不同机械干清粪频次对生长猪舍内环境和粪污排放的影响

阮蓉丹，曾雅琼，蒲施桦，龙定彪，刘安芳，周晓容，王 浩*

（1.重庆市畜牧科学院，农业农村部西南设施养殖工程科学观测实验站，重庆 402460；2.西南大学动物科学学院，重庆 402460）

伴随着规模化养殖业的发展，畜禽养殖污染成为行业发展的一个瓶颈问题。其中畜禽固态粪便中的营养物质溶入污水会使粪便的肥效降低，污水处理的难度增加；另外粪便若长时间停留在猪舍内会产生大量的有害气体危及畜禽和人员的健康。以日本为代表的小型猪场采用的是发酵床养猪[1]；以法国和美国为代表的大中型猪场采用的是水冲式和水泡式清粪，并且与种植业相配套[2]。我国水冲式和水泡式清粪耗水量大、粪污排放量大及后续处理难度大，并且难以提供大量的配套土地。干清粪工艺符合减量化标准，畜禽粪便产生后即可初步分离，产生的污水量少且浓度低；固态粪便肥效价值高，可制作具有高效生物活性的有机肥[3]。

目前，国内规模化养猪场大都采用现代化养殖模式，清粪设备也逐步转向机械化、自动化。Brockmann 等[4]研究发现，适当的粪污管理对避免环境影响和提高养分回收率至关重要。De Vries 等[5]和Aarnink 等[6]引入了一种新的V 型或横向倾斜型传送带清粪系统，舍内污水产生后直接流入排尿沟，粪便则留在传送带上，传送带定期将粪便运送到畜舍一端并清出舍外。Amon 等[7]和Philippe 等[8]研究发现，用刮板式机械清粪及时将舍内粪便清出能有效减少舍内氨气（NH3）和甲烷（CH4）产生量。Voermans 等[9]研究发现，应用在猪舍内的刮粪板清粪方式都能够有效减少NH3产生量。赵许可[10]研究发现，输送带式机械清粪舍内NH3浓度比人工清粪降低25%左右，污水中各成分含量均低于人工清粪。陆乃升等[11]发现，采用机械干清粪工艺的猪场污水经过沼气厌氧处理后沼液中的各指标含量远低于水泡粪。本试验以猪舍刮板式机械干清粪系统为研究对象，研究不同清粪频次对生长猪舍内环境和粪污排放的影响，以期为生猪清洁养殖提供技术和设备支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验猪只与猪舍 试验选取体况相似、胎次相同的90 日龄、体重39 kg 左右的三元杂交生长猪216 头，将生长猪随机分配在12 个猪栏中，保证108 头/ 条粪沟。本试验在重庆市畜牧科学院产业基地——重庆市种猪场进行，试验所用猪舍是在原猪舍的基础上进行改造，改建后试验猪舍长30 m、宽9 m，猪舍圈栏采用双列单走道形式布置；猪舍末端两侧墙处各有一个湿帘（高1.5 m、长2.5 m），前端门口处有2 个风机；试验期间猪舍门窗呈关闭状态。用于生长猪饲养的猪栏有12 个，每列圈栏为3.75 m×27 m，各列分别有6 个猪栏，单栏饲养生长猪18 头。

1.1.2 饲养管理 试验前完成猪舍圈栏改造并进行清洗、消毒。在每个试验圈栏内的漏缝地板上方安装4 个杯式饮水器，每个饮水器管道上方安装水流量计用于统计每个圈栏的饮水消耗量。试验期间，由同一饲养员进行饲养管理，生长猪自由采食、饮水，每天08:00 和16:00喂料。饲料为玉米-豆粕型生长猪全价料饲料，每次投料前对饲料进行称重记录，在第2 天晨饲前收集余料并进行称重记录。每隔7 d 将所有猪只称重并记录。试验期间猪舍为纵向机械通风，每天根据舍内温度状况将风机打开（07:00 打开，22:00 关闭）进行通风；试验期间舍内温度较高，猪舍两端的湿帘一直呈开启状态；按照各处理的时间间隔启动清粪系统进行清粪。保持圈舍清洁，定期消毒，按常规进行免疫接种和驱虫防鼠。所有试验用猪转入试验猪舍前均单独称重编号，记录生长猪每天采食饮水量、健康状况以及饲养员清扫圈舍时的用水量等。

1.2 试验设计 试验采用刮板式机械干清粪系统，此系统主要包括猪舍内部和舍外两大部分。猪只粪尿产生后落在漏缝地板下的V 型刮粪沟上，V 型刮粪沟底部中央设有排尿管，尿液等液体污物通过重力作用沿刮粪沟斜面流入排尿沟，粪便则留在刮粪沟斜面上，粪尿在收集前即实现分离。猪的排泄有一定的时间性和区域性，一般多在采食饮水后或起卧时选择潮湿光亮的角落排泄，且受邻近猪的影响；据观察14:00—15:00 是生长猪排泄高峰。试验期为2018 年8 月8 日—9 月18 日，根据猪的排泄特征设置2 种清粪频次作为试验处理（2、3 次/d），每种清粪频次连续做3 d 为1 个处理，试验期间2 个处理分别重复7 次。试验以第1 天的0:00 到第2 天0:00 为一整天，处理1 每天07:00 和16:00 各开启1 次机械清粪系统电源，处理2 是每天07:00、10:00和16:00 各开启1 次机械清粪系统电源，将粪便运送至舍外。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 舍内环境测定

1.3.1.1 温湿度 试验期间，在猪舍内两边猪栏高度处各悬挂温湿度自动记录仪4 只，舍外两边各悬挂1 个温湿度记录仪，试验期间每天连续监测猪舍内外温度和相对湿度。取舍内8 个、舍外2 个温湿度计的平均温度与湿度作为此刻的温度和相对湿度。

1.3.1.2 NH3和CO2浓度 在猪舍过道、圈舍的正中间取5 个（五点法）具有代表意义的监测点，每天用气体监 测 仪（Photoacoustic Gas Monitor-INNOVA 1412i）分别测定各点0.5 m（猪呼吸高度）处、1.5 m（人呼吸高度）处的NH3和CO2浓度。由于试验条件限制，气体监测系统没有布设多通道气体采集管路，因此试验期间该仪器仅作为移动设备，人工将其移动到猪舍相应测试位置和高度进行测量，并选取了白天的5 个时间点进行测试，监测时间为08:00、11:00、14:00、17:00、20:00。以5 个监测点各高度的平均NH3、CO2浓度作为每个高度此刻的气体浓度。

1.3.2 生产性能 分别在试验前和试验后以及每隔7 d对猪只进行称重并统计平均体重，试验期间称量并记录每只猪每天消耗的饲料量，根据记录的数据，计算出单位体重猪只采食量。

单位体重猪只饲料消耗量（g/kg）=饲料日总消耗量（kg）×1000/猪只日平均体重（kg）/216

1.3.3 粪污测定

1.3.2.1 粪污排放量 每天按照试验处理定时启动机械清粪系统收集粪沟内的固态粪便，并在每次处理前人工用扫帚将圈舍内未落入漏缝地板下的粪便清扫收集，称重后记录两者总量。在排尿沟的末端放置水桶接收污水并称重，应避免雨水干扰。每次统计数据时将冲洗圈舍当天的数据作为异常数据剔除，避免圈舍冲洗水对粪污排放量和指标的影响。

1.3.2.2 粪污指标 每次处理结束后留取2个粪便样品（约500 g/个），其中一个不进行任何处理，用于含水率测定；另外一个现场加硫酸（浓度为4.5 mol/L H2SO4，添加比例为每100 g 鲜粪加20 mL）用于测定其他指标。将收集的污水制成混合样，同时使用便携式pH 计测定污水pH，现场加硫酸做预处理（浓度为4.5 mol/L H2SO4，添加比例为每100 mL 污水加2 mL），每批留取样品约500 mL。将采集的粪便与污水样品及时送到实验室，分析含水率、有机质、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、pH、化学需氧量（COD）。粪便和污水各项指标的检测方法及参考标准如表1 所示。

表1 粪便和污水各项指标检测方法与参考标准

1.4 统计分析 使用Excel 进行试验数据处理，采用SPSS 进行方差分析，并进行显著性检验。数据以平均数±标准差表示，P＞0.05 表示差异不显著，0.01＜P＜0.05表示差异显著，P＜0.01 表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同清粪频次下舍内环境比较 由表2 可知，2 种不同清粪频次的日平均温度基本一致（P＞0.05），日清粪2 次的平均湿度比日清粪3 次高4.29%（P＜0.05）。不同清粪频次下舍内不同高度处平均NH3浓度差异均不显著。日清粪2 次较日清粪3 次的猪呼吸处的平均CO2浓度降低8.78%（P＜0.01），人呼吸处的平均CO2浓度升高4.87%（P＜0.05）。

由图1 可以看出，不同清粪频次下舍内相对湿度在24 h 内均高于舍外湿度，舍内相对湿度和舍外湿度的变化趋势基本一致，舍内的相对湿度均在08:00 时达到最高；日清粪2 次24 h 内的相对湿度几乎都高于日清粪3次，清粪前后舍内相对湿度没有明显变化。由图2 可以看出，24 h 内不同清粪频次舍内温度的变化情况基本一致，且温度变化没有很大差距；不同清粪频次下清粪前后舍内温度均没有明显变化。

表2 不同清粪频次下舍内环境各项指标比较

图1 不同清粪频次24 h 舍内外相对湿度的变化情况

图2 不同清粪频次24 h 舍内外温度的变化情况

由图3、4 可以看出，白天12 h 内日清粪2 次条件下猪呼吸高度处和人呼吸高度处的平均NH3浓度和平均CO2浓度始终低于日清粪3 次。日清粪2 次时猪呼吸高度处的NH3浓度始终低于人呼吸高度，日清粪3次时刚好相反；每次清粪后舍内NH3浓度都高于清粪前，2 个不同处理后12 h 内舍内NH3浓度呈先上升后下降的趋势，均在17:00 左右达到最高；日清粪2 次时20:00 左右舍内NH3浓度能降回到最低水平，而日清粪3 次降低幅度比较小。白天12 h 内不同清粪频次处理后，舍内猪呼吸高度处的CO2浓度始终高于人呼吸高度处，日清粪2 次舍内CO2浓度始终低于日清粪3 次。

图3 不同清粪频次白天12 h 舍内NH3 浓度的变化情况

图4 不同清粪频次白天12 h 舍内CO2 浓度的变化情况

2.2 粪污理化特性

2.2.1 粪污收集量的比较 如表3 所示，不同清粪频次下猪只单位体重粪污收集总量分别为104.71、104.47 g/kg；在猪只饲养数量相同、单位体重粪污总收集量和饲料消耗量及饮水量基本一致的情况下，日清粪2 次的单位体重粪便收集量较日清粪3 次显著提高32.3%（P＜0.05），单位体重污水收集量降低（P＞0.05）。

2.2.2 粪便成分分析 如表4 所示，日清粪2 次的粪便含水率比日清粪3 次高，不同清粪频次下粪便各成分含量均无显著差异。除NH3-N 外，日清粪2 次粪便的其他成分都略高于日清粪3 次。

2.2.3 污水成分分析 不同清粪频次下污水的pH 都在7.5～8.0，偏碱性。如表5 所示，与日清粪3 次相比，日清粪2 次污水中各污染物浓度除TN 外均有所降低。

表3 试验初始阶段不同清粪频次每天粪污收集量对比

3 讨 论

3.1 不同机械干清粪频次对舍内环境的影响 试验期间外界温度高达30℃左右，猪舍两边的湿帘和风机都呈开启状态，猪舍内的相对湿度高达86%～90%；2 个处理舍内的日平均温度基本相似，都在28.8℃左右波动；并且将每次冲洗圈舍当天的数据作为异常数据剔除，试验结果表明舍内温湿度与舍外温湿度的变化趋势一致，说明舍外的气候可能是影响舍内温湿度的主要因素。

猪舍中的NH3、CO2都是均匀分布在整个舍内且易被检测，所以可作为猪舍内环境卫生评定的2 项指标[12]。朱志平等[13]观察发现，生长育肥猪舍内NH3浓度呈季节性变化，夏季时猪舍通风较好，舍内NH3浓度相对稳定。本试验在8 月进行，猪舍内通风较好，规避了其他因素对NH3浓度的影响，与日清粪3 次相比，日清粪2 次能有效降低22%的NH3浓度和8.78%的CO2浓度。猪舍内的NH3浓度与舍内粪污的挥发面积、CO2排放及粪污pH 和温度等有密切联系。有研究表明，温度升高、CO2排放增加能够促进NH3释放[14-17]。本试验中，每天17:00 左右舍内温度达到最高，促进了舍内NH3浓度在相同时间达到最高；日清粪3 次舍内不同高度处的CO2浓度始终高于日清粪2 次，因为CO2排放增加会促进NH3释放，所以日清粪3 次舍内不同高度处的NH3浓度始终高于日清粪2 次。马占威[18]和牛欢等[19]发现，运用清粪设施及时地将粪尿送出舍外，能缩短有害气体在舍内产生的时间，但是清粪过程会促进NH3释放，机械清粪频次较多会加速NH3释放。Misselbrook 等[20]和Wood 等[21]研究发现，粪污表面结壳形成已被确定为潜在的NH3缓解策略，去除结壳可能导致舍内产生更高水平的NH3。清粪时伴随着粪便的翻滚，粪便表面不容易形成结壳，所以导致本试验中每次清粪后舍内NH3浓度都高于清粪前。日清粪2 次20:00 左右舍内NH3浓度能降回到最低水平，而日清粪3 次降低幅度比较小。这是由于清粪频次过多加速了NH3释放，导致舍内NH3沉积过多。

表4 不同清粪频次下粪便成分分析

表5 不同清粪频次下污水成分分析 mg/L

试验期间猪舍内的NH3和CO2浓度都没有超过畜禽场环境质量标准值。日清粪2 次对于保持猪舍空气环境有非常大的作用，在保证经济效益的同时又能及时清除舍内粪便，降低了有害气体浓度，能维持猪舍内较好空气环境质量。

3.2 不同机械干清粪频次对粪污理化特性的影响 本试验中，不同清粪频次下单位体重粪污总收集量差异不大，这是因为单位体重猪只的饲料消耗量、饮水量相近，所以消化率相近，所收集到的粪污量也基本相同。在猪只饲养数量相同、单位体重粪污总收集量和饲料消耗量及饮水量基本一致的情况下，与日清粪3 次相比，日清粪2 次单位体重粪便收集量显著提高32.3%、污水收集量降低3.39%。粪便被污水稀释的量减少，所以流入尿沟的整体污水收集量也相对降低。

赵许可[10]用输送带式机械清粪分离出的固体粪便含水率在70% 以下。本试验中2 个处理粪便的含水率都在47% 以下，刮板式机械干清粪分离出的粪便含水率较低，符合有机肥制作的水分要求，并且在运输过程中不会外漏造成环境污染。每天启动2 次机械清粪系统使粪便和污水产生即分离，粪便含水率低，TN、TP、有机质等营养物质损失较少，所以有机肥利用价值也相对较高。衡量水体污染的主要指标包括COD、TN、TP、NH3-N 等，其含量的多少代表水体富营养化程度的高低[22]。本试验结果表明，日清粪2 次污水的NH3-N、TP、COD 的浓度分别比日清粪3 次低10.58%、40.41%、13.93%，这说明日清粪2 次时粪便和污水接触较少，可以有效减少粪便中营养物质混入污水，有利于降低污水后续处理的难度。

4 结 论

本试验条件下，与日清粪3 次相比，日清粪2 次能有效降低22%的NH3浓度和8.78%的CO2浓度，每天清粪频率为2 次足以满足猪舍空气环境质量要求；日清粪2 次单位体重粪便收集量显著提高32.3%，单位体重污水收集量降低3.39%；日清粪2 次污水和粪便的理化成分与日清粪3 次无显著差异。生长猪舍运用机械干清粪系统清粪时采用2 次/d 的清粪频率可以满足猪舍空气环境质量要求和污水处理难度。