豬舍有害氣體及顆粒物環(huán)境參數(shù)研究綜述

王美芝，吳中紅，劉繼軍，趙婉瑩（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

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豬舍有害氣體及顆粒物環(huán)境參數(shù)研究綜述

王美芝，吳中紅，劉繼軍，趙婉瑩
（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

摘 要：豬舍內(nèi)產(chǎn)生的氨氣等有害氣體不僅對豬舍內(nèi)的豬只和工作人員的健康產(chǎn)生一定的影響，而且有害氣體的排放還將對周邊環(huán)境及大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。文內(nèi)對比了美國、中國豬舍內(nèi)有害氣體環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)，綜述了美國、中國及歐盟成員國關(guān)于氨氣、二氧化碳等有害氣體及顆粒物在豬舍內(nèi)的濃度監(jiān)測值及排放值，以期為中國豬舍環(huán)境控制的力度和研究方向提供參考。

關(guān)鍵詞：豬舍；環(huán)境；氨氣；顆粒物；二氧化碳

全球集約化的家畜生產(chǎn)引起氨氣、臭味、顆粒物PM和溫室氣體（CH4和N2O）更高的排放量。為減少氨氣對環(huán)境的污染，歐盟、美國和加拿大1999年聯(lián)合制定了長距離越境空氣污染協(xié)議（Gothenburg protocol），到2010年氨氣排放量較1990年減少17%，2020年與2005年相比，氨氣排放量降低6%［1］。歐洲94%的氨氣排放來源于農(nóng)業(yè)［2］。家畜飼養(yǎng)排放的氨氣占人類活動氨氣排放量的64%?；谌虬睔獾呐欧帕恐?1%～55%由家畜飼養(yǎng)中畜舍和糞污儲存系統(tǒng)排放引起［3］，Gothenburg protocol 建議使用低排放動物生產(chǎn)系統(tǒng)。在歐盟，主要對排放量多、占比重較大的豬舍和禽舍實(shí)行低排放畜舍。家畜飼養(yǎng)引起的溫室氣體排放量占人類活動溫室氣體排放量的比例約為14.5%［4］，養(yǎng)豬和家禽引起的溫室氣體排放量約占家畜飼養(yǎng)溫室氣體排放量的9%和8%。家畜飼養(yǎng)中排放的甲烷、氧化亞氮和二氧化碳分別占家畜飼養(yǎng)溫室氣體排放總量的44%、29%和27%。養(yǎng)豬生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體不僅對大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境造成危害，還對豬舍內(nèi)動物及工人的健康產(chǎn)生一定影響。本文對豬舍有害氣體的產(chǎn)生、危害、環(huán)境參數(shù)、排放參數(shù)及減排措施的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，以期為中國養(yǎng)豬生產(chǎn)中環(huán)境控制的力度、研究方向提供參考。

1 豬舍有害氣體排放方面的研究進(jìn)展

1.1 豬舍內(nèi)有害氣體的產(chǎn)生和危害

養(yǎng)豬生產(chǎn)中最為重要的排放物是氨氣，氨氣排放到空氣中引起土壤酸化、水體富營養(yǎng)化，二者導(dǎo)致生物多樣性的喪失［5］。氨氣主要產(chǎn)生于豬舍內(nèi)實(shí)體地面、漏縫地板和糞溝內(nèi)尿液變干的過程中。氨氣對黏膜的清除系統(tǒng)有害，可降低纖毛和黏液流動的活力［6］。 因此降低黏膜清除系統(tǒng)的功能，使呼吸道易于感染疾?。?］。氨氣濃度為8～11 mg/m3時將刺激鼻子和眼睛、支氣管及肺部。

硫化氫產(chǎn)生于糞污厭氧變性的過程中，在攪拌糞污時產(chǎn)生量更大。硫化氫濃度為2～8 mg/m3時有臭雞蛋味；在其濃度為76～152 mg/m3時將引起嗅覺麻痹；濃度高于152 mg/m3時將產(chǎn)生鼻炎和流淚；硫化氫濃度為152～228 mg/m3時將引起支氣管炎（干咳）；硫化氫濃度為304～759 mg/ m3時將引起頭疼、頭昏、惡心、肺炎、肺水腫；濃度大于1 518 mg/m3時將引起呼吸停止甚至死亡。

豬舍內(nèi)二氧化碳的產(chǎn)生主要有3個來源. 動物呼出產(chǎn)生［8］、糞污產(chǎn)生［9］。寒冷地區(qū)各種能源如油、天然氣和煤炭燃燒供暖產(chǎn)生，其中，養(yǎng)豬生產(chǎn)和其他動物生產(chǎn)中動物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳是最大的排放源，占碳吸收量的50%～60%。二氧化碳濃度為58 929 mg/m3時人類將增加呼吸頻率、頭疼、頭昏；濃度大于589 286 mg/m3時將產(chǎn)生致命性影響。二氧化碳是豬舍通風(fēng)量評價中的標(biāo)志性氣體［10］。

豬舍內(nèi)一氧化碳主要來源于通風(fēng)不當(dāng)?shù)娜济杭訜崞?、燃?xì)饧訜崞鳌Ｒ谎趸寄芤鹚劳?，?dāng)豬舍內(nèi)一氧化碳濃度達(dá)250 mg/m3時，妊娠母豬將流產(chǎn)。

二氧化碳是最為重要的溫室氣體［11］。 二氧化碳不僅是溫室氣體排放源之一， 而且與生活在周邊地區(qū)的人類的健康風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)［12］。甲烷和氧化亞氮是影響較強(qiáng)的溫室氣體，其溫室氣體效應(yīng)分別是二氧化碳的34和298倍［13］。而養(yǎng)豬生產(chǎn)中甲烷的產(chǎn)生主要來源于糞污儲存過程，動物直接產(chǎn)生的量極少［14］。

1.2 豬舍有害氣體控制限值參數(shù)

美國IOWA State University 推廣中心推薦的各種有害氣體在豬舍的濃度值上限［15］見表1。

表1 美國IOWA State University 推廣中心推薦的豬舍內(nèi)有害氣體濃度限值

表2 中國豬舍有害氣體環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中濃度限值參數(shù) mg/m3

中國《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》GB/T17824.3-2008中關(guān)于有害氣體含量的限值見表2。

由表1和表2可知，中國豬舍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中二氧化碳濃度限值與美國推薦的豬舍內(nèi)二氧化碳濃度限值相比要求偏高。二氧化碳濃度越低，豬舍空氣質(zhì)量越好，但是二氧化碳濃度越低代表豬舍的通風(fēng)量越大，特別是對于冬季寒冷地區(qū)豬舍來說，在保持豬舍內(nèi)溫度適宜時，豬舍內(nèi)二氧化碳濃度越低，豬舍的通風(fēng)量越大、供暖能耗越大。

1.3 豬舍內(nèi)有害氣體濃度和排放量參數(shù)

既有文獻(xiàn)中關(guān)于豬舍內(nèi)有害氣體濃度的監(jiān)測值和背景值見表3。

表3 既有文獻(xiàn)中豬舍有害氣體濃度值［1］ mg/m3

由表3可知，監(jiān)測到的豬舍內(nèi)氨氣最高濃度達(dá)到66 mg/m3，可見，此時豬舍內(nèi)環(huán)境可對工人和豬的鼻子、眼睛及呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。硫化氫濃度監(jiān)測到的最高值9 mg/m3，豬舍內(nèi)可有臭雞蛋味，尚未引起處于此豬舍環(huán)境中的工人嗅覺麻痹。監(jiān)測到的豬舍內(nèi)二氧化碳濃度最高值9 821 mg/m3，尚沒有使處于此環(huán)境中的工人出現(xiàn)增加呼吸頻率、頭疼、頭昏等癥狀。

既有文獻(xiàn)中二氧化碳排放量參數(shù)見表4。

既有文獻(xiàn)中氨氣、甲烷和氧化亞氮排放量參數(shù)見表5。

《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》提出的全球溫室氣體減排計(jì)劃目標(biāo)為至2012年，溫室氣體排放量較1990年減少5.2%。幾個國家采納并修改了京都議定書制定減排計(jì)劃目標(biāo)，自2013年到2020年，溫室氣體排放量較1990年減少18%。中國政府根據(jù)中國國情、發(fā)展階段、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和國際責(zé)任，確定了到2030年的自主行動目標(biāo)，即：二氧化碳排放2030年左右達(dá)到峰值并爭取盡早達(dá)峰；單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%。因此，中國的畜牧業(yè)也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整生產(chǎn)模式，在本行業(yè)內(nèi)采取經(jīng)濟(jì)有效的方式減少溫室氣體排放量。

表4 既有文獻(xiàn)中二氧化碳排放量參數(shù)

表5 既有文獻(xiàn)中NH3、CH4和N2O排放量參數(shù)

2 豬舍顆粒物排放方面的研究進(jìn)展

2.1 豬舍內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生及危害

豬舍內(nèi)顆粒物主要來源于糞便、飼料、毛發(fā)、皮屑和細(xì)菌。豬舍內(nèi)產(chǎn)生的顆粒物通過機(jī)械通風(fēng)或者自然通風(fēng)排入大氣，豬舍排放的細(xì)顆粒物能夠進(jìn)入動物和人的呼吸系統(tǒng)影響健康開始引起關(guān)注。顆粒物根據(jù)尺寸主要分為PM10 和PM2.5兩種，PM10定義為通過空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑10 μm切割入口的捕集效率為50%的切割器的顆粒，同理，PM2.5 定義為通過空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑2.5 μm切割入口的捕集效率為50%的切割器的顆粒。多種污染物和微生物可以吸附在顆粒物上，豬舍內(nèi)空氣顆粒物對動物福利、生產(chǎn)性能、工人健康和環(huán)境均有重要不利影響，有研究證明PM10對豬的呼吸系統(tǒng)疾病有重要影響。顆粒物和氨氣都對黏膜的清除系統(tǒng)有害。顆粒物能夠引起呼吸系統(tǒng)上皮細(xì)胞的炎癥或刺激。小于10 μm 的顆粒能進(jìn)入豬的呼吸道，大部分微生物附著于粒徑5～20 μm顆粒物上并主要附著于10 μm 顆粒上， 粒徑為5 μm及以上的顆粒主要影響纖毛系統(tǒng)，小于4 μm的顆粒可吸入到肺泡 。

2.2 歐盟大氣顆粒物的限值規(guī)定

為保護(hù)人類健康，歐盟規(guī)定了大氣中顆粒物濃度的高限值，從 2005年1月起，PM10日平均濃度最高不超過50 μg/m3，每年不超過35次。 PM10濃度的年平均值最高不超過40 μg / m3。 PM2.5日平均濃度最高值到2015年目標(biāo)值不超過25 μg/m3。目前，荷蘭某些地區(qū)的PM10濃度也經(jīng)常超標(biāo)，其中大部分超標(biāo)地區(qū)是畜牧養(yǎng)殖的周邊地區(qū)。美國和中國豬舍內(nèi)顆粒物的濃度限值分別見表1和表2。

2.3 顆粒物濃度的測量方法

正確的精確的顆粒物濃度測量方法對評價其對工人健康、豬生產(chǎn)性能和健康的不利影響的評價極其重要，對于比較研究不同研究機(jī)構(gòu)的豬舍顆粒物排放量數(shù)據(jù)也極為重要。 豬舍內(nèi)顆粒物的組成特征與大氣顆粒物組成不同，它含有豬舍內(nèi)的特殊氣體成分和臭味成分。 空氣中PM10 和 PM2.5顆粒物的采樣方法在歐洲由法規(guī) EN 12341 （1998） 和EN 14907 （2005）分別進(jìn)行了規(guī)范。 目前，對于室內(nèi)PM10和 PM2.5的測量方法尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的測量方法。Nele Van Ransbeeck et al比較了重量法、兩種相似的激光散射法和Beta 射線法四種不同的測量方法在豬舍測量的PM10、PM2.5和PM1的濃度值。

2.4 豬舍內(nèi)顆粒物的濃度現(xiàn)值和排放量參數(shù)

已經(jīng)報(bào)道的各個國家豬舍內(nèi)PM10 和 PM2.5的濃度及排放量參數(shù)見表6。

表6 既有文獻(xiàn)中豬舍PM10、PM2.5濃度和排放量參數(shù)

由表6可知，既有文獻(xiàn)中豬舍內(nèi)PM10濃度最高值為4.4 mg/m3，由表1和表2可知，美國建議的豬舍內(nèi)顆粒物濃度限值為10 mg/m3，中國豬舍內(nèi)顆粒物濃度限值為1.5 mg/m3（成年豬舍）/（1.2 mg/m3哺乳豬舍、保育豬舍）。美國及中國豬舍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒物均未指出是TSP還是PM10，假設(shè)顆粒物指TSP，國內(nèi)外研究結(jié)果表明，PM10/TSP的重量比值為60%～80%，則既有文獻(xiàn)中豬舍內(nèi)PM10濃度最高值為4.4 mg/m3相當(dāng)于TSP濃度不超過8 mg/m3，因此，既有文獻(xiàn)中豬舍內(nèi)顆粒物濃度值一般不超過美國豬舍推薦的顆粒物限值要求，但是超過中國豬舍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中顆粒物限值要求。

歐盟的家畜生產(chǎn)排放的PM10和PM2.5分別占總排放量的8%和4%，2012Gothenburg protocol 規(guī)定，到2020年，與2005年相比，PM2.5需降低22%，因此，家畜生產(chǎn)的PM2.5產(chǎn)生量也應(yīng)相應(yīng)削減。中國的PM2.5濃度也有年度削減計(jì)劃，因此，中國養(yǎng)豬業(yè)也有必要采取經(jīng)濟(jì)有效的措施在本行業(yè)減少PM2.5的排放。

3 減少豬舍有害氣體產(chǎn)生量及排放量的主要方法

幾種源頭控制技術(shù)和管道末端控制技術(shù)可以減少畜舍氨氣排放，源頭控制技術(shù)包括：易于清理的糞污收集表面、減少散發(fā)氨氣的糞污表面面積、降低散發(fā)氨氣的糞污表面溫度、及時將糞污清理出畜舍、減少糞污停留在畜舍的時間，防止糞污變干、對有糞溝的豬舍配置糞溝風(fēng)機(jī)通風(fēng)。

管道末端控制技術(shù)包括化學(xué)的、生物的和綜合的空氣洗滌器和生物過濾器，該技術(shù)引導(dǎo)排風(fēng)通過濕填料床來去除水溶性物質(zhì)。這些技術(shù)已在丹麥、加拿大和荷蘭等數(shù)個國家的豬舍系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。在荷蘭，育肥豬和母豬舍應(yīng)用管道末端減排技術(shù)的比例從2010年的50%上升到超過2012年的60%，主要?dú)w功于空氣洗滌器的應(yīng)用。

除了氨氣，豬舍排放的臭味對于人口密度較大區(qū)域的周邊居民具有一定的影響，也需要空氣洗滌器和生物過濾器等除臭技術(shù)。空氣洗滌器能夠去除部分顆粒物。幾個歐洲國家以立法的形式規(guī)定了PM去除的效率。對保育豬舍安裝的生物過濾器能夠過濾掉86%～88%的總顆粒物并能夠去除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）92%～95%。生物過濾器能夠去除畜舍臭味99%、并能去除有臭味的16種VOC物質(zhì)86%，建造成本、空氣壓降和去除效率是生物過濾器的3個關(guān)鍵參數(shù)。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣洗滌器的過程中，人們也期待空氣洗滌器也能去除溫室氣體，但是目前溫室氣體在空氣洗滌器和生物過濾器中的變化尚未知，但是N2O在空氣洗滌系統(tǒng)中是無法去除的。

可能降低豬舍內(nèi)硫化氫濃度的辦法主要有：稀釋糞污、適當(dāng)?shù)募S溝通風(fēng)、攪拌糞污時增大通風(fēng)量；在攪拌糞污時禁止工人進(jìn)入豬舍；將糞污儲存在豬舍外。

可能的降低豬舍二氧化碳濃度的辦法是提高豬舍的通風(fēng)率。

避免豬舍內(nèi)一氧化碳濃度超標(biāo)的辦法就是正確調(diào)整加熱器，以各棟豬舍集中供暖代替每棟豬舍內(nèi)燃燒能源供暖。

減少豬舍內(nèi)顆粒物產(chǎn)生量的可能的解決方法主要有：保持豬舍清潔、避免糞污變干、使用顆粒料或液體飼料。

4 結(jié)語

綜上所述，在中美豬舍有害氣體濃度限值中中國豬舍二氧化碳濃度值限值偏低，實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到，若想達(dá)到此目標(biāo)冬季供暖能耗將較大。近年來美國、歐盟等國家對豬舍內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體向大氣排放方面的研究較多，反映了發(fā)達(dá)國家在豬舍環(huán)境控制技術(shù)已經(jīng)成熟的條件下，日益注重養(yǎng)豬生產(chǎn)對周邊環(huán)境及全球環(huán)境的影響方面的研究。在中國政府已經(jīng)承諾制定減排目標(biāo)和國際社會的關(guān)注熱點(diǎn)影響下，中國研究機(jī)構(gòu)也開始展開了豬舍有害氣體排放量基數(shù)的參數(shù)研究，這將對中國養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有益的幫助。

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基金項(xiàng)目：生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：BAIC02-2016

作者簡介：王美芝（1974-），女，副教授，博士，主要從事畜牧工程與畜牧環(huán)境研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，100193，Email： meizhiwang@cau.edu.cn

收稿日期：（2016-03-02）