規(guī)模豬場(chǎng)臭氣控制及減排技術(shù)

鄭 鑫 ，屈安安 ，趙 曼 ，朱升海 ，林 聰 ，段 娜 *

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京四方新域科技發(fā)展有限公司，北京 100029；4. 寧波天勝農(nóng)牧發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

近年來(lái)，受非洲豬瘟的波及，我國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)受到嚴(yán)重影響。但隨著豬場(chǎng)生物安全防控手段的加強(qiáng)，在政府促進(jìn)養(yǎng)豬生產(chǎn)恢復(fù)相關(guān)政策的執(zhí)行下，我國(guó)生豬養(yǎng)殖行業(yè)勢(shì)必會(huì)迎來(lái)一波新的高潮。截至2020年底，我國(guó)生豬出欄52 704萬(wàn)頭，豬肉產(chǎn)量4 113萬(wàn)噸，年末生豬存欄40 650萬(wàn)頭，各項(xiàng)指標(biāo)均呈上升態(tài)勢(shì)，全行業(yè)復(fù)產(chǎn)增養(yǎng)積極[1]。與此同時(shí)，各部門堅(jiān)持以優(yōu)供給、強(qiáng)安全、保生態(tài)為原則，共同促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，推動(dòng)養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。養(yǎng)豬規(guī)模的擴(kuò)大和集約化程度的提高，對(duì)豬場(chǎng)污染物控制提出了更高的要求。臭氣污染是豬場(chǎng)污染的類型之一，臭氣不僅會(huì)對(duì)場(chǎng)內(nèi)豬群造成損傷，影響豬場(chǎng)效益；而且會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散，污染周邊環(huán)境，對(duì)附近居民的身體健康造成影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各級(jí)環(huán)保督查畜禽養(yǎng)殖污染投訴案件中，豬場(chǎng)臭氣類投訴案件的比例達(dá)到60%以上[2]。與養(yǎng)殖場(chǎng)糞便和污水等廢棄物相比，臭氣的收集和處理難度大，處理技術(shù)相對(duì)薄弱，如何在養(yǎng)豬生產(chǎn)全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氣的控制和減排，逐漸成為養(yǎng)殖業(yè)污染治理的焦點(diǎn)。

文章旨在對(duì)目前規(guī)模豬場(chǎng)臭氣減排和控制方面已有的技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)，并對(duì)今后的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望，為該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供依據(jù)和思路。

2 豬場(chǎng)臭氣的組成和危害

豬場(chǎng)臭氣的來(lái)源主要有三個(gè)方面：一是豬群的排泄物（糞便、尿液及皮膚分泌物）和排泄氣體（呼吸道、消化道氣體）；二是豬舍內(nèi)污物和剩余飼料的腐敗分解；三是畜舍內(nèi)部空氣中的粉塵、細(xì)菌，這些懸浮顆粒對(duì)惡臭氣體的產(chǎn)生和富集起著重要的作用。在整個(gè)養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中，養(yǎng)殖末端糞污處理產(chǎn)生的臭氣占65%，豬場(chǎng)飼料產(chǎn)生的臭氣占10%，其余來(lái)源于豬舍[3]。豬場(chǎng)惡臭氣體的組成成分有230多種，其中氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）和揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的危害最為嚴(yán)重，如表1。

表1 臭氣主要組成成分及其危害[4-8]

豬場(chǎng)臭氣會(huì)降低豬群健康水平，進(jìn)而影響豬群的生產(chǎn)性能，這也是制約規(guī)模豬場(chǎng)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的重要影響因素之一。此外，從人體健康和動(dòng)物福利的角度考慮，豬場(chǎng)養(yǎng)殖過(guò)程中應(yīng)盡可能減少臭氣的產(chǎn)生，改善場(chǎng)區(qū)環(huán)境，保障工作人員及周邊居民的身體健康，提高動(dòng)物的生產(chǎn)潛能，推動(dòng)福利化養(yǎng)豬和環(huán)保新工藝的發(fā)展。

3 臭氣控制及減排技術(shù)

3.1 源頭減量技術(shù)

從臭氣產(chǎn)生的來(lái)源可以發(fā)現(xiàn)，豬群的排泄氣體是豬場(chǎng)臭氣的來(lái)源之一。目前規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)所采用的除臭技術(shù)主要針對(duì)豬舍內(nèi)的糞尿、殘余飼料等產(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行凈化，對(duì)豬只自身臭氣的產(chǎn)生沒(méi)有很好的限制措施。豬只腸道微生物的生長(zhǎng)代謝是造成豬只自身臭氣排放的主要因素，因此，通過(guò)調(diào)節(jié)飼料配比和使用飼料添加劑的手段，調(diào)節(jié)微生物的群落結(jié)構(gòu)和代謝過(guò)程，或許是從源頭解決豬只自身產(chǎn)生臭氣的有效方法。

在養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中，大部分豬場(chǎng)為了提高豬只的育肥速度，往往選擇高蛋白飼料。高蛋白的投入和較低的飼料利用率，導(dǎo)致NH3和H2S等臭氣成分大量產(chǎn)生。因此，通過(guò)減少豬只飼料中粗蛋白的攝入量，或者平衡各類氨基酸的含量，可以有效減少臭氣的排放。

除了合理搭配飼料，還可以通過(guò)多種飼料添加劑來(lái)對(duì)豬群的腸道菌群進(jìn)行調(diào)控。表2對(duì)豬場(chǎng)飼料添加劑的主要類別和作用進(jìn)行了歸納總結(jié)。其中，酸化劑的使用主要是通過(guò)改變腸道pH來(lái)改變腸道微生物群落組成，使有益菌在營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位；酶制劑的使用能夠有效地提高豬只體內(nèi)酶的含量，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。微生態(tài)制劑的促進(jìn)作用體現(xiàn)在對(duì)豬只腸道菌落的調(diào)控，進(jìn)而有效地提高了飼料的消化率，促進(jìn)腸道對(duì)礦物質(zhì)的吸收, 從而減少氮、磷的排放。王遠(yuǎn)霞等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加丁酸梭菌可以有效改善仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)，使有益菌群處于優(yōu)勢(shì)地位。盛清凱等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加納豆芽孢桿菌可以減少豬糞中NH3、H2S等主要臭氣成分的排放，有益于體外豬糞臭氣的減少。

表2 不同飼料添加劑主要成分及其作用[11-14]

飼料安全直接關(guān)乎畜禽產(chǎn)品的安全質(zhì)量。2017年，原農(nóng)業(yè)部對(duì)《飼料添加劑安全使用規(guī)范》作了最新修訂，明確規(guī)定了各類物質(zhì)和微量元素的最高限量。因此，在研究各類添加劑除臭效果的同時(shí)，也要加強(qiáng)添加劑使用過(guò)程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究，考慮添加劑用量是否符合規(guī)范，不可因一味追求除臭效果而忽略安全問(wèn)題。

3.2 過(guò)程控制技術(shù)

3.2.1 清糞工藝及地面類型的選擇

不同的清糞工藝對(duì)豬舍內(nèi)部空氣質(zhì)量的影響差異化顯著。選擇良好的清糞方式可以減少養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中臭氣的排放。

劉秀婷等人[15]選取離地0.5 m和1.7 m兩個(gè)高度作為采樣點(diǎn)，測(cè)量舍內(nèi)氨氣濃度，試驗(yàn)結(jié)果表明水泡糞工藝比干清糞工藝平均氨氣濃度分別升高9.97%和7.54%。趙云煥等[16]對(duì)不同清糞方式的豬舍內(nèi)部氨氣濃度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示水沖糞豬舍NH3濃度明顯低于干清糞豬舍，但相對(duì)應(yīng)的豬場(chǎng)廢水量也會(huì)增加。莫少春等人[17]研究了4種不同清糞工藝的豬舍內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量，數(shù)據(jù)顯示水廁式清糞組NH3濃度和H2S濃度顯著低于其他試驗(yàn)組，水泡糞組NH3濃度和H2S濃度最高，干清糞組與水沖糞組NH3濃度和H2S濃度差異不大。

水沖糞可以及時(shí)清除舍內(nèi)糞便，但大量的沖洗用水會(huì)增加糞污量；水泡糞是在水沖糞功能基礎(chǔ)上的優(yōu)化，大幅減少了用水量，但糞尿在舍內(nèi)的長(zhǎng)期存留反而產(chǎn)生了大量的惡臭氣體。干清糞工藝在節(jié)水的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)糞尿的及時(shí)分離，既可以人工清理也可以選擇機(jī)械清理，目前機(jī)械清糞配套設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，機(jī)械化程度高，應(yīng)用比較廣泛。水廁式清糞工藝是利用豬只嬉水的特性，實(shí)現(xiàn)豬只糞尿定點(diǎn)排放。具體設(shè)計(jì)是在飲水器下設(shè)置一個(gè)漏斗型的平臺(tái)，中間設(shè)置排泄口，平臺(tái)通過(guò)飲水器流出的水進(jìn)行清潔[18]。豬舍內(nèi)NH3的產(chǎn)生，主要原因是脲酶將尿液中的尿素進(jìn)行分解，而脲酶主要由糞便中的微生物產(chǎn)生[19]。因此，與前兩種用水量相對(duì)較大的清糞工藝相比，水廁式清糞可以大幅度降低舍內(nèi)NH3的排放；與干清糞相比，水廁式清糞利用豬只習(xí)性做到了定點(diǎn)排泄，有利于舍內(nèi)清掃，減少豬糞的殘留。

王國(guó)華等[20]研究了水泥地面和發(fā)酵床對(duì)豬舍空氣質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物發(fā)酵床可明顯降低NH3及H2S濃度，但會(huì)使CO2濃度升高。汪開(kāi)英等[21]研究了冷、暖季節(jié)下生物發(fā)酵床、水泥地面、全縫隙地板三種地面類型對(duì)舍內(nèi)臭氣濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地面結(jié)構(gòu)不同，舍內(nèi)惡臭濃度存在顯著差異，生物發(fā)酵床地面惡臭濃度明顯低于其他兩種地面類型，水泥地面豬舍內(nèi)惡臭濃度最高。雖然生物發(fā)酵床地面產(chǎn)生的惡臭濃度較低，但由于墊料的使用和更換，其成本相對(duì)較高，且墊料容易板結(jié)，需經(jīng)常翻動(dòng)，與其他技術(shù)相比，缺乏配套的機(jī)械化設(shè)備，會(huì)在一定程度上增加豬場(chǎng)的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。相對(duì)而言，漏縫地板除臭效果略差，但更容易滿足養(yǎng)豬生產(chǎn)的需求，這也是目前規(guī)模豬場(chǎng)應(yīng)用廣泛的地板類型。

3.2.2 豬場(chǎng)規(guī)劃布局和日常管理

除了清糞工藝和地板類型外，通風(fēng)系統(tǒng)的選擇和豬舍布局設(shè)計(jì)也是影響舍內(nèi)臭氣累積的重要因素。科學(xué)設(shè)計(jì)豬場(chǎng)及豬舍的功能分區(qū)，減少糞尿收集池等臭氣主要產(chǎn)生區(qū)域?qū)χ苓叚h(huán)境的影響；合理設(shè)計(jì)排污線路，采用封閉式管道，避免糞尿輸送過(guò)程中的臭氣逸出；合理組織舍內(nèi)通風(fēng)換氣，保持舍內(nèi)干燥，減少舍內(nèi)粉塵、微生物；將豬舍內(nèi)的臭氣進(jìn)行收集處理，滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。近些年來(lái)，越來(lái)越多的豬場(chǎng)選擇垂直置換通風(fēng)技術(shù)，該技術(shù)以舍內(nèi)豬只作為熱源，新鮮空氣經(jīng)加熱上浮，通過(guò)舍頂排出，實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)空氣的自然流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是可以使新鮮空氣最先到達(dá)豬群生活空間，新鮮空氣層不斷向上推動(dòng)舊空氣層，始終保證下層豬群的清潔空氣環(huán)境[22]。近些年來(lái)，樓房養(yǎng)豬發(fā)展迅速，但相較于傳統(tǒng)養(yǎng)豬模式，高樓養(yǎng)豬會(huì)散發(fā)更大的臭味，傳播更遠(yuǎn)[23]。因此，針對(duì)不斷涌現(xiàn)的新型養(yǎng)豬模式，更要做好場(chǎng)區(qū)的規(guī)劃布局，對(duì)現(xiàn)有布局進(jìn)行改良與優(yōu)化，做好通風(fēng)設(shè)計(jì)和臭氣處理，滿足樓房養(yǎng)豬的生產(chǎn)要求。

加強(qiáng)日常管理也是控制豬場(chǎng)臭氣的重要手段。具體可以包括幾個(gè)方面：合理安排舍內(nèi)養(yǎng)殖密度，保證豬舍通風(fēng)頻率；增加畜舍清理頻率，減少糞尿和殘余飼料在舍內(nèi)的滯留時(shí)間；定期殺滅舍內(nèi)蚊蠅等。

3.3 末端處理技術(shù)

3.3.1 濕簾除臭技術(shù)

目前大型豬場(chǎng)工程上應(yīng)用較多的末端除臭技術(shù)為濕簾除臭，其具體原理是將豬舍風(fēng)機(jī)排出的空氣經(jīng)過(guò)除臭濕簾，除臭濕簾配有噴淋系統(tǒng)，通過(guò)水洗達(dá)到除臭的目的。除臭濕簾一般是塑料濕簾，呈蜂窩結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、不易損壞、孔徑大、風(fēng)阻小等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生含有惡臭物質(zhì)的廢水，需要進(jìn)行二次處理凈化。此外，為了獲得更好的除臭效果，一般將其與生物除臭技術(shù)、除臭劑等進(jìn)行結(jié)合。

3.3.2 生物除臭技術(shù)

生物除臭技術(shù)是利用微生物的生長(zhǎng)代謝，將臭氣物質(zhì)吸收到微生物體內(nèi)降解的一種方法。該法可細(xì)分為過(guò)濾法、滴濾法、洗滌法等。生物除臭需要在反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)部需要添加對(duì)于微生物的生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用的填料，微生物將附著于這些填料上并在其表面形成一層生物膜。當(dāng)臭氣進(jìn)入反應(yīng)器后，首先被生物膜所吸收，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到微生物體內(nèi)進(jìn)行降解[24]。

王軍一等[25]研制了一種適用于排風(fēng)裝置上的除臭設(shè)備，該設(shè)備首先對(duì)氣體進(jìn)行噴淋溶解，進(jìn)而通過(guò)生物膜實(shí)現(xiàn)臭氣降解。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在運(yùn)行30 min后，進(jìn)氣口和出氣口惡臭氣體濃度分別為83 mg/m3和25 mg/m3；運(yùn)行360 min后，進(jìn)氣口濃度降為32 mg/m2，出氣口惡臭氣體濃度降為6 mg/m3，除臭效果顯著。陳敏等[26]研制出一種近似自然處理的土壤生物過(guò)濾裝置，臭氣通過(guò)管網(wǎng)輸送到活性土壤濾層，進(jìn)而吸附在生物濾層材料表面，經(jīng)微生物分解或轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置對(duì)NH3、揮發(fā)性有機(jī)物等的去除率均在95%以上，處理后的氣體可實(shí)現(xiàn)直接排放。

目前，研究仍集中于處理裝置的工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)豬場(chǎng)臭氣收集裝置的研究相對(duì)較少，如何做好臭氣收集裝置與除臭設(shè)備、除臭技術(shù)的銜接，形成完整的除臭工藝體系，降低臭氣收集和處理的成本，也是接下來(lái)需要克服的難點(diǎn)。

3.3.3 電凈化法除臭技術(shù)

通過(guò)直流電電暈放電實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中污染物的凈化。在空間電場(chǎng)的作用下，豬舍內(nèi)的臭氣物質(zhì)、粉塵和飛沫等與電場(chǎng)中的離子和電荷相結(jié)合，在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)到放電器附近[27]。同時(shí)電離所產(chǎn)生的臭氧和高能帶電粒子對(duì)舍內(nèi)的細(xì)菌等微生物也有一定的殺滅效果。劉佳等[28]對(duì)安裝空間電凈化系統(tǒng)的保育舍和普通保育舍對(duì)比分析，結(jié)果表明設(shè)備使用4 h后，對(duì)惡臭氣體濃度的最大降低率在75%左右，設(shè)備使用兩個(gè)月后，肉眼可見(jiàn)吸附有大量灰塵及黑色粉末，同時(shí)進(jìn)入試驗(yàn)舍內(nèi)有害氣體對(duì)感官的刺激明顯小于普通保育舍。

但該技術(shù)也存在諸多問(wèn)題。如設(shè)備投資大；設(shè)備需要定期維護(hù)和清潔且只能人工清理，耗時(shí)耗力；設(shè)備需要配套高電壓，存在安全性問(wèn)題；部分養(yǎng)殖戶對(duì)技術(shù)缺乏認(rèn)識(shí)，對(duì)技術(shù)的應(yīng)用處于觀望狀態(tài)[29]。

3.3.4 除臭劑

除臭劑可大致分為物理、化學(xué)和生物除臭劑三類。物理除臭劑是通過(guò)吸附作用將臭氣固定在吸附劑表面，如活性炭、沸石粉等。化學(xué)除臭劑是通過(guò)氧化、燃燒、化學(xué)反應(yīng)的形式將臭味物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)臭物質(zhì)，常見(jiàn)的有過(guò)氧化鈣、氯化鈣、臭氧、過(guò)氧化氫、次氯酸鹽等。生物除臭劑是利用微生物的降解作用實(shí)現(xiàn)臭氣的凈化。常用的微生物有芽孢桿菌、雙歧桿菌、乳酸菌等。近些年來(lái)，植物提取物除臭劑研究成為熱點(diǎn)，其既可以作為飼料添加劑應(yīng)用于源頭減排，也可以作為糞便添加劑應(yīng)用于末端處理。常見(jiàn)的植物提取物來(lái)源包括茶樹(shù)、銀杏、大蒜、樟科和絲蘭屬植物等[30]。

目前對(duì)于不同類型的除臭劑缺乏比較試驗(yàn)，難以界定其除臭效果的優(yōu)劣。這主要是由于不同種類的除臭劑組成成分千差萬(wàn)別，對(duì)不同臭氣成分的吸收能力也有很大差異性。從表3可以看出，不同類型的除臭劑對(duì)NH3和H2S的去除率差異較大，即使是同一類型的植物除臭劑，也會(huì)由于組分的不同產(chǎn)生較大差異。余瓊等人[31]以薄荷提取物、馬來(lái)酸等物質(zhì)配制成一種除臭劑，對(duì)NH3的最大去除率為51.9%；陽(yáng)杰等人[32]以干姜、紫蘇等天然植物提取植物油為主要成分，制備了一種新型綠色除臭劑，對(duì)NH3的最大去除率為80.2%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)研究中，應(yīng)根據(jù)目的和需求來(lái)選擇合適的除臭劑。此外，多種除臭劑協(xié)同作用吸收臭氣是否會(huì)取得更好的吸收效果有待于試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

表3 不同除臭劑研究及除臭效果

4 結(jié)論

豬場(chǎng)臭氣是養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中的正常代謝產(chǎn)物，可以從源頭和中間管理階段減少其排放，但不能消除臭氣的產(chǎn)生。因此，通過(guò)優(yōu)化豬場(chǎng)生產(chǎn)工藝和豬場(chǎng)布局、加強(qiáng)日常管理，改善飼料組分和品質(zhì)等手段，從生產(chǎn)的前端和過(guò)程中實(shí)現(xiàn)臭氣減排尤為重要，這會(huì)大大降低后續(xù)臭氣處理的成本和效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙贏。在末端處理方面，目前已有的除臭技術(shù)門類眾多，對(duì)不同除臭技術(shù)的去除效果缺乏對(duì)比研究，尚未經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證。規(guī)模養(yǎng)豬行業(yè)急需經(jīng)過(guò)實(shí)際豬場(chǎng)驗(yàn)證的高效集成處理技術(shù)體系。未來(lái)要在研究中做好各除臭技術(shù)之間的銜接，形成覆蓋豬場(chǎng)生產(chǎn)全過(guò)程的除臭工藝。同時(shí)，在保證豬場(chǎng)除臭效果的同時(shí)，研究人員更應(yīng)考慮除臭技術(shù)在生產(chǎn)中的效率和成本問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)分析，總結(jié)出最適合應(yīng)用于當(dāng)前規(guī)模豬場(chǎng)的技術(shù)體系。