畜禽舍颗粒物排放特征及控制技术与装备

周忠凯， 霍连飞， 王慧鑫， 汤 赤， 孟力力， 柏宗春

(江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏南京210014)

畜禽集约化养殖过程产生大量的颗粒物(PM)，成为大气中可吸入性颗粒物PM10(粒径≤10.0 μm)和细颗粒物PM2.5(粒径≤2.5 μm)的重要来源之一[1-2]。颗粒物表面附着大量污染气体、重金属离子和病原微生物等，诱发动物肺炎等多种呼吸道疾病，颗粒物通过通风系统进入大气循环，成为大气污染物的重要组成部分，严重影响动物健康和养殖场周围的空气环境状况[3]。已有的研究结果显示，畜禽养殖场PM主要来源于畜禽粪便、毛皮、饲料和细菌等[4]，不同动物类型和养殖工艺其主要来源存在一定的差异[5]。畜禽养殖过程中PM的排放受到动物活动、饲料类型、养殖工艺、养殖模式以及舍内粪便管理的影响[6-9]。为有效控制畜禽养殖过程PM的产生和排放，降低养殖过程PM对动物健康的影响，目前对PM源头控制技术、过程控制技术和末端去除技术[10]进行了大量的研究。由于动物类型、畜禽舍结构和养殖工艺的差异，PM控制技术与设备系统的选择以及适用性存在很大的差异，不同PM控制技术在PM质量浓度控制和减排效果以及适用性方面需要进一步评估。本文综述了国内外主要畜禽舍颗粒物质量浓度分布规律和排放特征，分析不同畜禽品种和养殖工艺对PM排放的影响，总结了国内外主要的畜禽养殖设施颗粒物控制技术与装备系统，为了解不同畜禽饲养系统颗粒物排放特征，选择最佳的颗粒物控制技术与设备提供参考。

1 不同畜禽舍颗粒物质量浓度分布规律及排放特征

1.1 猪舍可吸入性颗粒物排放

不同生猪生长阶段舍内颗粒物的平均质量浓度与排放率见表1。结果显示，不同研究猪舍内颗粒物的质量浓度变化范围较大，PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为3.0～2 300.0 μg/m3和2.0～563.0 μg/m3。其中，分娩、妊娠母猪舍PM10和PM2.5的质量浓度分别为187～826 μg/m3和19.2～101.0 μg/m3，断奶仔猪舍PM10和PM2.5的质量浓度分别为110～1 836 μg/m3和16.0～98.4 μg/m3，育肥猪舍PM10和PM2.5的质量浓度最高分别达到2 300 μg/m3和563 μg/m3。

表1 猪舍颗粒物平均质量浓度与排放率

数据分析显示不同研究猪舍PM10和PM2.5的排放率[以500 kg动物体质量(AU)计]范围分别为0.090～6.670 g/(AU·d)和0.088～1.420 g/(AU·d)。其中，分娩、妊娠母猪舍PM10和PM2.5的排放率分别为0.090～1.230 g/(AU·d)和0.088～0.100 g/(AU·d)；育肥猪舍PM10和PM2.5的排放率分别为1.750～6.400 g/(AU·d)和0.070～1.420 g/(AU·d)；断奶仔猪舍PM10和PM2.5的排放率最高分别达到6.67 g/(AU·d)和0.225 g/(AU·d)。Shang等[7]和Xu等[11]分别对中国水泡粪和干清粪育肥猪舍内PM的排放率进行了测定，数据显示PM10和PM2.5的排放率高于深坑贮存系统，PM2.5的排放率最高达到1.42 g/(AU·d)。与育肥猪舍和分娩/妊娠猪舍相比，断奶仔猪舍PM10的排放率较高，通过改变饲喂工艺(由饲喂干饲料改为饲喂湿饲料)断奶仔猪舍的PM10的排放率最低可以降低到0.71 g/(AU·d)，可以降低PM10的排放率，但对舍内PM2.5的排放无明显影响。与机械通风猪舍相比，自然通风猪舍PM10的平均质量浓度小于100 μg/m3，同时分析结果显示，机械通风猪舍采用隧道通风模式也可以有效降低猪舍内PM10的质量浓度，但对舍内PM2.5的质量浓度无明显影响。清粪方式对猪舍内颗粒物质量浓度的影响相对较小，可能主要被不同间隔的通风率差异所掩盖[12]。

1.2 家禽舍可吸入性颗粒物排放

不同家禽养殖模式舍内颗粒物质量浓度与排放率见表2。结果显示，不同研究家禽舍内颗粒物PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为29.0～10 951.0 μg/m3和5.0～866.0 μg/m3。其中，平养、栖架笼养蛋鸡舍PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为420.0～10 951.0 μg/m3和37.0～866.0 μg/m3，叠层、阶梯、富集型笼养蛋鸡舍PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为29.0～830.0 μg/m3和5.0～140.0 μg/m3，垫料肉鸡舍PM10和PM2.5的平均质量浓度范围分别为100.0～5 000.0 μg/m3和28.4～495.0 μg/m3。

表2 禽舍颗粒物的平均质量浓度与排放率

不同研究禽舍PM10和PM2.5的排放率范围分别为2.55～68.59 g/(AU·d)和0.14～5.60 g/(AU·d)。其中，平养、栖架笼养蛋鸡舍PM10和PM2.5的排放率范围分别为28.00～68.59 g/(AU·d)和2.10～5.50 g/(AU·d)，叠层、阶梯、富集型笼养蛋鸡舍PM10和PM2.5的排放率范围分别为2.55～16.00 g/(AU·d)和0.14～4.73 g/(AU·d)，垫料肉鸡舍PM10和PM2.5的平均排放率范围分别为12.9～34.5 g/(AU·d)和1.65～5.60 g/(AU·d)。Winkel等[13]调查结果显示，在舍内铺设垫料导致平养蛋鸡舍、栖架笼养蛋鸡舍和平养肉鸡舍内PM10的质量浓度最高分别达到7 315 μg/m3、10 951 μg/m3和5 000 μg/m3，排放率最高分别达到68.59 g/(AU·d)、53.2 g/(AU·d)和34.5 g/(AU·d)；PM2.5的质量浓度最高分别达到423 μg/m3、886 μg/m3和495 μg/m3，排放率最高分别达到3.7 g/(AU·d)、5.5 g/(AU·d)和5.6 g/(AU·d)。

1.3 牛羊舍可吸入性颗粒物排放

牛羊舍内颗粒物的平均质量浓度与排放率见表3，牛羊舍内PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为12.0～1 462.6 μg/m3和1.8～152.0 μg/m3。其中奶牛舍PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为14.0～308.5 μg/m3和1.8～152.0 μg/m3，肉牛舍PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为18.0～183.0 μg/m3和5.0～40.0 μg/m3，羊舍PM10和PM2.5的质量浓度范围分别为12.0～1 462.6 μg/m3和3.0～138.5 μg/m3。牛羊舍通常采用自然通风方式，同时设置一定面积的运动场，导致舍内PM质量浓度受季节变化影响较大，通常在冬季寒冷季节PM质量浓度最低，夏季温暖季节最高[14]。但是，在寒冷地区的有窗密闭式牛舍内PM10和PM2.5的质量浓度从夏季开始呈现增加趋势，于12月份分别达到最高的308.5 μg/m3和41.8 μg/m3[15]。同时地面类型特别是垫料类型影响舍内PM质量浓度。Abbouda等[16]监测了沙土地面附加运动场绵羊舍内PM的质量浓度特征，羊舍PM10和PM2.5的质量浓度分别最高达到1 462.6 μg/m3和138.5 μg/m3，高于其他类型牛羊舍。

表3 牛羊舍颗粒物的质量浓度与排放率

在有关牛羊舍PM排放的相关研究中，有限的数据显示，PM10和PM2.5的排放率分别为1头0.205～30.000 g/d和0.040～4.000 g/d[13-14]。在评估空气中PM状态时，排放率比质量浓度更能反映环境质量状况，牛羊舍大小和动物的养殖规模对PM10排放有显著影响，但是对PM2.5排放的影响较小[17]。Joo等[14]测定了整个奶牛舍PM10和PM2.5的排放率范围，分别为1头11.9～15.0 g/d和1.6～4.0 g/d。Bonifacio等[18]测定了肉牛舍PM10的排放率最高达到1头30.0 g/d，高于奶牛舍。

2 不同畜禽舍颗粒物排放对比

畜禽舍PM的排放受到多种因素的影响，动物养殖设施类型、粪便管理以及舍内饲喂活动、光照变化和饲养员的活动均可能导致动物活动的变化，从而导致不同畜禽舍内PM的质量浓度存在很大的差异[52-53]。较大颗粒物PM10通常由动物(如皮肤细胞和细菌)产生，而较小颗粒物PM2.5则由畜禽舍内的灰尘和粪便产生[4]。在家禽养殖场，大部分空气颗粒物来源于羽毛和粪便，生猪养殖场空气颗粒物主要来源于饲料和粪便。牛羊养殖过程PM10主要来源于饲料和粪便，PM2.5主要来源于养殖场车辆运输过程[5,14]，但是Joo等[17]研究结果显示牛舍内PM2.5排放量并未随着养殖场运输活动的增加而发生显着变化，牛羊养殖过程PM2.5的来源还没有明确的结论。此外，由于舍内PM的质量浓度受到通风管理和季节的影响，PM质量浓度数值大都呈正偏态分布，夏季PM质量浓度的分布范围更广，冬季分布集中，导致PM质量浓度往往被高估。

图1和图2显示了不同畜禽养殖工艺舍内PM10、PM2.5质量浓度和排放率的范围。数据统计分析结果显示，垫料使用增加了舍内PM的质量浓度，垫料平养和栖架笼养家禽养殖场以及使用垫料的羊场和奶牛场PM的质量浓度高于其他类型畜禽养殖场；同时，采用垫料平养和栖架笼养蛋鸡舍内PM质量浓度和排放率在各类畜禽舍中最高，而叠层笼养和阶梯笼养蛋鸡舍，由于采用无垫料养殖工艺或者动物与粪便(垫料)分离养殖工艺，动物活动水平较低，PM质量浓度和排放率则均处于较低的水平。

a：断奶仔猪；b：分娩/妊娠母猪；c：育肥猪(部分漏缝地板)；d：育肥猪(全漏缝地板)；e：蛋鸡阶梯笼养；f：蛋鸡叠层笼养；g：蛋鸡栖架饲养；h：蛋鸡平养；i：肉鸡平养；j：奶牛；k：肉牛；l：山羊/绵阳。

a：断奶仔猪；b：分娩/妊娠母猪；c：育肥猪(部分漏缝地板)；d：育肥猪(全漏缝地板)；e：蛋鸡阶梯笼养；f：蛋鸡叠层笼养；g：蛋鸡栖架饲养；h：蛋鸡平养；i：肉鸡平养；j：奶牛；k：肉牛；l：山羊/绵阳。

数据分析结果显示，断奶仔猪舍和育肥猪舍内PM的质量浓度和排放率高于分娩/妊娠母猪舍，断奶仔猪舍通常需要较高的温度，特别是冬季为了提高舍内的温度，通常设置较小的通风量，导致断奶仔猪舍PM质量浓度和排放率较高，这主要与猪舍的通风率、温度和相对湿度等因素有关。此外，地板类型影响育肥猪舍内的PM10和PM2.5的质量浓度，采用全漏缝地板育肥猪舍内PM质量浓度低于部分漏缝地板猪舍。密闭式猪舍的通风影响猪舍内PM的质量浓度和排放率，较高通风率会降低畜禽舍中 PM10的质量浓度，但是通风过程中产生的湍流，导致PM悬浮在空气中的持续时间更长，从而导致机械通风猪舍内PM排放率较高[20,22]。

牛羊舍中的较低PM质量浓度主要与开放式自然通风畜舍较高的通风率有关[16,51]。牛的活动是导致PM10质量浓度升高的主要因素，但对PM2.5质量浓度没有明显影响，此外，PM10质量浓度受到环境因素影响，通常较高的温度导致空气干燥，空气颗粒物更容易悬浮在空气中，PM2.5的质量浓度与温度之间具有较高的正相关性，随相对湿度增加而降低[14,17]。自然通风牛羊舍中PM2.5排放与风速呈正相关，在较高的风速条件下空气中 PM2.5悬浮时间延长，同时空气交换率增加加速了PM2.5的排放，风速对PM10质量浓度的影响通常弱于环境条件和动物活动的影响[18,49]。

3 畜禽舍颗粒物控制工程技术与装备

通过改善畜禽养殖工艺，优化动物饲养过程管理可以降低颗粒的排放，此外，建立畜禽养殖过程颗粒物控制技术和设备系统是降低养殖过程颗粒物排放的重要手段。目前主要的控制技术有空气过滤除尘技术、空气洗涤除尘技术、喷雾除尘技术和静电除尘技术等。

3.1 空气过滤除尘技术与装备

空气过滤除尘技术与装备是通过在畜禽舍排风处建造挡风墙或者植物缓冲区，使气流改变方向，通过离心力的原理，进而使PM在气流通过挡风墙或者植物缓冲区沉降，以达到除尘的目的。挡尘墙是指用于畜禽舍排风扇的下风向，以减少气流前进动量沉淀颗粒物的装置。挡尘墙需要使用能够抗风的金属框架固定，通常选用抗紫外线防水布、活性炭纤维或者秸秆、杂草等作为挡尘墙的材料，挡尘墙通常安装在排气扇后3～10 m 处，高度为3～5 m[54]，安装布局见图3。此外，在畜禽舍排风扇的下风向通过种植植物(通常由乔木、灌木和草组成)建立植物缓冲区，可以有效降低畜禽舍内颗粒物的排放，研究结果显示空气过滤除尘技术与装备的颗粒物去除效率为21%～74%[55-56]。空气过滤除尘技术与装备的颗粒物去除效率受到阻挡材料结构、孔隙率、位置因素以及植物种类的影响。与其他技术相比，空气过滤除尘技术与装备成本相对较低，但挡尘墙长期使用易堵塞，需要定期清理挡尘墙的表面，植物缓冲区内需要定期清理杂草，保证种植植物成活。

图3 畜禽舍挡尘墙安装示意图

3.2 空气洗涤除尘技术与设备

空气洗涤除尘技术与设备主要用于对排出畜舍的空气进行过滤，是在密闭空间通过喷淋系统或过滤组件(陶瓷填料或者玻璃纤维)收集颗粒物并去除养殖场空气污染物的技术[57]。洗涤除尘设备的尺寸取决于PM质量浓度以及排气量，设计需要满足最大的气流速率，颗粒物去除效率受到气流方向、洗涤液组合物、液气比和空气停留时间的影响[58]。空气洗涤除尘设备中通常使用横流式、逆流式和并流式3种气流配置(图4)。

图4 空气洗涤除尘设备的气流配置结构示意图

横流式洗涤除尘设备中，排出空气与淋洗液成直角流动，该方式空气停留时间较短。而并流式洗涤除尘设备中，排出空气与淋洗液沿相同方向流动，该方式可以最大限度地减少堵塞。目前在洗涤除尘设备中通常使用横流式和并流式。逆流式理论上是气体吸收的最佳配置，但存在堵塞问题，逆流式通常用于含有滤床的洗涤除尘设备[59]。

洗涤液pH值不影响PM的去除，水可以去除畜禽设施中的大部分污染物，当去除多种污染物时，洗涤除尘设备通常设置多级洗涤空气洗涤器，增设酸性洗涤(硫酸)模块增加NH3的吸收，增设碱性洗涤液(次氯酸)增加H2S去除效率[60]。随着空气在洗涤除尘设备系统内停留时间的增加，PM去除效率也会增加，洗涤除尘设备空气停留时间为0.4～8.0 s[59]。洗涤液流速与通过洗涤器的空气流速之比影响洗涤除尘设备运行效率，为提高PM的去除效率，液气比通常控制在2×10-6至4×10-4之间[61]。洗涤除尘设备可以有效去除PM和其他空气污染物(NH3和H2S)，但由于其较高的压陨和相对较高的投资成本、运行成本，在畜禽养殖设施中的使用受到限制。目前FarmAir 公司、Inno+公司和IPT公司生产的畜禽舍空气洗涤除尘设备在畜禽养殖场已经应用，PM的去除效率为50%～90%[62]。风机出口风速大于4.0 m/s[63]，不同厚度的空气洗涤器组件以及级数影响PM的去除效率，虽然增加洗涤器级数和厚度能够提高PM的去除效率，但导致压损增加，通风效率降低。需要进一步开发成本低、效率高、对轴流风机运行无显著影响的洗涤除尘设备。

3.3 喷雾除尘技术与设备

喷雾除尘的原理是利用高压或者高速气流的分裂作用将少量液体(水、除臭剂、油或者油水混合物)破碎形成细小雾滴，并在整个畜禽舍中均匀分布与颗粒物结合，通过重力沉降凝结达到去除颗粒物的目的。目前畜禽养殖过程主要的喷雾装备包括高压喷雾[64]、高速气流喷雾[65]系统，高压喷雾系统主要应用于水和油水混合物的雾化，高速气流喷雾系统主要应用于油的雾化(图5)。

图5 喷雾除尘系统结构示意图

喷雾除尘雾滴直径通常小于122 μm，高压喷雾系统压力通常大于5.00 MPa，液体流量根据喷头孔径大小通常控制在5.5～12.0 L/h；高速气流喷雾系统空气管路压力通常大于0.20 MPa，液体管路压力通常大于0.35 MPa，液体流量为10.5～19.2 L/h；喷雾系统在畜禽舍的安装高度在2.5 m至3.0 m之间，喷雾距离大于1.5 m。研究结果显示，油水混合喷雾可降低家禽舍内PM10和PM2.5的质量浓度和排放，雾滴直接喷在垫料上，不会对动物产生影响，肉鸡和蛋鸡舍PM10排放量分别减少55%～85%和25%～40%[66]。喷雾除尘技术与设备系统相对成熟，可以广泛应用于自然/机械通风畜禽舍内外以及堆肥车间的PM控制、消毒和夏季降温，但是可能导致畜禽舍内湿度增加等问题。目前研究结果显示，降低喷雾频率不仅可以有效降低舍内PM的质量浓度，避免湿度过高对畜禽的影响，同时降低使用过程耗水量大的问题[67]。

3.4 静电除尘技术与设备

静电除尘技术的工作原理是畜禽舍颗粒物经过高压静电场时与负离子结合带上负电后，在阳极表面放电而沉积，实现颗粒物去除[68-69]。目前畜禽养殖过程静电除尘技术多采用空气负离子发生系统，该系统由两排串联负直流电离单元组成，电离单元由空气负离子发生器和接地收集板组成，沿着畜禽舍长度方向安装，悬挂在畜禽舍上方约2.50 m处，放电电极采用导电管，其尖点间距为2.54 cm。该电极连接到高压电源，以产生高密度电子阵列(-30 kV DC)，为确保安全，电流限制为0.7～2.0 mA[70-71]。目前EPI Air公司生产的静电除尘设备已经在商业化养殖场进行了应用，静电除尘技术可以改善畜禽舍内环境质量并提高动物的生产效率[72]。安装应用见图6。研究结果显示，采用静电除尘技术的肉鸡舍内PM10和PM2.5的排放量分别降低约36%和10%[66]。

图6 静电除尘设备工作示意图

静电除尘技术与设备可以广泛应用于自然/机械通风畜禽舍内外PM控制，但是应用过程中畜禽舍内颗粒物通常收集至电极、天花板、地面或其他金属表面上，清理过程导致二次扬尘等问题，同时由于受到自身结构、供电装置和风速的影响，通风量较大的畜舍PM去除效率受到限制。将该技术结合空气过滤技术与装备使用，可有效提高颗粒物去除效率，同时避免二次扬尘对动物的影响。

4 小结

畜禽养殖过程产生大量的颗粒物，畜禽种类、养殖工艺、地板类型以及环境条件是影响畜禽养殖场颗粒物质量浓度分布和排放的重要因素。其中，不同畜禽种类养殖垫料的使用是导致颗粒物质量浓度和排放增加的主要因素，家禽垫料平养和栖架饲养条件下颗粒物的质量浓度和排放率最高。

畜禽养殖过程颗粒物控制技术与设备发展对优化畜禽养殖环境管理和提升畜禽养殖业可持续发展水平具有重要意义。通过改善养殖垫料的应用和管理，优化畜禽舍通风，应用喷雾和静电除尘装备，可以有效改善畜禽舍内外环境质量。空气过滤和洗涤装备，虽然无法改善畜舍内的空气质量，但可以降低PM排放对环境的影响。为满足规模化畜禽养殖场对环境质量控制技术与装备的需求，在未来技术发展方向上，加大畜禽低污染排放养殖工艺与配套设备、过程控制设备和末端减排设备的研究，开发适合特定区域畜禽生产工艺和动物类型的最佳颗粒物控制技术与设备系统，并建立相关控制技术与配套设备系统标准，提高设备系统的技术适用性和经济性，促进环境质控制技术与设备的推广应用。