家禽粪便管理过程中氨气减排技术研究进展

李奇峰，田 丰，丁露雨*，王朝元，余礼根，高荣华，马为红，姚春霞

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2.广东省清远市智慧农业研究院，广东 清远 5130273；3.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100193；)

中国是畜牧业大国，农业源NH3排放39%来源于畜牧业[1-2]，中国畜牧业的NH3排放已达到全球总排放的13.6%[3]。粪便是畜禽养殖过程中的NH3来源，家禽由于消化道短、氮素利用率低，NH3排放系数为12.0～120.0 kg/( AU· a)，比猪4.20～54.0 kg/(AU· a)和牛2.0～45.8 kg/(AU· a)都高[4]。在实际生产中，日粮处理、粪便处理、空气净化等是减少畜牧业NH3排放的常用方法，其中日粮处理属于“排泄前”的减排策略，粪便处理属于“排泄后”的减排策略，而“排泄后”的减排策略在生产中应用更为广泛[5]。空气净化技术是常见的“排泄后”的减排策略，它将畜禽舍的废气收集后进行过滤、净化和氮回收，包括空气洗涤、生物过滤、光催化等技术。空气净化技术对畜禽舍尾气进行处理，并不能从源头上直接减少粪便的NH3产生和释放，且应用中常需要与通风系统联用，影响风机的通风效率，应用成本较高。本文主要针对家禽粪便管理过程中的NH3排放，对其产生和释放的机理过程、现有减排技术及关键影响因素进行了总结，以期对家禽粪便管理中减排策略制定以及后续减排技术研究提供参考。

1 氨气的危害

NH3是一种刺激性的气体，对鸡的危害很大。强刺激性的NH3很容易附着在鸡的呼吸道、消化道黏膜和眼结膜上，导致鸡采食困难和呼吸道疾病，减弱鸡对细菌、病毒等有害物质的抵抗能力并影响鸡群的生长和正常代谢[6]。研究表明，当舍内NH3浓度达到25 mg/kg 时，会增加鸡的气囊炎发病率；当达到50 mg/kg 时，则会增加鸡的眼睛结膜炎和角膜炎发病率[7]。氨气进入血液后会损害免疫系统，损害其肝脏和小肠黏膜[8],易导致禽流感的发生。氨气浓度过高，会增加鸡的死亡率，Miles等[9]研究表明，当鸡舍内NH3浓度达到75 mg /kg时，肉鸡的死亡率达到了13.9%，而NH3浓度为0 mg/kg的死亡率仅为5.8%。此外，NH3浓度过高还会使鸡采食量下降，降低产蛋性能和肉蛋品质等[10]。

我国畜禽场环境质量行业标准规定，雏鸡舍和成鸡舍中的NH3浓度分别不应超过10 mg/m3和 15 mg/m3[11]。在通风较好的标准化禽舍内，NH3浓度通常在10 mg/m3以内，只有在通风不足时才会出现超标现象[10]。但是，舍内NH3浓度不超标是因为NH3在较大通风量下被稀释，并不意味着NH3的排放强度小或危害低。NH3是形成PM2.5的重要前体物质，NH3排出到大气后经过一系列反应形成硫酸盐、硝酸盐和铵等二级次生物，而这些次生物是形成雾霾的重要前体，占我国PM2.5总量的20%～60%来自于这些二级次生物[12]。这些次生物沉降后还会引起水体富营养化、土壤酸化，破坏生物多样性并影响大气和生物圈之间的净气体交换[13]。因此，鸡舍排放的NH3不仅直接影响动物本身的健康和生产性能，对生态以及居民的健康也会产生直接或间接的影响。

2 氨气的产生及影响因素

2.1 氨气产生机理

家禽生产中，NH3的产生主要有三个途径：一是饲料中的有机氮直接经外部微生物降解生成NH3，但数量极微；二是饲料在家禽体内经消化道消化吸收作用产生NH3，但家禽的消化道较短，饲料停留时间短，因此数量较少；三是经微生物作用，家禽粪便中的含氮化合物分解产生NH3，这是舍内NH3的主要来源[14]。与家畜不同，猪舍和牛舍的NH3来源于排泄物中的尿素分解，鸡舍内NH3的产生主要来源于鸡粪中尿酸的分解，因为家禽的肝脏中没有精氨酸酶和氨甲酰磷酸合成酶，不能通过尿素循环把体内代谢产生的氨合成尿素，只能在肝脏和肾脏中合成嘌呤，在黄嘌呤氧化酶的作用下生成尿酸[15]。

2.2 氨气产生的影响因素

尿酸的分解，需要多种微生物的介入，反应底物浓度和反应条件的变化都会影响尿酸的分解，而鸡粪干物质含量、温度、pH和粪便理化特性(如含氮量和含水量)是主要影响因素[14]。饲料中的蛋白质是尿酸的根本来源，合理降低饲料中粗蛋白，添加必需的氨基酸，不仅能有效减少氨气，还能提高畜禽生长性能[15]。温度、pH、含水量等可以影响微生物的生存和反应条件，有研究表明，温度高于20 ℃、pH 5.5～9.0之间、粪便含水量在40%～60%之间和水活度αw<0.625等都有利于细菌降解分解尿酸产生NH3[16]。粪便排出后通过改变相关反应条件可减少NH3的产生，与“排泄后”的减排策略相关。

2.2.1 温度和pH 粪便中尿酸分解及其影响因素的研究比较有限。Nahm[17]研究表明，温度升高有利于尿酸分解产生NH3，当温度低于10 ℃时，尿酸分解受到严重抑制，几乎不发生降解；当温度在15～25 ℃时，反应速率迅速升高，增加N损失但对离子化水平影响不显著。Elliot[18]研究了温度、pH对肉鸡垫料复用中尿酸分解的影响，认为pH的影响远大于温度，而尿酸分解的最适pH为8.6，pH低于4时会对尿酸的降解产生负面影响。

2.2.2 含水率和碳氮比 由于氨气极易溶于水，增加粪便中的水分可以降低氮含量，但最终这些氨也会随着传质过程释放出去。同时，尿酸降解过程中有多步反应需要水提供介质条件，粪便的含水量上升将利于氨气的产生，但含水量持续上升也会抑制氨气的释放。研究发现，氨气的释放量与含水量并非简单的线性关系，由于微生物在鸡粪含水量40%～60%时生长较为适宜，故在此范围外增高或降低含水量都会减少NH3的产生量，极低情况下甚至会阻止NH3的产生[19]。

碳氮比(C/N)是影响微生物生长代谢和产物积累的主要影响因子之一，C/N过低易造成NH3挥发和氮素损失，同时碳源不足会导致微生物供能不足，影响菌株代谢[20]。因此，调节C/N，降低N素含量所占的比重可降低NH3的产生。研究表明：提高C/N比可以固定粪便中的N素，降低碳矿物质化反应的初始速率[17]，C/N为5时，会导致氨氮降解不完全，微生物将优先进行脱氮作用，使硝化反应效率降低；C/N为10或20时，微生物同时进行细胞增殖和脱氮，过高的C/N则抑制微生物生长[20]。

3 氨气的挥发及影响因素

通过微生物的降解，鸡粪中40%～90%的有机氮会转化为氨，在粪污中以铵根离子(NH4+)和游离氨(NH3)的形式存在[21]。氨气的排放实质上是将游离氨气化后从粪污表面转移到大气中的过程，涉及NH4+的解离和游离NH3的传质过程。

3.1 氨气挥发理论

粪便通过酶和微生物作用生成游离氨存储在粪便中，粪便与排放表面空气层之间存在浓度差或分压力差时，NH3通过质量扩散传递从粪污表面释放到自由气流中，其挥发过程常用“双膜理论”或“边界层理论”描述[22]。

“双膜理论”是惠特曼(Whitman)在1923年提出的，广泛应用于粪便NH3的传质过程解释及排放模型构建。该理论假设NH3从粪便中逸出后会经过液膜层和气膜层，两个膜之间的传质速率由分界面两侧膜内的扩散速率控制，分界面间的传质过程不存在阻力[22]。双膜理论中不考虑气膜层和液膜层分界面的厚度，且气膜层和液膜层内的NH3浓度基本不可测量。当自由气流流经排放源表面且排放源表面的NH3浓度与自由气流中的NH3浓度不同时，排放源表面会形成有浓度梯度的区域，即边界层。在“边界层理论”中，边界层传质的发生是由于对流引起的，既取决于传输特性，也取决于流动流体的动态特性，边界层的厚度取垂直距离，边界层内的条件决定了对流传质的特性[22]。与双膜理论相比，边界层理论具有结构简单、定义清晰的优点，而双膜理论则具有更强的过程解释性。

3.2 氨气挥发影响因素

在大气中NH3浓度很低、可忽略不计的情况下，最终NH3的挥发量主要取决于传质系数和排放源表面的NH3浓度。其中，传质系数主要受排放表面环境参数的影响，包括表面粗糙度、空气温度、风速、空气密度等的影响；而排放源表面NH3浓度主要取决于亨利常数(描述气体分子在气液两相介质中的迁移方向和速率的物理常数，受温度影响)和液相介质内游离氨的浓度(受NH4+的解离程度、pH、排泄物中铵态氮的含量和氨的产生量的影响)。由此可见，NH3挥发的过程主要受环境因素和NH4+解离程度的影响，其中pH是影响NH4+解离产生游离氨的主要因素且随着CO2和NH3的排放会有所变化，水汽压差和风速是影响传质过程的主要环境因素[23]。

3.2.1 pH 粪污内的NH4+和游离NH3之间存在解离平衡，其中游离NH3所占的比例受pH的影响。随着pH升高，NH4+的电离方程式向右移动，pH小于8时主要以NH4+的形式存在，pH大于10时主要以游离NH3的形式存在，二者间的比例在pH8～10之间迅速变化，NH3的浓度足够高时，NH3便以气态的形式进入自由气流中[24]。此外，粪污内存在多对离子缓冲对，除了NH4+和NH3外，还有HCO3-和CO2、HS-和H2S等，NH3的挥发会使得粪污内的pH下降而CO2的挥发则会使得pH升高。随着各种气体的挥发，粪污表面的pH最终将表现为略微上升并保持平衡[23]。

3.2.2 水汽压差和风速 排放面的水汽压差(VPD)即空气中水气的分压力与饱和水汽压之间的差值，包含温度和相对湿度的综合效应。温度升高可促进微生物降解和NH4+的解离，大多数情况下温度升高时测得的NH3排放量增加。相对湿度对NH3挥发的影响研究相对较少，Ding等[23]研究表明，NH3排放量随着相对湿度的增加而降低，随着VPD的增加而线性升高；排放源表面风速的增加会提高NH3挥发的传质系数，促进NH3排放。舍内风速主要受通风量的影响。胖是等[25]研究发现，通风能显著降低含水率，提高粪肥的pH，通风量为0.15、0.05、0 m3/(min·m3)时NH3排放总量分别为7823.70、7313.13、6299.06 mg/d，可见较高通风量利于NH3排放。Ni等[26]研究表明，鸡舍冬季的氨气浓度和排放量均高于夏季，可能是因为冬季时鸡舍内通风量小所导致。

4 鸡粪便管理过程中的氨气减排技术

4.1 酸化技术

根据应用场景不同，酸化处理技术可细分为舍内、储粪池和土地利用三类，减排效果与应用对象、酸化剂类别、酸化剂剂量或目标pH有关[24]。常用的酸化剂包括硝酸、硫酸和硫酸盐，由于过低的pH在降低NH3排放的同时会增加H2S和N2O等有害气体，因此，采用酸化技术时一般将pH调控在5.5～6之间[14,27]。鸡舍中常用垫料或传粪带收集粪便后进行堆肥，研究中多用硫酸盐进行酸化处理，如Al2(SO4)3、NaHSO4、Fe2(SO4)3等[27-28]。

Chai等[27]研究表明，使用0.3、0.6和0.9 kg/m的固体亚硫酸钠(Na2SO3)处理剂将鸡粪pH降低至6.3、5.1和4.4，可分别减少舍内28%、52%和79%的NH3排放。在Chai等[29]的另一项研究中，定期使用电解水喷洒鸡粪，利用磷酸(H3PO4)控制电解水的pH，在相同剂量电解水(75 mL/kg(鸡粪) d-1)的作用下，喷洒pH 7的电解水比喷洒pH 3的电解水产生的NH3高2～3倍。 Li等[30]舍垫料撒上一定的(NaHSO4)可以减少50%以上的NH3排放。此外，Li等[28]还对比了硫酸铝制剂、硫酸铁制剂和硫酸氢钠制剂作用于蛋鸡粪便的NH3减排效果，处理剂量为0.5～1.5 kg/m2时不同酸化剂的平均减排量为85%±9%。

硫酸盐处理剂在水合时会产生氢离子(H+)，同时还能抑制与NH3产生相关的微生物和酶的活性。相同酸化制剂同一使用剂量时，粉剂比液剂的减排效果好。相同剂量下，硫酸铝制剂的减排效果优于硫酸铁和硫酸氢钠，虽然其pH比使用硫酸铁和硫酸氢钠时高。此外，酸化剂的使用量存在边际效用递减的规律，达到一定剂量时，剂量的增加对减排效果的提升作用不大。

4.2 吸附技术

堆肥是鸡粪常见的后处理方式，堆肥过程中会有大量的气体排放导致养分损失。粪堆表面覆盖秸秆或垫料、堆肥过程中添加生物炭、沸石等吸附剂可以有效减少堆肥过程中的气体排放[31]。吸附技术的NH3减排量平均在50%左右，受吸附剂类型和添加量的影响。Li等[28]给蛋鸡鸡粪添加2.5%、5%和10%的沸石后，14 d NH3累计减排量分别减少了20%、50%、77%，减排效果显著。Lukase等[32]用2%膨润土、1%沸石处理蛋鸡鸡粪，整个试验期间NH3排放量降低30%左右。Bajwas等[33]使用沸石处理鸡舍垫料，可使肉鸡舍内NH3浓度降低60%。相比较而言，沸石的减排效果优于膨胀珍珠岩、蛭石、浮石等其他吸附材料，但是在使用过程中存在着用量大、成本较高等缺点[34]。

生物炭具有吸附性能较好、多孔结构稳定、来源广和成本低等特点，近年来在土壤改良、气体减排、环境治理等领域引起广泛关注[34-35]。邢泽炳等[36]在鸡粪堆肥中添加6%的柠条生物炭，可减少堆体2/3的氮损失，使堆肥过程中NH3挥发减少9.6%。陈伟[34]对比了不同生物炭对鸡粪堆肥的NH3减排效果，添加秸秆炭、竹炭、木炭和椰壳炭的减排量分别为33.11%、22.70%、32.87%和21.51%。不同种类的生物炭中，秸秆碳、稻壳碳和木炭对鸡粪堆肥减排的效果相对较好。

4.3 抑制剂技术

在鸡舍垫料和粪便处理过程中使用抑制剂抑制尿酸酶和脲酶的活性，或是添加外源性微生物制剂调控微生物碳、氮代谢，利用微生物硝化过程中的氮循环，可以降低家禽粪便NH3排放，增加氮素保留率[34,37]。

4.3.1 化学抑制剂 许多金属离子，如Al3+、Zn2+、Fe2+、Cu2+、Mg2+等，对尿酸酶和尿素酶活性都有抑制作用，与SO42-结合形成硫酸盐还可以降低pH，增加氮素保留率，减少NH3的产生[37]。Kim等[38]对比了不同金属离子对尿酸酶活性的影响，发现Zn2+和Cu2+对尿酸酶活性的抑制作用达90%以上，而Mg2+和Mn7+对微生物尿酸酶的抑制作用相对较弱。硫酸铝是最常用的硫酸盐抑制剂，焦洪超等[39]使用2%、4%的铝盐(Al3(SO4)2·18H2O)处理笼养蛋鸡粪便，24 h内NH3排放量分别降低了27%、62%。Eugen等[40]用2.37 kg/m2的铝盐(Al3(SO4)2·14H2O)处理肉鸡鸡粪，可以降低42%的舍内日均NH3浓度和47%的NH3总排放量。

4.3.2 微生物抑制剂 微生物抑制剂主要是利用利用外源微生物的使用，减少粪便中NH4+的含量，促进NH4+和NH3转化成NO2-和NO3-，进而减少氨气排放[37,41]。具有硝化作用的氨氮降解菌是目前研究中常使用的抑氨微生物，氨氮降解菌能够将NH4+-N转化成为NO3--N或吸收NH4+-N作为氮源供自身生长。目前研究中提到的氨氮降解菌主要有硝化细菌、反硝化菌、亚硝酸菌、真菌、放线菌和异养细菌几类，如杆菌、球菌、酵母菌属等，鸡粪中的氨氮降解菌多为芽孢杆菌属和酵母菌属[41-43]。陈华晶等[41]从鸡粪中筛选出了可快速转化氨氮的细菌，48 h内可将80%以上的NH4+-N转化为硝酸盐氮，处理鸡粪后可减少84.5%的NH3挥发，且可保持较长的作用时间。

4.4 其他

除上述几类技术外，烘干、覆盖、降低翻堆次数、减小排放面积和表面风速、调整清粪频率和地面类型等措施也可以在一定程度上减少NH3的排放量[44-45]。鸡粪烘干，将含水量控制在40%以下可以抑制脲酶活性，减少排放[46]。堆肥期间翻堆1次和翻堆3次的氮素损失率分别为30.4%和36.8%，减少翻堆次数可以降低NH3排放，但会增加CH4排放[37,46]。采用具有选择性渗透性的Gore膜作为覆盖材料可以降低堆肥过程中18.9%的NH3排放[47]。使用垫料可以减少大约50%的NH3排放，相比8周的清粪间隔，2～3 d清粪间隔可以减少舍内46%的NH3排放[56]。值得注意的是，长久使用的垫料中由于积累大量的有机氮会逐步转化为NH4+-N，可能造成NH3排放量的增加，因此需要在合理时间内定期更换垫料。

5 总结与展望

家禽粪便管理过程中NH3减排技术的作用机制主要针对脲素水解、铵根离子解离及转化和NH3传质这三个过程，侧重于单项技术的使用剂量、减排效果及影响因子的评估。畜禽粪便管理过程中NH3的减排是一个系统工程，目前还缺乏多项措施联合使用时，使用频率、相互间的影响、处理工艺间的衔接、综合效果和成本效益的评价，需根据应用场景形成粪便管理中全场区减排的整套技术工艺体系与应用模式。同时，无论是采用何种处理方式，养殖废弃物最终都需要回到农田生态系统进行循环利用。现有研究中减排技术应用效果评估多针对养殖过程或粪便处理过程，缺乏对后续土地利用环节的整体效价评估，需要把减排作为氮素养分资源管理的组成部分进行全方位综合管理。此外，现有研究中大多数技术起源或流行于国外，缺乏针对我国养殖条件应用场景的技术改良。例如酸化技术研究中的应用多为喷洒垫料，但实际生产中我国的家禽养殖以笼养或网上平养为主，垫料养殖的方式相对较少，还需结合实际情况，研究配套使用的设施设备和技术工艺，降低技术成本，形成适用于我国养殖工艺技术模式。