次氯酸洗滌器對樓房豬舍排風污染物的減排效果評價

張錦瑞，申仲健，吳中紅，韓 華，張 穎，莊晏榕，劉繼軍，王美芝*

（1.中國農業(yè)大學動物科學技術學院，北京 100193；2.新希望六和股份有限公司，北京 100102；3.中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；4.農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

現(xiàn)代化集約養(yǎng)豬生產排放的惡臭氣體、氨氣（NH）、揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）、顆粒物（Particulate Matter，PM）和細菌等氣態(tài)污染物帶來的環(huán)境污染問題日益凸顯。目前，畜舍采取的減排措施可分為源頭減排、過程控制和末端減排三大類。末端減排裝置主要包括生物過濾、濕洗滌過濾和二者結合的聯(lián)合裝置，與生物過濾相比，濕洗滌過濾產生的壓降較小。目前，新建規(guī)?；i場為保障生物安全，在新風過濾端增設過濾棉裝置，該裝置運行時產生的壓降較大，為減小尾端洗滌器壓降對風機性能的損耗，多數(shù)豬場采用濕洗滌器作為除臭裝置。

國外針對濕洗滌器的研究多集中于評價實際運行效果、探討影響因素和建立反應模型等。國內在此方面研究較少，集中于濕洗滌器的設計和模型試驗。目前，國內外大部分研究僅以短時間內NH的過濾效果作為單一參數(shù)評價裝置的運行效果，缺乏洗滌器針對不同組分的綜合減排效果評價；采用的洗滌劑均為中強性酸溶液（硫酸、檸檬酸等），受運輸、駐存和成本等因素影響，中強性酸溶液不適用于國內豬場。次氯酸具有特殊氣味，對臭氣具有一定掩蔽性，殺菌效果良好；相較于其他洗滌劑，次氯酸可達到同樣的除臭效果。因此，探究次氯酸洗滌器針對豬舍不同組分排風污染物的實際應用效果具有重大意義。本試驗旨在評價規(guī)?；i場中的次氯酸洗滌器的實際運行效果，監(jiān)測過濾前后的NH、VOCs、臭氣濃度、顆粒物和細菌濃度，核算裝置運行成本，以期為畜禽養(yǎng)殖廢氣濕洗滌器中洗滌劑的合理選擇和綜合評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 豬舍與洗滌器 2021 年9 月1 日—9 月15 日于北京市新希望某樓房豬場進行試驗，該樓房共5 層，每層4 個單元，1 個豬舍單元的建筑尺寸為長52.8 m×寬23.4 m，因試驗期間人力物力有限，僅選取底層妊娠豬舍的1 個單元作為試驗豬舍，舍內共有4 列群養(yǎng)欄，每列17 個豬欄，每個豬欄尺寸5.4 m×3.0 m；舍內共飼養(yǎng)妊娠豬406 頭。試驗豬舍夏季采用濕簾-風機系統(tǒng)進行通風降溫。每個豬舍單元排風側有6 臺直徑為190 cm負壓風機，2 臺直徑為120 cm 負壓變頻風機；濕簾端有6 臺直徑為80 cm 正壓變頻風機。試驗期間，開啟2臺直徑為190 cm 負壓風機和6 臺直徑為80 cm 正壓風機。豬舍內清糞方式為刮糞板清糞，清糞頻率為2 次/d，時間為8:00—10:00 和16:00—17:00。飼喂方式為機械自動飼喂，每日飼喂1 次，飼喂時間為15:00。

洗滌器主要由主控室、氣體流量平衡室、蓄液池和噴霧洗滌墻4 個單元組成，位于豬舍末端負壓風機組外側，如圖1。氣體流量平衡室用于穩(wěn)定平衡風機端排出廢氣的流量和濃度；蓄液池位于噴霧洗滌墻下方，便于濾液的循環(huán)使用；噴霧洗滌墻包括濾料和安裝有噴嘴的噴淋管道，濾料厚度為900 mm，材質為耐酸性的共聚聚丙烯，比表面積為125 m/m，孔隙率為97%；噴嘴為錐形噴嘴，均勻排布于濾墻的上、中、下3 列，每列19 個噴嘴，洗滌液流量為50 m/h，空床停留時間（Empty Bed Resident Time，EBRT）為0.3 s。

1.2 洗滌器運行參數(shù)設置 試驗過程中，9 月4 日8:00—12:00 排空蓄液池并注清水至高水位線，9 月1 日—9 月3 日和9 月6 日—9 月15 日，每日08:00 和18:00 將洗滌劑（有效氯濃度為30% 的次氯酸）投入主控室內的儲液罐，混勻后通過管道輸送至蓄液池內，一個儲液罐每次投放洗滌劑2 kg（平均每個單元投放500 g/次），設置每天添加洗滌劑時，蓄液池內有效氯濃度不低于30mg/L；9 月4 日—5 日未添加洗滌劑。洗滌器間歇運行，開啟4 min，暫停8 min，每12 min 為1 個循環(huán)。

1.3 測定指標及方法 試驗過程中，連續(xù)動態(tài)監(jiān)測過濾前后的NH和氣體流量平衡室內溫濕度，分時段多次監(jiān)測過濾前后VOCs、臭氣濃度、顆粒物濃度[PM1、PM2.5、PM4、PM10 和總懸浮微粒（Total Suspended Particulate，TSP）]、細菌濃度、墻體內外側風速和風機斷面風速，并記錄每日耗水量、耗電量和耗酸量。具體監(jiān)測方法與所用儀器如表1，測點示意圖如圖1。

表1 監(jiān)測指標和方法

圖1 洗滌器結構簡圖及測點示意圖

1.3.1 NH共設12 個采樣點依次采集分析氣體樣品；過濾前后端各設6 個測點，為了避免外界風速對氣體濃度的稀釋干擾作用，過濾后端的6 個采樣點周圍設置保護性管道（聚四氟乙烯管，長度50 cm，內徑88.9 mm，外徑90 mm）。使用INNOVA1512 光聲氣體監(jiān)測儀（Luma Sense 公司，丹麥）監(jiān)測NH濃度。為保證數(shù)據(jù)準確性，測量開始前，制造商對分析儀進行了校準；測量結束后，將儀器送往北京市計量檢測科學研究院再次校準分析（證書編號：EA21Z-AC100040）。

1.3.2 VOCs 和臭氣濃度 在2021 年9 月3 日—9 月9日的7 個采樣日采集分析氣味樣本，同時采集過濾前后的氣體樣品，共計4 個采樣點，每個采樣點距離地面約1.5m。14:00—16:00 進行采樣，次日對樣品的VOCs和臭氣濃度進行分析。每個采樣點使用大容量真空箱氣體采樣儀（2083 型，青島嶗應環(huán)境科技有限公司）采集3 L 樣品，正式采樣前，用被測氣體沖洗采樣袋3 次，有效避免采樣殘留對下次采樣的影響，取第3 次采樣的氣體用作分析。

VOCs 的濃度分析按照《固定污染源廢氣 揮發(fā)性有機物的測定 固相吸附-熱脫附／氣相色譜-質譜法》（HJ 734-2014）進行。臭氣采用國標《空氣質量惡臭的測定3 點比較式臭袋法》（GBT 14675-1993）測定。

1.3.3 細菌和顆粒物 分別于2021 年9 月3 日、9 月6日和9 月7 日14:00—17:00 采樣分析過濾前后的細菌和顆粒物濃度，其中，細菌在墻體內外側各有3 個采樣點，PM 在墻體內外側各有6 個采樣點。測點高度為1.5 m。

細菌由微生物氣溶膠采樣器（2010 型，青島嶗應環(huán)境科技有限公司）采集，連接安德森六級采樣頭，以流量28.3 L/min 抽取空氣，采樣時間為1 min。采樣后，營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)皿由電熱恒溫培養(yǎng)箱（303-0，尚誠儀器）培養(yǎng)形成肉眼可見的菌落，計數(shù)后計算空氣中活菌體的濃度。

顆粒物濃度由四通道手持式顆粒物檢測儀（831 型，MetOne）測得，測量精度為±10%，量程0～1 000 μg/m，流量為2.83 L/min，取樣時間60 s。采樣前，使用自凈過濾器（P/N：80846）對儀器進行調零校正，試驗開始前，制造商對分析儀進行了校準；使用后送往北京市計量檢測科學研究院進行校準測試（證書編號為EB21SEF100505）。

1.3.4 溫濕度和風速 在氣體流量平衡室內（洗滌墻體內側）、洗滌墻體外側和舍外空曠處分別均勻布置2 個溫濕度自記儀（型號為WSZY-1，北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，測量范圍分別為-40～100℃和0%～100%；不確定度：溫度≤±0.3℃、相對濕度≤±3%）自動監(jiān)測溫度和相對濕度，測點高度為1.5 m，設置儀器每隔10 min記錄1 次數(shù)據(jù)。

為確定通過洗滌器的氣體流量，即豬舍的通風量，采用13 點風機斷面實測法確定總通風量。此外，連續(xù)3 d 監(jiān)測洗滌墻內外側的平均風速，均勻選取18 個測點，分為上、中、下3 列，每列6 個測點，每個測點監(jiān)測1 min。風速采用無線萬向風速風溫記錄儀測定（WWFWZY-1 型，北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，測量范圍分別為0.05～30 m/s 和-20～80 ℃、溫度≤±0.5℃）。為保證數(shù)據(jù)準確性，測量開始前，將溫濕度自計儀和風速儀送往北京市計量檢測科學研究院進行校準測試（證書編號分別為RA21S-GA021032 和EB21Z-EA100366）。

1.3.5 耗水量、耗酸量和耗電量 試驗期間，洗滌器每日自動補水，在液體循環(huán)泵進水端安裝水表，水泵控制單層豬舍洗滌器的用水，故監(jiān)測單層豬舍的洗滌器每日總用水量，每日08:00 讀數(shù)1 次。同時每天記錄液體循環(huán)泵開啟時長及開啟期間的壓力值與實際耗損酸劑量。

1.4 統(tǒng)計分析 采用Microsoft Excel 2021 軟件初步處理試驗數(shù)據(jù)，采用SPSS 26.0 軟件進行相關性分析與顯著性分析，<0.05 為顯著差異。

對每種廢氣污染物去除效率（Removal Efficiency）的計算基于過濾前濃度C（mg/m）和過濾后濃度C（mg/m），具體計算如式（2）。

2 結果與分析

2.1 溫濕度和風速 由表2 可知，墻體內側平均溫差較小，范圍為18.2～26.4℃。墻外溫度受到室外氣候變化的影響，日波動幅度較大，范圍為13.8～33.8℃。當空氣流經洗滌墻時，平均相對濕度呈上升趨勢，平均升高4.6%。由于蒸發(fā)作用的影響，墻內的相對濕度會影響洗滌墻中的用水量。

表2 墻體內外側溫濕度、風速和風機端排風風速

試驗期間測得豬舍2 臺190 cm 風機斷面的平均風速為7.31 m/s，計算得到豬舍通風量為2.87 m/（h·kg）（豬只體重約為125 kg/頭）。高于《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》（GB/T 17824.3-2008）推薦的0.60 m/（h·kg）和美國MWPS（Midwest Plan Service）中推薦的1.70 m/（h·kg）。豬舍空氣經由負壓風機統(tǒng)一排出后，到達氣體流量平衡室，平衡氣體流量和濃度，從而降低洗滌墻的進風風速，即墻體內側風速；墻體內側平均風速為0.99 m/s，表明豬舍排出的空氣在氣體流量平衡室得到了一定程度平衡，但墻體內側風速分布的均勻性較低，與風機水平相對的區(qū)域的最高風速可達4.24 m/s；墻體外側風速分布較為均勻，平均風速為0.23 m/s，范圍為0.14～0.32 m/s。

2.2 空氣質量指標濃度和去除效率 如表3 和表4 所示，試驗期間，洗滌器對NH、VOCs、臭氣濃度、PM10、TSP 和細菌均具有一定的去除效果；對PM1、PM2.5和PM4 的去除效果不理想，去除后的組分濃度稍高于去除前。

表3 過濾前后空氣質量指標平均濃度值

表4 過濾后空氣質量指標的去除效率 %

2.2.1 NH次氯酸洗滌器對NH的平均去除效率（Average Removal Efficiency，ARE）為39.4%，范圍為10.8%～66.0%，過濾前NH的平均濃度為3.2 mg/m，范圍為1.4～6.1 mg/m；過濾后NH平均濃度為1.9 mg/m，范圍為1.1～2.8 mg/m，NH的水溶性較強，且堿性氣體可以較好地與酸性溶液發(fā)生酸堿中和反應，進而更好地降低NH的排放。

由圖2 可知，相較于9 月3 日，9 月4 日NH的ARE 明顯上升，分別為39.2% 和45.3%（<0.05），且9 月3 日和9 月4 日過濾前平均NH濃度無顯著性差異。分析原因為9 月4 日排空蓄液池，重新注入清水至高水位線，定期更換畜液池內清水有利于提高NH去除效率。試驗過程中，9 月4 日和9 月5 日未在洗滌器中添加洗滌劑，每日ARE 分別為45.3%和47.1%，均高于試驗期間NH的ARE，表明在更換畜液池內清水的初期，未添加洗滌劑的洗滌器可對NH達到良好的去除效果。9 月6 日添加洗滌劑后，NH的每日ARE（43.1%）低于9 月5 日（47.1%），添加洗滌劑并未大幅提高NH的ARE，可能原因為畜液池內液體的循環(huán)使用導致畜液池內液體污染物的累積，制約了洗滌劑的過濾效果，與Heyden 等的研究結果一致；同時，隨著時間的推移，NH的ARE 有明顯下降趨勢，9 月13 日—14 日，NH的每日ARE 分別為29.8% 和25.4%，均低于儀器運行過程中NH的ARE（39.4%），因此，需定期更換畜液池內液體以提高NH的去除效率，但因試驗條件受限，更換頻率尚需進一步試驗探究。

圖2 NH3 過濾前平均濃度和去除效率

由圖3 可知，NH的ARE 與過濾前濃度的變化趨勢相似，均呈雙駝峰變化規(guī)律，相關系數(shù)為0.95，表明NH的去除效率與底物濃度存在較強的相關性，與Heyden 等的研究結果一致。NH濃度較低時（<10 mg/m），NH去除效率與底物濃度呈正相關；NH濃度較高時（>10 mg/m），去除效率與底物濃度呈負相關。畜禽舍內的NH源主要為動物糞便、尿液和剩余飼料，NH的排放量受到舍內通風量和清糞模式等因素的影響。試驗期間，豬舍通風量保持恒定，豬只清糞時間為8:00—10:00 和16:00—17:00，此時，舍內NH排放量均處于波峰。同時，每日08:00和18:00 將洗滌劑（有效氯濃度為30% 的次氯酸）投入主控室內的儲液罐中，混勻后通過管道輸送至蓄液池內，此時蓄液池中次氯酸濃度的升高，一定程度上促進了NH去除效率的提升。

圖3 NH3 過濾前濃度和去除效率日變化

2.2.2 VOCs 和臭氣 由圖4 和表3 可知，試驗期間，VOCs 和臭氣濃度的ARE 分別為30.6% 和50.1%。過濾前的VOCs 和臭氣的平均濃度分別為6.1 mg/m和97（無量綱），過濾后的VOCs 和臭氣的平均濃度分別為4.2 mg/m和42.5。

圖4 VOCs 和臭氣過濾前后平均濃度

2.2.3 顆粒物（PM） 由圖5 和表3 可知，次氯酸洗滌器對PM10 和TSP 的ARE 分別為7.8% 和30.1%。過濾前的PM10 和TSP 的平均濃度分別為112.3、192.3 μg/m，過濾后的PM10 和TSP 的平均濃度分別為97.7、135.2 μg/m，符合《大氣污染物綜合排放標準》（GB162971996）中規(guī)定的二級排放標準（PM10<150 μg/m）。濕洗滌器對PM1、PM2.5 和PM4 并未實現(xiàn)明顯的去除效果，均呈過濾后的濃度高于過濾前，ARE 分別為-79.8%、-57.3%和-60.6%，過濾后的PM2.5 濃度符合標準中規(guī)定的限值（<75 μg/m）。

圖5 顆粒物過濾前后平均濃度

2.2.4 細菌 由表3 和圖6 可知，細菌的ARE 為50.1%，范圍為22.8%～92.3%；過濾前的細菌濃度范圍為（5.4～28.5）×10CFU/m；過濾后的細菌濃度范圍為（2.2～8.6）×10CFU/m。次氯酸洗滌器對細菌有一定去除效果，但效果不穩(wěn)定，與蓄液池內每日有效氯濃度的動態(tài)變化相關，也可能由于采樣次數(shù)較少（n=3）。Li 等試驗結果表明，pH 為5.5、有效氯濃度為50 mg/L 的次氯酸對豬場常見病原菌有快速高效的殺滅效果。本試驗中細菌的去除效率低于90%（可用于臨床消毒的細菌殺滅率），可能由于次氯酸洗滌器中EBRT較小，僅為0.3 s。此外，舍內豬只和人員每日活動的變化，致使進入洗滌器的空氣中的細菌濃度存在一定差異?！兑?guī)模豬場環(huán)境參數(shù)與環(huán)境管理》（GB/T 17824.3-2008）規(guī)定，空懷妊娠母豬舍內細菌總數(shù)應低于6×10CFU/m，表明舍內環(huán)境衛(wèi)生狀況有待改善。

圖6 細菌過濾前后平均濃度

2.2.5 耗水量、耗酸量和耗電量 由表5 可知，單層洗滌器的每日耗水量為11.81 m，15 d 排污1 次，排空蓄水池內所有污水，因此每月（30 d）耗水量為11.811×30+38.605×2=431.54 m，每月排污量為77.21 m。洗滌器的額定功率為18.4 kW，每天有效運行時間為8 h，開啟時2 個循環(huán)水泵的壓力值分別為0.227 Mpa 和0.226 Mpa，因此每日耗電量為147.2 kW/h。每日耗酸量為4 kg（有效氯濃度為30%）。因此，綜合計算可得，每日運行成本為231.91 元，平均每只豬的過濾除臭成本為0.117 元/（頭·d），低于硫酸洗滌器綜合運行成本[0.178 元/（頭·d）]。

表5 耗水量和排污量

3 討 論

濕洗滌器是一種充滿惰性或無機濾料的反應器，儀器連續(xù)或間歇地噴灑液體以保持填料濕潤，畜舍排出的空氣通過洗滌器排出，使可溶性氣體（如NH）從氣相轉移到液相。本試驗中，NH的ARE 低于Zhao 等、Hadlocon 等的研究，可能原因為舍內NH濃度較低，且通風量較高，風量較高會降低氣體在洗滌器中的停留時間，減少可用的傳質接觸時間，從而導致較低的去除效率。Chein 等認為，濕洗滌器針對高風量（>500 m/min）、低濃度的NH（<4 mg/m）的去除效果較為不理想，可使用低濃度的噴霧/濾質表面活性劑對洗滌器進行改進優(yōu)化，但會大幅度提升運行成本。除此之外，洗滌器中濾液為次氯酸，次氯酸酸性較弱，一定程度上制約了NH的酸堿中和反應。Li 等研究表明，在次氯酸洗滌劑中添加HCl，調節(jié)pH 至1.35，對NH的去除效率可達55.8%。

本試驗中VOCs 的ARE 稍低。目前尚未有文獻記載酸洗滌器中VOCs 的具體去除效果，但生物濾池對低濃度的有機酸、醛類等VOCs 氣體有很好的處理效果，ARE 為59%～63%，具體影響因素與填料選取、掛膜微生物種類、進氣種類和氣體停留時間等因素有關。因此，針對豬舍排出廢氣的復雜成分和理化性質的不同，需采用復合多級式過濾器，串聯(lián)酸洗和生物過濾裝置，綜合提高廢氣處理的效率；但復合多級式過濾器在增加氣體停留時間的同時，產生較大壓降，會進一步折損風機的性能，因此在豬舍中選用末端除臭裝置時，應綜合舍內通風模式與投資成本選取合理配置。

Zhao 等試驗結果表明，酸洗滌器對大粒徑的顆粒物的去除效果更好，對PM10 的去除效果優(yōu)于PM2.5。本試驗中，濕洗滌器對PM1、PM2.5 和PM4并未實現(xiàn)明顯的去除效果，均呈過濾后的濃度高于過濾前，ARE 分別為-79.8%、-57.3%和-60.6%。分析原因可能為噴淋洗滌后會有小顆粒水霧飄出，導致PM1、PM2.5、PM4 讀數(shù)變大；且試驗期間舍外PM2.5 平均濃度（14.7 μg/m）高于過濾前的PM2.5 濃度（7.5 μg/m），舍外的氣候條件在一定程度上影響了過濾后的顆粒物濃度。

過濾前PM1、PM2.5、PM4 和PM10 分別占顆粒物總濃度的2.2%、3.9%、10.1% 和58.4%；過濾后PM1、PM2.5、PM4 和PM10 分別占顆粒物總濃度的5.9%、9.5%、22.6%和72.3%。豬舍內顆粒物的濃度和排放與舍內的通風率、相對濕度及豬的活動量、飼養(yǎng)管理、體重及育肥狀態(tài)有關。本試驗豬舍末端排出的顆粒物TSP 濃度較低，低于大部分文獻中的數(shù)值，可能原因是試驗豬舍豬只飼養(yǎng)密度過低、通風量較大等。將過濾前后空氣中的細菌濃度按大小范圍進一步分類。過濾前，細菌主要附著于Andersen 采樣器的前5 個階段，該采樣器的前五級采樣頭捕獲了1.1～7.0 μm 粒徑的顆粒。前5 個階段的細菌總數(shù)占洗滌前空氣中細菌總數(shù)的91.0%，僅有9.0% 的顆粒附著于第六級的采樣頭上，粒徑范圍為0.65～1.1 μm，與Zhao 等研究結果一致。根據(jù)Andersen 采樣器各個階段采集的細菌數(shù)據(jù)，1～6級的ARE 分別為57.1%、45.8%、36.7%、34.9%、48.0%和9.6%；洗滌器對粒徑超過7.0 μm 的細菌顆粒去除效果最好，對粒徑范圍為0.65～1.1 μm 的細菌顆粒的去除效果最差，與顆粒物的去除效果呈現(xiàn)相同的趨勢，即濕洗滌器對大粒徑的顆粒物的去除效果更好。

4 結 論

本試驗結果表明，次氯酸洗滌器對豬舍排放NH、臭氣和VOCs 的ARE 分別為39.4%、50.1% 和30.6%，對細菌、TSP 和PM10 的ARE 分別為50.1%、30.1% 和7.8%，對PM1、PM2.5 和PM4 的 ARE 分 別為-79.8%、-57.3%和-60.6%。濕洗滌器對大粒徑的顆粒物的去除效果更好。臭氣的ARE（50.1%）高于NH和VOCs（39.4%和30.6%），表明僅采用單一指標（如NH）的去除效率，來評價次氯酸洗滌器的運行效果，較為不完善。單層豬舍（可飼養(yǎng)2 000 頭空懷妊娠豬，飼養(yǎng)密度為2.22m/ 頭）的洗滌器平均每日耗水量為11.81 m，每月排污量為77.21 m，豬只平均過濾除臭成本為0.117 元/（頭·d）。