家禽糞便管理過程中氨氣減排技術(shù)研究進展

李奇峰，田 豐，丁露雨*，王朝元，余禮根，高榮華，馬為紅，姚春霞

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2.廣東省清遠市智慧農(nóng)業(yè)研究院，廣東 清遠 5130273；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100193；)

中國是畜牧業(yè)大國，農(nóng)業(yè)源NH3排放39%來源于畜牧業(yè)[1-2]，中國畜牧業(yè)的NH3排放已達到全球總排放的13.6%[3]。糞便是畜禽養(yǎng)殖過程中的NH3來源，家禽由于消化道短、氮素利用率低，NH3排放系數(shù)為12.0～120.0 kg/( AU· a)，比豬4.20～54.0 kg/(AU· a)和牛2.0～45.8 kg/(AU· a)都高[4]。在實際生產(chǎn)中，日糧處理、糞便處理、空氣凈化等是減少畜牧業(yè)NH3排放的常用方法，其中日糧處理屬于“排泄前”的減排策略，糞便處理屬于“排泄后”的減排策略，而“排泄后”的減排策略在生產(chǎn)中應(yīng)用更為廣泛[5]?？諝鈨艋夹g(shù)是常見的“排泄后”的減排策略，它將畜禽舍的廢氣收集后進行過濾、凈化和氮回收，包括空氣洗滌、生物過濾、光催化等技術(shù)。空氣凈化技術(shù)對畜禽舍尾氣進行處理，并不能從源頭上直接減少糞便的NH3產(chǎn)生和釋放，且應(yīng)用中常需要與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)用，影響風(fēng)機的通風(fēng)效率，應(yīng)用成本較高。本文主要針對家禽糞便管理過程中的NH3排放，對其產(chǎn)生和釋放的機理過程、現(xiàn)有減排技術(shù)及關(guān)鍵影響因素進行了總結(jié)，以期對家禽糞便管理中減排策略制定以及后續(xù)減排技術(shù)研究提供參考。

1 氨氣的危害

NH3是一種刺激性的氣體，對雞的危害很大。強刺激性的NH3很容易附著在雞的呼吸道、消化道黏膜和眼結(jié)膜上，導(dǎo)致雞采食困難和呼吸道疾病，減弱雞對細菌、病毒等有害物質(zhì)的抵抗能力并影響雞群的生長和正常代謝[6]。研究表明，當(dāng)舍內(nèi)NH3濃度達到25 mg/kg 時，會增加雞的氣囊炎發(fā)病率；當(dāng)達到50 mg/kg 時，則會增加雞的眼睛結(jié)膜炎和角膜炎發(fā)病率[7]。氨氣進入血液后會損害免疫系統(tǒng)，損害其肝臟和小腸黏膜[8],易導(dǎo)致禽流感的發(fā)生。氨氣濃度過高，會增加雞的死亡率，Miles等[9]研究表明，當(dāng)雞舍內(nèi)NH3濃度達到75 mg /kg時，肉雞的死亡率達到了13.9%，而NH3濃度為0 mg/kg的死亡率僅為5.8%。此外，NH3濃度過高還會使雞采食量下降，降低產(chǎn)蛋性能和肉蛋品質(zhì)等[10]。

我國畜禽場環(huán)境質(zhì)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，雛雞舍和成雞舍中的NH3濃度分別不應(yīng)超過10 mg/m3和 15 mg/m3[11]。在通風(fēng)較好的標(biāo)準(zhǔn)化禽舍內(nèi)，NH3濃度通常在10 mg/m3以內(nèi)，只有在通風(fēng)不足時才會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象[10]。但是，舍內(nèi)NH3濃度不超標(biāo)是因為NH3在較大通風(fēng)量下被稀釋，并不意味著NH3的排放強度小或危害低。NH3是形成PM2.5的重要前體物質(zhì)，NH3排出到大氣后經(jīng)過一系列反應(yīng)形成硫酸鹽、硝酸鹽和銨等二級次生物，而這些次生物是形成霧霾的重要前體，占我國PM2.5總量的20%～60%來自于這些二級次生物[12]。這些次生物沉降后還會引起水體富營養(yǎng)化、土壤酸化，破壞生物多樣性并影響大氣和生物圈之間的凈氣體交換[13]。因此，雞舍排放的NH3不僅直接影響動物本身的健康和生產(chǎn)性能，對生態(tài)以及居民的健康也會產(chǎn)生直接或間接的影響。

2 氨氣的產(chǎn)生及影響因素

2.1 氨氣產(chǎn)生機理

家禽生產(chǎn)中，NH3的產(chǎn)生主要有三個途徑：一是飼料中的有機氮直接經(jīng)外部微生物降解生成NH3，但數(shù)量極微；二是飼料在家禽體內(nèi)經(jīng)消化道消化吸收作用產(chǎn)生NH3，但家禽的消化道較短，飼料停留時間短，因此數(shù)量較少；三是經(jīng)微生物作用，家禽糞便中的含氮化合物分解產(chǎn)生NH3，這是舍內(nèi)NH3的主要來源[14]。與家畜不同，豬舍和牛舍的NH3來源于排泄物中的尿素分解，雞舍內(nèi)NH3的產(chǎn)生主要來源于雞糞中尿酸的分解，因為家禽的肝臟中沒有精氨酸酶和氨甲酰磷酸合成酶，不能通過尿素循環(huán)把體內(nèi)代謝產(chǎn)生的氨合成尿素，只能在肝臟和腎臟中合成嘌呤，在黃嘌呤氧化酶的作用下生成尿酸[15]。

2.2 氨氣產(chǎn)生的影響因素

尿酸的分解，需要多種微生物的介入，反應(yīng)底物濃度和反應(yīng)條件的變化都會影響尿酸的分解，而雞糞干物質(zhì)含量、溫度、pH和糞便理化特性(如含氮量和含水量)是主要影響因素[14]。飼料中的蛋白質(zhì)是尿酸的根本來源，合理降低飼料中粗蛋白，添加必需的氨基酸，不僅能有效減少氨氣，還能提高畜禽生長性能[15]。溫度、pH、含水量等可以影響微生物的生存和反應(yīng)條件，有研究表明，溫度高于20 ℃、pH 5.5～9.0之間、糞便含水量在40%～60%之間和水活度αw<0.625等都有利于細菌降解分解尿酸產(chǎn)生NH3[16]。糞便排出后通過改變相關(guān)反應(yīng)條件可減少NH3的產(chǎn)生，與“排泄后”的減排策略相關(guān)。

2.2.1 溫度和pH 糞便中尿酸分解及其影響因素的研究比較有限。Nahm[17]研究表明，溫度升高有利于尿酸分解產(chǎn)生NH3，當(dāng)溫度低于10 ℃時，尿酸分解受到嚴重抑制，幾乎不發(fā)生降解；當(dāng)溫度在15～25 ℃時，反應(yīng)速率迅速升高，增加N損失但對離子化水平影響不顯著。Elliot[18]研究了溫度、pH對肉雞墊料復(fù)用中尿酸分解的影響，認為pH的影響遠大于溫度，而尿酸分解的最適pH為8.6，pH低于4時會對尿酸的降解產(chǎn)生負面影響。

2.2.2 含水率和碳氮比 由于氨氣極易溶于水，增加糞便中的水分可以降低氮含量，但最終這些氨也會隨著傳質(zhì)過程釋放出去。同時，尿酸降解過程中有多步反應(yīng)需要水提供介質(zhì)條件，糞便的含水量上升將利于氨氣的產(chǎn)生，但含水量持續(xù)上升也會抑制氨氣的釋放。研究發(fā)現(xiàn)，氨氣的釋放量與含水量并非簡單的線性關(guān)系，由于微生物在雞糞含水量40%～60%時生長較為適宜，故在此范圍外增高或降低含水量都會減少NH3的產(chǎn)生量，極低情況下甚至?xí)柚筃H3的產(chǎn)生[19]。

碳氮比(C/N)是影響微生物生長代謝和產(chǎn)物積累的主要影響因子之一，C/N過低易造成NH3揮發(fā)和氮素損失，同時碳源不足會導(dǎo)致微生物供能不足，影響菌株代謝[20]。因此，調(diào)節(jié)C/N，降低N素含量所占的比重可降低NH3的產(chǎn)生。研究表明：提高C/N比可以固定糞便中的N素，降低碳礦物質(zhì)化反應(yīng)的初始速率[17]，C/N為5時，會導(dǎo)致氨氮降解不完全，微生物將優(yōu)先進行脫氮作用，使硝化反應(yīng)效率降低；C/N為10或20時，微生物同時進行細胞增殖和脫氮，過高的C/N則抑制微生物生長[20]。

3 氨氣的揮發(fā)及影響因素

通過微生物的降解，雞糞中40%～90%的有機氮會轉(zhuǎn)化為氨，在糞污中以銨根離子(NH4+)和游離氨(NH3)的形式存在[21]。氨氣的排放實質(zhì)上是將游離氨氣化后從糞污表面轉(zhuǎn)移到大氣中的過程，涉及NH4+的解離和游離NH3的傳質(zhì)過程。

3.1 氨氣揮發(fā)理論

糞便通過酶和微生物作用生成游離氨存儲在糞便中，糞便與排放表面空氣層之間存在濃度差或分壓力差時，NH3通過質(zhì)量擴散傳遞從糞污表面釋放到自由氣流中，其揮發(fā)過程常用“雙膜理論”或“邊界層理論”描述[22]。

“雙膜理論”是惠特曼(Whitman)在1923年提出的，廣泛應(yīng)用于糞便NH3的傳質(zhì)過程解釋及排放模型構(gòu)建。該理論假設(shè)NH3從糞便中逸出后會經(jīng)過液膜層和氣膜層，兩個膜之間的傳質(zhì)速率由分界面兩側(cè)膜內(nèi)的擴散速率控制，分界面間的傳質(zhì)過程不存在阻力[22]。雙膜理論中不考慮氣膜層和液膜層分界面的厚度，且氣膜層和液膜層內(nèi)的NH3濃度基本不可測量。當(dāng)自由氣流流經(jīng)排放源表面且排放源表面的NH3濃度與自由氣流中的NH3濃度不同時，排放源表面會形成有濃度梯度的區(qū)域，即邊界層。在“邊界層理論”中，邊界層傳質(zhì)的發(fā)生是由于對流引起的，既取決于傳輸特性，也取決于流動流體的動態(tài)特性，邊界層的厚度取垂直距離，邊界層內(nèi)的條件決定了對流傳質(zhì)的特性[22]。與雙膜理論相比，邊界層理論具有結(jié)構(gòu)簡單、定義清晰的優(yōu)點，而雙膜理論則具有更強的過程解釋性。

3.2 氨氣揮發(fā)影響因素

在大氣中NH3濃度很低、可忽略不計的情況下，最終NH3的揮發(fā)量主要取決于傳質(zhì)系數(shù)和排放源表面的NH3濃度。其中，傳質(zhì)系數(shù)主要受排放表面環(huán)境參數(shù)的影響，包括表面粗糙度、空氣溫度、風(fēng)速、空氣密度等的影響；而排放源表面NH3濃度主要取決于亨利常數(shù)(描述氣體分子在氣液兩相介質(zhì)中的遷移方向和速率的物理常數(shù)，受溫度影響)和液相介質(zhì)內(nèi)游離氨的濃度(受NH4+的解離程度、pH、排泄物中銨態(tài)氮的含量和氨的產(chǎn)生量的影響)。由此可見，NH3揮發(fā)的過程主要受環(huán)境因素和NH4+解離程度的影響，其中pH是影響NH4+解離產(chǎn)生游離氨的主要因素且隨著CO2和NH3的排放會有所變化，水汽壓差和風(fēng)速是影響傳質(zhì)過程的主要環(huán)境因素[23]。

3.2.1 pH 糞污內(nèi)的NH4+和游離NH3之間存在解離平衡，其中游離NH3所占的比例受pH的影響。隨著pH升高，NH4+的電離方程式向右移動，pH小于8時主要以NH4+的形式存在，pH大于10時主要以游離NH3的形式存在，二者間的比例在pH8～10之間迅速變化，NH3的濃度足夠高時，NH3便以氣態(tài)的形式進入自由氣流中[24]。此外，糞污內(nèi)存在多對離子緩沖對，除了NH4+和NH3外，還有HCO3-和CO2、HS-和H2S等，NH3的揮發(fā)會使得糞污內(nèi)的pH下降而CO2的揮發(fā)則會使得pH升高。隨著各種氣體的揮發(fā)，糞污表面的pH最終將表現(xiàn)為略微上升并保持平衡[23]。

3.2.2 水汽壓差和風(fēng)速 排放面的水汽壓差(VPD)即空氣中水氣的分壓力與飽和水汽壓之間的差值，包含溫度和相對濕度的綜合效應(yīng)。溫度升高可促進微生物降解和NH4+的解離，大多數(shù)情況下溫度升高時測得的NH3排放量增加。相對濕度對NH3揮發(fā)的影響研究相對較少，Ding等[23]研究表明，NH3排放量隨著相對濕度的增加而降低，隨著VPD的增加而線性升高；排放源表面風(fēng)速的增加會提高NH3揮發(fā)的傳質(zhì)系數(shù)，促進NH3排放。舍內(nèi)風(fēng)速主要受通風(fēng)量的影響。胖是等[25]研究發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)能顯著降低含水率，提高糞肥的pH，通風(fēng)量為0.15、0.05、0 m3/(min·m3)時NH3排放總量分別為7823.70、7313.13、6299.06 mg/d，可見較高通風(fēng)量利于NH3排放。Ni等[26]研究表明，雞舍冬季的氨氣濃度和排放量均高于夏季，可能是因為冬季時雞舍內(nèi)通風(fēng)量小所導(dǎo)致。

4 雞糞便管理過程中的氨氣減排技術(shù)

4.1 酸化技術(shù)

根據(jù)應(yīng)用場景不同，酸化處理技術(shù)可細分為舍內(nèi)、儲糞池和土地利用三類，減排效果與應(yīng)用對象、酸化劑類別、酸化劑劑量或目標(biāo)pH有關(guān)[24]。常用的酸化劑包括硝酸、硫酸和硫酸鹽，由于過低的pH在降低NH3排放的同時會增加H2S和N2O等有害氣體，因此，采用酸化技術(shù)時一般將pH調(diào)控在5.5～6之間[14,27]。雞舍中常用墊料或傳糞帶收集糞便后進行堆肥，研究中多用硫酸鹽進行酸化處理，如Al2(SO4)3、NaHSO4、Fe2(SO4)3等[27-28]。

Chai等[27]研究表明，使用0.3、0.6和0.9 kg/m的固體亞硫酸鈉(Na2SO3)處理劑將雞糞pH降低至6.3、5.1和4.4，可分別減少舍內(nèi)28%、52%和79%的NH3排放。在Chai等[29]的另一項研究中，定期使用電解水噴灑雞糞，利用磷酸(H3PO4)控制電解水的pH，在相同劑量電解水(75 mL/kg(雞糞) d-1)的作用下，噴灑pH 7的電解水比噴灑pH 3的電解水產(chǎn)生的NH3高2～3倍。 Li等[30]舍墊料撒上一定的(NaHSO4)可以減少50%以上的NH3排放。此外，Li等[28]還對比了硫酸鋁制劑、硫酸鐵制劑和硫酸氫鈉制劑作用于蛋雞糞便的NH3減排效果，處理劑量為0.5～1.5 kg/m2時不同酸化劑的平均減排量為85%±9%。

硫酸鹽處理劑在水合時會產(chǎn)生氫離子(H+)，同時還能抑制與NH3產(chǎn)生相關(guān)的微生物和酶的活性。相同酸化制劑同一使用劑量時，粉劑比液劑的減排效果好。相同劑量下，硫酸鋁制劑的減排效果優(yōu)于硫酸鐵和硫酸氫鈉，雖然其pH比使用硫酸鐵和硫酸氫鈉時高。此外，酸化劑的使用量存在邊際效用遞減的規(guī)律，達到一定劑量時，劑量的增加對減排效果的提升作用不大。

4.2 吸附技術(shù)

堆肥是雞糞常見的后處理方式，堆肥過程中會有大量的氣體排放導(dǎo)致養(yǎng)分損失。糞堆表面覆蓋秸稈或墊料、堆肥過程中添加生物炭、沸石等吸附劑可以有效減少堆肥過程中的氣體排放[31]。吸附技術(shù)的NH3減排量平均在50%左右，受吸附劑類型和添加量的影響。Li等[28]給蛋雞雞糞添加2.5%、5%和10%的沸石后，14 d NH3累計減排量分別減少了20%、50%、77%，減排效果顯著。Lukase等[32]用2%膨潤土、1%沸石處理蛋雞雞糞，整個試驗期間NH3排放量降低30%左右。Bajwas等[33]使用沸石處理雞舍墊料，可使肉雞舍內(nèi)NH3濃度降低60%。相比較而言，沸石的減排效果優(yōu)于膨脹珍珠巖、蛭石、浮石等其他吸附材料，但是在使用過程中存在著用量大、成本較高等缺點[34]。

生物炭具有吸附性能較好、多孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、來源廣和成本低等特點，近年來在土壤改良、氣體減排、環(huán)境治理等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[34-35]。邢澤炳等[36]在雞糞堆肥中添加6%的檸條生物炭，可減少堆體2/3的氮損失，使堆肥過程中NH3揮發(fā)減少9.6%。陳偉[34]對比了不同生物炭對雞糞堆肥的NH3減排效果，添加秸稈炭、竹炭、木炭和椰殼炭的減排量分別為33.11%、22.70%、32.87%和21.51%。不同種類的生物炭中，秸稈碳、稻殼碳和木炭對雞糞堆肥減排的效果相對較好。

4.3 抑制劑技術(shù)

在雞舍墊料和糞便處理過程中使用抑制劑抑制尿酸酶和脲酶的活性，或是添加外源性微生物制劑調(diào)控微生物碳、氮代謝，利用微生物硝化過程中的氮循環(huán)，可以降低家禽糞便NH3排放，增加氮素保留率[34,37]。

4.3.1 化學(xué)抑制劑 許多金屬離子，如Al3+、Zn2+、Fe2+、Cu2+、Mg2+等，對尿酸酶和尿素酶活性都有抑制作用，與SO42-結(jié)合形成硫酸鹽還可以降低pH，增加氮素保留率，減少NH3的產(chǎn)生[37]。Kim等[38]對比了不同金屬離子對尿酸酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)Zn2+和Cu2+對尿酸酶活性的抑制作用達90%以上，而Mg2+和Mn7+對微生物尿酸酶的抑制作用相對較弱。硫酸鋁是最常用的硫酸鹽抑制劑，焦洪超等[39]使用2%、4%的鋁鹽(Al3(SO4)2·18H2O)處理籠養(yǎng)蛋雞糞便，24 h內(nèi)NH3排放量分別降低了27%、62%。Eugen等[40]用2.37 kg/m2的鋁鹽(Al3(SO4)2·14H2O)處理肉雞雞糞，可以降低42%的舍內(nèi)日均NH3濃度和47%的NH3總排放量。

4.3.2 微生物抑制劑 微生物抑制劑主要是利用利用外源微生物的使用，減少糞便中NH4+的含量，促進NH4+和NH3轉(zhuǎn)化成NO2-和NO3-，進而減少氨氣排放[37,41]。具有硝化作用的氨氮降解菌是目前研究中常使用的抑氨微生物，氨氮降解菌能夠?qū)H4+-N轉(zhuǎn)化成為NO3--N或吸收NH4+-N作為氮源供自身生長。目前研究中提到的氨氮降解菌主要有硝化細菌、反硝化菌、亞硝酸菌、真菌、放線菌和異養(yǎng)細菌幾類，如桿菌、球菌、酵母菌屬等，雞糞中的氨氮降解菌多為芽孢桿菌屬和酵母菌屬[41-43]。陳華晶等[41]從雞糞中篩選出了可快速轉(zhuǎn)化氨氮的細菌，48 h內(nèi)可將80%以上的NH4+-N轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，處理雞糞后可減少84.5%的NH3揮發(fā)，且可保持較長的作用時間。

4.4 其他

除上述幾類技術(shù)外，烘干、覆蓋、降低翻堆次數(shù)、減小排放面積和表面風(fēng)速、調(diào)整清糞頻率和地面類型等措施也可以在一定程度上減少NH3的排放量[44-45]。雞糞烘干，將含水量控制在40%以下可以抑制脲酶活性，減少排放[46]。堆肥期間翻堆1次和翻堆3次的氮素損失率分別為30.4%和36.8%，減少翻堆次數(shù)可以降低NH3排放，但會增加CH4排放[37,46]。采用具有選擇性滲透性的Gore膜作為覆蓋材料可以降低堆肥過程中18.9%的NH3排放[47]。使用墊料可以減少大約50%的NH3排放，相比8周的清糞間隔，2～3 d清糞間隔可以減少舍內(nèi)46%的NH3排放[56]。值得注意的是，長久使用的墊料中由于積累大量的有機氮會逐步轉(zhuǎn)化為NH4+-N，可能造成NH3排放量的增加，因此需要在合理時間內(nèi)定期更換墊料。

5 總結(jié)與展望

家禽糞便管理過程中NH3減排技術(shù)的作用機制主要針對脲素水解、銨根離子解離及轉(zhuǎn)化和NH3傳質(zhì)這三個過程，側(cè)重于單項技術(shù)的使用劑量、減排效果及影響因子的評估。畜禽糞便管理過程中NH3的減排是一個系統(tǒng)工程，目前還缺乏多項措施聯(lián)合使用時，使用頻率、相互間的影響、處理工藝間的銜接、綜合效果和成本效益的評價，需根據(jù)應(yīng)用場景形成糞便管理中全場區(qū)減排的整套技術(shù)工藝體系與應(yīng)用模式。同時，無論是采用何種處理方式，養(yǎng)殖廢棄物最終都需要回到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進行循環(huán)利用?，F(xiàn)有研究中減排技術(shù)應(yīng)用效果評估多針對養(yǎng)殖過程或糞便處理過程，缺乏對后續(xù)土地利用環(huán)節(jié)的整體效價評估，需要把減排作為氮素養(yǎng)分資源管理的組成部分進行全方位綜合管理。此外，現(xiàn)有研究中大多數(shù)技術(shù)起源或流行于國外，缺乏針對我國養(yǎng)殖條件應(yīng)用場景的技術(shù)改良。例如酸化技術(shù)研究中的應(yīng)用多為噴灑墊料，但實際生產(chǎn)中我國的家禽養(yǎng)殖以籠養(yǎng)或網(wǎng)上平養(yǎng)為主，墊料養(yǎng)殖的方式相對較少，還需結(jié)合實際情況，研究配套使用的設(shè)施設(shè)備和技術(shù)工藝，降低技術(shù)成本，形成適用于我國養(yǎng)殖工藝技術(shù)模式。