規(guī)模養(yǎng)殖氨氣監(jiān)測及控制技術(shù)

牛培培，張總平，貢玉清，杜新平，李平華,3，侯黎明,3，黃瑞華,3*

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學淮安研究院，江蘇 淮安 223005；2. 江蘇省畜牧總站，江蘇 南京 210017；3. 南京農(nóng)業(yè)大學養(yǎng)豬研究所，江蘇 南京 210095)

近三年受“非洲豬瘟”疫情影響，生豬產(chǎn)量急劇下滑。為更好滿足居民豬肉消費需求，推動構(gòu)建生產(chǎn)高效、資源節(jié)約、環(huán)境友好、布局合理、產(chǎn)銷協(xié)調(diào)的生豬產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展新格局，促進經(jīng)濟社會平穩(wěn)健康發(fā)展。政府先后出臺了貸款貼息、資金補助、生豬“點對點”調(diào)運等政策支持，極大提高了生豬規(guī)模養(yǎng)殖的發(fā)展速度。2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部召開全國生豬生產(chǎn)恢復(fù)視頻調(diào)度推進會指出：截至10月10日，我國生豬規(guī)模養(yǎng)殖比重提高到53%[1]。由此分析規(guī)模化養(yǎng)殖將成為我國畜牧生產(chǎn)的主導(dǎo)力量。規(guī)模養(yǎng)殖擴張，意味著養(yǎng)殖污染物大量產(chǎn)生；尤其近幾年層疊式籠養(yǎng)及樓房養(yǎng)殖模式的推廣，使得養(yǎng)殖空氣污染成為生豬高密度養(yǎng)殖發(fā)展面臨的突出問題[2-3]。《中國空氣質(zhì)量管理評估報告》2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)業(yè)NH3排放大約為1 000萬t，超過歐洲與美國NH3排放的總和，其中氮肥施用和畜禽養(yǎng)殖NH3占排放總量的90%。畜禽養(yǎng)殖大省山東和四川省2015年以前的農(nóng)業(yè)源NH3排放清單表明，畜禽源NH3排放分別占農(nóng)業(yè)源NH3排放總量的73%[4]-和72%～79%[5]。因此開展養(yǎng)殖源氨氣監(jiān)測及控制技術(shù)開發(fā)對提升氣體污染防治水平，促進我國畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級尤為關(guān)鍵。歐美國家畜禽源NH3排放占全球排放總量的50%，其中美國約80%，歐洲達90%。上世紀80年代歐美國家開始對畜禽源NH3的排放規(guī)律、監(jiān)測方法、減排策略進行研究；同時美國Rosemoun和Thermo、丹麥Lumasense、德國Drager為代表的公司相繼推出了一系列的氨氣監(jiān)測設(shè)備。隨著氨氣監(jiān)測工作持續(xù)開展，美國編制了《氨排放控制和污染防治報告》，英國建立了國家氨減排措施評價系統(tǒng)模型，德國建立了農(nóng)業(yè)排放清單模型，丹麥建立了氨排放模型[6]。2018年我國“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”打響，隨著規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，近年來國內(nèi)研究者開始高度關(guān)注養(yǎng)殖源氨氣濃度監(jiān)控技術(shù)研究。本文就養(yǎng)殖源氨氣產(chǎn)生及危害、養(yǎng)殖源氨氣監(jiān)測和控制技術(shù)進展進行系統(tǒng)綜述，為規(guī)模化養(yǎng)殖源氨氣監(jiān)測及控制技術(shù)開發(fā)提供參考。

1 養(yǎng)殖源NH3產(chǎn)生及危害

養(yǎng)殖源NH3會對畜禽和人類健康及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。研究表明氨氣濃度3×10-5時，可破壞斷奶仔豬氣管和肺的組織形態(tài)結(jié)構(gòu)，引起組織炎癥反應(yīng)，影響血清、氣管和肺組織細胞因子含量；氨氣濃度6×10-5時，斷奶仔豬氣管黏液分泌過多；氨氣濃度9×10-5時，斷奶仔豬氣管和肺的半胱天冬酶表達量升高，引起組織細胞凋亡[7]。Michiels等[8]認為NH3濃度增加可導(dǎo)致育肥豬胸膜肺炎病變幾率升高。Thu[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn),30%的養(yǎng)殖場工人患有慢性支氣管炎、職業(yè)性哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病。此外，環(huán)境中過量的氨會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化及氣候變化。

2 養(yǎng)殖源NH3檢測技術(shù)進展

養(yǎng)殖場內(nèi)氨氣濃度檢測方法以化學法和光學法為主。研究者用于養(yǎng)殖場氨氣濃度檢測設(shè)備主要有氣體檢測管、電化學傳感器和光學氣體分析儀。隨著無線傳感、物聯(lián)網(wǎng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，畜禽舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用水平得到了極大地提高。

2.1 常用氨氣檢測設(shè)備性能

劉國云等[10]對比日本GASTEC公司3CG、日本北川公司105SD和德國Drage公司0.25/a主動取樣氨氣檢測管的性能發(fā)現(xiàn)，大于檢測管量程范圍1/3時，3種檢測管比對結(jié)果相對誤差均小于15%；小于檢測管量程范圍1/3時，氣體檢測管準確度相對誤差小于25%(0.25/a氣體檢測管最低濃度除外)。所以使用此類設(shè)備要注意其量程范圍、精密度和準確度等參數(shù)指標。氣體探測管雖然檢測精度較低，但使用方便，因此廣泛應(yīng)用于室內(nèi)氨快速半定量檢測。

選定濃度13×10-6、66×10-6和105×10-6的氨氣作為待測氣體，對比評價檢測管測定和便攜式電化學氣體檢測儀法的精密度，發(fā)現(xiàn)氨氣檢測管檢測精密度為5.1%～8.4%，便攜式電化學檢測儀精密度為2.3%～7.9%，因此建議便攜式電化學檢測儀法作為低濃度氨氣定量的首選方法[11]。Wheeler等[12]利用含有兩個電化學NH3傳感器的便攜式檢測單元對雞舍氨氣進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)傳感器的差異小于1×10-6，檢測精度可達到3%，但長時間使用易漂移，需要定期進行重新校準。相對于氣體檢測管、電化學氣體傳感器的局限性，光譜氣體檢測設(shè)備可進行多氣體濃度的實時定量檢測，有效避免多氣體檢測的干擾性。丹麥LUMASENSE公司的INNOVA紅外光聲譜氣體檢測儀，其檢測精度可達到1×10-9，可以選擇性地測量 NH3、N2O、CH4、CO2等氣體，能夠補償測量時溫度，水氣和其他氣體的干擾，是一種高度準確、可靠和穩(wěn)定的定量氣體現(xiàn)場監(jiān)測器，但此類設(shè)備價格昂貴，操作相對復(fù)雜。以上三類常用檢測設(shè)備各有優(yōu)缺點，因此根據(jù)畜禽場養(yǎng)殖條件和實際需求選擇合適量程、精度和準確度的檢測設(shè)備尤為關(guān)鍵。

2.2 養(yǎng)殖氨氣濃度監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新

針對畜禽舍內(nèi)氨氣濃度連續(xù)監(jiān)控的需要，萬子倫等[13]采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)傳輸和信息融合技術(shù)，設(shè)計出成本低廉、能耗較低、多氣體監(jiān)測的禽畜舍氣體智能化檢測系統(tǒng)。李帥等[14]設(shè)計了一種基于LoRa無線傳感技術(shù)的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)。為實現(xiàn)有害氣體濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的顯示、存儲、查詢，王艷等[15]設(shè)計了一種基于LabVIEW圖形化編程軟件的生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，給出處理決策。養(yǎng)殖源氨氣排放受多種因素影響，為建立準確的養(yǎng)殖源氨氣濃度預(yù)測模型，劉春紅等[16]提出了基于ARIMA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豬舍氨氣濃度組合預(yù)測方法。楊亮等[17]建立了基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豬舍氨氣濃度預(yù)測模型。謝秋菊等[18]采用基于L-M優(yōu)化算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對豬舍環(huán)境氨氣濃度進行預(yù)測。就現(xiàn)階段氨氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新總結(jié)發(fā)現(xiàn)，為更好實現(xiàn)及時準確連續(xù)地監(jiān)測、記錄、預(yù)測、控制養(yǎng)殖源氨氣濃度，需要電化學、無線傳感、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學科領(lǐng)域深度融合。

3 養(yǎng)殖氨氣濃度控制技術(shù)進展

養(yǎng)殖源氨氣易附著畜禽呼吸道、消化道黏膜等組織，危害呼吸及消化系統(tǒng)健康，嚴重影響畜禽健康生產(chǎn)。且氨氣排放作為大氣環(huán)境污染重要組成部分，易引發(fā)土壤和水體的酸化。本文就如何減少和控制氨氣排放措施，從源頭減量、過程控制和末端利用的角度對氨氣減排措施進行總結(jié)。

3.1 飼料源頭減量

日糧中蛋白質(zhì)僅有30%左右的氮被吸收，50%～80%氮以尿液的形式排出，20%～50%以糞便形式排出。因此可通過改善舍內(nèi)地面結(jié)構(gòu)，降低日糧中蛋白質(zhì)水平，添加微生物制劑、酸化劑、尿酶抑制劑、吸附劑等方式從源頭減少氨氣排放。

現(xiàn)代豬舍保育欄下地面坡度大于傳統(tǒng)豬舍，安裝刮糞設(shè)備，利于糞尿分離，減少舍內(nèi)氨氣濃度。調(diào)查顯示產(chǎn)房V型地面設(shè)計較水平地面大大降低舍內(nèi)氨氣濃度[19]。

降低飼料蛋白水平，可有效降低豬糞中氨氣的排放。Le等[20]報道，生長育肥豬日糧蛋白為12%時，可顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度。黃健等[21]研究表明，降低10～20 kg和20～50 kg階段豬日糧蛋白3～4個百分點，舍內(nèi)氨氣濃度能顯著降低26.55%～57.85%。Sajeev 等[22]采用薈萃分析發(fā)現(xiàn)，飼料中蛋白水平與氨排放明顯相關(guān)，牛日糧蛋白含量降低1個百分點，牛糞尿中NH3減排17%±6%；豬日糧蛋白降低1個百分點，豬糞尿中NH3減排11%±6%。

微生物不僅可以改善動物生產(chǎn)水平和健康狀況，還可以減少舍內(nèi)NH3的排放?；粲谰玫萚23]研究表明，在生長豬日糧中添加0.04%的芽孢桿菌制劑可顯著降低豬糞中氨氣的濃度。在生長豬日糧中添加0.05%～0.2%枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌制劑可顯著減少豬糞中氨排放[24]。張莉平[25]]在肉雞日糧中添加3 g/kg由地衣芽孢桿菌、糞腸球菌、嗜酸乳桿菌等組成的益生菌制劑，可顯著減少雞舍中氨氣濃度。劉婕等[26]將啤酒酵母、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和膨潤土等按比例混合后添加0.15%到豬日糧中，極顯著降低豬舍中氨氣濃度。

酸制劑可作為小豬和育肥豬的詞料添加劑產(chǎn)品，用于降低腸道內(nèi)容物的pH值，增加腸道微生物多樣性，降低豬排泄物中氨氣的排放[27]。Eriksen等[28]研究發(fā)現(xiàn)，豬日糧添加2%苯甲酸，豬糞中氨氣減排60%～70%。蛋雞日糧和飲水中添加竹醋液可提高產(chǎn)蛋性能，并減少雞糞中氨氣含量[29]。

絲蘭或樟科植物提取物可作為天然尿酶抑制劑添加到日糧中。日糧中添加絲蘭屬提取物，可有效降低現(xiàn)代化封閉式豬舍內(nèi)氨氣濃度。田麗新[30]研究結(jié)果表明，奶牛日糧中添加2%絲蘭提取物，3 d內(nèi)可減少牛糞中50%以上的氨排放。潘倩等[31]認為，斷奶仔豬日糧中添加樟科植物提取物，能抑制糞中脲酶活性，減少氨氣產(chǎn)生。

沸石類物質(zhì)是一類多孔性的硅鋁鹽酸，其特性是由其非常大的內(nèi)表面積和很高的離子交換能力決定的。Kim等[32]認為，在生長育肥豬日糧中添加4%沸石可顯著減低氨氣排放量。將沸石添加到生豬日糧中，糞便中氮可降低15%[33]。

3.2 糞尿產(chǎn)生和處理過程控制

糞便和尿液排出體外并接觸后，尿酶開始作用，尿素分解產(chǎn)生氨氣，因此通過加強清糞管理，做好覆蓋、酸化和尿酶抑制，合理使用空氣凈化設(shè)備是控制糞尿排出、收集、儲存過程中氨氣產(chǎn)生的重要手段。

對舍內(nèi)的NH3進行實時檢測發(fā)現(xiàn)，上午清糞能夠顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度水平[34]。發(fā)現(xiàn)每周清理糞尿混合物3次與每周1次相比，NH3減排46%[35]。由此可見，將糞尿排出舍外可有效減少舍內(nèi)氨氣濃度。

糞尿儲存及處理過程中，會有大量氨氣產(chǎn)生，在糞尿表面增加覆蓋物，可有效降低氨揮發(fā)，常用覆蓋物有聚乙烯塑料膜、普通織物、油、有機物、疏松多孔物質(zhì)。研究表明，與表面沒有覆蓋物相比，聚乙烯薄膜近乎完全避免氨揮發(fā)的產(chǎn)生[20]。秸稈、鋸末生物炭、沸石等覆蓋在糞堆表層可有效減少糞肥儲存過程中氨揮發(fā)。研究表明，糞便中添加生物炭NH3減排38%～53%[36]，添加沸石NH3減排30%[37]，添加膨潤土NH3減排20%[38]。堆肥發(fā)酵過程中通常采用調(diào)節(jié)pH值、碳氮比、溫度，外源添加沸石、蚯蚓糞、泥炭、過磷酸鈣、氯化鈣、除臭菌提升固氮效率[39]，以達到氨減排的目的。

韓保安等[40]從豬糞中篩選具有除臭功能的微生物，后進行復(fù)配施于糞便中，氨氣去除率達85.6%?？莶菅挎邨U菌可通過調(diào)節(jié)微生物菌群結(jié)構(gòu)和pH值，促進堆肥中氮素轉(zhuǎn)換，達到降氨減少環(huán)境污染的作用[41]。噴施0.012 mol/L乳酸、0.017 mol/L磷酸于糞便中，24 h內(nèi) NH3可分別減排43%、74%[42]

添加脲酶抑制劑可直接抑制尿酶及產(chǎn)尿酶微生物活動來減少氨的揮發(fā)，使糞尿中尿素以酰胺的形式保存在糞尿混合物中。目前國內(nèi)外常見的脲酶抑制劑主要有磷胺類、酚醌類、雜環(huán)類、硫代吡啶類、植物提取物等。有研究表明NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)和 2-NPT(N-(2-硝基苯基)磷酸三胺)可有效地減少牛糞尿中52%～73%氨揮發(fā)[43]。潘倩等[31]證實，在豬糞中添加樟科植物提取物，可抑制糞便中氮素分解及NH3釋放。楊彩梅等[44]體外試驗發(fā)現(xiàn)，樟科植物提取物可較好的抑制于豬糞中脲酶活性，減少糞尿中氨氣的產(chǎn)生。張云剛[45]研究發(fā)現(xiàn)，隨著樟科植物乙醇提取物添加量的增加，舍內(nèi)氨氣排放量減少。

臭氧具有很強的氧化性，能快速分解為O2和O2-，與空氣中的NH3作用形成NO、NO2和H2O。臭氧濃度0.77～3.10 mg/m3連續(xù)作用40 min，NH3濃度可降低30%[46-48]。楊立強等[49]證實，光電除臭儀可顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度。在豬舍內(nèi)安裝空氣電凈化系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)氨氣的去除效率可達到30%[50]。

3.3 末端處理利用

關(guān)于養(yǎng)殖末端氨氣處理和利用，主要從養(yǎng)殖臭氣、糞肥或糞水施用考慮NH3減排。空氣氨吸收一般是將畜禽舍末端臭氣通過集氣系統(tǒng)與過濾系統(tǒng)相連。廖新俤等[51]畜禽舍負壓風機端安裝“擋網(wǎng)+噴霧”裝置，NH3去除率達74.96%。監(jiān)測經(jīng)生物過濾的豬場廢氣，發(fā)現(xiàn)NH3平均去除率為82%[52]。豬舍末端安裝復(fù)合凈化系統(tǒng)，外排臭氣NH3去除率可達85%[53]。采用15∶3∶1(草腐土∶珍珠巖∶黑炭)濾層配方，除臭過濾結(jié)果表明，末端NH3去除率大于95%[54]。糞肥施用氨減排，主要采用秸稈炭、尿酶抑制劑等覆于糞肥表面減少氨揮發(fā)或抑制氨氣產(chǎn)生[55]。采用豬舍施用糞肥，可減少70%～80%土壤中氨揮發(fā)[56-57]。增強氨的吸收和利用效率。

3.4 養(yǎng)殖氨氣控制措施創(chuàng)新

基于氨減排措施的研究，有研究者為了生產(chǎn)的需要，設(shè)計了用于規(guī)模畜禽養(yǎng)殖舍外的空氣優(yōu)化房舍結(jié)構(gòu)和舍內(nèi)軌道式空氣質(zhì)量智能巡檢控制系統(tǒng)；研發(fā)了干濕分離自動清糞系統(tǒng)顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度；開發(fā)出可精確調(diào)控堆肥反應(yīng)的密閉式堆肥反應(yīng)器及智能化生物除氨減排一體設(shè)備以及糞尿表層酸化、畜禽糞便智能堆肥反應(yīng)器、多級循環(huán)噴淋洗氣系統(tǒng)、液態(tài)糞尿供給存儲系統(tǒng)、液態(tài)糞尿注射施用等氨減排利用設(shè)備。就現(xiàn)階段氨控制措施創(chuàng)新方向可見，為提高氨氣去除和利用效率，需要從源頭減排、過程控制、末端利用綜合考慮減氨、控氨和固銨措施；需要畜牧養(yǎng)殖、機械工程、生物工程、資環(huán)、農(nóng)學等多學科融合聯(lián)合開展養(yǎng)殖氨控制技術(shù)創(chuàng)新工作。

4 展望

隨著規(guī)模養(yǎng)殖的快速推進，氨氣對從業(yè)者及畜禽健康、周邊鄰里關(guān)系、大氣環(huán)境的影響變得越來越突出，從目前養(yǎng)殖氨氣監(jiān)測及控制技術(shù)進展，總結(jié)未來養(yǎng)殖氨監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向如下。

4.1 養(yǎng)殖用氨氣快速連續(xù)監(jiān)測記錄裝備有待突破

我國現(xiàn)階段采用的畜禽污染氣體監(jiān)測儀器和傳感器均為國外進口，尤其是一些靈敏度高、響應(yīng)時間短、可連續(xù)記錄的設(shè)備，因為價格昂貴，體積較大僅用在科研工作中。目前缺少性能穩(wěn)定、適用養(yǎng)殖環(huán)境、經(jīng)濟實用、可連續(xù)監(jiān)測記錄氨氣濃度變化的快檢裝備，為我國規(guī)模養(yǎng)殖場氨氣控制技術(shù)效果評價提供準確而可靠的依據(jù)。

4.2 規(guī)模養(yǎng)殖氨減排技術(shù)體系亟需建立

國內(nèi)外研究者已采用降低蛋白水平、添加吸附劑、益生菌、酸化劑、尿酶抑制劑、臭氧(催化)氧化、覆蓋、根施等方面進行減氨、控氨、固銨、抑氨技術(shù)。但國內(nèi)對各環(huán)節(jié)和各種組合技術(shù)減排效果的評價研究較少。因此系統(tǒng)對比評價各技術(shù)(技術(shù)組合)減排效果，有針對性地建立養(yǎng)殖氨氣減排技術(shù)體系是今后養(yǎng)殖氨減排技術(shù)創(chuàng)新方向。