多層樓房式豬舍自動化通風與臭氣凈化系統(tǒng)的設計與應用

佘德勇 ，汪 雅 ，余道倫 ，劉 瑤 ，劉 瓊 ，左瑞華 ，吳中紅

（1.皖西學院，安徽 六安 237012；2.安徽國農(nóng)數(shù)據(jù)科技有限公司，安徽 合肥 230088；3.中國農(nóng)業(yè)大學，北京 100193）

樓房養(yǎng)豬作為規(guī)?；B(yǎng)豬生產(chǎn)的模式之一，在國外20世紀60年代就已出現(xiàn)。我國的樓房養(yǎng)豬早期多見于福建、浙江等地[1]。隨著養(yǎng)殖業(yè)用地的越來越緊張，樓房式豬舍因其節(jié)約土地、集約化程度高、便于經(jīng)營管理等優(yōu)點[2]，被越來越多的養(yǎng)殖企業(yè)所采用。對于日漸增多的樓房養(yǎng)豬項目，尚有一系列亟待解決的問題，如通風系統(tǒng)的設計、物料的運送、豬只的流轉、糞污的收集處理、生物安全防護與環(huán)境保護等環(huán)節(jié)的標準和規(guī)范等[3]。隨著行業(yè)規(guī)劃設計理念與技術的創(chuàng)新、自動化智能化設備的不斷涌現(xiàn)，上述問題也都在逐步地得到改進。

文章主要針對當下主流的大跨度小單元樓房式豬舍，設計了一種通風與臭氣凈化相結合的新型工藝。夏季采用濕簾-風機模式，保證高效率通風降溫[4-5]；冬季采用側墻通風小窗-吊頂通風窗-變頻風機模式[6-7]，將變頻風機轉速與舍內(nèi)氨氣濃度相關聯(lián)，當因豬只呼吸導致氨氣（NH3）濃度升高時[8]，加大變頻風機轉速，氨氣濃度下降時，降低變頻風機轉速，在保證通風效果的同時確保最大程度減少舍內(nèi)熱量損失。在出風端，增加臭氣凈化處理工藝，利用過濾墻與生物降解相結合的技術[9]，將豬舍排出NH3、硫化氫（H2S）和其他臭味物質通過吸收過濾，有效降低排出氣體的臭味[10-11]。同時整套工藝采用基于微處理器（ARM）的單片機智能化控制系統(tǒng)[12]，實現(xiàn)對整個通風系統(tǒng)的精準控制，節(jié)能降耗，能夠實現(xiàn)養(yǎng)殖場整體效益的提升。

1 樓房式豬舍通風工藝設計

以浙江某集團下屬一存欄10 400頭育肥場為例，該場采用四層樓房式豬舍、全進全出大跨度小單元設計，每層存欄2 600頭，占地面積3 516 m2。每層12單元，每單元存欄217頭。

每單元舍長38 m，舍寬7.4 m，吊頂高為2.4 m，糞溝寬度為2.2 m，漏縫蓋板寬2.4 m，糞溝深度為0.55 m；豬舍內(nèi)設置一條人行通道、兩列豬欄。各欄位內(nèi)采用半漏縫地板，人行通道設置實心蓋板（見圖1）。在豬舍出風端，設置臭氣過濾墻，過濾凈化舍內(nèi)污風。

圖1 豬舍糞溝剖面圖

2 豬舍通風相關參數(shù)計算與設備配置

每單元育肥豬頭數(shù)N=217頭，舍長為L=38 m，舍寬為W=7.4 m，吊頂高H=2.4 m，糞溝深度D=0.55 m；育肥豬每頭冬季最小換氣量為Vmin=10 m3/h。

因此可得：舍內(nèi)換氣體積V（m3）=L×W×（H+D）；V=840.79 m3。

豬舍夏季育肥豬換氣次數(shù)為n=102次/h；

夏季豬舍每小時最大通風量 VS（m3/h）=n×V； VS=85 760 m3/h；

冬季豬舍每單元每小時最小 通 風 量VW（M3/h）=Vmin×N；VW=2 170 m3/h。

據(jù)此，每單元配置1 460 mm恒速風機2臺（通風量45 000 m3/h），1 060 mm恒速風機1臺（通風量28 000 m3/h），850 mm變 頻 風 機1臺（通風量22 000 m3/h），濕簾面積12 m2[13]。

本設計中（見圖2、圖3），樓房豬舍每單層公共走廊外側墻上安裝降溫濕簾，公共走道內(nèi)側每個單元設百葉式通風窗，豬舍另一端側墻安裝恒速風機和變頻風機（見圖2、圖4）。風機外墻設計1.3 m的外挑板（見圖2），外設計護欄，護欄高度為1.2 m，作為刮糞機電機承臺并用于后期人員風機設備安裝維修（見圖5）。

圖2 多層樓房式豬舍單元剖面圖

圖3 多層樓房式豬舍濕簾墻立面圖

圖4 多層樓房式豬舍風機墻立面圖

圖5 多層樓房式豬舍立面圖

3 臭氣處理工藝設計

養(yǎng)豬場臭氣物質包含NH3、H2S等無機物、揮發(fā)性脂肪酸、醇類、胺類、硫醇類以及含氮雜環(huán)化合物等有機化合物[14]，其中，NH3和H2S始終是臭氣的主要組成成分[15-16]，通過在豬舍風機端加裝過濾水簾（過濾墻）進行過濾除臭（見圖6、圖7）。過濾墻由濾料、水循環(huán)裝置和控制裝置組成。濾料由PP塑料注塑成型的球形材料，堆積于長方體金屬框中形成過濾墻（見圖8）。循環(huán)水中加入一定比例的生物菌劑（枯草芽孢桿菌、乳酸桿菌等），利用水吸附臭氣中的NH3，用生物降解消除臭氣中的H2S、揮發(fā)性脂肪酸、醇類等，可以有效降低豬舍排出氣體中的臭味[9]。由于豬舍廢氣中的粉塵、顆粒物含量較高，容易聚集在過濾墻的濾料（PVC小球）中，因此對于過濾墻要定期用高壓水槍進行沖洗，以保證過濾系統(tǒng)通暢。

圖6 多層樓房式豬舍夏季臭氣凈化工藝圖

圖7 多層樓房式豬舍冬季臭氣凈化工藝圖

圖8 豬舍臭氣凈化設施工藝圖

4 智能化控制系統(tǒng)的應用

文章中介紹的樓房式豬舍通風與臭氣凈化系統(tǒng)，功能較為復雜，控制精細化程度要求較高，必須輔之以智能化控制系統(tǒng)方能實現(xiàn)有效運轉?？刂葡到y(tǒng)采用STM8s103微處理器、溫度傳感器、濕度傳感器、NH3傳感器、風速傳感器、壓力傳感器等共同組成控制系統(tǒng)的感知模塊?？刂颇K采用STM32F407ARM處理器，uC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)。夏秋高溫季節(jié)，實時讀取各傳感器傳送的溫度、濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)設定的條件，通過控制定速風機、降溫濕簾啟停，調節(jié)舍內(nèi)溫度。冬春低溫季節(jié)，降溫濕簾關閉，側墻通風小窗打開，系統(tǒng)根據(jù)舍內(nèi)風壓大小調節(jié)吊頂通風窗開口大小，根據(jù)舍內(nèi)氨氣濃度智能調節(jié)變頻風機轉速，以便確保豬舍內(nèi)氨氣濃度低于限制標準[16]。除臭濕簾設定夏季、冬季兩種模式，設定不同參數(shù)，根據(jù)舍內(nèi)風速大小調節(jié)循環(huán)水流量，并根據(jù)水質檢測結果適時更新循環(huán)水。

5 討論

5.1 樓房式豬舍通風系統(tǒng)

樓房式養(yǎng)豬舍近年來被越來越多的養(yǎng)殖業(yè)主尤其是土地資源緊張的南方丘陵山區(qū)業(yè)主所接受，但是一種新的模式需要成熟完善的配套工藝來支撐。其中包含環(huán)控、喂料、清糞、豬群流轉等多個環(huán)節(jié)。文章中設計的冬夏兩季不同的通風模式，夏季通風降溫效率高；冬季室外冷空氣進入室內(nèi)時，經(jīng)吊頂上方預熱后方能通過吊頂通風窗進入豬舍[6]，可以有效降低豬只冷應激。

5.2 臭氣凈化系統(tǒng)

臭氣凈化系統(tǒng)的應用可以有效降低豬舍排出氣體中的臭味物質，改善豬場外部空氣環(huán)境，滿足環(huán)保要求。但是也帶來了建設成本增加的問題，系統(tǒng)的運轉也增加了豬場的運行成本，循環(huán)水的使用和對過濾墻的沖洗液增加了豬場的污水量。由于豬場臭氣凈化系統(tǒng)還屬于新生事物，凈化的工藝除了文章中采用的工藝外，還有噴淋水簾模式、活性炭吸附模式、光氧催化劑模式等。但總體來說都還不夠成熟，無論從處理效果還是設備造價等方面都有很大的改進和提高空間。

5.3 豬舍智能化環(huán)控

豬場各環(huán)節(jié)的智能化控制已經(jīng)是大勢所趨。文章中采用的智能化環(huán)控系統(tǒng)可以通過各類傳感器采集數(shù)據(jù)，控制模塊根據(jù)設定的程序智能調節(jié)各終端設備的運行。在冬春低溫季節(jié)，利用氨氣濃度關聯(lián)變頻風機轉速，智能調節(jié)舍內(nèi)通風，既能保證舍內(nèi)空氣質量，又能減少熱量損失，節(jié)能降耗。根據(jù)舍內(nèi)風壓調節(jié)吊頂通風窗開合大小，能夠合理控制舍內(nèi)風速，減少豬只冷應激，提高生產(chǎn)效益[17]；根據(jù)舍內(nèi)風速智能調節(jié)臭氣過濾墻的循環(huán)水流量，既能保證臭氣凈化效果，又能節(jié)約水電，除臭的同時降低能耗。同時智能化設備還能夠實現(xiàn)設備運行無人值守、故障實時報警，這樣既能夠減少人員成本，又能夠及時排查設備故障，大大降低因設備故障導致的生產(chǎn)事故的可能性。而且隨著智能化裝備的日益成熟和廣泛使用，其成本也已經(jīng)大幅下降，這也使得養(yǎng)豬業(yè)走向智能化有了前提和保障。