不同地區(qū)機(jī)械通風(fēng)式密閉畜禽舍空氣氨減排潛力分析*

江旭東，宋 曼，王 紅，董紅敏，王 悅，朱志平**

（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.河北省畜牧總站，石家莊 050035）

氨氣（NH3）是大氣中重要的堿性氣體[1]，參與氮的循環(huán)過程，在二次無機(jī)氣溶膠的形成中起重要作用，是地區(qū)大氣復(fù)合污染的重要前體物之一。Gu等科學(xué)評(píng)估表明全球范圍內(nèi)減少氨排放比降低氮氧化物對(duì)降低大氣中PM2.5更經(jīng)濟(jì)有效[2]，而氨減排有效措施主要來自農(nóng)業(yè)。鄧明君等[3]的研究預(yù)估 2020年、2025年和2030年中國(guó)農(nóng)業(yè)NH3排放量比2013年分別增長(zhǎng)182.22萬t、281.74萬t和360.91萬t，其中畜牧業(yè)占91%左右；而在中國(guó)當(dāng)前減排情景下，2020年、2025年和2030年中國(guó)農(nóng)業(yè)NH3排放量比2013年分別下降137.19萬t、219.56萬t和299.51萬t，其中畜牧業(yè)減排的貢獻(xiàn)占75%左右。由此可見，中國(guó)農(nóng)業(yè)NH3減排的關(guān)鍵在畜牧業(yè)。2021年11月2日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》中明確提出了加強(qiáng)大氣面源和噪聲污染治理，到2025年，京津冀及周邊地區(qū)大型規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)氨排放總量比2020年下降5%。

畜牧業(yè)的發(fā)展在很大程度上推動(dòng)著中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但同時(shí)也給環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染問題。隨著國(guó)家進(jìn)一步支持畜禽養(yǎng)殖業(yè)向著規(guī)?；⒓s化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)村地區(qū)分散養(yǎng)殖的形式逐漸被規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)所取代[4]。多年來，國(guó)內(nèi)畜牧業(yè)從業(yè)者主要關(guān)注畜禽舍內(nèi)NH3濃度對(duì)畜禽健康和生長(zhǎng)性能的影響，對(duì)畜禽舍內(nèi)排出的NH3對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響關(guān)注較少。近年來，隨著中國(guó)部分地區(qū)大氣霧霾發(fā)生頻率的增加，畜牧業(yè)NH3減排逐漸得到重視，周談龍等[5]通過采用低碳氮比的方法，降低了豬糞堆肥過程中氨氣和溫室氣體的排放；余鑫等[6]研究表明沼渣中添加玉米芯混合槽式堆肥過程中氨氣排放低。畜禽舍是畜牧業(yè)中氨氣排放最主要來源之一，李復(fù)坤等[7]指出，在畜禽養(yǎng)殖全過程中，欄舍內(nèi)畜禽氨排放占比較大，雖對(duì)舍內(nèi)采取了除氨措施，但由于舍內(nèi)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素，仍有相當(dāng)部分氨排放到大氣環(huán)境中。歐美等國(guó)開展了畜舍外排技術(shù)研究，主要減排技術(shù)包括生物過濾法、弱酸水噴淋化學(xué)吸收法等，上述方法都是針對(duì)密閉式畜舍中組織的外排空氣進(jìn)行集中處理，Melse等研究發(fā)現(xiàn)酸化過濾對(duì)氨氣的減排效率最高，最高可達(dá)到90%[8]。隨著中國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖比例逐步提升，為了提升養(yǎng)殖效率、降低疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)，生豬、蛋雞和肉雞等畜禽規(guī)模場(chǎng)已逐步由自然通風(fēng)畜舍轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械通風(fēng)畜舍，由于機(jī)械通風(fēng)畜舍進(jìn)行有組織的通風(fēng)換氣，便于對(duì)排出空氣進(jìn)行處理，降低其對(duì)大氣造成的污染。因此，科學(xué)測(cè)算中國(guó)密閉式畜禽舍氨減排潛力，可為中國(guó)畜牧業(yè)氨減排量估算、制定畜牧業(yè)氨減排指標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

按照行政區(qū)劃，將全國(guó)31個(gè)省分為6個(gè)地區(qū)，分別為華北區(qū)、東北區(qū)、華東區(qū)、中南區(qū)、西南區(qū)和西北區(qū)（不包括港澳臺(tái)地區(qū)，下同），基于不同畜禽種類飼養(yǎng)情況，分別進(jìn)行6個(gè)地區(qū)范圍內(nèi)的氨減排潛力分析測(cè)算。根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查對(duì)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)畜舍形式的調(diào)查，獲取全國(guó)不同地區(qū)、不同畜種規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)采用機(jī)械通風(fēng)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量和飼養(yǎng)量，基于文獻(xiàn)內(nèi)容獲得各種畜禽在畜舍的平均氨氣排放因子。根據(jù)中國(guó)目前養(yǎng)殖方式和畜禽的正常生長(zhǎng)發(fā)育周期，生豬飼養(yǎng)期按180d，奶牛、肉牛、蛋雞均取365d，而肉雞飼養(yǎng)期按60d測(cè)算；優(yōu)化選擇基于弱酸吸收法為推薦的減排方法，減排效率取值為80%。

分畜種的密閉畜舍外排空氣氨氣減排量計(jì)算式為

式中，ENH3,i,j為第i種畜禽在j地區(qū)的氨氣減排潛力（萬t），Pi,j為第i種畜禽在j地區(qū)的飼養(yǎng)量（萬頭、萬只），EFNH3,i為第i種畜禽氨氣排放因子[g·（頭或只）-1·d-1]，Dui為第i種畜禽的生長(zhǎng)周期（d），f為優(yōu)選的氨氣減排效率（%），10-8為單位換算系數(shù)。

不同種類畜禽舍氨氣排放因子及其減排效率由文獻(xiàn)調(diào)查數(shù)據(jù)獲取，各地畜禽飼養(yǎng)量和養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量由2017年開展的第二次全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)中獲取。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類畜禽舍NH3排放因子確定

2.1.1 豬舍

畜禽舍的NH3排放受到多種因素影響，包括畜禽種類、飼養(yǎng)階段、清糞方式、環(huán)境溫度和通風(fēng)方式等，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)不同情景進(jìn)行了研究，開展了有關(guān)氨氣排放特征的監(jiān)測(cè)和排放因子的測(cè)算。朱志平等[9]研究報(bào)道墊料型豬舍NH3春夏季平均濃度在5.9～6.8mg·m-3，傳統(tǒng)水泥地面對(duì)照舍為14.5～16.7mg·m-3，墊料型豬舍內(nèi) NH3的平均濃度只有傳統(tǒng)水泥地面對(duì)照舍的40%。Kim等[10]研究也顯示，深坑系統(tǒng)和固液分離系統(tǒng)豬舍的NH3排放濃度以及排放量均是墊料舍相應(yīng)指標(biāo)的2～3倍。通風(fēng)方式不同，舍內(nèi)NH3的濃度同樣也具有明顯的變化。表1總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者研究報(bào)告的不同類型豬舍的NH3排放因子[11-16]。從表中可以分析看出，豬舍NH3排放因子存在較大的差異，排放因子范圍為0.7～29.4g·頭-1·d-1，不同文獻(xiàn)研究存在較大差異，可能與實(shí)驗(yàn)季節(jié)及豬舍內(nèi)溫度等有關(guān)。綜合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，并選擇文獻(xiàn)中機(jī)械通風(fēng)豬舍氨氣排放因子，確定豬舍平均NH3排放因子為4.8g·頭-1·d-1。

表1 豬舍NH3排放因子文獻(xiàn)調(diào)查結(jié)果Table 1 Literature survey results about ammonia emission factors in swine barns

2.1.2 雞舍

雞舍內(nèi)影響NH3排放的重要因素為清糞頻率。Mendes等[17]認(rèn)為蛋雞舍內(nèi)NH3排放速率隨著糞便堆積的時(shí)間呈指數(shù)增加，主要原因是雞糞中的大量有機(jī)氮在貯存過程中緩慢分解形成NH3排放。目前用于雞舍飼養(yǎng)的方式有高床系統(tǒng)、墊料系統(tǒng)和清糞帶系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的墊料系統(tǒng)來說，清糞帶系統(tǒng)由于可以較高頻率地將雞糞送出舍外(以每日1次為例)，使雞舍內(nèi)保持了一個(gè)較好的環(huán)境，舍內(nèi)NH3濃度明顯低于其他清糞系統(tǒng)條件下的濃度[18]。通風(fēng)系統(tǒng)的性能對(duì)雞舍NH3排放具有極顯著影響，表2總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者研究獲得的雞舍內(nèi)NH3排放因子[11,18-21]，排放因子的范圍為0.12～1.66g·只-1·d-1，墊料養(yǎng)殖由于糞便在舍內(nèi)貯存時(shí)間長(zhǎng)，排放因子要高于每日清糞的情形。綜合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，確定雞舍平均NH3排放因子為0.32g·只-1·d-1。

表2 雞舍NH3排放因子文獻(xiàn)調(diào)查結(jié)果Table 2 Literature survey results about ammonia emission factors in poultry barns

2.1.3 牛舍

相比于生豬和家禽，奶牛和肉牛的飼養(yǎng)除需要較大的牛舍空間且主要以開放式為主，一般養(yǎng)殖場(chǎng)還有舍外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。因而除了養(yǎng)殖舍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生NH3排放外，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)也是NH3排放的重要來源。Pereira等[22]研究了奶牛舍以及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的排放情況，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)NH3排放顯著高于畜禽舍內(nèi)的排放，占到全部排放的69%～92%，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)NH3排放受環(huán)境的影響更大。McGinn等[23]采用擴(kuò)散法研究了整個(gè)奶牛場(chǎng)(包括牛舍、活動(dòng)區(qū)域、飼料間、運(yùn)輸車間等)的NH3排放，結(jié)果表明以NH3形式損失的氮占飼料總攝入氮的63%。表3總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者研究報(bào)告的不同類型牛舍的NH3排放因子[11,24-26]，牛舍清糞主要以機(jī)械式清糞方式為主，NH3排放因子在19.8～93.6 g·頭-1·d-1。綜合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，確定牛舍平均NH3排放因子為40.7g·頭-1·d-1。

表3 牛舍NH3排放因子文獻(xiàn)調(diào)查結(jié)果Table 3 Literature survey results about ammonia emission factors in cattle barns

2.2 不同種類密閉式畜禽舍NH3減排效率確定

針對(duì)密閉舍內(nèi)排出的空氣，可采用不同的方法進(jìn)行吸收。包括物理吸附，酸洗和生物過濾等方法，現(xiàn)有研究結(jié)果表明酸洗效果最優(yōu)，平均去除效率在90%～99%（表4）[27-31]，考慮到不同地區(qū)實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)際大面積推廣應(yīng)用時(shí)，氨氣去除效率受管理方式和管理水平等影響，一般無法達(dá)到文獻(xiàn)報(bào)道的去除效率，綜合比較，選擇酸洗為密閉畜舍氨減排方式，氨氣減排效率值設(shè)定為80%。

表4 畜禽舍外排NH3酸洗減排效率文獻(xiàn)調(diào)查結(jié)果Table 4 Literature survey results about emission reduction efficiency of NH3 from livestock and poultry houses

2.3 不同畜禽密閉舍數(shù)量和飼養(yǎng)量的分布

根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)，獲取全國(guó)生豬、奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞共5種主要畜禽的規(guī)?；B(yǎng)殖的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量和飼養(yǎng)量，圖1給出了上述5種主要畜禽采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種管理方式下的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量情況。從圖1可以看出，不同畜禽的畜舍通風(fēng)方式存在較大差異，上述5種畜禽全國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)共計(jì)38.9萬個(gè)，其中采用機(jī)械通風(fēng)的養(yǎng)殖場(chǎng)約占總養(yǎng)殖場(chǎng)比例的45.3%，主要以蛋雞、肉雞和生豬養(yǎng)殖場(chǎng)為主，其機(jī)械通風(fēng)占比分別為59.1%、48.5%和40.2%，奶牛和肉牛主要以自然通風(fēng)為主，占比分別為80.5%和84.5%。從飼養(yǎng)量來看，蛋雞、肉雞和生豬目前都以機(jī)械通風(fēng)為主，占比分別為68.3%、71.3%和53.4%。不同畜種不同地區(qū)的采用密閉畜舍的飼養(yǎng)量如表5所示，用于各種畜禽的畜舍空氣氨減排潛力計(jì)算。

表5 2017年主要畜禽密閉舍飼養(yǎng)量調(diào)查結(jié)果Table 5 Population of main livestock and poultry farms with mechanical ventilation in 2017

圖1 2017年不同畜禽在機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量Fig.1 Number of farms with mechanical and natural ventilation for different livestock and poultry in 2017

2.4 不同地區(qū)密閉式畜舍氨減排潛力分析

根據(jù)式(1)，利用第二次全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)分別測(cè)算6個(gè)地區(qū)生豬、奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞5種畜禽舍氨減排潛力，結(jié)果見圖2、表6和表7。由圖2可見，6大地區(qū)生豬舍外排空氣的氨減排潛力合計(jì)10.18萬t，其中，中南區(qū)的占比最大，達(dá)3.95萬t，占38.9%，其次為華東區(qū)（達(dá)3.02萬t，占29.7%），排在第三的是華北區(qū)（為1.27萬t，占12.5%），3個(gè)地區(qū)生豬密閉舍外排空氣氨氣排放占比總共為81.1%；其余3個(gè)地區(qū)氨減排潛力較小，僅占18.9%。表明在減排潛力較大的中南區(qū)、華東區(qū)和華北區(qū)，應(yīng)優(yōu)先加強(qiáng)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)減排設(shè)施的推廣應(yīng)用。

圖2 各地區(qū)密閉生豬舍氨減排潛力值計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results for ammonia reduction potential of mechanical ventilation pig farms in different regions

國(guó)內(nèi)目前奶牛和肉牛飼養(yǎng)主要以開敞式畜舍結(jié)構(gòu)為主，因此自然通風(fēng)方式占比較多，密閉式畜舍占比少，其畜舍外排空氣中氨氣減排潛力也不高，表6給出了不同地區(qū)奶牛和肉牛密閉式畜舍的氨氣減排潛力情況。由表可見，國(guó)內(nèi)密閉式奶牛舍和肉牛舍外排空氣氨氣減排潛力分別為1.04萬t和8600t。從地區(qū)分布來看，奶牛舍的減排潛力主要來源于東北區(qū)、華北區(qū)和華東區(qū)，占比分別為38.7%、35.6%和18.7%，3個(gè)地區(qū)占總數(shù)的93%；各地區(qū)肉牛舍的減排潛力間無明顯差異，占比在10.4%～21.1%。

表6 不同地區(qū)密閉式牛舍氨減排潛力計(jì)算值及其占比Table 6 Calculated value and proportion of ammonia reduction potential of mechanical ventilation cattle farms in different regions

從養(yǎng)殖量比較，蛋雞和肉雞的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)以機(jī)械通風(fēng)的畜舍為主，占比分別為68.3%和71.3%。表7給出了不同地區(qū)的蛋雞和肉雞機(jī)械通風(fēng)畜舍外排空氣氨氣減排潛力分布情況。由表可見，蛋雞和肉雞的全國(guó)減排潛力分別為7.73萬t和6.75萬t氨氣。從不同地區(qū)占比分析來看華東區(qū)、中南區(qū)和華北區(qū)蛋雞氨減排潛力占比較大，分別占全國(guó)減排潛力的30.6%、28.6%和16.4%，三個(gè)地區(qū)蛋雞密閉舍外排空氣氨氣排放占比總共為75.7%；而肉雞舍的減排潛力主要來自華東區(qū)，占比達(dá)到53%，其次是東北區(qū)，占比為20.5%。

表7 各地區(qū)密閉式蛋雞和肉雞舍氨減排潛力計(jì)算值及其占比Table 7 Ammonia reduction potential of mechanical ventilation poultry farms in different regions of China

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

通過對(duì)中國(guó)現(xiàn)有密閉式畜舍外排空氣進(jìn)行氨減排設(shè)施的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)與分析，全國(guó)生豬、蛋雞、肉雞、奶牛和肉牛等5種畜種在該環(huán)節(jié)的外排氨氣減排潛力約為26.65萬t，且隨著中國(guó)規(guī)?；壤奶嵘?，其外排氨氣減排潛力還將逐步提升，從畜種上來看，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注生豬、蛋雞和肉雞三種主要畜種，其外排氨氣減排潛力分別為38.3%、29.1%和25.4%，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注生豬、蛋雞和肉雞舍的外排氨氣減排技術(shù)推廣。從地區(qū)上看，華東地區(qū)密閉畜舍氨氣減排潛力最高，總減排量約為9.31萬t，占全國(guó)氨減排潛力的35.1%；其次是中南地區(qū)，減排約7.15萬t，占全國(guó)總體氨減排潛力的26.9%；華北和東北地區(qū)相差不大，分別為3.96萬t和3.62萬t；減排潛力最小的為西南和西北地區(qū)，只有1.29萬t和1.23萬t，分別僅占全國(guó)總體氨減排潛力的4.9%和4.6%。鄧明君等[3]測(cè)算并分析了中國(guó)2020-2030年農(nóng)業(yè)NH3減排潛力，結(jié)果表明未來中國(guó)農(nóng)業(yè)NH3減排重點(diǎn)在河南、山東、河北、內(nèi)蒙古，該相關(guān)地區(qū)占全國(guó)農(nóng)業(yè)氨減排總潛力的38.5%以上；該研究結(jié)果與本研究的結(jié)果具有一定的可比性。不過，鄧明君等的研究以奶牛場(chǎng)為主，而國(guó)內(nèi)奶牛場(chǎng)和肉牛場(chǎng)飼養(yǎng)主要以開敞式畜舍結(jié)構(gòu)為主，密閉式畜舍占比較少，因此結(jié)論有所不同。隨著中國(guó)城市地區(qū)性大氣污染問題的日益加劇，地區(qū)氨排放影響的研究逐漸受到重視。值得注意的是，部分地區(qū)減少氨排放可以有效控制 PM2.5，但也會(huì)加劇中國(guó)南方地區(qū)的酸雨問題。因此，氨減排控制應(yīng)分地區(qū)并采取不同的措施來推進(jìn)。對(duì)于南方地區(qū)，尤其是長(zhǎng)江中下游平原和四川盆地來說，減氨須與減二氧化硫、減氮氧化合物等酸性氣體協(xié)同進(jìn)行。相比而言，北方地區(qū)氮排放與酸雨產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)的問題則并不突出[32]，但是霧霾天氣出現(xiàn)頻率較高，應(yīng)該加大對(duì)該地區(qū)畜禽舍氨氣減排的建設(shè)，為該地區(qū)減少霧霾天氣發(fā)生提供保障。本研究在基于不同地區(qū)基礎(chǔ)上又分析了不同畜種的氨減排潛力，可進(jìn)一步為未來中國(guó)控氨總方略提供一定的參考。

3.2 結(jié)論

中國(guó)目前機(jī)械通風(fēng)畜舍外排空氣氨氣年減排潛力為26.56萬t，主要來自生豬、蛋雞和肉雞三種畜禽，其氨氣減排潛力分別為10.18萬t、7.73萬t和6.75萬t；從地區(qū)上看，主要可實(shí)施地區(qū)為華東區(qū)、中南區(qū)和華北區(qū)，其氨氣減排潛力分別占全國(guó)的35.1%、26.9%和14.9%，加大對(duì)上述3個(gè)地區(qū)生豬、蛋雞和肉雞三種畜禽的密閉式畜舍氨氣減排設(shè)施的建設(shè)，可為全國(guó)氨減排和大氣環(huán)境質(zhì)量改善提供保障。