河南省某典型蛋雞養(yǎng)殖舍秋冬季氨排放特征

張杰，鄭珂，郭笑盈，萬(wàn)俊鋒，楊敬賀，王巖

（1.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)化工學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省環(huán)境與資源國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)污染源頭的治理。畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中排放的NH3污染物會(huì)與大氣中的酸性氣體反應(yīng)生成二次無(wú)機(jī)氣溶膠粒子（如、、等），不僅是產(chǎn)生霧霾的誘因，也影響畜禽的正常生產(chǎn)[1-2]。據(jù)報(bào)道禽畜養(yǎng)殖對(duì)氨排放貢獻(xiàn)超過(guò)50%[3]，研究養(yǎng)殖過(guò)程中氣體的NH3逸散規(guī)律具有重要意義。

目前，我國(guó)蛋雞產(chǎn)業(yè)處于向集約化和標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，環(huán)境和疾病問(wèn)題已成為制約蛋雞高效安全生產(chǎn)的瓶頸[4-5]。蛋雞舍空氣顆粒物、空氣微生物和NH3的排放問(wèn)題越來(lái)越受關(guān)注[6-8]。由于氣候條件、飼養(yǎng)管理等方面的差異，現(xiàn)有的國(guó)外研究數(shù)據(jù)不能直接反映我國(guó)規(guī)?；半u舍空氣污染物的排放量及特征，國(guó)內(nèi)對(duì)蛋雞舍空氣的研究主要集中在舍內(nèi)環(huán)境，部分在研究蛋雞舍排出空氣凈化技術(shù)時(shí)開(kāi)展過(guò)少量空氣污染物排放的相關(guān)研究[9-11]?？傮w而言，目前尚缺乏我國(guó)典型蛋雞養(yǎng)殖舍NH3的排放特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，迫切需要開(kāi)展本土化的研究。

因此，本研究選擇河南省具有代表性的禹州市某集約化蛋雞養(yǎng)殖舍，該地屬大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱、較多風(fēng)沙，夏季炎熱、降雨集中，秋季氣爽、日照較長(zhǎng)，冬季寒冷、較少雨雪。由于養(yǎng)殖舍NH3的排放與舍內(nèi)溫度及相對(duì)濕度相關(guān)[12-14]，研究中通過(guò)采用快速、準(zhǔn)確、多指標(biāo)的電傳感器原位檢測(cè)技術(shù)對(duì)其秋、冬季節(jié)養(yǎng)殖過(guò)程中的NH3排放濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，討論了秋冬季節(jié)溫度、濕度對(duì)NH3排放量的影響以及生產(chǎn)過(guò)程中影響氨排放的主要因素。本研究數(shù)據(jù)將為我國(guó)集約化蛋雞舍畜禽養(yǎng)殖NH3排放清單的編制提供基礎(chǔ)參數(shù)，為其后續(xù)氨減排措施的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)蛋雞舍

研究選定的海蘭褐蛋雞舍長(zhǎng)90 m，寬16 m，高9 m，為上下2 層樓結(jié)構(gòu)，每層樓內(nèi)采用5 列4 層全自動(dòng)設(shè)備全封閉式飼養(yǎng)。單層飼養(yǎng)密度為8～10 只·m-2，單棟雞舍設(shè)計(jì)飼養(yǎng)量10 萬(wàn)只。為了管理蛋雞，采用分層抱籠式行車6次·d-1的自動(dòng)機(jī)械投喂和自動(dòng)飲水系統(tǒng)。該雞舍的清糞過(guò)程為由自動(dòng)清糞設(shè)備將雞舍內(nèi)累積產(chǎn)生的雞糞轉(zhuǎn)移至雞舍外傳送帶，由傳送帶運(yùn)輸至有機(jī)肥發(fā)酵站資源化處理，雞舍清糞頻率為1次·d-1，傳送帶運(yùn)輸雞糞過(guò)程未做密閉處理。清糞機(jī)器工作時(shí)長(zhǎng)為60 min，隨后需對(duì)蛋雞舍進(jìn)行打掃、消毒等作業(yè)，清糞作業(yè)總時(shí)長(zhǎng)約1.5 h。

為實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)效果，雞舍采用負(fù)壓縱向通風(fēng)模式。雞舍的上下2層樓各配備18臺(tái)風(fēng)機(jī)，單個(gè)風(fēng)機(jī)的直徑138.5 cm，額定功率1.1 kW，標(biāo)定風(fēng)量40 000 m3·h-1。因此，整個(gè)雞舍由36 臺(tái)風(fēng)機(jī)、按照4×9 的整齊排列方式構(gòu)成通風(fēng)口墻面。舍內(nèi)有4 塊濕簾，由于本研究在秋、冬季節(jié)，濕簾在研究周期內(nèi)并未工作。尺寸為13.8 m×2.8 m，4 塊全用于側(cè)墻橫向通風(fēng)口。400 盞9 W 自動(dòng)光照燈泡進(jìn)行人工每日18 h 補(bǔ)光，時(shí)間段為03：00—21：00。

1.2 蛋雞舍NH3濃度和溫濕度的監(jiān)測(cè)

如圖1 所示，由于雞舍是縱向通風(fēng)，在蛋雞舍一直維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的排氣口負(fù)壓風(fēng)機(jī)前2 m 處設(shè)置出氣口溫、濕度和氨氣濃度采樣點(diǎn)M1 和M2，采樣點(diǎn)正對(duì)風(fēng)機(jī)的中心位置，高度為2.16 m。這一位置的選擇可以采集到具有代表性的排氣口污染物濃度，同時(shí)避免了對(duì)排氣口氣流產(chǎn)生大的擾動(dòng)。在蛋雞養(yǎng)殖舍出氣口M1 處和出氣口M2 處分別采用1 臺(tái)電化學(xué)NH3傳感器，監(jiān)測(cè)參數(shù)為NH3（監(jiān)測(cè)范圍0～500 mg·m-3，檢測(cè)限為0.1 mg·m-3）。

本研究采用電化學(xué)傳感器于2022 年9 月—11 月（秋季）、2022 年12 月—2023 年2 月（冬季）對(duì)蛋雞舍開(kāi)展氨排放連續(xù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)雞舍外排NH3濃度特征和范圍確定氨氣傳感器參數(shù)，選擇鄭州索旭斯化工科技有限公司N-500型電化學(xué)氨氣傳感器。

2 結(jié)果與討論

2.1 蛋雞舍NH3排放濃度

秋季養(yǎng)殖舍外排NH3濃度如圖2a～c 所示。整體上看，蛋雞舍出風(fēng)口處NH3質(zhì)量濃度在0～8.68 mg·m-3之間，平均為4.06 mg·m-3。隨外界氣溫不同，秋季清糞時(shí)間在外界氣溫較高時(shí)于7 時(shí)左右，外界氣溫較低時(shí)于10 時(shí)左右。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，養(yǎng)殖舍NH3排放濃度呈現(xiàn)周期性變化趨勢(shì)，養(yǎng)殖舍NH3排放濃度隨清糞過(guò)程的啟動(dòng)開(kāi)始激增，當(dāng)清理完成，養(yǎng)殖舍向外界排放氣體中NH3濃度明顯下降。由此判斷，隨著養(yǎng)殖過(guò)程中雞糞當(dāng)日在舍內(nèi)的積累，由于雞糞產(chǎn)生的NH3揮發(fā)導(dǎo)致養(yǎng)殖舍外排氣體中NH3濃度逐漸升高，并且由于夜晚溫度較白天低，出于雞舍內(nèi)需保持溫度恒定的原因雞舍會(huì)降低通風(fēng)量，由此導(dǎo)致舍內(nèi)濕度增加，積累的雞糞更容易排放NH3，因此，通常情況下雞舍外排氣體的NH3濃度在每個(gè)清理周期即將開(kāi)始前的達(dá)到最高峰。此時(shí)，由于清理周期之前雞糞的大量累積，舍內(nèi)將存積較高濃度的NH3，可能對(duì)雞的健康造成影響。此次監(jiān)測(cè)周期中的9 月份天氣溫度較高，外排NH3濃度達(dá)到秋季中最高，可達(dá)8.68 mg·m-3。另外，當(dāng)某日天氣溫度相較于前一日突然升高時(shí)，蛋雞舍外排NH3濃度隨之升高，例如圖2b中10/08至10/10期間和11/25至11/30期間，表明外界溫度的升高將促使雞舍更高的NH3排放；若連續(xù)陰雨天，較高的空氣濕度將高效吸收舍內(nèi)外排氣體中的NH3，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的NH3濃度降低，例如圖2b中10/04至10/07期間。

圖2 蛋雞養(yǎng)殖舍秋冬兩季外排氨氣濃度Figure 2 Ammonia concentration in layer chicken farms in autumn and winter

監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)養(yǎng)殖舍冬季外排NH3濃度如圖2d～f所示。冬季蛋雞舍出風(fēng)口外排氣體中NH3質(zhì)量濃度在0～5.4 mg·m-3之間，平均2.83 mg·m-3；與秋季結(jié)果相同，伴隨每日1 次的清糞頻率，雞舍外排NH3濃度呈周期性（1 d）變化。由于氣溫較低，冬季清糞時(shí)間為上午10 時(shí)左右。由于冬季外界溫度較低，夜間雞舍通風(fēng)量降低，導(dǎo)致雞舍內(nèi)換氣較慢，易產(chǎn)生NH3積累。同秋季檢測(cè)結(jié)果規(guī)律相似，雞舍外排NH3濃度在清糞完成后第2 天的凌晨7：00—9：00 時(shí)，即此次清糞作業(yè)前達(dá)到最大，此時(shí)也是雞舍內(nèi)空氣質(zhì)量最有可能對(duì)雞群健康造成影響的時(shí)段。12/01 至12/07 期間由于天氣溫度急劇升高，對(duì)外排NH3濃度影響較大，使得外排NH3濃度達(dá)到冬季檢測(cè)周期內(nèi)最大值。

選取監(jiān)測(cè)周期內(nèi)當(dāng)日的溫度與秋、冬季中的日平均溫度最接近的一日作為該季的典型日，因此分別選取10月9日和12月13日。蛋雞養(yǎng)殖舍秋冬季節(jié)典型日的外排空氣中NH3濃度的小時(shí)變化如圖3所示?？偟膩?lái)看，養(yǎng)殖舍秋冬季外排空氣中NH3濃度日小時(shí)變化均呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢(shì)。符合上午蛋雞舍內(nèi)開(kāi)始往外清糞導(dǎo)致外排氨氣量突增，糞污清理后外排氨氣量驟降，之后隨著舍內(nèi)雞糞的累積導(dǎo)致晚上外排NH3濃度上升的分析。表明現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中養(yǎng)殖舍內(nèi)糞污伴隨著清理周期堆積導(dǎo)致氨揮發(fā)量增加、舍外溫度和濕度的變化由于影響風(fēng)機(jī)的開(kāi)機(jī)數(shù)量從而影響雞舍通風(fēng)量最終共同影響外排氣體中的NH3濃度。

圖3 秋冬季節(jié)蛋雞舍內(nèi)氨濃度典型日內(nèi)小時(shí)變化圖Figure 3 Typical intraday hourly variation of ammonia concentration in laying hen coops in autumn and winter

2.2 NH3排放的影響因素

本研究對(duì)溫度、濕度兩個(gè)主要?dú)庀笠蜃优c蛋雞舍的NH3排放的相關(guān)性進(jìn)行分析。

秋冬兩季蛋雞舍溫度和相對(duì)濕度晝夜變化趨勢(shì)如圖4 所示，符合研究區(qū)域的氣候特征。秋季晝夜溫差相對(duì)于冬季較低，養(yǎng)殖舍內(nèi)較易通過(guò)調(diào)控風(fēng)機(jī)控制通風(fēng)量調(diào)節(jié)養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度，因此秋季舍內(nèi)溫度日夜相差不明顯，平均溫度為24.0 ℃；冬季相對(duì)于秋季舍內(nèi)外溫差較大，通風(fēng)量無(wú)法做到連續(xù)調(diào)節(jié)，因此舍內(nèi)溫度日夜相差較大，平均溫度為21.4 ℃。秋季舍內(nèi)濕度日夜相差較大，每日平均濕度為52%；冬季舍內(nèi)濕度日夜相差較小，冬季每日平均濕度為46.4%。

圖4 秋冬季蛋雞舍外各月溫度、濕度變化Figure 4 Monthly temperature and humidity changes outside layer houses in autumn and winter

續(xù)圖4 秋冬季蛋雞舍外各月溫度、濕度變化Continued figure 4 Monthly temperature and humidity changes outside layer houses in autumn and winter

舍內(nèi)溫度不僅影響雞只的舒適度及生產(chǎn)能力，而且影響雞舍內(nèi)的NH3濃度及排放速率等。舍內(nèi)溫度升高將促進(jìn)細(xì)菌活動(dòng)和尿酸酶的活性，使雞糞中更多的向NH3轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致NH3大量從糞便向空氣中擴(kuò)散。因此，集約化養(yǎng)殖舍舍內(nèi)溫度的小幅度波動(dòng)都將影響NH3從糞便到空氣中的擴(kuò)散速率。另外，雞舍內(nèi)相對(duì)濕度通過(guò)影響舍內(nèi)墊料和糞便的濕度，進(jìn)而影響NH3的排放。因此，本研究對(duì)養(yǎng)殖舍排放的NH3濃度與舍內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 秋、冬季各月份溫度、濕度與蛋雞舍的氨排放的相關(guān)性Figure 5 Correlation between temperature and humidity in autumn and winter and ammonia emissions from laying hen houses

監(jiān)測(cè)周期中9 月份溫度最高且濕度最大，引發(fā)養(yǎng)殖舍大量NH3外排。隨著天氣溫度、濕度降低，外排NH3濃度隨之降低。冬季溫、濕度較小，此三個(gè)月（圖5d～f）雞舍外排NH3濃度相比秋季整體減少。

為了更清晰得到養(yǎng)殖舍外排NH3濃度與溫濕度的相關(guān)性，對(duì)圖5 中數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步分析，如圖6 所示。秋、冬兩季雞舍外排NH3濃度與養(yǎng)殖舍溫、濕度的正相關(guān)，證明溫度、濕度是養(yǎng)殖舍NH3排放的主要影響因素。

圖6 秋冬季NH3濃度與溫度和濕度相關(guān)性Figure 6 Linear correlation between NH3 concentration and temperature and humidity in autumn and winter

2.3 NH3減排對(duì)策

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖舍中糞便堆積和向舍外清理糞便導(dǎo)致的氨揮發(fā)是養(yǎng)殖過(guò)程中NH3排放的關(guān)鍵因素，也是有效減少畜禽NH3排放的較為經(jīng)濟(jì)、相對(duì)有效、安全可靠的重要途徑。在不更改目前養(yǎng)殖條件的前提下，保持清糞過(guò)程的密閉性將顯著降低蛋雞養(yǎng)殖舍NH3排放。另外，針對(duì)養(yǎng)殖舍內(nèi)糞便積累排放出的大量NH3，可以視情況增大畜舍清糞頻率，對(duì)養(yǎng)殖舍內(nèi)部溫度和濕度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，或在積糞區(qū)域噴灑酸化劑或活性炭、黏土等吸附劑[15-17]，以降低NH3的排放。

3 結(jié)論

（1）在秋季和冬季的監(jiān)測(cè)周期，蛋雞舍出風(fēng)口處外排NH3濃度分別為0～8.68 mg·m-3和0～5.4 mg·m-3。外排NH3濃度隨清糞頻率呈現(xiàn)出當(dāng)次清糞完成后外排NH3濃度最低，隨后伴隨養(yǎng)殖舍內(nèi)雞糞不斷累積而增加直到下次清糞開(kāi)始前達(dá)到最高外排濃度的周期性變化趨勢(shì)。

（2）北方地區(qū)某集約化籠養(yǎng)蛋種雞舍在秋冬季機(jī)械通風(fēng)的條件下，舍內(nèi)溫度、濕度與出風(fēng)口外排NH3濃度呈正相關(guān)關(guān)系。

（3）通過(guò)改進(jìn)養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度、濕度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和出糞過(guò)程的密閉，可顯著減少養(yǎng)殖過(guò)程中NH3的直接排放。