養殖場來源的環境顆粒物特征分析

李佳明，付瑩瑩，王中一，郭振東，趙宗正，張春茂，劉靜波，錢 軍，張加力*，劉林娜*

(1.吉林農業大學動物科學技術學院，吉林長春 130118；2.軍事醫學科學院軍事獸醫研究所，吉林長春 130122；3.西南科技大學生命與工程學院，四川綿陽 621010)

顆粒物(PM)是指懸浮在氣體介質中的固體或液體顆粒，也適用于對氣溶膠的定義，在大氣科學中更為常用[1]。傳統觀點認為，來源于養殖場的PM是影響人類健康和動物生產性能的主要室內污染源[2]。吸入的粒子可以進入呼吸道深部，危害人類和動物的呼吸系統，增加養殖戶及周邊人群患慢性咳嗽/痰、慢性支氣管炎、過敏反應、哮喘等疾病的發生率[3]。研究表明，PM不僅影響畜禽舍內空氣質量，對外部環境同樣有影響。通過排風系統，養殖場PM外排到環境中，對環境空氣質量造成很大影響[4]。盡管目前養殖場來源的PM排放量僅占PM10總量的8%、PM2.5的4%，但根據現行的政策來看，在其他來源的PM排放量受控而占比下降的情況下，未來農業，尤其畜牧業將是PM的重要來源[5]。在荷蘭，農業排放對PM的貢獻率已高達25%[6]。在養殖場生產中，集約化家禽和豬舍又是主要的PM排放源，約占歐洲農業總排放量的50%(家禽)和30%(豬)。筆者分析了養殖場顆粒物(PM)來源、濃度、粒徑大小及分布、化學組成，并提出了養殖場PM的減排措施。

1 養殖場PM來源分析

來源分析是研究PM屬性的關鍵部分，但在畜牧業生產系統中顆粒物根源調查數據相對缺乏。目前對養殖舍內PM來源的研究主要集中在發生源上，其中豬和家禽舍中主要的PM來源已經得到確認。豬舍中，PM主要來源于飼料[7]，且更傾向于粗顆粒[8]。糞便也是豬舍內PM的重要來源，且大多數屬于可吸收粒子，對肺組織有更強的危害作用[8]。對豬舍內PM粒徑分化源分析表明，5%～10%的總顆粒物是皮毛顆粒物，占7～9 μm粒徑范圍內總粒子數的50%[9]。Aarnink等[10]認為飼料和皮毛是豬舍PM的最主要來源，而Nilsson[11]認為動物本身也是重要來源之一。

在禽舍中，羽毛、尿液中的礦物晶體和垃圾是PM的主要來源[10]。Qi 等[12]認為皮膚、羽毛、糞便、尿液、飼料和垃圾是畜禽舍內PM的重要來源。在育肥豬舍，以秸稈作為墊料比混凝土地面的豬舍PM濃度增加了1倍。育肥期結束時，秸稈墊料變得更加“多塵”，也更容易分解，從而產生更多的顆粒物[13]。此外，垃圾的類型和含水量也會影響PM濃度[14]。在兔舍中，毛皮、糞便、尿液、飼料、墊料和消毒劑是PM的主要來源[15]。

由于畜禽舍中PM形態相似、化學成分復雜、有機物質含量高，所以不能像普通空氣顆粒物源分析那樣通過無機元素進行區分和歸類[16-17]。 畜禽舍PM來源(主要是飼料和糞便)中絕大多數有機顆粒形態非常相似，所以區分是飼料顆粒物還是糞便顆粒物，或者是未消化的飼料顆粒物非常困難。Honey等[9]報道，在許多研究中都高估了飼料顆粒物對PM的貢獻率，因為未能有效區分飼料和糞便來源顆粒物。 Donham 等[8]認為使用染色劑可能會對這種區分有幫助，可以用碘來染色飼料顆粒中的淀粉，用硫酸耐爾藍來染色糞便顆粒。

2 養殖場PM濃度分析

養殖場中PM的形成、濃度和排放量與諸多物理因素和生物因素有關。已有關于這些特定顆粒物的濃度和排放數據信息主要集中在家禽舍和豬舍。肉雞舍和豬舍內可吸入和可吸收顆粒物濃度見表1、2。其中可吸入顆粒物相當于總懸浮微粒，可吸收顆粒物相當于PM4或PM5(根據EN ISO 481：1993、ISO7708：1995)。禽舍內PM濃度高于豬舍，其中肉雞舍(架養)內PM濃度又高于蛋雞舍(籠養)。火雞舍內總懸浮微粒的濃度與肉雞舍的可吸入顆粒物濃度相當(表2)。火雞舍中總懸浮微粒濃度為1.3～7.5 mg/m3[18]。奶牛舍內氣溶膠粒子濃度較低，總懸浮微粒濃度在1 mg/m3以下[19]。

表1肉雞舍內可吸入和可吸收顆粒物濃度分析

Table1TheconcentrationsofinhalableandrespirablePMinbroilerhouses

類型Type濃度Concentration∥mg/m3平均值Mean范圍Range國家Country可吸入顆粒物10．10—英國InhalablePM—9．2～11．1蘇格蘭—1～14德國7．153．83～10．36英國、荷蘭、丹麥、德國3．21—荷蘭—8．2～9．0荷蘭—0．73～11．39美國—1．77～4．41蘇格蘭4．322．27～8．58澳大利亞—2．0～4．9克羅地亞可吸收顆粒物5．43美國RespirablePM9．710．10—英國0．810．42～1．14英國、荷蘭、丹麥、德國—1．4～1．9荷蘭0．840．30～1．80澳大利亞

表2豬舍內可吸入和可吸收顆粒物濃度分析

Table2TheconcentrationsofinhalableandrespirablePMinpighouses

類型Type濃度Concentration∥mg/m3平均值Mean范圍Range國家Country動物類型Animalkinds可吸入顆粒物6．253．2～15．3美國豬(多種)InhalablePM7．803．1～14．5美國育成豬0．720．12～2．14美國育肥豬—1～5德國育肥豬2．191．87～2．76英國、荷蘭、丹麥、德國母豬/斷奶仔豬/育肥豬0．43—荷蘭斷奶仔豬—0．79～1．91瑞典育肥豬/育成豬—0．42～6．86美國育成豬—2．08～5．67荷蘭育肥豬/育成豬—0．05～5．6美國育成豬—0．4～3．7德國育肥豬可吸收顆粒物RespirablePM0．230．18～0．26英國、荷蘭、丹麥、德國母豬/斷奶仔豬/育肥豬—0．09～0．30瑞典育肥豬/育成豬—0．04～0．44美國育成豬—0．16～0．71荷蘭育肥豬/育成豬—0．00～0．85德國育成豬

3 養殖場PM粒徑大小及分布

養殖場PM包括粗顆粒和細顆粒。大多數畜禽舍內粗顆粒在總顆粒物中的占比超過85%[20]。Roumeliotis等[21]研究表明，PM2.5在PM10中的占比約為75%，PM1中的亞微米顆粒一般很難被檢測到，但它們在養殖場中對PM濃度的貢獻率不容忽視。最小粒徑范圍內的粒子數量非常多，與所使用的檢測設備和檢測限有關。肉雞舍內可吸收PM在1～2 μm范圍的粒子數量最多[22]。蛋雞舍內99%的粒子粒徑小于10 μm，且97%的的粒子粒徑小于5 μm[23]，40%以上的粒子粒徑在0.3～0.5 μm范圍內[23]。

不同質量分數的粒子分布不同。在豬舍和家禽舍內的粒子中值粒徑在11～17 μm[24]。在肉雞舍中粒子中值粒徑在24～27 μm[19]。與肉雞舍相比，豬舍內小粒子的濃度更高[10]。豬舍中小于5.8 μm的粒子占總懸浮微粒的29%，而在肉雞舍中占比僅為18%左右[10]。火雞舍中粒徑超過53 μm的粒子占總懸浮微粒的50%[25]。

4 養殖場PM的化學組成

養殖舍內90%以上PM由有機物組成[10，26]，主要是生物起源的顆粒物，含微生物(真菌、細菌、病毒、毒素和過敏原)和其他物質，如飼料、皮毛和糞便等[8]。PM的組成與動物種類有關，與舍內設施條件及垃圾廢物的處理等也存在直接關系[10]。例如，與牛舍PM相比，家禽和豬舍PM中氮含量和干物質含量較高，而牛舍環境一般濕度大，礦物質或灰分含量高[27]。豬舍和雞舍空氣中PM的典型化學成分，干物質和氮含量高，磷和鉀的濃度也較高。肉雞舍中氮濃度(169 g/kg PM)高于豬舍(67 g/kg PM)。

有機顆粒物通常用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析。電子顯微鏡比光學顯微鏡具有更高的放大率，可形成三維形狀分辨的圖像，能更好地識別和表征單個顆粒。掃描電鏡聯合X射線單顆粒分析提高了實現對粒子物理特性、化學特性和元素分析的可能性。目前這種技術已被廣泛用于PM分析，但需要針對大量的顆粒物進行分析，因此較耗費時間和勞動力[28]。Aarnink等[13]采用掃描電鏡聯合X射線技術分析了不同豬舍的PM組成，對固定點進行整體面積測量，而不是單顆粒分析，結果表明樣品中富含鈉、鎂鋁、磷、硫、氯、鉀和鈣。Schneider等[29]發現豬場中富含磷、氮、鉀和鈣的PM粒徑不同。這是一個相對較新穎的觀點，對PM化學組成的研究，很少從粒子粒徑的角度去分析。一般小顆粒(直徑約0.65 μm)富含硫、氧、碳以及對應的二級SO42-粒子，其余的為生物起源的粒子。同時，排泄物顆粒呈典型的碳質成分，磷含量高，有機磷和焦磷酸鹽信號高。

5 養殖場中PM的減排措施

養殖舍PM排放在很大程度上取決于養殖方式、動物種類以及環境因素，因此PM的減排措施也需因地制宜。相關研究已經為制定PM減排戰略奠定了基礎：“低塵”飼養[30]、除塵墊料、使用飼料添加劑[31]、水或者油霧噴灑[32]、調整通風率和風量分布[33]、真空除塵[11]、end-of-pipe技術[34]以及靜電吸塵和離子化[35]。

這些策略可大致被分為3類：源頭控制技術、風量分配、空氣凈化技術[36]。這些技術在某一特定養殖舍內的應用及其減排效能還需進行詳細論證。它們對不同來源、不同粒徑大小和分布的PM減排效能尚不清楚。目前，要建立最有效、最可行、最經濟的減排策略，并適用于特定畜禽舍、動物種類和地理區域，還有很長的路要走。未來的研究應聚焦于如何改善養殖舍內外的空氣質量，并結合多種技術或方法，在減排PM的同時，消除其他污染物，如氨和異味等。計算流體動力學工具(Computational Fluid Dynamics tools)可以通過改變養殖舍內氣流模式，提高舍內空氣質量，有效減少PM的排放[37]。

6 小結與展望

在目前的污染物和顆粒物排放評估中，畜牧生產系統是被嚴重忽視的源頭之一。因此，需要大力發展針對PM形態及組成分析的方法學。畜禽舍內PM有其獨特性：高有機物含量、吸附復合物以及高微生物含量。由于PM富含有機成分以及來源于食物、皮膚和排泄物的C、H、O、N、P、S、Na、Ca、Cl、Mg、K等，因此區分各種無機元素在每個來源中的占比非常重要，這將有助于開展PM來源識別和源頭貢獻率定量分析，進而從源頭上做到減排。對養殖舍PM濃度和排放量的分析也要包括對粒子粒徑和分布的監測，尤其是針對不同類型飼養環境和動物種類的畜禽舍。同時，也要關注粒子粒度分級分析，粒度分級與PM來源相關，因此在PM來源解析中要注意分離不同粒徑大小的顆粒物樣本。

目前對PM排放物，尤其是源頭附近排放物形態和化學屬性的分析十分匱乏。迄今為止，大多數研究都聚焦于畜禽舍內PM形態學和化學性質的分析，缺乏對這些顆粒物特性、粒徑分布和在環境中存活規律的研究。此外，對養殖舍PM排放物形態和化學組成的深入探討，對于明確環境中二級無機顆粒物形成過程以及其對當地或區域性空氣質量的影響具有重要意義。這些發現將有助于了解養殖舍PM排放物對大氣化學的影響，同時為建立更有效的、實踐性更強的數據模型奠定了基礎。現有數據表明，養殖舍附近的PM10并沒有超過日限值(50 μg/m3)[38]。Visser等[39]對肉雞舍外進行24 h連續監測，卻發現PM2.5濃度在5.4～55.1 μg/m3。

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