粪污快速分离收运系统对粪污性质和舍内环境指标的影响

李仲瀚，巴士迪，张克强，杨增军

（农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

随着生猪养殖业逐渐向集约化、规模化转变，养殖污染已成为制约该行业发展的棘手问题。源头减量和过程控制是猪场粪污综合治理的关键环节，猪舍既是粪污产生的源头场所，又是生产和防疫重地，舍内粪污的收运方式，一方面对污染物的产生量和浓度有重要影响，关系到后续处理和资源化利用的成本和方式；另一方面气态污染物的舍内排放量和病原体滋生影响环境质量，关系到动物福利及周边人居环境[1-3]。BROCK⁃MANN 等[4]的研究表明适宜的粪污收运方式对提高粪便养分利用率和减少环境污染尤为重要。影响清粪方式选择的因素有很多，不能仅依据清粪工艺的优缺点来确定清粪方式，粪污收运是粪污管理过程中的一个环节，必须与粪污管理的其他环节配合构建完整的管理链条才能实现粪污的有效管理，所以要根据后续的处理技术来确定相应的清粪方式；同时也要考虑规模养殖场的地理位置、资源条件、经济水平、劳动成本等因素，综合各因素选择适合养殖场使用的清粪工艺[5]。

合理的清粪工艺不仅能显著降低生猪养殖中的污水产生量及污水中污染物浓度，为粪污的后续处理与利用降低难度，而且能减少舍内有害气体的产生量，为生猪的生长提供良好的环境，故规模化猪场粪污清理方式的选择尤为重要[6-7]。刘安芳等[8]对不同清粪工艺下的污水产生量和污水成分进行了统计分析，发现干清粪产生的污水量和污染物浓度都比较低。钟科贤[9]采用刮板干清粪工艺，用集尿管单独收集猪尿，以此达到源头分类收集和减量提质的目的。翁晓星等[10]分析了猪场清粪技术的现状，提出了规模化猪场采用干清粪方式更有优势，但仍需加强设备和技术研究，提高现代化、机械化和自动化水平。本研究采用粪污快速分离收运系统的机械清粪方式收集养殖场粪污，分析其理化性质和舍内环境指标，以期为改进和调整舍内清粪工艺提供科学理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

1.1.1 试验猪舍

本研究在位于天津市西青区杨柳青镇的天津市西青区益利来养殖公司开展。实验选取的2 个猪舍均为保育舍，试验组采用粪污快速分离收运系统，对照组采用人工干清粪方式，猪舍南北朝向，内部为两列单走道式，每列6 个猪栏，两侧各有4 个窗，前端有风机1个、门1个。

1.1.2 饲养管理

试验前对试验组猪舍进行粪污快速分离收运系统安装改造，工作原理如图1 所示。改造结束后对两组猪舍同时进行清洗和消毒。试验期间两组猪舍统一管理，生长猪自由采食、饮水。饲料为生长猪全价料，饲喂周期为30 d，试验组每日上午10：00 和下午16：00进行设备清粪，对照组同时进行人工清扫。

图1 基于漏缝地板的粪污快速分离收运系统工作原理Figure 1 The technical diagram of the rapid manure collection and transportation system based on slatted floor

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集

试验的污水样品分别在试验组和对照组的污水池采集，粪便样品在两猪舍的集粪池采集，每日清粪操作完成后进行取样，采集的粪便和污水样品按标准保存后带回实验室测定。

1.2.2 测定指标与方法

粪便检测指标包括含水率（MC）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）4项；污水检测指标包括化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）4项。

粪便的MC、TN 和TP 参照NY 525—2012 有机肥料中含水率、总氮和总磷的检测方法测定；NH3-N 采用凯氏定氮法检测。污水的TN、NH3-N 和TP 分别参照水和废水监测分析方法[11]中的过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、蒸馏滴定法和过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法进行检测；COD 采用快速消解分光光度法测定。

环境指标包括温度、湿度、NH3浓度以及H2S 浓度。采用由农业农村部环境保护科研监测所养殖业污染防治创新团队研发的多组分气体原位在线监测设备，经校准标定后使用，主要参数指标如表1 所示。箱体置于猪舍中央进行实时监测，数据每10 min记录并上传一次。

表1 监测箱参数指标Table 1 The parameter indicators of monitoring box

1.2.3 数据处理

本研究的试验数据采用Microsoft Excel 2019 软件处理，采用Origin 2018 软件制图，采用SPSS 25 软件进行方差分析和显著性检验。数据以平均值±标准差的形式表示。

2 结果与讨论

2.1 粪便及污水成分

试验组和对照组的粪便成分如表2 所示，试验组粪便平均含水率为69.52%，对照组含水率为74.44%，试验组的粪便含水率极显著低于对照组（P<0.01），相比于对照组降低了4.92个百分点；试验组粪便中总氮和氨氮平均含量分别为3.35%和0.25%，对照组分别为2.84%和0.13%，试验组均极显著高于对照组（P<0.01），分别提高了0.51 个百分点和0.12 个百分点；试验组粪便的平均总磷含量为2.69%，对照组含量为2.32%，试验组显著高于对照组（P<0.05），提高了0.37个百分点。

表2 粪便成分分析（%）Table 2 Analysis of fecal composition（%）

从两组污水中污染物浓度的结果（表3）可以看出，试验组污水中总氮、总磷、氨氮浓度及化学需氧量分别为535.25、65.27、193.14、1 411.24 mg·L-1，而对照组污水中分别为929.19、152.57、465.21、2 239.12 mg·L-1，试验组除总磷显著低于对照组外（P<0.05），其余指标均极显著低于对照组（P<0.01），分别降低了42.40%、57.22%、58.48%和36.97%。

表3 污水成分分析（mg·L-1）Table 3 Analysis of wastewater composition（mg·L-1）

机械清粪组与人工清粪组收集的固态粪便在含水率上差异极显著，人工清粪组比机械清粪组的含水率高出4.92 个百分点。赵许可[12]研究了人工清粪方式和输送带式机械清粪方式对粪便的清运效果，结果发现两种清粪方式得到的固体粪便含水率均小于70%，与本试验结果相符。本试验中机械清粪组收集的粪便含水率较低，符合堆肥发酵的水分要求，这种含水率较低的粪便在运输过程中不会因漏液而污染环境，更利于后续的处理与利用[13]。机械清粪组固态粪便中总氮、总磷和氨氮的平均含量极显著高于人工清粪组，故作为有机肥的利用价值要高于人工清粪组。机械清粪组收集的污水中总氮、总磷、氨氮、COD都显著低于人工清粪组。吴根义等[14]研究发现水泡粪工艺的粪尿长时间停留在水中，粪便中的养分，如有机物、氮、磷等物质会转移到水中，导致污水的污染物浓度升高，水泡粪污水的COD高达20 000 mg·L-1、氨氮也接近1 500 mg·L-1，好氧微生物在这种高氨氮的废水中活动会受到抑制和毒害，难以进行生物处理。水体中COD、总氮、总磷、氨氮等主要指标的含量反映了水体富营养化程度与污水的后续处理难度[15]，机械清粪的固液分类收集方式既能提高固态粪便中有机物的综合利用价值，又能降低养殖场污水的处理难度和处理负荷[16]，本研究中两组粪污性质出现差异的原因可能是粪便与尿液完成实时固液分离，污水与固态粪便短暂接触后直接流出，故收集的固态粪便中含水率较低，避免了固态粪便中的养分损失，也显著降低了污水中的污染物浓度。

2.2 舍内环境指标

两组猪舍内平均温度、湿度、NH3浓度、H2S 浓度见表4。两舍间温度无显著差异（P>0.05），对照组平均温度略高于试验组，均在正常范围之内；对照组平均相对湿度比试验组高5.58 个百分点，差异极显著（P<0.01）；试验组NH3和H2S 浓度相比对照组降低约64.83%和62.33%，差异极显著（P<0.01）。

表4 猪舍内温度、相对湿度和NH3、H2S浓度分析Table 4 Analysis of temperature，relative humidity，concentration of NH3 and H2S in piggery

2.2.1 清粪方式对舍内温度和湿度的影响

由图2 和图3 可知，两舍内温度和湿度连续30 d的变化基本稳定，每日均呈现先上升后下降的趋势，主要随外界气温而变化；相对湿度的升高则与清粪时用水量增加以及猪的集中排泄密切相关。两组猪舍的24 h舍内温度变化趋势基本相同，均呈先上升后下降的趋势，最高温度均出现在14：00—17：00，夜间和凌晨时温度降至最低；清粪活动前后舍内的温度无显著变化。两组猪舍的24 h 舍内湿度变化情况保持同升同降趋势，试验组24 h 舍内湿度均低于对照组，日间温度较高时两组猪舍的相对湿度均有所降低，早晨和傍晚舍内湿度达到最大。

图2 猪舍内温度和湿度动态变化Figure 2 Dynamic changes of temperature and humidity in piggery

环境温度的控制有其必要性，适宜的环境温度使畜禽的质量增幅和饲料转化率达到峰值，若温度高于或者低于该适宜范围，畜禽的生长指标都会受到影响[17-18]。在本试验中，试验组猪舍的平均温度略低于对照组，猪的适宜生长环境温度为21～26 ℃[19]，两组猪舍的日平均温度基本在适宜温度范围内，养殖效果较好，表明机械清粪模式虽然对舍内的温度控制有一定影响，但基本不影响育肥猪的生长发育。舍内外温度的变化趋势基本保持一致，也证明了舍内温度主要受外界环境因素影响。

施正香等[20]研究发现，猪对环境湿度的耐受范围较大，最适宜的环境湿度范围在50%～70%之间，最低相对湿度不应低于40%，最高不应超过80%。本试验中，人工清粪组的舍内平均相对湿度显著高于机械清粪组（P<0.01），主要是由于人工清粪方式清洁用水较多，粪尿也长时间停留在舍内，导致舍内的相对湿度升高。从图3 中可以发现，两组猪舍的平均相对湿度均在生猪生长发育的适宜范围内。相对湿度对生猪生产性能的影响，往往是与温度共同作用的[21]，本试验两组猪舍的温度均在适宜范围内，故相对湿度对育肥猪的生长无不良影响。

图3 猪舍内温湿度日变化情况Figure 3 Diurnal changes of temperature and humidity in piggery for 24 h

2.2.2 清粪方式对舍内NH3和H2S浓度的影响

NH3和H2S 容易扩散，在猪舍内可均匀分布且容易检测，而有害性和毒性又较大，所以选择这两种气体来衡量舍内的环境质量。两组猪舍的NH3浓度变化如图4和图5所示，与对照组相比，试验组舍内连续30 d 的NH3浓度变化相对平稳，而舍内24 h 平均NH3浓度也低于试验组，变化趋势基本保持一致，均呈先上升后下降的趋势。清粪后两组猪舍的NH3浓度均有所上升，试验组浓度平稳升高，而对照组的变化更剧烈；在15：00 左右舍内的NH3浓度达到峰值，夜间23：00至次日3：00浓度最低。

图4 猪舍内NH3浓度动态变化Figure 4 Dynamic changes of NH3 concentration in piggery

从图5 和图6 可知两组猪舍内H2S 浓度变化相对平缓，试验组显著低于对照组。从舍内H2S 浓度的24 h 变化情况可以发现，两组猪舍9：00—13：00 的H2S 浓度最高，在夜晚和凌晨时浓度降至最低。猪舍内的H2S 主要来自含硫有机物（粪尿、饲料和垫草）的分解，此外，粪中微生物厌氧还原硫酸盐也会产生大量H2S，故在猪集中排泄至清粪完成期间的舍内H2S浓度最高。

图5 猪舍内NH3和H2S浓度日变化Figure 5 Diurnal changes of NH3 and H2S concentrations in piggery

图6 猪舍内H2S浓度动态变化Figure 6 Dynamic changes of H2S concentration in piggery

研究发现猪舍内的NH3浓度与舍内粪污的可挥发面积、粪便含水率、粪便总氮含量等密切相关[22]，同时温度的升高和CO2浓度的增加均加速NH3的释放[23]。李季等[24]发现舍内高温期间的NH3排放量占全天的30%以上，而在本试验中，每日12：00—15：00 舍内温度达到最大值，温度升高加速了NH3的排放，使浓度达到峰值。马占威[25]研究发现，粪便产生后及时通过清粪设备将粪污运出会缩短有害气体在舍内的产生，但是清粪的同时会加速NH3的释放。MISSELBROOK等[26]研究发现，粪污表面形成的薄壳能减少NH3的释放，当这层薄壳被破坏后会加速NH3的产生，当发生清粪行为时，机械的扰动和刮动会导致舍内NH3浓度短暂上升，高于清粪行为前的舍内浓度，以上研究与本研究结果相符。朱志平等[27]对不同季节猪舍有害气体浓度进行研究，发现舍内NH3浓度随季节变化明显，舍内有害气体浓度因夏季通风时间长而保持较低的稳定状态。本研究在8 月进行，舍内有害气体浓度也较低，与前人研究结果相符。与人工清粪组相比，机械清粪组能显著降低舍内的氨气和硫化氢浓度。试验期间猪舍内氨气和硫化氢浓度均未超过畜禽养殖场环境质量标准值，可见粪污快速分离收运系统能显著改善舍内环境质量。

3 结论

（1）与人工清粪方式相比，粪污快速分离收运系统的机械清粪方式能在粪污产生的同时实现固液分离，使粪便的含水率显著降低，总氮、总磷和氨氮含量显著提高；污水的总氮、总磷、氨氮浓度和化学需氧量分别显著降低42.40%、57.22%、58.48%和36.97%。可见粪污快速分离收运系统能在保留粪便利用价值的同时降低污水后续处理难度，有较好的提质减量效果。

（2）与人工清粪方式相比，采用粪污快速分离收运系统机械清粪方式的猪舍内NH3和H2S 浓度显著降低，平均降幅分别为64.83%和62.33%，表明快速分离收运系统能满足猪舍空气环境质量要求，为生猪生长提供适宜环境。