

通過t檢驗方法，評價凈化效率是否顯著小于數(shù)值1，檢驗處理是否對氨氣和細(xì)菌氣溶膠有凈化作用；在確定有凈化作用的前提下，通過方差分析，對比不同處理方式。數(shù)據(jù)分析使用SAS 9.2軟件，ɑ值=0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜壓差和風(fēng)機(jī)風(fēng)量

靜壓差測試期間，試驗雞舍只有試驗風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)。安裝擋風(fēng)墻前，舍內(nèi)外靜壓差為22.6±2.1Pa；安裝擋風(fēng)墻后，舍內(nèi)外靜壓差為13.7±0.9Pa，舍內(nèi)和擋風(fēng)墻內(nèi)靜壓差為43.1±1.5Pa。擋風(fēng)墻安裝前后，試驗風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。根據(jù)靜壓差測試數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)機(jī)性能曲線，估算出擋風(fēng)墻安裝前后風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為9.85和8.79m3/s，風(fēng)量減少10.7%。Ford和Riskowski研究結(jié)果顯示，當(dāng)擋風(fēng)墻與風(fēng)機(jī)安裝距離為3.05m時（與本研究的3.00 m幾乎相同），風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少9～14%。

3.2 氨氣減排效果

擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的氨氣平均濃度見表2，進(jìn)風(fēng)口氨氣濃度與自來水噴霧擋風(fēng)墻出風(fēng)口的氨氣濃度、微酸性電解水噴霧擋風(fēng)墻出風(fēng)口的氨氣濃度都有顯著性差異，表明自來水和微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻凈化系統(tǒng)都能夠減少氨氣排放（t檢驗，p＜0.01），但自來水噴霧和微酸性電解水噴霧對氨氣的減排效率差異并不顯著（p=0.13）。

本研究擋風(fēng)墻由聚碳酸脂板制成，通過擋風(fēng)墻上部出風(fēng)口將氣流導(dǎo)向上方大氣，對氨氣無凈化作用，但可以為排出空氣和噴霧液滴提供反應(yīng)界面。氨氣具有極易溶于水的特性，該試驗中使用自來水噴霧氨氣的凈化效率＜9%。由于微酸性電解水pH值（5.8～6.2）小于自來水（7.1～7.4），使用微酸性電解水噴霧提高了氨氣凈化效率，但是提高的效果不顯著。同Manuzon和Hadlocon研究的酸洗凈化系統(tǒng)相比，基于微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻氨氣減排效率明顯偏低?？赡艿脑蛴校何⑺嵝噪娊馑嵝燥@著小于硫酸溶液（pH＜2）；酸洗凈化系統(tǒng)中風(fēng)速（3～4m/s）小于本試驗系統(tǒng)的風(fēng)速（5.5～6m/s），空氣在霧化液滴中的滯留時間較長，增加氨氣和液滴的接觸幾率；氨氣凈化效率和單位體積空氣噴霧量、霧粒粒徑有關(guān)。本試驗中單位體積空氣噴霧量明顯小于Manuzon的試驗條件，噴霧壓力（120kPa）也明顯小于Manuzon和Hadlocon的試驗條件（分別為210kPa和620kPa），使得本試驗中霧粒粒徑更大，單位空間霧滴數(shù)量更少，氣體與霧滴接觸機(jī)會更少。

微酸性電解水成分以次氯酸為主，酸性、腐蝕性都小于H2SO4。微酸性電解水是一種環(huán)境友好型的消毒劑。如表1所示，試驗期間總噴霧量少于20m3。因此，本試驗在地面收集的液體可直接排放，但是微酸性電解水噴霧對環(huán)境和農(nóng)場建筑結(jié)構(gòu)的影響仍需進(jìn)一步研究。此外，為推進(jìn)該減排系統(tǒng)的實際應(yīng)用，仍需進(jìn)一步提高氨氣去除效率，并設(shè)計水循環(huán)利用系統(tǒng)。

3.3 細(xì)菌氣溶膠

擋風(fēng)墻進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的細(xì)菌氣溶膠平均濃度見表2，進(jìn)風(fēng)口細(xì)菌氣溶膠濃度與70mg/L微酸性電解水噴霧擋風(fēng)墻出風(fēng)口、100mg/L微酸性電解水噴霧擋風(fēng)墻出風(fēng)口的細(xì)菌氣溶膠濃度都有顯著性差異，表明凈化微酸性電解水噴霧擋風(fēng)墻能有效減少細(xì)菌氣溶膠排放（t檢驗，p＜0.01），但是兩種微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻對細(xì)菌氣溶膠的凈化效率差異并不顯著（p=0.52）。

表2 不同處理氨氣和細(xì)菌氣溶膠的濃度和去除效率[a]

在本研究中，細(xì)菌以空氣顆粒物為載體，在擋風(fēng)墻中直接和霧化的微酸性電解水霧粒接觸，微酸性電解水中的高濃度有效氯能夠殺死細(xì)菌或使其失活。此外，微酸性電解水噴霧的降塵作用也可以降低細(xì)菌氣溶膠濃度。但是，微酸性電解水噴霧凈化細(xì)菌氣溶膠以其殺菌作用為主。微酸性電解水噴霧殺菌作用大小與有效氯濃度相關(guān)。本研究70mg/L和100mg/L的微酸性電解水噴霧對細(xì)菌氣溶膠的凈化效果差異不顯著，30mg/L的差別可能并不足以顯著提高微酸性電解水噴霧對細(xì)菌氣溶膠的凈化效率。優(yōu)化噴霧系統(tǒng)提高細(xì)菌氣溶膠的凈化效率仍需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

基于自來水和微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻對蛋種雞舍氨氣的減排效率分別為8.8%和13.2%?；谟行葷舛葹?0mg/L和100mg/L的微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻對蛋種雞舍細(xì)菌氣溶膠的減排效率分別為39.4%和40.8%，差異不顯著。基于微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻建設(shè)和運行成本低、風(fēng)阻小，是一種經(jīng)濟(jì)可行的新型畜禽舍氨氣和細(xì)菌氣溶膠的減排技術(shù)。

本研究基于微酸性電解水噴霧的擋風(fēng)墻減排系統(tǒng)針對單一風(fēng)機(jī)開展，但為該技術(shù)在縱向通風(fēng)的畜禽舍同時用于多臺風(fēng)機(jī)提供了基礎(chǔ)。需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計（噴霧壓力和噴霧量等），提高減排效率，并對更多的空氣污染物和不同氣候條件下的減排效果開展研究。

致謝

本研究獲得了北京市自然基金（6154029）、國家自然科學(xué)基金（31372350）和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系—蛋雞（CARS-41）等項目的資助。同時，感謝北京華都峪口禽業(yè)有限公司提供試驗蛋種雞舍。

（編譯自：Applied Engineering in Agriculture，2016，32（3）：393-399，原文篇名：Removal of Ammonia and Airborne Culturable Bacteria by Proof-of-Concept Windbreak Wall With Slightly Acidic Electrolyzed Water Spray for a Layer Breeding House）