不同地区机械通风式密闭畜禽舍空气氨减排潜力分析*

江旭东，宋 曼，王 红，董红敏，王 悦，朱志平**

（1．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.河北省畜牧总站，石家庄 050035）

氨气（NH3）是大气中重要的碱性气体[1]，参与氮的循环过程，在二次无机气溶胶的形成中起重要作用，是地区大气复合污染的重要前体物之一。Gu等科学评估表明全球范围内减少氨排放比降低氮氧化物对降低大气中PM2.5更经济有效[2]，而氨减排有效措施主要来自农业。邓明君等[3]的研究预估 2020年、2025年和2030年中国农业NH3排放量比2013年分别增长182.22万t、281.74万t和360.91万t，其中畜牧业占91%左右；而在中国当前减排情景下，2020年、2025年和2030年中国农业NH3排放量比2013年分别下降137.19万t、219.56万t和299.51万t，其中畜牧业减排的贡献占75%左右。由此可见，中国农业NH3减排的关键在畜牧业。2021年11月2日，中共中央、国务院印发《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》中明确提出了加强大气面源和噪声污染治理，到2025年，京津冀及周边地区大型规模化养殖场氨排放总量比2020年下降5%。

畜牧业的发展在很大程度上推动着中国农业农村经济快速发展，但同时也给环境带来了严重污染问题。随着国家进一步支持畜禽养殖业向着规模化、集约化的方向发展，传统的农村地区分散养殖的形式逐渐被规模化养殖场所取代[4]。多年来，国内畜牧业从业者主要关注畜禽舍内NH3浓度对畜禽健康和生长性能的影响，对畜禽舍内排出的NH3对大气环境质量的影响关注较少。近年来，随着中国部分地区大气雾霾发生频率的增加，畜牧业NH3减排逐渐得到重视，周谈龙等[5]通过采用低碳氮比的方法，降低了猪粪堆肥过程中氨气和温室气体的排放；余鑫等[6]研究表明沼渣中添加玉米芯混合槽式堆肥过程中氨气排放低。畜禽舍是畜牧业中氨气排放最主要来源之一，李复坤等[7]指出，在畜禽养殖全过程中，栏舍内畜禽氨排放占比较大，虽对舍内采取了除氨措施，但由于舍内结构等复杂因素，仍有相当部分氨排放到大气环境中。欧美等国开展了畜舍外排技术研究，主要减排技术包括生物过滤法、弱酸水喷淋化学吸收法等，上述方法都是针对密闭式畜舍中组织的外排空气进行集中处理，Melse等研究发现酸化过滤对氨气的减排效率最高，最高可达到90%[8]。随着中国规模化养殖比例逐步提升，为了提升养殖效率、降低疫病传播风险，生猪、蛋鸡和肉鸡等畜禽规模场已逐步由自然通风畜舍转变为机械通风畜舍，由于机械通风畜舍进行有组织的通风换气，便于对排出空气进行处理，降低其对大气造成的污染。因此，科学测算中国密闭式畜禽舍氨减排潜力，可为中国畜牧业氨减排量估算、制定畜牧业氨减排指标提供科学依据。

1 资料与方法

按照行政区划，将全国31个省分为6个地区，分别为华北区、东北区、华东区、中南区、西南区和西北区（不包括港澳台地区，下同），基于不同畜禽种类饲养情况，分别进行6个地区范围内的氨减排潜力分析测算。根据第二次全国污染源普查对规模化养殖场畜舍形式的调查，获取全国不同地区、不同畜种规模化养殖场采用机械通风的养殖场数量和饲养量，基于文献内容获得各种畜禽在畜舍的平均氨气排放因子。根据中国目前养殖方式和畜禽的正常生长发育周期，生猪饲养期按180d，奶牛、肉牛、蛋鸡均取365d，而肉鸡饲养期按60d测算；优化选择基于弱酸吸收法为推荐的减排方法，减排效率取值为80%。

分畜种的密闭畜舍外排空气氨气减排量计算式为

式中，ENH3,i,j为第i种畜禽在j地区的氨气减排潜力（万t），Pi,j为第i种畜禽在j地区的饲养量（万头、万只），EFNH3,i为第i种畜禽氨气排放因子[g·（头或只）-1·d-1]，Dui为第i种畜禽的生长周期（d），f为优选的氨气减排效率（%），10-8为单位换算系数。

不同种类畜禽舍氨气排放因子及其减排效率由文献调查数据获取，各地畜禽饲养量和养殖场数量由2017年开展的第二次全国污染源普查数据中获取。

2 结果与分析

2.1 不同种类畜禽舍NH3排放因子确定

2.1.1 猪舍

畜禽舍的NH3排放受到多种因素影响，包括畜禽种类、饲养阶段、清粪方式、环境温度和通风方式等，国内外相关学者针对不同情景进行了研究，开展了有关氨气排放特征的监测和排放因子的测算。朱志平等[9]研究报道垫料型猪舍NH3春夏季平均浓度在5.9～6.8mg·m-3，传统水泥地面对照舍为14.5～16.7mg·m-3，垫料型猪舍内 NH3的平均浓度只有传统水泥地面对照舍的40%。Kim等[10]研究也显示，深坑系统和固液分离系统猪舍的NH3排放浓度以及排放量均是垫料舍相应指标的2～3倍。通风方式不同，舍内NH3的浓度同样也具有明显的变化。表1总结了国内外有关学者研究报告的不同类型猪舍的NH3排放因子[11-16]。从表中可以分析看出，猪舍NH3排放因子存在较大的差异，排放因子范围为0.7～29.4g·头-1·d-1，不同文献研究存在较大差异，可能与实验季节及猪舍内温度等有关。综合文献数据，并选择文献中机械通风猪舍氨气排放因子，确定猪舍平均NH3排放因子为4.8g·头-1·d-1。

表1 猪舍NH3排放因子文献调查结果Table 1 Literature survey results about ammonia emission factors in swine barns

2.1.2 鸡舍

鸡舍内影响NH3排放的重要因素为清粪频率。Mendes等[17]认为蛋鸡舍内NH3排放速率随着粪便堆积的时间呈指数增加，主要原因是鸡粪中的大量有机氮在贮存过程中缓慢分解形成NH3排放。目前用于鸡舍饲养的方式有高床系统、垫料系统和清粪带系统。相比传统的垫料系统来说，清粪带系统由于可以较高频率地将鸡粪送出舍外(以每日1次为例)，使鸡舍内保持了一个较好的环境，舍内NH3浓度明显低于其他清粪系统条件下的浓度[18]。通风系统的性能对鸡舍NH3排放具有极显著影响，表2总结了国内外有关学者研究获得的鸡舍内NH3排放因子[11,18-21]，排放因子的范围为0.12～1.66g·只-1·d-1，垫料养殖由于粪便在舍内贮存时间长，排放因子要高于每日清粪的情形。综合文献数据，确定鸡舍平均NH3排放因子为0.32g·只-1·d-1。

表2 鸡舍NH3排放因子文献调查结果Table 2 Literature survey results about ammonia emission factors in poultry barns

2.1.3 牛舍

相比于生猪和家禽，奶牛和肉牛的饲养除需要较大的牛舍空间且主要以开放式为主，一般养殖场还有舍外运动场。因而除了养殖舍内会产生NH3排放外，运动场也是NH3排放的重要来源。Pereira等[22]研究了奶牛舍以及运动场的排放情况，发现运动场NH3排放显著高于畜禽舍内的排放，占到全部排放的69%～92%，同时，运动场NH3排放受环境的影响更大。McGinn等[23]采用扩散法研究了整个奶牛场(包括牛舍、活动区域、饲料间、运输车间等)的NH3排放，结果表明以NH3形式损失的氮占饲料总摄入氮的63%。表3总结了国内外有关学者研究报告的不同类型牛舍的NH3排放因子[11,24-26]，牛舍清粪主要以机械式清粪方式为主，NH3排放因子在19.8～93.6 g·头-1·d-1。综合文献数据，确定牛舍平均NH3排放因子为40.7g·头-1·d-1。

表3 牛舍NH3排放因子文献调查结果Table 3 Literature survey results about ammonia emission factors in cattle barns

2.2 不同种类密闭式畜禽舍NH3减排效率确定

针对密闭舍内排出的空气，可采用不同的方法进行吸收。包括物理吸附，酸洗和生物过滤等方法，现有研究结果表明酸洗效果最优，平均去除效率在90%～99%（表4）[27-31]，考虑到不同地区实验研究与实际大面积推广应用时，氨气去除效率受管理方式和管理水平等影响，一般无法达到文献报道的去除效率，综合比较，选择酸洗为密闭畜舍氨减排方式，氨气减排效率值设定为80%。

表4 畜禽舍外排NH3酸洗减排效率文献调查结果Table 4 Literature survey results about emission reduction efficiency of NH3 from livestock and poultry houses

2.3 不同畜禽密闭舍数量和饲养量的分布

根据第二次全国污染源普查数据，获取全国生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡共5种主要畜禽的规模化养殖的养殖场数量和饲养量，图1给出了上述5种主要畜禽采用自然通风和机械通风两种管理方式下的养殖场数量情况。从图1可以看出，不同畜禽的畜舍通风方式存在较大差异，上述5种畜禽全国规模化养殖场共计38.9万个，其中采用机械通风的养殖场约占总养殖场比例的45.3%，主要以蛋鸡、肉鸡和生猪养殖场为主，其机械通风占比分别为59.1%、48.5%和40.2%，奶牛和肉牛主要以自然通风为主，占比分别为80.5%和84.5%。从饲养量来看，蛋鸡、肉鸡和生猪目前都以机械通风为主，占比分别为68.3%、71.3%和53.4%。不同畜种不同地区的采用密闭畜舍的饲养量如表5所示，用于各种畜禽的畜舍空气氨减排潜力计算。

表5 2017年主要畜禽密闭舍饲养量调查结果Table 5 Population of main livestock and poultry farms with mechanical ventilation in 2017

图1 2017年不同畜禽在机械通风和自然通风的养殖场数量Fig.1 Number of farms with mechanical and natural ventilation for different livestock and poultry in 2017

2.4 不同地区密闭式畜舍氨减排潜力分析

根据式(1)，利用第二次全国污染源普查数据分别测算6个地区生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡5种畜禽舍氨减排潜力，结果见图2、表6和表7。由图2可见，6大地区生猪舍外排空气的氨减排潜力合计10.18万t，其中，中南区的占比最大，达3.95万t，占38.9%，其次为华东区（达3.02万t，占29.7%），排在第三的是华北区（为1.27万t，占12.5%），3个地区生猪密闭舍外排空气氨气排放占比总共为81.1%；其余3个地区氨减排潜力较小，仅占18.9%。表明在减排潜力较大的中南区、华东区和华北区，应优先加强生猪养殖场减排设施的推广应用。

图2 各地区密闭生猪舍氨减排潜力值计算结果Fig.2 Calculation results for ammonia reduction potential of mechanical ventilation pig farms in different regions

国内目前奶牛和肉牛饲养主要以开敞式畜舍结构为主，因此自然通风方式占比较多，密闭式畜舍占比少，其畜舍外排空气中氨气减排潜力也不高，表6给出了不同地区奶牛和肉牛密闭式畜舍的氨气减排潜力情况。由表可见，国内密闭式奶牛舍和肉牛舍外排空气氨气减排潜力分别为1.04万t和8600t。从地区分布来看，奶牛舍的减排潜力主要来源于东北区、华北区和华东区，占比分别为38.7%、35.6%和18.7%，3个地区占总数的93%；各地区肉牛舍的减排潜力间无明显差异，占比在10.4%～21.1%。

表6 不同地区密闭式牛舍氨减排潜力计算值及其占比Table 6 Calculated value and proportion of ammonia reduction potential of mechanical ventilation cattle farms in different regions

从养殖量比较，蛋鸡和肉鸡的规模化养殖场以机械通风的畜舍为主，占比分别为68.3%和71.3%。表7给出了不同地区的蛋鸡和肉鸡机械通风畜舍外排空气氨气减排潜力分布情况。由表可见，蛋鸡和肉鸡的全国减排潜力分别为7.73万t和6.75万t氨气。从不同地区占比分析来看华东区、中南区和华北区蛋鸡氨减排潜力占比较大，分别占全国减排潜力的30.6%、28.6%和16.4%，三个地区蛋鸡密闭舍外排空气氨气排放占比总共为75.7%；而肉鸡舍的减排潜力主要来自华东区，占比达到53%，其次是东北区，占比为20.5%。

表7 各地区密闭式蛋鸡和肉鸡舍氨减排潜力计算值及其占比Table 7 Ammonia reduction potential of mechanical ventilation poultry farms in different regions of China

3 结论与讨论

3.1 讨论

通过对中国现有密闭式畜舍外排空气进行氨减排设施的应用统计与分析，全国生猪、蛋鸡、肉鸡、奶牛和肉牛等5种畜种在该环节的外排氨气减排潜力约为26.65万t，且随着中国规模化比例的提升，其外排氨气减排潜力还将逐步提升，从畜种上来看，应该重点关注生猪、蛋鸡和肉鸡三种主要畜种，其外排氨气减排潜力分别为38.3%、29.1%和25.4%，因此应重点关注生猪、蛋鸡和肉鸡舍的外排氨气减排技术推广。从地区上看，华东地区密闭畜舍氨气减排潜力最高，总减排量约为9.31万t，占全国氨减排潜力的35.1%；其次是中南地区，减排约7.15万t，占全国总体氨减排潜力的26.9%；华北和东北地区相差不大，分别为3.96万t和3.62万t；减排潜力最小的为西南和西北地区，只有1.29万t和1.23万t，分别仅占全国总体氨减排潜力的4.9%和4.6%。邓明君等[3]测算并分析了中国2020-2030年农业NH3减排潜力，结果表明未来中国农业NH3减排重点在河南、山东、河北、内蒙古，该相关地区占全国农业氨减排总潜力的38.5%以上；该研究结果与本研究的结果具有一定的可比性。不过，邓明君等的研究以奶牛场为主，而国内奶牛场和肉牛场饲养主要以开敞式畜舍结构为主，密闭式畜舍占比较少，因此结论有所不同。随着中国城市地区性大气污染问题的日益加剧，地区氨排放影响的研究逐渐受到重视。值得注意的是，部分地区减少氨排放可以有效控制 PM2.5，但也会加剧中国南方地区的酸雨问题。因此，氨减排控制应分地区并采取不同的措施来推进。对于南方地区，尤其是长江中下游平原和四川盆地来说，减氨须与减二氧化硫、减氮氧化合物等酸性气体协同进行。相比而言，北方地区氮排放与酸雨产生联动的问题则并不突出[32]，但是雾霾天气出现频率较高，应该加大对该地区畜禽舍氨气减排的建设，为该地区减少雾霾天气发生提供保障。本研究在基于不同地区基础上又分析了不同畜种的氨减排潜力，可进一步为未来中国控氨总方略提供一定的参考。

3.2 结论

中国目前机械通风畜舍外排空气氨气年减排潜力为26.56万t，主要来自生猪、蛋鸡和肉鸡三种畜禽，其氨气减排潜力分别为10.18万t、7.73万t和6.75万t；从地区上看，主要可实施地区为华东区、中南区和华北区，其氨气减排潜力分别占全国的35.1%、26.9%和14.9%，加大对上述3个地区生猪、蛋鸡和肉鸡三种畜禽的密闭式畜舍氨气减排设施的建设，可为全国氨减排和大气环境质量改善提供保障。