機械通風(fēng)式籠養(yǎng)雞舍內(nèi)外顆粒物特征與影響因素分析

郭 麗 王 春 馬淑麗 陳東輝 佟 金 任麗麗

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130022； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022)

0 引言

根據(jù)懸浮顆粒物的粒徑，將其分為TSP(空氣動力學(xué)直徑小于等于100 μm)、PM10(空氣動力學(xué)直徑小于等于10 μm)、PM2.5(空氣動力學(xué)直徑小于等于2.5 μm)，其中PM10可以通過呼吸進入體內(nèi)，PM2.5通過呼吸進入人體的肺泡中[1]。不同粒徑的顆粒物通過呼吸可以進入呼吸道的不同部位，進而引發(fā)不同的呼吸系統(tǒng)疾病[2]。流行病學(xué)的研究結(jié)果表明，環(huán)境顆粒物會引起心臟和肺部有關(guān)疾病[3]。進入到人體呼吸系統(tǒng)的顆粒物會引起呼吸系統(tǒng)感染，并增加患哮喘、血管炎癥、肺癌和心臟疾病的危險[4]。

圖1 雞舍結(jié)構(gòu)及舍內(nèi)、外監(jiān)測點示意圖(未按比例)Fig.1 Schematic diagrams of monitoring locations inside and outside laying hen house(not to scale)

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；l(fā)展，養(yǎng)殖過程中會向周圍環(huán)境釋放大量的顆粒污染物[5]，不但對畜禽的活動和生產(chǎn)性能產(chǎn)生影響，而且還會對畜禽和工作人員的健康產(chǎn)生危害[6]。畜禽舍內(nèi)的顆粒物濃度是其他室內(nèi)顆粒物濃度的10到100倍，且畜禽舍內(nèi)顆粒物表面會吸附大量的細(xì)菌和微生物[7-8]。在相同顆粒物濃度條件下，畜禽舍顆粒物對人畜的危害更大[9]。進入到動物體內(nèi)的顆粒物攜帶有各種病原體、真菌等能夠發(fā)生反應(yīng)，刺激呼吸道或引發(fā)炎癥[10-11]。對于畜禽舍內(nèi)顆粒物，一般采用通風(fēng)系統(tǒng)控制，將其排放到舍飼周邊的環(huán)境中[12]，顆粒物可隨著空氣傳播到周圍5 km左右的范圍內(nèi)[13]，會導(dǎo)致能見度降低，造成植物應(yīng)激和生態(tài)系統(tǒng)的改變，影響植物、森林和陸地生態(tài)系統(tǒng)[14]。畜禽舍排放的顆粒物吸附大量的氨氣，可形成次級顆粒物，是大氣中酸雨形成的主要原因之一[15]。而且，排到舍外的顆粒物不僅其自身會產(chǎn)生危害，而且還攜帶舍內(nèi)的氣味及傳播細(xì)菌，對周圍居民的健康造成影響[16-17]。

對畜禽舍內(nèi)顆粒物濃度產(chǎn)生影響的因素有很多。不同畜禽舍內(nèi)顆粒物濃度不盡相同，除此之外，同一畜禽舍內(nèi)顆粒物濃度還與畜禽種類、通風(fēng)、晝夜和季節(jié)變化、飼養(yǎng)條件等因素有關(guān)[18]。而排到畜禽舍外的顆粒物濃度不僅與舍內(nèi)顆粒物濃度有關(guān)，而且還隨著禽舍類型、舍內(nèi)外環(huán)境、通風(fēng)方式等的不同而發(fā)生變化[19]。畜禽養(yǎng)殖過程中排放出的PM10占總排放量的8%，初級PM2.5僅占PM2.5總排放量的4%[20]。為了保護畜禽養(yǎng)殖場周圍的環(huán)境，保障居民和動物的健康，畜禽舍內(nèi)及其排放到舍外的的顆粒物濃度必須受到關(guān)注[21]。

國內(nèi)關(guān)于畜禽舍內(nèi)顆粒物的研究主要集中在不同畜禽種類及類型的顆粒物濃度研究[22-25]上，關(guān)于畜禽舍外環(huán)境的研究集中在畜禽舍內(nèi)微生物氣溶膠及其擴散研究[26-27]上，對舍內(nèi)顆粒物在周圍環(huán)境中的擴散以及影響研究有限。本文以夏季機械通風(fēng)式籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)外顆粒物為研究對象，采用風(fēng)機將舍內(nèi)顆粒物排放到舍外，監(jiān)測舍內(nèi)、外顆粒物濃度變化，并分析顆粒物的傳播規(guī)律，以期為籠養(yǎng)蛋雞舍外顆粒物的逸散控制奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗和方法

1.1 試驗場地概況

試驗場地在長春市郊區(qū)某籠養(yǎng)蛋雞養(yǎng)殖場。試驗雞舍為育成雞舍，雞舍長53 m，寬10 m，高3 m，雞舍平面圖如圖1所示。雞舍采用機械通風(fēng)和自然通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式，東墻設(shè)有一個前門和2個濕簾，西墻設(shè)有4臺風(fēng)機，南墻開設(shè)有一個后門和17個窗戶，北墻開有19個窗戶。監(jiān)測開始時雞舍內(nèi)的“海蘭褐”蛋雞雞齡為60 d，蛋雞數(shù)量為8 000只左右。飼養(yǎng)方式為層疊籠養(yǎng)(共3層)。每天喂料2次，時間分別為10：00—10：30、16：00—16：30，飼料是該公司自加工配比。雞舍采用乳頭式飲水器，夏季采用濕簾保持雞舍內(nèi)的溫濕度(當(dāng)舍內(nèi)溫度高于31℃時開啟)，由于監(jiān)測試驗在夏季進行，因此濕簾一直處于開啟狀態(tài)。

1.2 監(jiān)測時間和內(nèi)容

監(jiān)測試驗在2016年7—8月進行，每月中下旬選取微風(fēng)晴朗的天氣(為減小舍外周邊環(huán)境對顆粒物濃度變化的影響)進行為期6 d的監(jiān)測。據(jù)相關(guān)研究表明，雞舍內(nèi)白天顆粒物濃度高于晚上，且此時間段內(nèi)發(fā)生的各種舍內(nèi)作業(yè)亦會影響舍內(nèi)顆粒物濃度變化[28]，選取10：00—16：00作為監(jiān)測時間段，因為此時間段試驗雞舍的喂食和工作人員的其他作業(yè)均在進行，且此時間段內(nèi)風(fēng)機(DS-1380型，通風(fēng)量35 000 m3/h)全部處于開啟狀態(tài)。溫濕度是影響顆粒物濃度的一個主要因素，因此本研究在顆粒物濃度監(jiān)測點處同時監(jiān)測舍內(nèi)外溫濕度；此外，由于顆粒物粒徑越小，進入呼吸道的部位就越深，對人體的危害相對也就越大[23]，因此本研究除了監(jiān)測舍內(nèi)外PM10濃度、PM2.5濃度外，還監(jiān)測了PM1(空氣動力學(xué)直徑小于等于1 μm)濃度。同時，在舍內(nèi)過道及舍外監(jiān)測點附近采集積塵，用密封袋帶回實驗室，進行顆粒物成分分析。

1.3 監(jiān)測方法

1.3.1 儀器設(shè)備

使用Dust TruckDRX Desktop(8533型，美國TSI公司)對顆粒物濃度進行監(jiān)測，顆粒物濃度精度：±0.001 mg/m3；該儀器的主要特點是能同時檢測PM1、PM2.5、呼吸性粉塵和PM10等不同粒徑的氣溶膠質(zhì)量濃度，這是其他儀器所沒有的功能；Dust Truck檢測儀內(nèi)部配有數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、光散射激光光度計和抽氣泵，可供氣溶膠數(shù)值的實時觀測；它使用鞘氣系統(tǒng)隔離了氣溶膠和光學(xué)室，保證了光學(xué)元件的清潔，提高了設(shè)備的可靠性，降低了維修率[29]。本研究每隔1 min采集一次數(shù)據(jù)，儀器自動保存數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后利用儀器自帶的分析軟件導(dǎo)入計算機，進行統(tǒng)一分析計算。舍內(nèi)外監(jiān)測點的溫濕度采用AOSONG監(jiān)測儀(AH200型，中國奧松公司)，溫度測量范圍：外置探頭-40℃～80℃，溫度精度：±0.3℃(25℃)；相對濕度測量范圍：0～99.9%，相對濕度精度：±2%。顆粒物成分分析使用ZEISS掃描電鏡(ECO-18型，德國蔡司公司)和OXFORD能譜儀(INCA型，英國牛津儀器)。

1.3.2 監(jiān)測點分布

據(jù)相關(guān)研究表明，相對于舍內(nèi)顆粒物濃度的日變化而言，監(jiān)測點位置的變化對顆粒物濃度的影響要小[30]，因此舍內(nèi)顆粒物濃度監(jiān)測點選在正對著風(fēng)機的雞籠中部；舍外監(jiān)測點選取正對著此風(fēng)機的同樣高度位置，距離風(fēng)機3 m(在減少風(fēng)機對監(jiān)測點干擾的情況下選取離雞舍最近的距離，且舍內(nèi)、外同時進行監(jiān)測)，溫濕度計的位置選取與粉塵監(jiān)測儀相同的位置，以便于實時監(jiān)測顆粒物監(jiān)測點的溫濕度。粉塵監(jiān)測儀和溫濕度計的監(jiān)測點如圖1所示。

1.4 統(tǒng)計分析軟件

采用Excel(2010，美國微軟公司)對數(shù)據(jù)進行基本統(tǒng)計分析。采用SPSS(22.0，美國IBM公司)軟件，利用雙變量相關(guān)性分析溫度、相對濕度與顆粒物濃度的關(guān)系。采用Origin(9.0，OriginLab 公司)軟件將分析數(shù)據(jù)生成圖示。

2 結(jié)果與討論

2.1 舍內(nèi)、外溫濕度對比

試驗期間舍內(nèi)、外溫濕度對比如圖2所示。試驗期間舍內(nèi)溫度為27.6～29.7℃，舍外溫度為26.9～32.4℃；舍內(nèi)相對濕度為39.3%～77.4%，舍外相對濕度為40.4%～64.1%。舍內(nèi)、外溫度相差不大，舍外溫度略有變化。舍內(nèi)溫度基本保持在恒定溫度，這是因為舍內(nèi)采用濕簾法在一定程度上可以保持舍內(nèi)溫度恒定；舍外相對濕度在8月28日之前高于舍內(nèi)，之后低于舍內(nèi)，且8月28日與8月29日相對濕度明顯降低。這一方面是因為在8月底溫度逐漸降低，濕簾關(guān)閉；另一方面是由于此時天氣逐漸干燥，使得舍內(nèi)外濕度明顯低于其他時間。

圖2 舍內(nèi)、外溫濕度對比Fig.2 Comparisons of indoor and outdoor temperature and relative humidity

2.2 舍內(nèi)、外顆粒物濃度對比

試驗期間舍內(nèi)、外顆粒物濃度如圖 3所示。舍內(nèi)PM10平均濃度范圍為0.265～1.145 mg/m3，舍外PM10平均濃度范圍為0.169～0.720 mg/m3。我國關(guān)于畜禽養(yǎng)殖場空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定畜禽舍內(nèi)PM10濃度為4 mg/m3，禽舍緩沖區(qū)(畜禽舍外圍，沿場院向外小于等于500 m范圍內(nèi))PM10濃度為0.5 mg/m3[31]。畜禽舍內(nèi)顆粒物濃度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，但是禽舍緩沖區(qū)的顆粒物濃度在8月28日和8月29日超過國家標(biāo)準(zhǔn)。而我國空氣質(zhì)量準(zhǔn)則中PM2.5的日均濃度一級標(biāo)準(zhǔn)為35 μg/m3[32]。而畜禽舍緩沖區(qū)的PM2.5濃度變化范圍為0.094～0.364 mg/m3，此濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家空氣質(zhì)量準(zhǔn)則中關(guān)于PM2.5的濃度標(biāo)準(zhǔn)。陳峰等[18]關(guān)于籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度的研究測得PM10和PM2.5的濃度分別為0.290、0.260 mg/m3，本次試驗測得的舍內(nèi)PM10和PM2.5的濃度在7月18日低于此值，PM2.5的濃度在7月19日低于此值，其余日期所測得的濃度均高于此值。舍內(nèi)PM1平均濃度范圍為0.148～0.577 mg/m3，舍

外PM1平均濃度范圍為0.092～0.340 mg/m3。國內(nèi)外尚無對畜禽舍內(nèi)、外PM1濃度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且國內(nèi)外關(guān)于籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)PM1濃度的研究亦有限。

監(jiān)測結(jié)果顯示，舍內(nèi)顆粒物濃度高于舍外顆粒物濃度，且隨著試驗的進行，舍內(nèi)、外顆粒物濃度均有所升高。這與蛋雞的日齡有關(guān)，WINKEL等[33]的研究也證明了蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度隨著雞齡的增長而升高。同時，舍外顆粒物濃度與舍內(nèi)顆粒物濃度也存在一定的關(guān)系，舍內(nèi)顆粒物濃度升高的同時，舍外顆粒物濃度也隨之升高。此外，空氣濕度也能影響顆粒物濃度[34]，在8月28、29日空氣濕度明顯降低，因此也是造成這2日舍內(nèi)、外顆粒物濃度升高的原因。

圖3 舍內(nèi)、外顆粒物濃度對比Fig.3 Comparisons of indoor and outdoor PM concentrations

2.3 舍內(nèi)、外顆粒物濃度相關(guān)性分析

2.3.1 舍內(nèi)、外顆粒物濃度日變化

圖4 舍內(nèi)、外顆粒物濃度日變化Fig.4 Diurnal variations of indoor and outdoor PM concentrations

為了解舍內(nèi)外顆粒物濃度日變化的趨勢，選取7月20日舍內(nèi)、外顆粒物濃度數(shù)據(jù)進行分析，如圖4所示。在監(jiān)測試驗進行期間，舍內(nèi)顆粒物濃度整體呈現(xiàn)波動趨勢，這是由于舍內(nèi)工作人員的作業(yè)對沉積的顆粒物進行擾動，致使顆粒物再懸浮從而影響顆粒物濃度出現(xiàn)變化。在10：30和15：30左右舍內(nèi)顆粒物濃度呈現(xiàn)出明顯的高峰，這是由于此時雞舍進行喂料，自動喂料機經(jīng)過儀器時致使沉積的顆粒物再懸浮，造成顆粒物濃度升高。隨著喂料作業(yè)的結(jié)束舍內(nèi)顆粒物濃度逐漸下降。在11：00—11：30雞舍內(nèi)顆粒物呈現(xiàn)下降趨勢，且此時段內(nèi)顆粒物濃度波動較小，這是由于此時段工作人員休息，雞舍內(nèi)無工作人員干擾，顆粒物沉積，故此時顆粒物濃度變化較小。舍內(nèi)工作人員活動和喂料機工作均會擾動沉積的顆粒物，并驚動蛋雞，致使蛋雞活動性增強，也引起舍內(nèi)顆粒物濃度變化，這與LIN等[34]的蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度與蛋雞的活動性有關(guān)的結(jié)論相一致。

在監(jiān)測試驗進行期間，雞舍外顆粒物濃度與雞舍內(nèi)顆粒物濃度變化趨勢相似，由圖4可以看出，在10：30和15：30左右，由于雞舍內(nèi)喂料作業(yè)，雞舍外顆粒物濃度亦呈現(xiàn)出較大的波動趨勢；在喂料作業(yè)結(jié)束后，顆粒物濃度逐漸穩(wěn)定。在11：00—11：30顆粒物濃度呈現(xiàn)輕微下降趨勢，之后趨于穩(wěn)定，這是由于雞舍內(nèi)工作人員的收蛋作業(yè)對雞舍內(nèi)顆粒物擾動屬于局部較小的擾動，因此對雞舍外顆粒物濃度影響較小。

2.3.2 舍內(nèi)、外顆粒物濃度相關(guān)性

雞舍內(nèi)、外PM1、PM2.5、PM10之間存在顯著相關(guān)性(P<0.01)(表1)。分析結(jié)果說明，舍外顆粒物很大程度上來源于舍內(nèi)，控制舍內(nèi)顆粒物濃度可以在一定程度上降低舍外顆粒物濃度，減輕畜禽場顆粒物對周圍環(huán)境的危害。

表1 舍內(nèi)、外顆粒物濃度Pearson系數(shù)Tab.1 Pearson’s correlation coefficient for indoor and outdoor PM concentrations

注：** 在0.01水平上顯著相關(guān)，*在0.05水平上顯著相關(guān)，下同。

圖5 舍內(nèi)、外顆粒物濃度比率對比Fig.5 Comparisons of ratio of PM concentrations at different sizes

而舍外顆粒物濃度相對于其舍內(nèi)濃度的比在一定程度上反應(yīng)了舍內(nèi)排放到舍外的顆粒物濃度的比率，濃度比越大，排放到舍外的顆粒物越多。試驗期間舍內(nèi)、外PM1、PM2.5、PM10濃度比如表 2所示，其平均濃度比分別為39.6%、39.3%、39.5%，變化范圍分別為35.6%～47.8%、35.3%～48.2%、31.8%～55.2%。舍外顆粒物濃度最高可達(dá)到舍內(nèi)的55.2%，排出到舍外的顆粒物將向周圍大氣擴散，在一定程度上對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，并會對周圍居民的身體健康造成影響。

2.4 不同粒徑顆粒物濃度比率

試驗期間舍內(nèi)顆粒物PM1/PM2.5、PM1/PM10、PM2.5/PM10的比率如圖5a所示。舍內(nèi)顆粒物濃度平均比率分別為96.7%、56.9%、58.8%，變化范圍為94.7%～98.1%、50.5%～63.5%、53.1%～64.8%，MODINI等[35]監(jiān)測所得的PM2.5/PM10的比率為23%，本試驗所測得的數(shù)值遠(yuǎn)高于該值?？梢钥闯觯醿?nèi)顆粒物以細(xì)顆粒物為主。研究表明，粒徑越小的顆粒物對人和動物的危害越大[23]，因此，必須對舍內(nèi)顆粒物進行控制。

表2 舍外相對于舍內(nèi)顆粒物濃度比率Tab.2 Ratios of indoor PM concentration to that of outdoor %

試驗期間舍外顆粒物PM1/PM2.5、PM1/PM10、PM2.5/PM10的比率如圖 5b所示。其平均比率分別為96.1%、57.8%、60.0%，變化范圍為93.1%～97.9%、46.8%～71.1%、50.0%～72.6%。可以看出，舍外顆粒物同樣以細(xì)顆粒物為主，且排出到舍外的顆粒物，粒徑越小，在空氣中傳播的距離越遠(yuǎn)[36]，越容易對周圍居民的健康造成影響。因此，排到舍外的顆粒物必須采取一定的措施進行控制。

通過對舍內(nèi)、外顆粒物濃度比率的分析，可以得出：舍內(nèi)、外顆粒物以對人體危害最大的細(xì)顆粒物為主。

2.5 舍內(nèi)、外顆粒物成分分析

試驗期間收集舍內(nèi)地面的顆粒物積塵和舍外監(jiān)測點附近顆粒物積塵并對其進行成分分析，舍內(nèi)顆粒物成分分析結(jié)果如圖6a所示，主要成分為C、O、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe、Cl、Na；舍外顆粒物成分分析結(jié)果如圖6b所示，主要成為C、O、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe；舍內(nèi)、外顆粒物各元素含量如表 3所示。分析結(jié)果顯示，舍內(nèi)、外顆粒物成分均含有為C、O、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe，舍內(nèi)顆粒物的主要成分還有Cl、Na，Mg；舍內(nèi)、外顆粒物各元素的含量不同，舍內(nèi)C、O、S、Fe元素的含量低于舍外，Al、Si、P、K、Ca元素的含量高于舍外。通過舍內(nèi)、外顆粒物的成分分析可知，舍內(nèi)外顆粒物主要成分含量不同，但是各主要元素均存在，因此舍內(nèi)部分顆粒物通過風(fēng)機排放到了舍外。

圖6 舍內(nèi)、外顆粒物成分分析Fig.6 Chemical characterization analysis of PM indoor and outdoor

養(yǎng)殖場管理人員每天上午均會對舍內(nèi)進行清掃，舍內(nèi)一部分積塵直接被清掃出雞舍，無法隨著風(fēng)機排出到舍外，因此舍內(nèi)外顆粒物成分略有區(qū)別。LI等[37]的研究也表明了舍內(nèi)外顆粒物成分及其含量不相同。

3 結(jié)論

(1)雞舍內(nèi)、外顆粒物濃度隨著蛋雞日齡的增加而升高，隨著空氣濕度的降低而升高。

(2)雞舍外顆粒物濃度相對于舍內(nèi)顆粒物濃度的比率越大，舍內(nèi)排放到舍外的顆粒物越多，舍內(nèi)顆粒物排至舍外的最高濃度比率為55.2%。

(3)雞舍內(nèi)、外顆粒物以對人體危害最大的細(xì)顆粒物為主，且舍外顆粒物很多來自舍內(nèi)。

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