規模豬場的氨氣擴散模型及影響評價

周 斌，汪開英

(1.浙江省畜牧技術推廣總站，浙江杭州310021;2.浙江大學生物系統工程與食品科學學院)

隨著經濟社會的發展，畜禽集約化養殖規模不斷擴大，造成的污染問題日趨嚴重。氨氣是養豬場排放臭氣中的主要成分，在大氣中可存在1 ～10 d，對周圍環境可產生嚴重污染。

筆者根據我國東南部氣候的主要特點和豬場分布情況，結合國內外空氣擴散模型的研究現狀和浙江省嘉興市某規模化養豬場生產模型的模擬，建立了氨氣排放量模型和應用典型高斯分布模型，模擬了豬場氨氣大氣擴散狀況。將養豬場內的各個排放源簡化為點源處理，該模型根據常年平均風速和風向分別進行模擬，得出了豬場附近氨氣的長期落地濃度，對畜禽養殖場環境污染評價具有重要的實用意義。現介紹如下，供參考。

1 規模豬場的氨氣污染

近年來，我國集約化的畜禽養殖規模發展很快，豬肉產量已占世界總產量的44%左右，生豬飼養量已接近5 億頭，存欄量100 頭以上的規模化養豬場已占總出欄數的20%以上。豬糞的排泄量很大，約為2 kg/頭，排尿量為3.3 kg/頭，一個規模在100 頭以上的養豬場每天的糞尿排泄量達到500 kg 以上。據資料報道，在歐洲，超過90%的氨氣排放來源于農業生產［1］。

養豬場產生的氨氣及其臭氣不僅可影響周圍的環境和氣候，同時對人畜健康也會產生很大的危害。豬場排放的氨氣是大氣中含氮物質的最主要來源，是引起土壤和地表水酸化的主要原因之一。據資料介紹，氨氣會明顯影響豬的生產性能，幼豬生活環境中的空氣中如含NH350 ppm，其增重速度將下降12%，含NH3100 ppm 則可下降30%［2］。

規模豬場氨氣排放對人畜和環境的影響與危害已越來越受到人們的認同和關注。因此，極有必要對規模豬場的氨氣排放進行評價和管理。氨氣排放量的精確估算則對豬場的環境影響評價有著非常重要的意義，所以國內外的很多研究人員從氨氣排放量的估算著手，進行了大量有關豬場污染氣體的排放研究。

2 國內外規模豬場的氨氣排放研究現狀

由于規模化養豬場的集約化生產，可排放出大量氨氣，產生嚴重的環境污染。所以歐美國家對此相當重視，政府和相關科研單位已經制定了標準和規范，對養豬場的新建和擴建進行嚴格的評價和限制。

豬場的氨氣排放影響評價是環境影響評價中的重要內容，評價方法多采用現場采樣，然后進行實驗室分析，根據分析結果進行環境影響評價。這種方法存在著較多缺點，如評價有滯后性，需要養豬場運行后才能進行;評價需要耗費大量時間和勞力。目前越來越多的研究者開始采用氨氣排放模型來預先評價養豬場的氨氣排放影響，主要包括豬場氨氣排放總量估算、豬場各生產階段氨氣排放研究及氨氣在豬場周圍環境中的擴散模型。

氨氣排放總量估算，國外采用的數據主要依據以往的實驗和經驗數據，將豬場規模量和單位豬的氨氣排放量相乘以得到氨氣排放總量。如英國環境保護部門開發了國家氨氣減排評估系統(NARSES)。根據該系統，養豬場氨氮總排放量為:

其中，at為養豬場總氨氮排放量，a 為畜禽數，Nex為一年的氮排泄物質量，0.6 為氨氮排泄物占氮排泄物的比重。

在氨氣排放研究上，根據含氮物質在養豬場各個階段的轉化過程，J.Webb(2004)［3］計算各個階段的氨氣排放量，分階段建立氨氣排放模型。Ruihong Zhang 等(2005)［4］在研究氨氣擴散模型中提出了將模型分為幾個子模型來估計氨氣的排放量(圖1所示)。包括畜禽排泄物子模型，需要了解畜禽總數、畜舍數、每舍畜禽數、畜禽體重、每天糞尿產量;畜禽舍排放子模型，需了解畜禽舍結構、環境氣象參數;畜禽糞便貯存子模型，需了解貯存室結構尺寸，糞尿的化學參數等。經實驗研究，得出豬舍中每500 kg重量的豬日氨氣排放量約為50 g，高于以往文獻記載6 ～35 g 的記錄。

圖1 畜禽場氨氣排放各個階段子模型

近年來，氨氣在周圍環境中的擴散模型研究逐漸得到了重視，主要方法是引進和改進工業上常用的大氣擴散模型。Pospisil J 等(2006)［1］比較了CFD 模型和CALPUFF 模型預測畜禽養殖場污染氣體擴散時的精確度，指出了兩種模型的各自適用范圍和預測效果。X.J.Zhou 等(2005)［5］運用大氣擴散模型評價集約化養豬場的臭氣影響，選用ISCST3模型。應用ISCST3，AUSPLUME 和IN-PUFF2 模型對集約化養豬場的臭氣擴散進行了預測，并將預測結果與實際測量值進行了對比，指出在下風向500 m 到1000 m，三個模型的預測結果較好。

綜上所述，國外應用的模型主要基于經典的高斯煙羽模型，該模型假設氣體濃度分布在順風向和垂直風向上是一個高斯分布。只需要知道氣象參數，例如風速、風向、大氣穩定度及污染源的高度等。其他如拉格朗日模型相對比較復雜，需要考慮水平和垂直方向上的氣象狀況等。

相比較而言，由于國內的多數養殖場還處于粗放式養殖階段，大部分養豬場的設施比較簡陋，且不同養豬場的養殖設施差異較大，因此在環評等研究領域使用的大部分只涉及到養豬場氨氣排放總量估算。主要方法是根據豬的生長階段，使用不同的排放系數。國內常用的估算數據為:仔豬氨氣的排放量為0.6 ～0.8 g/d·頭，保育豬為0.8 ～1.1 g/d·頭，中豬為1.9 ～2.1 g/d·頭，大豬為5.6 ～5.7 g/d·頭。這種估算方法建立在實驗和經驗積累的基礎上，雖然比較簡單和實用，但存在著估算結果誤差較大等問題。對于氨氣的分階段排放模型和在周圍環境中的擴散模型，國內研究還處于起步階段，相關報道和成果較少。

本文主要根據當地氣候條件和國內規模豬場的設施現狀，建立適用于國內規模豬場的氨氣擴散模型。主要研究內容包括兩方面:一是探討國內外豬舍的不同點，建立基于國內規模豬場的分階段氨氣排放模型;二是在氨氣的大氣擴散過程中，應用工業上常用的高斯擴散模型，根據模型模擬結果對豬場周圍的空氣環境進行評價。

3 研究方法介紹

3.1 氨氣排放量的估算 國內豬場養殖設施各地差異較大，通過調查考察，氨氣排放主要集中在豬舍飼養階段和糞污施肥階段。在豬舍飼養階段，由于舍內地面糞污、飼料等經過一系列反應就會產生氨氣，通過分析影響氨氣產生的因素，可以建立氨氣在豬舍內的排放系數模型。考慮到國內外豬舍的通風方式、清糞方式、地面結構和材料等不同，該模型將豬舍內的氨氣排放分為四個步驟進行計算，分別為舍內糞污排放計算、舍內外空氣中氨氣濃度計算、舍內外通風速率計算和氨氣舍外排放量計算。

3.1.1 舍內糞污排放速率計算 計算公式:

3.1.2 建立豬舍內地板糞污中的總氮濃度和空氣中氨氣濃度的動態平衡方程及豬舍內外氨氣濃度的動態平衡方程。

豬舍內氨氣與地板糞污的總氮動態平衡方程:

其中，［TAN］為糞污中的總氮含量，［urea］為糞污中的尿素含量，KT為傳質系數(為0.467)，kf為地板糞污清洗系數，K 為酶促反應動力學中的米氏常數，μ 為高濃度尿素下的轉化速率，A 為地板揮發面積，H 為亨利常數(描述氣體在液體中的溶解度)，f 為糞污中未電離的氨氣分子，［NH3］m為舍內氨氣濃度(kg/m3)。

國內豬舍地板有實體地板和漏縫地板，在使用該公式計算過程中，系數A 的取值有較大不同。白天實體地板的A 值大約占地板面積50% 以上，下午12時至17 時，A 值最大。另外，f 值和KT值均受舍內外通風速率的影響，在開窗面積較大的情況下，室內風速近似為室外的40%。

豬舍內外氨氣濃度的動態平衡方程:

其中，Vi為畜舍容積，qv為通風速率，［NH3］out為豬舍外氨氣濃度。

3.1.3 計算豬舍內外的通風速率 根據熱平衡方程可計算出豬舍內外的通風速率。

豬舍內外的熱平衡方程:

其中，∑(MaCa)為豬舍的比熱容，Tin為豬舍內溫度，Qs為畜禽產生的熱量，Qb為門窗散失熱量，Qv為通風散失熱量。

通風散失熱量可根據通風速率和內外溫差計算獲得:

其中，ρ 為空氣密度，cp為空氣比熱容，qv為通風速率。

3.1.4 根據通風速率和舍內外氨氣濃度建立氨氣排放模型 根據通風速率和舍內外氨氣濃度，計算出豬舍氨氣排放速率。

Chouse即為豬舍氨氣排放速率(kg/s)。

3.2 氨氣的大氣擴散模型 考慮到養豬場地處多為偏僻農村，周圍多為空曠田野。因此，簡化考慮污染源狀況，可視為一個點源。根據國外經驗，應用高斯模型在距離達500 ～1000 m 時有較好結果。

高斯點源擴散模型:

式中:C—下風向地面軸線落地濃度(mg/m3);

Q—預測源強(mg/s);

x—地面軸線預測點距離(m);

σy—水平擴散參數(m);

σz—鉛直擴散參數(m);

He—煙囪有效高度(m);

u—排氣管出口處平均風速(m/s)。

4 模型應用與結果分析

選擇浙江省嘉興市某規模化養豬場，運用氨氣排放模型，估算該養豬場的氨氣排放量。

養豬場周圍均為農田，無居民住宅等敏感環境。基本情況如表1所示。

表1 浙江省嘉興市某規模化養豬場基本情況調查

通過當地氣象部門查詢歷年氣象資料詳見表2。

表2 浙江省嘉興市氣候特征

豬舍結構是影響氨氣排放的重要因素之一。該豬場共有豬舍35 幢，建筑面積22217 m2，詳細情況見表3。

表3 浙江嘉興某養豬場設施數據情況

該養豬場年出欄商品豬12000 頭，屬大型養豬場。飼養模式主要采用生態養豬模式，糞尿等經干濕分離后，經堆肥發酵處理后用作有機肥。因此，根據含氮物質在整個飼養過程的轉化，產生氨氣的過程主要在豬舍飼養階段。

應用氨氣排放模型，對豬場的三種主要豬舍進行估算。估算結果顯示在秋季(日溫20℃左右，自然通風)情況下，養豬場的平均每100 kg 體重豬的日氨氣排放量為8.5 g/d，高于環評中應用的5 ～6 g/d 排放量。

利用氨氣排放模型計算模擬白天畜舍內的氨氣濃度值，如圖2所示。

圖2 白天豬舍內氨氣的濃度值

豬舍內100 kg 體重豬的氨氣排放量計算結果，如圖3所示。

圖3 白天豬舍內氨氣的濃度值

豬舍中排出的氨氣可污染周邊大氣，國外很多學者曾應用擴散模型進行豬舍氨氣對周邊環境的影響研究。大氣擴散模型在工業環境中應用廣泛，已取得了較多的研究成果，高斯煙羽模型是其中經典的大氣污染物質擴散模型。本文以典型的高斯煙羽擴散模型為基礎，研究了氨氣在養豬場周圍的擴散情況，高斯擴散模擬圖4所示。

圖4 豬場氨氣下風向擴散濃度分布圖

根據當地年均風速達2.8 m/s，大氣穩定度為D類的情況下，因周圍為空曠田野，其粗糙度指數取0.16。模擬得出在下風向200 m 內，近地面氨氣濃度超過了國家標準(表4)，不適合居民居住。

表4 中國氨氣污染物濃度國家標準

5 小結與討論

規模豬場的氨氣排放模型是一個復雜的多因素影響模型，應用該模型評價養豬場的氨氣排放量對評價豬場的污染現狀和指導豬場的建設和改造有著重要意義。本文通過對嘉興市某規模化養豬場的氨氣排放量進行模擬和研究，了解和分析了該養豬場的大氣污染現狀。由于國內外的養殖設施差異，模擬結果與實際測量值相比略有偏高。

氨氣在大氣中的擴散是一個復雜的過程，受到很多環境因素的影響。實驗室的研究還處于起步階段，所采用的數據和模型都比較簡化，所得出的結論也只能作為環境評價中的輔助參考。

規模養豬場的氨氣污染確實是一個不可忽視的問題，隨著越來越多的國內外學者的深入研究，氨氣排放系數及其大氣擴散機理肯定會有更多的發現和成果，對于將來控制和改善規模養豬場的氨氣排放有著重要意義。

［1］Pospisil J，Katolicky J，Jicha M.2004.A comparison of measurements and CFD model predictions for pollutant dispersion in cities［J］.Science of the Total Environment，334－335(2004):185－195.

［2］B.A.Sheridan，E.T.Hayes，T.P.Curran，V.A.Dodd.A dispersion modelling approach to determining the odour impact of intensive pig production units in Ireland［J］，Bioresource Technology，91(2004):145－152.

［3］J.Webba，T.H.Misselbrookb.A mass-flow model ofammonia emissions from UK livestock production［J］.Atmospheric Environment，38(2004):2163－2176.

［4］Ruihong Zhang，Thomas R.Rumsey，James G.Fadel.A Process-Based Ammonia Emission Model for Confinement Animal Feeding Operations-Model Development［D］.2005 ASAE Annual Internation Meeting.

［5?X.J.Zhou，Q.Zhang.Measuring Odor Plumes in Two Swine Farrowing Operations［D］.2005 ASAE Annual International Meeting.