基于微酸性电解水喷雾的挡风墙对蛋种鸡舍氨气和细菌气溶胶的减排研究

郑炜超，李宗刚，Sanjay B. Shah，李保明

(1.中国农业大学水利与土木工程学院,农业部设施农业工程重点实验室,北京 100083;

2.北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心,北京 100083;3.美国北卡罗来纳州立大学生物与农业工程系,美国)

1 引言

近年来，畜禽舍空气污染物的排放问题受到越来越多的关注。其中，畜禽舍大量氨气的排放会造成环境污染、大气能见度降低，并危害公众健康。美国和欧洲超过80%的氨气排放来源于畜禽养殖。此外，畜禽舍空气中大量的致病微生物排放后可以进行空间传播，造成周边人畜感染。因此，研发经济、高效的畜禽舍空气污染物减排技术对保护人类健康和环境具有重要意义。

挡风墙通常位于畜禽舍排风口的下风向，改变排出空气的气流方向，使其排向挡风墙上方，提高空气污染物的稀释速度。挡风墙不能减少气体污染物的排放，但是可以加速畜禽舍排出气体污染物的稀释，降低气体污染物在畜禽舍周边环境的浓度。挡风墙和喷雾结合进行排出空气净化，可以减少畜禽舍空气污染物的排放。微酸性电解水是一种环境友好型的高效消毒剂。微酸性电解水喷雾可以降低畜禽舍内空气中的细菌浓度，且呈微酸性，可以用作去除氨气的喷雾介质。

当前，欧洲研究人员研发了多种畜禽舍排出空气处理技术，通常将所有排出空气导入处理系统（如酸洗系统）时，其减排效率最高。在美国及其他国家，畜禽舍通风广泛采用纵向通风技术，将排出的空气全部导入处理系统的方式成本巨大。此外，建设空间不足也会限制现有畜禽舍改造，阻碍该技术的应用。基于微酸性电解水喷雾的挡风墙为畜禽舍氨气和细菌气溶胶的减排提供了一种潜在的、低成本的处理技术，有助于改善周边环境状况。但是，目前尚缺乏关于基于喷雾挡风墙的减排技术研究。迫切需要对基于微酸性电解水喷雾的挡风墙对畜禽舍氨气和细菌气溶胶的减排效果进行验证研究。

本研究的主要目的是：对比研究基于自来水和微酸性电解水喷雾的挡风墙对氨气的减排效果；研究基于不同有效氯浓度的微酸性电解水喷雾挡风墙对细菌气溶胶的减排效果。

2 材料和方法

2.1 试验蛋种鸡舍

试验鸡舍位于北京市，尺寸为70m×10m×2m（长度×宽度×檐高），试验时间为2014年冬季（11～12月）。试验期间，鸡舍共饲养14 000只种母鸡（试验开始时为32周龄）和400只成年种公鸡，三层阶梯式笼养，通风方式为纵向通风。鸡舍末端安装有6台直径1.38m的轴流风机，试验期间进风口为38个侧墙进风小窗（长度×宽度=0.5m× 0.25m），试验期间仅有一台风机由控制系统控制进行间歇性运转，调控舍内温度为17.8～20.6℃（平均温度为19.2℃），开灯时间为早6点到晚10点（光期：暗期=16：8）。试验鸡舍环境控制系统为AC2000系统，清粪方式为刮板式清粪。

2.2 喷雾装置和挡风墙

如图1（a）所示，挡风墙尺寸为3.0m×1.8m×2.1m（长度×宽度×高度），围绕试验风机安装于鸡舍外部。挡风墙以钢架支撑，聚碳酸脂板为墙体。其中正对风机的墙体高度为2.50m，上部也用聚碳酸脂板覆盖，在远离风机端留有尺寸为0.75m×1.8m的出风口。

如图1（a）和（b）所示，3个喷头安装于风机排风侧0.40m处，均匀分布在半径为0.30m的圆周上，夹角为120°。喷头为不锈钢材质，喷雾形状为实心锥，喷雾角度为50°，喷雾方向为顺风向，每个喷头喷雾流量为1.0L/min，整个喷雾系统的喷雾流量为3.0L/min，喷雾压力为120kPa，由喷雾泵提供。喷雾介质为自来水或微酸性电解水，喷雾系统和风机使用同一电源，同步运转。

2.3 微酸性电解水的制备

试验使用两种有效氯浓度的微酸性电解水，分别为70mg/L和100mg/L，使用电解水制备机循环电解HCl和NaCl的混合溶液制得。有效氯浓度采用有效氯测试仪（Harmony-2，睿安德环保设备（北京）有限公司，北京，中国）进行测试，测试方法为比色法。pH采用pH测试计（HM-30 R；DKKTOA Corporation，东京，日本），测试范围为0.0～14.0。pH测试计使用前用pH为4.01和6.86标准液进行校准。

2.4 风机风速和静压差测试

试验风机每周清洁一次并在试验开始前更换皮带，以保证最佳转速。挡风墙安装前和安装后分别进行3次风机风速和舍内外静压差测试。风速测试采用便携式光学风速测试仪（PLT200，Monarch Instrument，新罕布什尔州，美国）测试。静压差采用数字压差计（475-000-FM，DwyerInstruments，Inc.，印第安纳州，美国）测试。测试目的是在风机风速和静压差的基础上，结合风机厂家提供的风机通风性能曲线计算挡风墙安装前后风机通风量的变化。

2.5 氨气采样和分析

图1 挡风墙和喷雾系统纵向剖面图（a）和喷头布置图（b）

氨气采样同时在挡风墙进风口（喷雾前）和出风口（喷雾后）进行。氨气采样系统由PVC采样歧管、气体流量计、两个洗气瓶（前置洗气瓶和后置洗气瓶）、干燥管和真空泵组成，各部分通过聚乙烯软管连接。两个洗气瓶内都装有250mL质量浓度为2%的硼酸溶液，后置洗气瓶中添加甲基红-溴甲酚绿指示剂，用以检验前置洗气瓶是否能够完全吸收采样气体中的氨气。整个采样期间后置洗气瓶并没有发生颜色变化，说明采样气体中的氨气被前置洗气瓶完全吸收。采样歧管由内径16mm的PVC管制作而成。如图1（b），挡风墙进风口和出风口采样歧管A和B均设计有9个呈直线排列的直径为2mm的进气孔，进气孔间距分别为0.15m和0.20m，进气孔朝向和风向相同。采样歧管设计参考Chen和Sparrow的研究结果，所有进气孔面积之和约为采样歧管截面积的14%。进风口采样歧管安装在风机后0.3m处，出风口采样歧管安装在尺寸为0.75m×1.80m的长方形出风口对角线上。由于试验期间风机间歇性运转，氨气采样系统与风机使用同一电源，同步运转。氨气采样时间为8：00～18：00（10h），采样后检测前置洗气瓶内的吸收液的铵氮浓度。

氨气采样系统流量为3.0L/min。采样时长使用通电计时器读取。采样结束后，使用连续流动分析仪测试前置洗气瓶中溶液的铵氮浓度，并测定溶液总体积。则采样气体中氨气浓度可通过公式1计算：

2.6 细菌气溶胶采样和分析

细菌气溶胶采样与氨气采样类似，同时在挡风墙进风口（喷雾前）和出风口（喷雾后）进行。细菌气溶胶采样系统由PVC采样歧管、AGI-30液体冲撞式微生物采样器、干燥管、气体流量计和真空泵组成，通过聚乙烯软管连接。采样歧管由内径为21mm的PVC管制作而成。如图1（b），进气口和出气口采样歧管A和B均设计有9个呈直线排列的直径2mm的进气孔，进气孔间距分别为0.15m和0.20m，进气孔朝向和风向相反。采样歧管设计参考Chen和Sparrow的研究结果。细菌气溶胶采样歧管和氨气采样歧管安装位置相邻，同样与风机同步运转。采样前，细菌气溶胶采样器在121℃、100kPa条件下高压灭菌15min。采样时间为8：00～9：00和13：00～14：00，每天两次。采样后，更换灭过菌的采样器，同时用75%的酒精对采样歧管和管道进行消毒灭菌并干燥。

AGI-30气体冲撞式微生物采样器液体介质为灭菌的生理盐水（0.9%的氯化钠水溶液），气体采样流量为12.5L/min，采样时长使用通电计时器读取。采样后，对采样液进行10倍梯度稀释，每个梯度取0.5mL的液体进行平板涂布培养，每个梯度重复两次。培养基为营养琼脂培养基，涂布后在37℃条件下培养24h，选取菌落数在30～300之间的数据进行计算。空气细菌浓度通过公式2计算：

式中：:Cbacteria：空气细菌浓度（CFU/m3）

N：介于30～300之间的菌落数平均值

V1：原始样液体积（mL）

a：原始样液稀释倍数

V2：每个培养皿涂布菌液体积（0.5mL）

Q：气体采样流量（12.5 L/min=0.0125 m3/min）

t：采样时长（min）

2.7 试验设计

氨气减排效果研究中，自来水（pH = 7.1～7.4）和微酸性电解水（pH = 5.8～6.2，有效氯浓度为70mg/L）交替喷雾，每种介质喷雾8天，测试每天8：00～18：00，挡风墙进风口和出风口处氨气的平均浓度，具体见表1。

细菌气溶胶减排效果研究中，70mg/L和100mg/L的微酸性电解水（pH = 5.8～6.2）交替喷雾，每种介质喷雾6天。由于自来水喷雾不能杀灭细菌气溶胶且通过降尘去除细菌的效果有限，本研究未进行基于自来水喷雾的挡风墙对细菌气溶胶的净化处理试验。挡风墙进风口和出风口细菌气溶胶浓度测试时间为每天8：00～9：00和13：00～14：00，具体见表1。

2.8 数据分析

氨气减排效果研究中，测试计算进风口和出风口每天8：00～18：00的平均氨气浓度，并依据公式3计算氨气净化效率。氨气浓度以每个采样天的平均浓度作为一个重复，共8个重复。

细菌气溶胶减排效果研究中，测试计算进风口和出风口每天8：00～9：00和13：00～14：00的平均细菌气溶胶浓度，并依据公式3计算细菌气溶胶净化效率。细菌气溶胶浓度以每个小时平均浓度为一个重复，共12个重复（采样6天，每天进行2次采样）。

表1 污染物采样对应的喷雾介质、采样时长、喷雾量和风机风量[a]

式中：:Rremoval:：氨气或空气细菌的净化效率（%）

Cinlet:：进风口氨气或空气细菌浓度（mg/m3或CFU/m3）

Coutlet:：出风口氨气或空气细菌浓度（mg/m3或CFU/m3）

通过t检验方法，评价净化效率是否显著小于数值1，检验处理是否对氨气和细菌气溶胶有净化作用；在确定有净化作用的前提下，通过方差分析，对比不同处理方式。数据分析使用SAS 9.2软件，ɑ值=0.05。

3 结果与讨论

3.1 静压差和风机风量

静压差测试期间，试验鸡舍只有试验风机运转。安装挡风墙前，舍内外静压差为22.6±2.1Pa；安装挡风墙后，舍内外静压差为13.7±0.9Pa，舍内和挡风墙内静压差为43.1±1.5Pa。挡风墙安装前后，试验风机转速不变。根据静压差测试数据，结合风机性能曲线，估算出挡风墙安装前后风机风量分别为9.85和8.79m3/s，风量减少10.7%。Ford和Riskowski研究结果显示，当挡风墙与风机安装距离为3.05m时（与本研究的3.00 m几乎相同），风机风量减少9～14%。

3.2 氨气减排效果

挡风墙进风口和出风口的氨气平均浓度见表2，进风口氨气浓度与自来水喷雾挡风墙出风口的氨气浓度、微酸性电解水喷雾挡风墙出风口的氨气浓度都有显著性差异，表明自来水和微酸性电解水喷雾的挡风墙净化系统都能够减少氨气排放（t检验，p＜0.01），但自来水喷雾和微酸性电解水喷雾对氨气的减排效率差异并不显著（p=0.13）。

本研究挡风墙由聚碳酸脂板制成，通过挡风墙上部出风口将气流导向上方大气，对氨气无净化作用，但可以为排出空气和喷雾液滴提供反应界面。氨气具有极易溶于水的特性，该试验中使用自来水喷雾氨气的净化效率＜9%。由于微酸性电解水pH值（5.8～6.2）小于自来水（7.1～7.4），使用微酸性电解水喷雾提高了氨气净化效率，但是提高的效果不显著。同Manuzon和Hadlocon研究的酸洗净化系统相比，基于微酸性电解水喷雾的挡风墙氨气减排效率明显偏低。可能的原因有：微酸性电解水酸性显著小于硫酸溶液（pH＜2）；酸洗净化系统中风速（3～4m/s）小于本试验系统的风速（5.5～6m/s），空气在雾化液滴中的滞留时间较长，增加氨气和液滴的接触几率；氨气净化效率和单位体积空气喷雾量、雾粒粒径有关。本试验中单位体积空气喷雾量明显小于Manuzon的试验条件，喷雾压力（120kPa）也明显小于Manuzon和Hadlocon的试验条件（分别为210kPa和620kPa），使得本试验中雾粒粒径更大，单位空间雾滴数量更少，气体与雾滴接触机会更少。

微酸性电解水成分以次氯酸为主，酸性、腐蚀性都小于H2SO4。微酸性电解水是一种环境友好型的消毒剂。如表1所示，试验期间总喷雾量少于20m3。因此，本试验在地面收集的液体可直接排放，但是微酸性电解水喷雾对环境和农场建筑结构的影响仍需进一步研究。此外，为推进该减排系统的实际应用，仍需进一步提高氨气去除效率，并设计水循环利用系统。

3.3 细菌气溶胶

挡风墙进风口和出风口的细菌气溶胶平均浓度见表2，进风口细菌气溶胶浓度与70mg/L微酸性电解水喷雾挡风墙出风口、100mg/L微酸性电解水喷雾挡风墙出风口的细菌气溶胶浓度都有显著性差异，表明净化微酸性电解水喷雾挡风墙能有效减少细菌气溶胶排放（t检验，p＜0.01），但是两种微酸性电解水喷雾的挡风墙对细菌气溶胶的净化效率差异并不显著（p=0.52）。

表2 不同处理氨气和细菌气溶胶的浓度和去除效率[a]

在本研究中，细菌以空气颗粒物为载体，在挡风墙中直接和雾化的微酸性电解水雾粒接触，微酸性电解水中的高浓度有效氯能够杀死细菌或使其失活。此外，微酸性电解水喷雾的降尘作用也可以降低细菌气溶胶浓度。但是，微酸性电解水喷雾净化细菌气溶胶以其杀菌作用为主。微酸性电解水喷雾杀菌作用大小与有效氯浓度相关。本研究70mg/L和100mg/L的微酸性电解水喷雾对细菌气溶胶的净化效果差异不显著，30mg/L的差别可能并不足以显著提高微酸性电解水喷雾对细菌气溶胶的净化效率。优化喷雾系统提高细菌气溶胶的净化效率仍需要进一步研究。

4 结论

基于自来水和微酸性电解水喷雾的挡风墙对蛋种鸡舍氨气的减排效率分别为8.8%和13.2%。基于有效氯浓度为70mg/L和100mg/L的微酸性电解水喷雾的挡风墙对蛋种鸡舍细菌气溶胶的减排效率分别为39.4%和40.8%，差异不显著。基于微酸性电解水喷雾的挡风墙建设和运行成本低、风阻小，是一种经济可行的新型畜禽舍氨气和细菌气溶胶的减排技术。

本研究基于微酸性电解水喷雾的挡风墙减排系统针对单一风机开展，但为该技术在纵向通风的畜禽舍同时用于多台风机提供了基础。需要进一步优化和改进系统设计（喷雾压力和喷雾量等），提高减排效率，并对更多的空气污染物和不同气候条件下的减排效果开展研究。

致谢

本研究获得了北京市自然基金（6154029）、国家自然科学基金（31372350）和国家现代农业产业技术体系—蛋鸡（CARS-41）等项目的资助。同时，感谢北京华都峪口禽业有限公司提供试验蛋种鸡舍。

（编译自：Applied Engineering in Agriculture，2016，32（3）：393-399，原文篇名：Removal of Ammonia and Airborne Culturable Bacteria by Proof-of-Concept Windbreak Wall With Slightly Acidic Electrolyzed Water Spray for a Layer Breeding House）