规模猪场的氨气扩散模型及影响评价

周 斌，汪开英

(1.浙江省畜牧技术推广总站，浙江杭州310021;2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院)

随着经济社会的发展，畜禽集约化养殖规模不断扩大，造成的污染问题日趋严重。氨气是养猪场排放臭气中的主要成分，在大气中可存在1 ～10 d，对周围环境可产生严重污染。

笔者根据我国东南部气候的主要特点和猪场分布情况，结合国内外空气扩散模型的研究现状和浙江省嘉兴市某规模化养猪场生产模型的模拟，建立了氨气排放量模型和应用典型高斯分布模型，模拟了猪场氨气大气扩散状况。将养猪场内的各个排放源简化为点源处理，该模型根据常年平均风速和风向分别进行模拟，得出了猪场附近氨气的长期落地浓度，对畜禽养殖场环境污染评价具有重要的实用意义。现介绍如下，供参考。

1 规模猪场的氨气污染

近年来，我国集约化的畜禽养殖规模发展很快，猪肉产量已占世界总产量的44%左右，生猪饲养量已接近5 亿头，存栏量100 头以上的规模化养猪场已占总出栏数的20%以上。猪粪的排泄量很大，约为2 kg/头，排尿量为3.3 kg/头，一个规模在100 头以上的养猪场每天的粪尿排泄量达到500 kg 以上。据资料报道，在欧洲，超过90%的氨气排放来源于农业生产［1］。

养猪场产生的氨气及其臭气不仅可影响周围的环境和气候，同时对人畜健康也会产生很大的危害。猪场排放的氨气是大气中含氮物质的最主要来源，是引起土壤和地表水酸化的主要原因之一。据资料介绍，氨气会明显影响猪的生产性能，幼猪生活环境中的空气中如含NH350 ppm，其增重速度将下降12%，含NH3100 ppm 则可下降30%［2］。

规模猪场氨气排放对人畜和环境的影响与危害已越来越受到人们的认同和关注。因此，极有必要对规模猪场的氨气排放进行评价和管理。氨气排放量的精确估算则对猪场的环境影响评价有着非常重要的意义，所以国内外的很多研究人员从氨气排放量的估算着手，进行了大量有关猪场污染气体的排放研究。

2 国内外规模猪场的氨气排放研究现状

由于规模化养猪场的集约化生产，可排放出大量氨气，产生严重的环境污染。所以欧美国家对此相当重视，政府和相关科研单位已经制定了标准和规范，对养猪场的新建和扩建进行严格的评价和限制。

猪场的氨气排放影响评价是环境影响评价中的重要内容，评价方法多采用现场采样，然后进行实验室分析，根据分析结果进行环境影响评价。这种方法存在着较多缺点，如评价有滞后性，需要养猪场运行后才能进行;评价需要耗费大量时间和劳力。目前越来越多的研究者开始采用氨气排放模型来预先评价养猪场的氨气排放影响，主要包括猪场氨气排放总量估算、猪场各生产阶段氨气排放研究及氨气在猪场周围环境中的扩散模型。

氨气排放总量估算，国外采用的数据主要依据以往的实验和经验数据，将猪场规模量和单位猪的氨气排放量相乘以得到氨气排放总量。如英国环境保护部门开发了国家氨气减排评估系统(NARSES)。根据该系统，养猪场氨氮总排放量为:

其中，at为养猪场总氨氮排放量，a 为畜禽数，Nex为一年的氮排泄物质量，0.6 为氨氮排泄物占氮排泄物的比重。

在氨气排放研究上，根据含氮物质在养猪场各个阶段的转化过程，J.Webb(2004)［3］计算各个阶段的氨气排放量，分阶段建立氨气排放模型。Ruihong Zhang 等(2005)［4］在研究氨气扩散模型中提出了将模型分为几个子模型来估计氨气的排放量(图1所示)。包括畜禽排泄物子模型，需要了解畜禽总数、畜舍数、每舍畜禽数、畜禽体重、每天粪尿产量;畜禽舍排放子模型，需了解畜禽舍结构、环境气象参数;畜禽粪便贮存子模型，需了解贮存室结构尺寸，粪尿的化学参数等。经实验研究，得出猪舍中每500 kg重量的猪日氨气排放量约为50 g，高于以往文献记载6 ～35 g 的记录。

图1 畜禽场氨气排放各个阶段子模型

近年来，氨气在周围环境中的扩散模型研究逐渐得到了重视，主要方法是引进和改进工业上常用的大气扩散模型。Pospisil J 等(2006)［1］比较了CFD 模型和CALPUFF 模型预测畜禽养殖场污染气体扩散时的精确度，指出了两种模型的各自适用范围和预测效果。X.J.Zhou 等(2005)［5］运用大气扩散模型评价集约化养猪场的臭气影响，选用ISCST3模型。应用ISCST3，AUSPLUME 和IN-PUFF2 模型对集约化养猪场的臭气扩散进行了预测，并将预测结果与实际测量值进行了对比，指出在下风向500 m 到1000 m，三个模型的预测结果较好。

综上所述，国外应用的模型主要基于经典的高斯烟羽模型，该模型假设气体浓度分布在顺风向和垂直风向上是一个高斯分布。只需要知道气象参数，例如风速、风向、大气稳定度及污染源的高度等。其他如拉格朗日模型相对比较复杂，需要考虑水平和垂直方向上的气象状况等。

相比较而言，由于国内的多数养殖场还处于粗放式养殖阶段，大部分养猪场的设施比较简陋，且不同养猪场的养殖设施差异较大，因此在环评等研究领域使用的大部分只涉及到养猪场氨气排放总量估算。主要方法是根据猪的生长阶段，使用不同的排放系数。国内常用的估算数据为:仔猪氨气的排放量为0.6 ～0.8 g/d·头，保育猪为0.8 ～1.1 g/d·头，中猪为1.9 ～2.1 g/d·头，大猪为5.6 ～5.7 g/d·头。这种估算方法建立在实验和经验积累的基础上，虽然比较简单和实用，但存在着估算结果误差较大等问题。对于氨气的分阶段排放模型和在周围环境中的扩散模型，国内研究还处于起步阶段，相关报道和成果较少。

本文主要根据当地气候条件和国内规模猪场的设施现状，建立适用于国内规模猪场的氨气扩散模型。主要研究内容包括两方面:一是探讨国内外猪舍的不同点，建立基于国内规模猪场的分阶段氨气排放模型;二是在氨气的大气扩散过程中，应用工业上常用的高斯扩散模型，根据模型模拟结果对猪场周围的空气环境进行评价。

3 研究方法介绍

3.1 氨气排放量的估算 国内猪场养殖设施各地差异较大，通过调查考察，氨气排放主要集中在猪舍饲养阶段和粪污施肥阶段。在猪舍饲养阶段，由于舍内地面粪污、饲料等经过一系列反应就会产生氨气，通过分析影响氨气产生的因素，可以建立氨气在猪舍内的排放系数模型。考虑到国内外猪舍的通风方式、清粪方式、地面结构和材料等不同，该模型将猪舍内的氨气排放分为四个步骤进行计算，分别为舍内粪污排放计算、舍内外空气中氨气浓度计算、舍内外通风速率计算和氨气舍外排放量计算。

3.1.1 舍内粪污排放速率计算 计算公式:

3.1.2 建立猪舍内地板粪污中的总氮浓度和空气中氨气浓度的动态平衡方程及猪舍内外氨气浓度的动态平衡方程。

猪舍内氨气与地板粪污的总氮动态平衡方程:

其中，［TAN］为粪污中的总氮含量，［urea］为粪污中的尿素含量，KT为传质系数(为0.467)，kf为地板粪污清洗系数，K 为酶促反应动力学中的米氏常数，μ 为高浓度尿素下的转化速率，A 为地板挥发面积，H 为亨利常数(描述气体在液体中的溶解度)，f 为粪污中未电离的氨气分子，［NH3］m为舍内氨气浓度(kg/m3)。

国内猪舍地板有实体地板和漏缝地板，在使用该公式计算过程中，系数A 的取值有较大不同。白天实体地板的A 值大约占地板面积50% 以上，下午12时至17 时，A 值最大。另外，f 值和KT值均受舍内外通风速率的影响，在开窗面积较大的情况下，室内风速近似为室外的40%。

猪舍内外氨气浓度的动态平衡方程:

其中，Vi为畜舍容积，qv为通风速率，［NH3］out为猪舍外氨气浓度。

3.1.3 计算猪舍内外的通风速率 根据热平衡方程可计算出猪舍内外的通风速率。

猪舍内外的热平衡方程:

其中，∑(MaCa)为猪舍的比热容，Tin为猪舍内温度，Qs为畜禽产生的热量，Qb为门窗散失热量，Qv为通风散失热量。

通风散失热量可根据通风速率和内外温差计算获得:

其中，ρ 为空气密度，cp为空气比热容，qv为通风速率。

3.1.4 根据通风速率和舍内外氨气浓度建立氨气排放模型 根据通风速率和舍内外氨气浓度，计算出猪舍氨气排放速率。

Chouse即为猪舍氨气排放速率(kg/s)。

3.2 氨气的大气扩散模型 考虑到养猪场地处多为偏僻农村，周围多为空旷田野。因此，简化考虑污染源状况，可视为一个点源。根据国外经验，应用高斯模型在距离达500 ～1000 m 时有较好结果。

高斯点源扩散模型:

式中:C—下风向地面轴线落地浓度(mg/m3);

Q—预测源强(mg/s);

x—地面轴线预测点距离(m);

σy—水平扩散参数(m);

σz—铅直扩散参数(m);

He—烟囱有效高度(m);

u—排气管出口处平均风速(m/s)。

4 模型应用与结果分析

选择浙江省嘉兴市某规模化养猪场，运用氨气排放模型，估算该养猪场的氨气排放量。

养猪场周围均为农田，无居民住宅等敏感环境。基本情况如表1所示。

表1 浙江省嘉兴市某规模化养猪场基本情况调查

通过当地气象部门查询历年气象资料详见表2。

表2 浙江省嘉兴市气候特征

猪舍结构是影响氨气排放的重要因素之一。该猪场共有猪舍35 幢，建筑面积22217 m2，详细情况见表3。

表3 浙江嘉兴某养猪场设施数据情况

该养猪场年出栏商品猪12000 头，属大型养猪场。饲养模式主要采用生态养猪模式，粪尿等经干湿分离后，经堆肥发酵处理后用作有机肥。因此，根据含氮物质在整个饲养过程的转化，产生氨气的过程主要在猪舍饲养阶段。

应用氨气排放模型，对猪场的三种主要猪舍进行估算。估算结果显示在秋季(日温20℃左右，自然通风)情况下，养猪场的平均每100 kg 体重猪的日氨气排放量为8.5 g/d，高于环评中应用的5 ～6 g/d 排放量。

利用氨气排放模型计算模拟白天畜舍内的氨气浓度值，如图2所示。

图2 白天猪舍内氨气的浓度值

猪舍内100 kg 体重猪的氨气排放量计算结果，如图3所示。

图3 白天猪舍内氨气的浓度值

猪舍中排出的氨气可污染周边大气，国外很多学者曾应用扩散模型进行猪舍氨气对周边环境的影响研究。大气扩散模型在工业环境中应用广泛，已取得了较多的研究成果，高斯烟羽模型是其中经典的大气污染物质扩散模型。本文以典型的高斯烟羽扩散模型为基础，研究了氨气在养猪场周围的扩散情况，高斯扩散模拟图4所示。

图4 猪场氨气下风向扩散浓度分布图

根据当地年均风速达2.8 m/s，大气稳定度为D类的情况下，因周围为空旷田野，其粗糙度指数取0.16。模拟得出在下风向200 m 内，近地面氨气浓度超过了国家标准(表4)，不适合居民居住。

表4 中国氨气污染物浓度国家标准

5 小结与讨论

规模猪场的氨气排放模型是一个复杂的多因素影响模型，应用该模型评价养猪场的氨气排放量对评价猪场的污染现状和指导猪场的建设和改造有着重要意义。本文通过对嘉兴市某规模化养猪场的氨气排放量进行模拟和研究，了解和分析了该养猪场的大气污染现状。由于国内外的养殖设施差异，模拟结果与实际测量值相比略有偏高。

氨气在大气中的扩散是一个复杂的过程，受到很多环境因素的影响。实验室的研究还处于起步阶段，所采用的数据和模型都比较简化，所得出的结论也只能作为环境评价中的辅助参考。

规模养猪场的氨气污染确实是一个不可忽视的问题，随着越来越多的国内外学者的深入研究，氨气排放系数及其大气扩散机理肯定会有更多的发现和成果，对于将来控制和改善规模养猪场的氨气排放有着重要意义。

［1］Pospisil J，Katolicky J，Jicha M.2004.A comparison of measurements and CFD model predictions for pollutant dispersion in cities［J］.Science of the Total Environment，334－335(2004):185－195.

［2］B.A.Sheridan，E.T.Hayes，T.P.Curran，V.A.Dodd.A dispersion modelling approach to determining the odour impact of intensive pig production units in Ireland［J］，Bioresource Technology，91(2004):145－152.

［3］J.Webba，T.H.Misselbrookb.A mass-flow model ofammonia emissions from UK livestock production［J］.Atmospheric Environment，38(2004):2163－2176.

［4］Ruihong Zhang，Thomas R.Rumsey，James G.Fadel.A Process-Based Ammonia Emission Model for Confinement Animal Feeding Operations-Model Development［D］.2005 ASAE Annual Internation Meeting.

［5〛X.J.Zhou，Q.Zhang.Measuring Odor Plumes in Two Swine Farrowing Operations［D］.2005 ASAE Annual International Meeting.