上海市典型畜禽養(yǎng)殖場惡臭污染物排放特征調(diào)查

周忠強，沈根祥，*，徐 昶，宋夢潔，陳曉婷，王振旗，付 侃，錢曉雍

(1.華東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200237； 2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護城市大氣復(fù)合污染成因與防治重點實驗室，上海 200233； 3.上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200235)

近幾十年來，惡臭污染已逐漸成為一個重要的環(huán)境問題[1]，其影響日益受到各界關(guān)注[2-3]。惡臭的來源有天然源與人為源：天然源主要為動植物蛋白質(zhì)通過微生物分解作用而引起的自發(fā)性臭氣[4]；人為源則包括工業(yè)生產(chǎn)排放源、城市市政設(shè)施排放源、機動車尾氣排放源、畜禽養(yǎng)殖和加工排放源，及其他人為源。隨著我國人民生活水平的提高，人們對肉制品與奶制品的需求日益上升，畜禽養(yǎng)殖場數(shù)量也顯著增加，由畜禽臭氣引起的環(huán)境污染及“場群矛盾”日益凸顯，惡臭擾民事件頻繁發(fā)生。研究表明，畜禽養(yǎng)殖排放的惡臭不僅會影響畜禽場工作人員的心肺功能，而且會刺激周圍居民的感官系統(tǒng)，從而影響身體健康[5-8]。某些惡臭特征污染物(H2S、NH3)還會損傷畜禽的黏膜系統(tǒng)，對畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率具有顯著影響[9]。

國外在畜禽養(yǎng)殖業(yè)惡臭研究方面起步較早，大多關(guān)注于畜禽場惡臭成分分析、畜禽場惡臭排放因子、畜禽場惡臭擴散模型、畜禽惡臭控制技術(shù)等[10-14]。Akdeniz等[15]和Gay等[16]對不同畜禽種類多個畜禽場的臭氣濃度水平開展研究，但該研究主要針對的是場界和糞便堆肥環(huán)節(jié)，并未涉及堆糞、污水等排放環(huán)節(jié)，以及畜禽場整體惡臭污染水平。相比而言，國內(nèi)對畜禽惡臭的研究主要集中在控制技術(shù)與擴散模型上[17-18]，很少有對畜禽場場界及主要排放環(huán)節(jié)臭氣濃度的系統(tǒng)性研究。部分研究認(rèn)為，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的惡臭主要是由于畜禽糞便內(nèi)的有機化合物在微生物轉(zhuǎn)化后形成的[19]，主要排放環(huán)節(jié)包含畜舍養(yǎng)殖、糞便堆肥、污水貯存、堆肥還田等[20]。此外，環(huán)境及氣象因素也會影響惡臭的產(chǎn)生與排放，如溫度升高可以促進惡臭氣體的產(chǎn)生，通風(fēng)率升高和排放面積增加會加速惡臭氣體向環(huán)境的擴散[21]。本研究對上海市10家典型畜禽養(yǎng)殖場的惡臭污染現(xiàn)狀開展實測調(diào)研，探索不同類型畜禽養(yǎng)殖場場界臭氣濃度水平及主要排放環(huán)節(jié)的臭氣排放污染特征，以奶牛場和豬場為例，調(diào)查其特征污染物(H2S、NH3)的含量及其與臭氣濃度的關(guān)系，以期更好地了解和掌握上海市畜禽養(yǎng)殖業(yè)惡臭排放水平和現(xiàn)狀。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查對象

選擇位于上海市奉賢區(qū)、浦東新區(qū)、金山區(qū)的10家典型畜禽養(yǎng)殖場進行調(diào)查，其中包括2家蛋雞場、4家奶牛場、4家豬場，覆蓋上海市比較典型的畜禽種類、污水貯存模式、糞便處理模式。各畜禽養(yǎng)殖場的具體情況如表1所示。

1.2 調(diào)查內(nèi)容

調(diào)查10家養(yǎng)殖場的場界臭氣濃度，以及畜舍養(yǎng)殖、糞便堆肥、污水貯存環(huán)節(jié)的臭氣濃度。以奶牛場和豬場為例，測定其畜舍養(yǎng)殖、糞便堆肥、污水貯存環(huán)節(jié)典型臭氣特征污染物的濃度，分析臭氣濃度與典型臭氣特征污染物濃度的關(guān)系。

1.3 調(diào)查方法

1.3.1 測定指標(biāo)

按照GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 14675—1993《空氣質(zhì)量 惡臭的測定 三點比較式臭袋法》的定義和監(jiān)測要求，對畜禽場臭氣濃度進行監(jiān)測，用以綜合評價養(yǎng)殖場的惡臭強度[22-23]。

研究表明，NH3和H2S是畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的2種典型惡臭特征污染物[24]?？紤]到畜禽養(yǎng)殖場惡臭污染排放的主要特征，本研究選取NH3和H2S作為主要惡臭特征污染物測定指標(biāo)。

1.3.2 采樣與分析

根據(jù)上海市環(huán)境監(jiān)測中心關(guān)于惡臭投訴事件的統(tǒng)計，上海地區(qū)的惡臭投訴主要發(fā)生在春、夏季，因此選取春、夏季的典型天氣狀況(排除雨、雪、雷暴等異常天氣)對惡臭進行研究，獲取上述畜禽養(yǎng)殖場畜舍養(yǎng)殖、糞便堆肥、污水貯存環(huán)節(jié)，及場界居民敏感點位的臭氣濃度。

畜舍養(yǎng)殖與糞便堆肥環(huán)節(jié)在畜舍出風(fēng)口處分別設(shè)置1個采樣點；污水貯存環(huán)節(jié)在貯存池下風(fēng)向1 m處設(shè)置1個采樣點。場界采樣點布置在畜禽養(yǎng)殖場下風(fēng)向場界邊緣，共設(shè)置3～4個采樣點。分別于2016年4—5月(春季)、8—9月(夏季)、2016年11月(秋季)和2017年2月(冬季)，在典型天氣下各采樣3 d，每個采樣點采集3次。

表1 典型畜禽養(yǎng)殖場概況

豬場養(yǎng)殖規(guī)模是指豬場養(yǎng)殖畜舍的育肥豬一次存欄量。

The scale of swine referred to the amount of fattening pigs in pig house.

利用天津迪蘭奧特環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司生產(chǎn)的8 L氣體采樣袋/采樣箱收集臭氣樣品，每個樣品的采樣時間為3 min，每2 h采樣一次，共取樣3次。

以0.01 mol·L-1稀硫酸為吸收液，采集NH3氣體，采樣流量為1.0 L·min-1，采樣與樣品分析均遵循HJ 533—2009《環(huán)境空氣和廢氣 氨的測定 納氏試劑分光光度法》的要求。以氫氧化鎘-聚乙烯醇磷銨溶液為吸收液采集H2S氣體，采樣流量為1.0 L·min-1，避光采樣45～60 min，采樣與樣品分析遵循DB 31/982—2016《地方城鎮(zhèn)污水處理廠 大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》附錄B《環(huán)境空氣和廢氣 硫化氫的測定 亞甲基藍分光光度法》的要求。特征污染物每2 h采樣1次，共取樣3次?？偛蓸訒r段覆蓋畜禽養(yǎng)殖糞污從產(chǎn)生到清理的整個過程。此外，利用溫濕度計和風(fēng)速儀測定收集風(fēng)速風(fēng)向、氣溫等氣象參數(shù)，用于后續(xù)分析。采樣期間各畜禽場的氣象數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采樣季節(jié)氣象因子

1.4 調(diào)查數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2013與Origin 8.0軟件進行，顯著性檢驗采用ANOVA單因子水平方差分析，相關(guān)性分析采用相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽養(yǎng)殖場場界與主要排放環(huán)節(jié)的臭氣濃度

如表3所示，春季各畜禽養(yǎng)殖場場界臭氣濃度為<10～128，夏季場界臭氣濃度范圍為<10～79。個別畜禽養(yǎng)殖場春、夏季臭氣濃度存在較大差異，如位于浦東新區(qū)的豬場A，夏季場界的臭氣監(jiān)測濃度最大值僅為18，而春季場界的臭氣濃度監(jiān)測最大值則達到了128。與其相反，豬場D的場界臭氣濃度最大值在夏季為79，而在春季僅為18。

蛋雞場春季場界臭氣濃度為<10～13，畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～30，糞便堆肥環(huán)節(jié)臭氣濃度為16～412；夏季場界臭氣濃度為<10～39，畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)臭氣濃度為12～44，糞便堆肥環(huán)節(jié)臭氣濃度為23～81。對比發(fā)現(xiàn)，蛋雞場糞便堆肥環(huán)節(jié)春、夏季的臭氣濃度總體均高于畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)。

奶牛場春季場界臭氣濃度為<10～34，畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～95，糞便堆肥環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～45，污水貯存環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～511；夏季場界臭氣濃度為<10～27，畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)臭氣濃度為14～68，糞便堆肥環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～66，污水貯存環(huán)節(jié)臭氣濃度為22～161。奶牛場各主要臭氣排放環(huán)節(jié)中，污水貯存環(huán)節(jié)的臭氣濃度在春、夏兩季均顯著(P<0.05)高于糞便堆肥和畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)。

豬場春季場界臭氣濃度為<10～128，畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～538，糞便堆肥環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～205，污水貯存環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～88；夏季場界臭氣濃度為<10～79，畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)臭氣濃度為15～197，糞便堆肥環(huán)節(jié)臭氣濃度為10～79，污水貯存環(huán)節(jié)臭氣濃度為11～69。豬場畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的臭氣濃度總體高于糞便堆肥和污水貯存環(huán)節(jié)。

2.2 養(yǎng)殖場主要排放環(huán)節(jié)特征污染物濃度

豬場與奶牛場臭氣主要排放環(huán)節(jié)的特征污染物(NH3、H2S)濃度如表4所示。奶牛場畜舍養(yǎng)殖、糞便堆肥、污水貯存環(huán)節(jié)4個季節(jié)的NH3濃度平均值分別為0.228～1.925、0.263～1.840、0.820～1.185 mg·m-3，H2S濃度平均值分別為0.002 7～0.010 0、0.001 2～0.005 2、0.011 0～0.025 0 mg·m-3。豬場畜舍養(yǎng)殖、糞便堆肥、污水貯存環(huán)節(jié)4個季節(jié)的NH3濃度平均值分別為1.725～15.250、0.152～0.984、0.162～0.689 mg·m-3，H2S濃度平均值分別為0.018 2～0.039 6、0.007 4～0.040 9、0.007 2～0.033 1 mg·m-3。

豬場和奶牛場畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的NH3、H2S濃度均表現(xiàn)出冬季>秋季>春季>夏季的特征，其中豬場和奶牛場畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)冬季的NH3濃度達到了夏季的8倍以上，冬季的H2S濃度達到了夏季的2.18～3.70倍。豬場的糞便堆肥與污水貯存環(huán)節(jié)的NH3濃度均表現(xiàn)為冬季最低；奶牛場的糞便堆肥與污水貯存環(huán)節(jié)的NH3濃度分別在夏季和冬季最低。豬場和奶牛場的糞便堆肥與污水貯存環(huán)節(jié)的H2S濃度在4個季節(jié)間沒有明顯的變化規(guī)律。

表3 各養(yǎng)殖場場界及主要排放環(huán)節(jié)的臭氣濃度

表4 奶牛場和豬場內(nèi)主要排放環(huán)節(jié)的NH3、H2S濃度

2.3 特征污染物濃度與臭氣濃度的相關(guān)性

選擇春、夏季豬場與奶牛場主要排放環(huán)節(jié)的臭氣濃度與特征污染物濃度做線性回歸，結(jié)果顯示，豬場的NH3、H2S濃度與臭氣濃度的相關(guān)性達到極顯著水平(P<0.01)，擬合的回歸方程的決定系數(shù)(R2)分別為0.563 2和0.504 4(圖1)；而奶牛場的NH3、H2S濃度與臭氣濃度無顯著相關(guān)性。

2.4 糞污處理工藝對糞便堆肥與污水貯存環(huán)節(jié)臭氣濃度的影響

如表5所示，蛋雞場采用簡易堆肥和制作有機肥的處理工藝后，春、夏季糞便堆肥棚的平均臭氣濃度分別為70.0～365.0和29.0～29.0；豬場采用簡易堆肥與制作有機肥的處理工藝后，春、夏季糞便堆肥棚臭氣濃度分別為37.0～115.0和<10～65.0。

如表6所示，采用厭氧缺氧好氧污水處理工藝的奶牛場C和豬場B、D的污水貯存環(huán)節(jié)的春、夏季臭氣濃度平均值為12.0～100.0，而采用污水厭氧發(fā)酵還田工藝的養(yǎng)殖場的污水貯存環(huán)節(jié)春、夏季臭氣濃度平均值為16.0～439.0。

圖1 豬場NH3、H2S濃度與臭氣濃度的關(guān)系Fig.1 Correlations between NH3 and H2S with odor concentrations in pig farm

3 討論

本研究以上海市10家典型畜禽養(yǎng)殖場為對象，調(diào)查不同畜禽種類(蛋雞、奶牛和肉豬)、不同排放環(huán)節(jié)的惡臭排放特征。結(jié)果顯示，上海市典型畜禽養(yǎng)殖場場界臭氣濃度范圍為<10～128，波動較大，這是畜禽養(yǎng)殖場場區(qū)布局、氣象條件、簡易堆肥，將畜禽糞便與秸稈混合后簡易堆置，直至施用。

表5 不同堆肥工藝堆肥棚內(nèi)的臭氣濃度

Simple composting， The livestock manure was mixed with straw and then simply stacked until application.

表6 不同污水處理工藝的污水池下風(fēng)向臭氣濃度

廠區(qū)管理等因素綜合作用的結(jié)果。蛋雞場、奶牛場、豬場的主要惡臭排放環(huán)節(jié)臭氣濃度分別為10～412、10～511和10～538。蛋雞養(yǎng)殖場糞便堆肥環(huán)節(jié)、奶牛場污水貯存環(huán)節(jié)與豬場畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的臭氣濃度均大于該類畜禽養(yǎng)殖其他臭氣排放環(huán)節(jié)，應(yīng)重點加以控制。豬場內(nèi)的特征污染物(NH3、H2S)濃度與臭氣濃度的相關(guān)性達到極顯著水平，而奶牛場的特征污染物(NH3、H2S)濃度與臭氣濃度無顯著相關(guān)性，說明測定特征污染物(NH3、H2S)濃度可以在一定程度上反映惡臭污染水平，但兩者并不能完全等同。使用畜禽糞便制作有機肥的糞便堆肥棚臭氣濃度明顯低于糞便簡易堆肥的堆肥棚，說明糞便堆肥工藝對糞便堆肥環(huán)節(jié)的臭氣濃度有明顯影響，應(yīng)鼓勵推廣畜禽糞便生產(chǎn)有機肥，以減少臭氣排放。

所調(diào)查的10家畜禽養(yǎng)殖場場界臭氣濃度波動較大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，濃度值波動較大的豬場A是因為在夏季監(jiān)測期內(nèi)有6個育肥豬舍出欄，出欄占比達到75%，導(dǎo)致夏季的臭氣排放源強顯著弱于春季。同時，由于夏季畜舍溫度較高，采取密閉式機械通風(fēng)的排風(fēng)模式，這也有利于惡臭污染物的擴散。朱志平等[25]與代小蓉等[26]對典型豬場的研究也發(fā)現(xiàn)，夏季通風(fēng)能降低臭氣濃度。

蛋雞場糞便堆肥環(huán)節(jié)的臭氣濃度總體高于畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)。這可能是因為蛋雞養(yǎng)殖場的糞便堆肥環(huán)節(jié)好氧發(fā)酵條件不完善，形成事實上的厭氧環(huán)境而產(chǎn)生惡臭氣體；又或者是因為糞便堆肥環(huán)節(jié)的糞便量明顯多于畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)。奶牛場污水貯存環(huán)節(jié)的臭氣濃度高于糞便堆肥與畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)。這可能是因為奶牛的飼料主要是纖維素類的秸稈與草料，其所排泄的畜禽糞便中臭氣產(chǎn)生量相對較少；而污水貯存的厭氧環(huán)節(jié)因為有大量的厭氧微生物參與分解活動，故有相當(dāng)量的臭氣產(chǎn)生。豬場畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的臭氣濃度總體高于糞便堆肥和污水貯存環(huán)節(jié)。這可能是因為本研究中豬場的畜舍養(yǎng)殖環(huán)節(jié)基本為密閉式，雖然夏天高溫時段采取機械通風(fēng)模式，但春秋冬三季僅根據(jù)室內(nèi)溫度部分開窗透氣，總體而言相對密閉，不利于惡臭擴散；而糞便堆肥和污水貯存環(huán)節(jié)總體為露天或半露天式，相對敞開的環(huán)境有利于惡臭污染物的擴散和揮發(fā)，因此臭氣濃度也相對較低。

豬場的NH3、H2S濃度與臭氣濃度的相關(guān)性達到極顯著水平，而奶牛場的NH3、H2S濃度與臭氣濃度并無顯著相關(guān)性。這可能是因為豬和奶牛的養(yǎng)殖方式、飼料成分有差異。豬飼料中的蛋白質(zhì)含量較高，N、S含量高，糞污排放的NH3和H2S濃度較高，是豬場臭氣的主要來源貢獻，因此NH3和H2S濃度與臭氣濃度相關(guān)性總體較好；而奶牛的飼料主要是以發(fā)酵秸稈為主的纖維素類粗飼料，N、S含量相對較低，而發(fā)酵秸稈有殘余的發(fā)酵產(chǎn)酸氣味，對臭氣濃度有較大貢獻，因而NH3和H2S濃度和臭氣濃度相關(guān)性不強。

在糞便堆肥環(huán)節(jié)中，采用簡易堆肥工藝的臭氣濃度高于制作有機肥的。這可能是因為制作有機肥需要向畜禽糞便中添加一定比例的纖維類物質(zhì)與一定量的菌劑，纖維類物質(zhì)的加入會明顯增加堆肥的蓬松度和堆肥的透氣性能，菌劑可以有效提高堆肥的發(fā)酵效率，因此制作有機肥的糞便堆肥環(huán)節(jié)好氧發(fā)酵條件更優(yōu)，產(chǎn)生的臭氣量低于簡易堆肥的堆肥棚。豬場與奶牛場的污水處理工藝對該環(huán)節(jié)的臭氣濃度影響不大，可能是因為污水處理環(huán)節(jié)處于開放、露天的環(huán)境中，采樣點臭氣濃度除受臭氣源強度影響外，還受到場區(qū)布局、氣象條件、管理模式等因素的綜合影響，其擴散機制非常復(fù)雜，因此各處理工藝對臭氣濃度的影響并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。