豬舍內糞污廢棄物和有害氣體減量化工程技術研究

劉安芳，阮蓉丹,，李廳廳,，劉作華，曾雅瓊，龍定彪，蒲施樺，王 浩

豬舍內糞污廢棄物和有害氣體減量化工程技術研究

劉安芳1，阮蓉丹1,2，李廳廳1,2，劉作華2，曾雅瓊2，龍定彪2，蒲施樺2，王 浩2※

（1. 西南大學動物科學學院，重慶 402460；2. 重慶市畜牧科學院，農業農村部西南設施養殖工程科學觀測實驗站，重慶 402460）

源頭減量和過程控制是豬場廢棄物綜合治理的關鍵環節，而豬舍是廢棄物產生的源頭場所，該文針對豬舍內部污水和有害氣體等養殖廢棄物，從飲水系統、圈欄設計和清糞方式等3個方面，介紹分析了當前國內外在舍內廢棄物減量化工程技術領域的研究進展。其中減少豬只飲水浪費水量是舍內污水減量的首要環節，通過優化飲水器選型、調整飲水器安裝方式、選擇適當水流速度等可以降低飲水浪費水量；合理的圈欄布置和地面類型可以促進豬只定點排泄，從而降低圈欄污染程度以及舍內有害氣體濃度，配合適當的圈舍沖洗方式可以減少大量圈舍沖洗用水；不同的清糞方式會影響舍內空氣環境、污水產生量及污染物濃度，與干清糞相比，水沖糞和水泡糞都存在耗水量大、污水產生量大及其污染物濃度高、舍內有害氣體含量高等問題，從清潔生產的角度考慮，干清糞工藝是規模化豬場的必然選擇。該文旨在為減少豬場廢棄物總量、降低處理利用成本和實現清潔健康養殖提供工程技術支撐，促進中國生豬養殖業綠色轉型升級。

廢棄物；污染控制；豬場；減量化；圈欄布局；清糞

0 引 言

近年來，中國生豬養殖業規模化水平不斷提高，為食品供給提供了堅實保障，但大量養殖廢棄物沒有得到有效處理和利用，成為農村環境治理的一大難題，也制約了生豬養殖產業自身的可持續發展。養殖廢棄物綜合治理的路徑包括源頭減量、過程控制、末端利用3個環節，當前，國內外大部分的養殖污染治理都不注重源頭減排和過程治理，導致養殖過程中產生大量的有害氣體和糞污，尤其是污水產生量偏大。Donham等[1]研究發現當畜舍中的NH3濃度過高會危害飼養人員的健康（達到7 mg/m3），還會引起豬的應激反應（達到11～25 mg/m3）。同時，固態糞便中的氮、磷、有機質等營養物質溶入污水中，使糞便的肥效降低，污水的排放量大、成分復雜且濃度高，致使后續處理難度增加；并且糞污處理技術難度大、費用高，很多豬場都沒有設置配套的糞污處理設備，豬場產生的糞污得不到規范處理而直接排放；由此給人們的生存環境帶來了許多環境污染問題。針對此類環境問題，1989年聯合國環境規劃署首次提出“清潔生產”的概念——生產的整個過程都進行污染控制[2]。清潔生產是以節能、降耗、減污為目標，以技術和管理為手段，注重在污染產生前就將其減弱。如何利用新工藝、新技術、新設備等從豬舍內部污染物產生的源頭，如糞尿量、飲水浪費水、圈舍沖洗水以及清糞方式等入手[3]，盡量減少其產生量和排放量，實現廢棄物減量化已經成為養殖污染治理的首要環節。

規模化豬場所采用的飼養管理方式及其配套設施，包括飼喂、飲水、清糞方式和圈欄設計等都會直接影響豬舍內環境控制、后期糞污處理與資源化利用的水平。在實際生產中通過科學的飼養管理，同時采用節水型飲水器、合理的圈欄布置與圈舍沖洗方式以及清潔的清糞工藝等，將養殖污染控制在生豬養殖的源頭，降低舍內有害氣體濃度，減少污水的產生及污染物濃度，提高資源化利用的水平，降低生豬養殖對環境的影響。目前，解決生豬養殖污染的最佳途徑是：在生豬養殖過程中實行污染物源頭減排，同時對養殖中產生的污染物進行無害化處理，最后進行資源化利用[4]。本文從3個方面分別介紹了國內外的減少飲水浪費水量、控制圈舍沖洗水量、優化清糞方式等污染物源頭減排措施，并分析了各種措施所能達到的減排效果，為國內開展生豬清潔生產提供參考。

1 減少豬只飲水浪費，間接減少糞水量

減少飲水浪費是養殖污水減排的首要環節，大量研究表明通過優化飲水器設計、調整飲水器的安裝方式、選擇適當的水流速度等都可以降低浪費水量。在生豬養殖過程中應用自動飲水器是為保證豬能隨時飲用到新鮮水，但是自動飲水器一般都存在浪費水的問題，如表1所示。豬只在飲水、玩水以及蹭到飲水器的水嘴等過程中都會造成水的浪費[8]，同時飲水器如果管理不善也會浪費大量的水，例如Brooks[12]發現乳頭式飲水器管理不善會浪費60%左右的水。當環境溫度較高時豬只需要大量的水來降低自身的熱量，使機體達到舒適狀態，所以也會造成大量的水浪費。飲水器浪費水一般會流入糞溝與糞尿混合成為污水，導致污水量以及糞污處理難度增加[14]，所以生產中可以從浪費水量的角度間接分析飲水器的使用對控制污水量的影響。因此通過優化飲水器的設計來減少水的浪費可以從源頭降低污水污染，生產管理中豬只的飲水浪費水量與飲水器的選型、安裝方式(高度、密度、位置)以及水流速度等有密切關系[15-16]。

表1 不同飲水器的日浪費水量

1.1 飲水器類型

目前豬用自動飲水器包括鴨嘴式、乳頭式、杯式和Swing飲水器[17]，如圖1所示。

圖1 豬用自動飲水器

在飼養管理過程中按照不同階段豬只的飲水標準配置合適的飲水器，可以減少水的浪費。大量研究人員發現給保育階段的豬配制杯式或Swing飲水器、生長階段（20～30 kg的育成豬）的豬配制乳頭式飲水器能達到最少的浪費水量[8-9]。彭河山等[18]將鴨嘴式和碗式飲水器組裝為一種新的組合式飲水器，通過試驗發現一頭75 kg的育肥豬利用鴨嘴式飲水器時會產生11.8 L/d的污水量，采用組合式飲水器可減少10.1 L/d的污水量。組合式飲水器在飲水過程中比鴨嘴式飲水器的污水產生量平均能減少85%左右，碗式飲水器比鴨嘴式和乳頭式飲水器能減少50%以上的水流入污水中。目前市場上主流的杯式飲水器價格在30～60元/個不等，鴨嘴式、乳頭式飲水器都在10元/個左右。乳頭式飲水器與鴨嘴式飲水器一樣都屬于造價比較低的飲水設備，但是這2種飲水器都有浪費水的問題，且因水流過急而不利于豬只福利。杯式飲水器雖然造價相對較高，但是可以有效提高豬只福利、節約用水量。

1.2 飲水器安裝方式

合適的安裝高度、密度及位置可以使豬只減少在飲水過程中的打斗，還可以避免豬只玩弄飲水器，從而減少水的浪費，避免污水量的增加，維持豬舍環境衛生。Brumm[19]推薦在生長期和育肥期將乳頭式和Swing飲水器安裝在高出該圈最小豬肩部（肩高[mm]=150×體質量[kg]0.33）[20]5 cm的高度處能有效減少水的浪費量；Gonyou等[21]推薦杯式飲水器的安裝高度應該在最小豬高度的40%；Torrey等[22]和Tavares等[14]認為對于斷奶仔豬和生長育肥豬來說，杯式飲水器應該分別安裝在離地面高出10和20 cm的地方。根據豬只的生長階段來調整飲水器的高度可以減少浪費水量，但是在實際的養殖過程中不停地調整飲水器高度會增加豬場的運行成本。相鄰飲水器之間的距離至少要在500 mm以上，保證有足夠的空間能讓多頭豬同時喝水[3]。飲水器的安裝密度與飼養規模呈正相關，當圈舍內的豬只數量大于10頭時，為避免飲水前的打斗、排隊等行為，應保證8～10頭豬用1個飲水器[23]。

1.3 飲水器水流速度

不同類型的飲水器在水壓相同的情況下，浪費水量不同；一般情況下相同類型的飲水器浪費水量會隨著水壓的增加而增大。Wang等[6]研究發現飲水器的種類和水壓對浪費水量都有影響，在水壓為0.10、0.15、0.20 MPa時，杯式飲水器的浪費水量分別為13.5、25.8、32.7 L/(頭·d)，總用水量分別為16.2、30.3、38.3 L/(頭·d)；Swing飲水器的浪費水量分別為3.1、4.2、4.7 L/(頭·d)，總用水量分別為5.7、8.7、10.3 L/(頭·d)。供水水壓越大，杯式飲水器浪費水量越大，而Swing飲水器浪費水量越小，對于Swing飲水器來說，水壓太高會使豬在飲水時嘴巴感到不適而減少飲水頻率，浪費水量也隨之減少。不同階段豬的飲水器水流速度需求推薦如表2所示。

表2 不同階段豬的飲水器水流速度需求推薦表

2 優化圈欄設計提高地面和空氣清潔度

豬只飼養圈欄的設計對舍內空氣環境、圈欄污染、豬只健康與福利等都有很大影響。通過圈欄設計來降低躺臥區的排尿頻率和排便行為，可以減少對舍內環境的負面影響，還可以避免因頻繁地清洗圈舍造成的污水量增加[26]。豬排泄地點的選擇影響著圈欄的污染程度，了解豬的排泄行為，并為其準備合理的圈舍布局（飼養設備的布置、圈欄形狀與面積、圈欄分隔方式）、地板類型，可以給豬提供一個有功能區域的圈欄，并促進豬只在排泄區排泄，從而降低圈舍地面和舍內環境的污染程度，再配上合適的圈舍沖洗方式可以節約大量圈舍沖洗用水，從源頭減少污水量的產生，降低糞污處理難度。因此，本文設計了圈欄功能分區及設備布局如圖2所示，通常將躺臥區和料槽設置在實體地板區域，排泄區和飲水器設置在漏縫地板區域，料槽、飲水器相鄰且周圍是活動區；豬只在排泄和躺臥時可以遠離同伴飲水、采食和活動等行為帶來的干擾，并且排泄和躺臥區分明，此布局有助于豬只在漏縫地板排泄，降低舍內圈欄和豬只身體的污染。在圈欄布置時建議將相鄰豬圈的飼養設備安裝在同一側，此布局可以使排泄區更集中，還可以節約飲水器的供水管線。此設計是將飲水器設置在漏縫地板一端，而另一端可作為排泄區，如此可避免飲水豬只帶來的干擾。

圖2 圈欄功能分區及設備布局示意圖

2.1 圈欄空間布局

豬的排泄行為具有時間性，一般情況下其躺臥、采食、飲水和排泄行為是連續進行的[27-29]；排泄地點具有區域性，一般在角落處或隔欄交界處。圈舍布局及舍內環境的控制等都會影響豬的排泄行為[30]，不同的圈欄布置方式會改變圈欄內的溫度分布、氣流速度以及圈舍微環境等，導致功能分區不明顯，還會引起豬只排泄時不同行為對它的干擾[31]。而舍內NH3和CH4的產生量又與豬的排泄行為有很大的相關性[32]，Aanink等[33]和Lemay等[34]曾報道白天時段的NH3產生量較晚間的高，這可能是由于豬排尿行為的影響。只有當我們給豬提供一個有功能區域的圈欄時，它們才能表現出其自然行為，并將排泄行為與其他行為分開，從而盡量減少圈欄內的污垢。

豬喜歡在角落處排泄，不是因為墻對豬的吸引，而是可以遠離同伴采食、飲水等帶來的干擾以及缺少足夠的空間遠離躺臥區[35-38]。Andersen等[39]發現在排泄中最容易受到干擾的是身體的前半部分，所以母豬在排泄時也傾向于將頭部盡量遠離休息區和采食區。Wiegand等[40]和Guo等[27]研究證明豬喜歡在角落處排泄，且越靠近角落排泄率越高；他們建議可以在圈欄內設置一個躲避墻來避免排泄干擾，將有助于良好的管理以及豬只和圈舍的清潔。由于在排泄過程中有限的姿勢使得豬成為同伴觸覺互動的目標，因此豬只為防止它們在排泄期間受到干擾而優選角落作為排泄區域。

2.1.1 飼養設備布置

將飲水器安裝在漏縫地板區域，伴隨著飲水漏縫地板變得潮濕，豬能將此區域作為排泄區。但是豬只在排泄時一般會遠離躺臥區、飼槽處以及飲水器處帶來的干擾[41]。例如，李以翠等[42]研究發現豬在排泄時不喜歡受到同伴的干擾，所以一般不在飲水器附近排泄，他們認為在圈欄設計時盡量不要將飲水器設置在漏縫地板的兩側，因為這樣可以使豬只有足夠的角落空間進行排泄。當空間足夠時豬將遠離飲水處排泄[43-44]；但空間較小時為避免在躺臥區排泄，他們也會在靠近飲水器的地方排泄。Marko等[45]發現與將飲水器設置在舍內漏縫地板相比，將其設置在舍外時，舍內實體地板上的排便行為能減少30.4%、排尿行為減少32.5%，實體地板的排泄次數減少，為豬只提供了更清潔的實心躺臥區，減少人工清糞的時間。Vermeer等[28]發現與只在舍內漏縫地板區域安裝一個飲水器相比，在舍外漏縫地板區額外增加一個飲水器會增加舍內的污染程度，尤其是舍內飲水器周圍。在舍外漏縫地板區域安裝飲水器可以使圈欄更加清潔；但是應避免同時在舍內舍外安裝飲水器，因為在有舍外飲水器時，豬只一般不會在舍內飲水，如果豬不使用舍內飲水器，那這一區域就會成為排泄區。Andersen等[39]研究表明母豬在排泄時頭會盡量遠離休息區和飼槽。當飼槽朝向鄰近的圈欄時，母豬排泄時的首選位置是頭朝向過道，因此在飼槽相對端的漏縫地板區和實體地板區設置一段隔墻，可以幫助母豬在排泄時將其身體的后1/4保持在漏糞地板上。

2.1.2 圈欄形狀與面積

Wiegand等[40]和李以翠等[42]都發現圈欄形狀對排泄區面積沒有影響，但是將排泄區設置在圈欄短向側墻處，豬只遠離干擾的空間就相對大一些。如果將圈欄設計的過于長窄，而且不論其他豬在躺臥還是采食，排泄豬只都不愿意經過它們到排泄區排泄。同時，李以翠等[42]發現圈欄面積是影響豬只排泄地點選擇的最主要因素，在育成階段面積較小圈舍的豬會到漏縫地板處排泄、實體地板處躺臥。飼養密度過大導致豬只活動空間過小，不能形成功能分區，豬會在排泄區躺臥；飼養密度過小導致豬只不能形成群體行為而到處排泄，使排泄區變大。楊偉等[46]研究發現相對于小圈飼養（18頭/圈）來說，大圈飼養（54頭/圈）能有效減少圈欄的污染面積。飼養工藝上建議將育成和育肥階段分開，并設計適宜的飼養密度，促使豬只能夠定點排泄。

2.1.3 圈欄分隔方式

Hacker等[31]和李以翠等[42]設計了2種類型的圈欄分隔方式，并通過試驗發現封閉式圈欄比開放式圈欄的排泄區更集中、圈欄更干凈。豬只通常在通風較好的地方排泄，避免在空氣流動較大的地方躺臥[47]。圈欄的分隔方式是影響豬圈微環境的重要因素，實體隔墻可以減少空氣流動、保持躺臥區溫暖，使圈欄內形成溫度梯度，并刺激豬只尋找潮濕、涼爽、開放的區域進行排泄。研究發現若圈欄內躺臥區的溫度比排泄區高，躺臥區的污染程度會相對降低[48-50]。但是，Aarnink等[51]發現在夏季溫度較高時，隨著舍內溫度的升高，豬更傾向于躺臥在涼爽的漏縫地板區域，而實心地板區域則被當作排泄區。例如，Marko等[45]研究發現當舍內溫度升高6 ℃，實體地板上躺臥行為減少42.3%，排尿和排便行為分別增加75.8%和139.5%。同時由于豬的領地行為，圈舍的隔欄交界處也容易形成排泄區。

2.2 圈舍地面類型

目前國內外規模化豬場常用的圈舍地面包括漏縫地板（半漏縫地板和全漏縫地板）、實體地板（可鋪設墊料）以及生物發酵床等，如圖3所示。在選擇豬舍地板類型時不但要考慮豬只的舒適度、地板的耐用性和成本，還要考慮地板的易清潔性。如果圈舍地板設計不合理會導致豬沒有固定的排泄區，造成舍內環境衛生差；且地面殘留的糞便越多，污染程度越高，此時需要用大量的水沖洗圈舍，造成水的浪費且增加糞污量和污水處理難度以及清糞工作強度，降低資源化利用的水平，根本不能滿足清潔生產的要求。

圖3 豬舍常用圈舍地面類型

2.2.1 漏縫地板對有害氣體及漏糞性的影響

使用基于干清糞工藝的漏縫地板可以實現糞尿、污水的初步分離，并且保持畜舍的清潔度，但是漏縫地板上的豬糞只有經過豬的踩踏才會從縫隙中落下。漏縫地板的面積、板條結構及材料等都會影響NH3的排放，同時對于漏縫地板來說，關注重點還有地板的漏糞性。漏糞地板的漏糞性與地板的材料、厚度、形狀和縫隙寬度等相關，當材料越光滑、地板越薄、縫隙越寬漏糞性越好[52]。

漏縫地板的材料會影響其漏糞性及氨排放，還會影響豬只的行為表現。用來制作漏縫地板的材料包括金屬、塑料、混凝土，凝土地板持久耐用，但是表面粗糙且較厚，漏糞性不好；金屬或塑料地板表面光滑且薄，當縫隙寬度很小時也能保證一定的漏糞性，但容易打滑不利于豬的行動且價格較高。Aarnink等[53]發現在帶凸起且橫截面為三角形的金屬材料漏縫地板區域，豬只的躺臥行為占6.1%，排尿、排便行為分別占76.2%、95.1%；混凝土漏縫地板區域豬只的躺臥行為占9%，排尿、排便行為分別占69.4%、85.6%。帶凸起的漏縫地板可以減少該區域豬的躺臥行為，從而減少實體地板上的尿液和糞便污染；同時帶凸起且橫截面為三角形的金屬材料漏縫地板氨排放量為64%，與混凝土漏縫地板相比，其排放量顯著降低36%。

漏縫地板的縫隙有助于減少地板上糞便的堆積，但是漏縫地板結構不合理會損傷豬蹄[54-56]。一般地板的縫隙寬度為10～25 mm，縫隙越小漏糞性越差，同時漏縫地板的斷面形狀也會影響漏糞性。陳剛等[57-58]以干清糞工藝為基礎研發出了縫隙寬度在10 mm以下的混凝土微縫地板及配套的清糞設施，試驗發現幾乎所有的糞便都留在地板上。Yan等[59]研究了母豬產房2種不同的全漏縫地板板條寬度和縫隙寬度（板條寬105 mm、縫隙寬19 mm、板條寬125 mm、縫隙寬25 mm），結果表明2種結構的漏縫地板在空氣質量、地板清潔度和母豬清潔度上均無顯著性差異。成冰等[60]研究了2種縫隙寬度和斷面形狀的混凝土漏縫地板的漏糞性，發現縫隙寬度為10 mm、斷面為倒梯形的漏縫地板的漏糞性比縫隙寬度為5 mm、斷面形狀為有一截直線段的倒梯形的漏縫地板的漏糞性好。Hamelin等[61]研究發現混凝土漏縫地板的斷面上沿做成槽口形狀與未做成槽口形狀相比，殘留在地板上的糞便更少，舍內氨氣濃度降低20%～40%。因此，漏縫地板的板條寬度、斷面結構及間隙寬度的適當配置，不僅可以實現糞便的有效清除，還可最大限度地減少豬步態的損害。

漏縫地板的面積比例會影響豬舍的氨排放量以及豬只的福利健康。Ni等[62]發現NH3排放量與糞便對地面的污染有很高的相關性（=0.852）。例如，與實體地板相比，局部漏縫地板上面積累的糞便量更少，NH3排放量能降低40%～60%[63-66]。豬舍局部使用漏縫地板能有效降低NH3排放量，漏縫地板的占地面積比例降低，NH3排放量也會隨之減少。Sun等[67]把豬舍漏縫地板的面積從圍欄面積的50%降到25%，每天的NH3排放量則從6.4 g及減少到5.7 g。Joahnn等[68]比較了漏縫地板面積84%以上和35%以下的2種豬舍在冬夏兩季的NH3排放量，結果發現冬夏兩季漏縫地板面積35%以下的豬舍NH3排放量比面積84%以上的豬舍分別降低了49%、85%。NH3排放明顯還受到季節的影響，夏季時豬舍的NH3釋放量比冬季高，特別是當漏縫地板的面積較大時氨氣的釋放量也會增加，所以漏縫地板面積減小時夏季NH3排放量的降低幅度明顯比冬季時大。漏縫地板豬舍的設計可以降低舍內環境的負面影響，但是全漏縫地板相對于半漏縫地板來說，糞便散落面積較大，濕度也隨之增大，因此地面污染程度較高，而且全漏縫地板會導致豬的蹄部損傷、舒適度下降，荷蘭已經禁止使用這種地板[69]。采用全漏縫地板需要對舍內環境進行自動調控，對于中國來說這種耗能較高、技術難度大、密閉式全自動的調控方式顯然不太適用。

2.2.2 實體地板對有害氣體的影響

調查顯示，國內很多豬場圈舍實體地板都是水平的，糞尿容易堆積在地面上，致使清糞工作量大，在清糞過程中要耗費大量的水來沖洗圈舍，會導致污水量的增加；如果糞便沒有及時清出舍外，舍內也容易產生大量有害氣體，危害豬只和飼養人員的健康。在生產中可以將地面設計一定的坡度，例如母豬產房的地面稍微傾斜呈“V型”與水平地面相比能減少糞尿的堆積，有利于尿液和污水的自然流失和糞便的清除，節約了大量的圈舍沖洗水；“V型”地面設計舍內NH3、H2S質量濃度分別為2.66、0.25 mg/m3，水平地面設計舍內NH3、H2S質量濃度分別為5.48、0.31 mg/m3，“V型”地面設計能有效降低舍內NH3和H2S濃度。朱志平等[70]在豬舍水泥地板的基礎上鋪設了墊草，結果發現墊料地板豬舍的NH3質量濃度為5.9～6.8 mg/m3，水泥地板豬舍的NH3質量濃度14.5～16.7 mg/m3，墊料地板豬舍的NH3濃度只有水泥地板豬舍的40%。Vermeer等[28]發現在舍外實心地板上鋪設新鮮切碎的苜蓿干草可以吸引更多的豬到舍外活動，從而提高整個圈欄的清潔度，特別是舍外的清潔度。在實體地板上鋪設墊料可以降低舍內環境的負面影響，提高圈欄清潔性，改善豬只福利。

2.2.3 生物發酵床對有害氣體的影響

郭玉光等[71]研究發現發酵床圈欄中豬的排泄地點比傳統水泥地板圈欄更分散，排泄區域更大；發酵床圈欄中的豬更傾向于靠近飲水器和窗戶的區域排泄。汪開英等[72]研究了3種育肥豬舍的地面類型，結果表明生物發酵床、水泥實心地面、全漏縫地面豬舍的惡臭質量濃度分別為37.7～136.5、116.2～294.9、89.6～186.3 mg/m3，惡臭排放系數分別為3.39、3.70、4.33 OU/(m2·s)，全漏縫地面豬舍與生物發酵床豬舍的惡臭濃度比水泥實心地面豬舍分別低20%、47%。國內外研究人員研究發現半漏縫地板、實心地板、生物發酵床豬舍的NH3質量濃度分別為4.32、5.98、1.31 mg/m3，NH3排放系數分別為9.47、11.23、4.27 g/(d·頭)，相對于漏縫地板（半/全）和實體地板來說，生物發酵床具有明顯的NH3減排作用[73-75]，這可能是因為發酵床微生物活性隨糞尿的積累而增強，導致糞尿中含氮物質的降解加快，從而減少氨的釋放。與局部漏縫地板和實體地板相比，生物發酵床的設計能降低有害氣體的濃度與排放系數，有效緩解舍內空氣環境的負面影響。

3 優化清糞方式

Brockmann等[76]發現適當的糞污管理對避免環境影響和提高養分回收率至關重要。合理的清糞工藝、清糞頻率等都會在很大程度上降低豬舍內有害氣體的濃度、污水排放量及其有機污染物濃度，提高豬場經濟效益。

3.1 清糞工藝

豬的排泄行為會影響豬舍的清糞方式[77]，規模化豬場的清糞工藝主要有水泡糞、水沖糞、干清糞（人工干清糞和機械干清糞）3種，不同的清糞方式會影響舍內環境、糞便的肥效、污水的水質以及糞污的總排放量。水沖糞雖然能及時有效地清除舍內糞便，但是需要大量的水來沖洗圈舍，極大地增加了糞污量，同時固體糞便的肥效也大大降低，此清糞工藝因為存在極大的弊端幾乎已被淘汰。水泡糞工藝是在水沖糞工藝的基礎上改造的，此工藝能減少部分圈舍沖洗水，但是因為糞尿長時間留在舍內易形成厭氧發酵產生大量有害氣體；固態糞便中的氮、磷、有機質等營養物質溶入污水中，污水中污染物的濃度就相對變高，增加了污水的后期處理難度。干清糞工藝包括人工干清糞和機械干清糞，此工藝能實現糞尿的即時分離，并且能及時將糞便清出舍外，保持舍內環境衛生，產生的污水量少且污染物含量低，糞便中的營養成分損失小，實現了豬場污染物的減量排放。其中人工干清糞工藝勞動強度大、人工成本高且工作效率低，研究發現人工清糞的勞動消耗量大約是機械清糞的2倍[78]；機械干清糞工藝實現了對豬場清糞設施的自動化控制，并且減少了人與豬的接觸，降低疾病傳播的概率，從而提高了豬場的生產效率和自動化水平，從生豬養殖持續、健康的發展考慮，機械干清糞代替人工清糞勢在必行。

3.1.1 污水排放量及污染物

總氮（total nitrogen，TN）、總磷（total phosphorus，TP）、化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）等的濃度是衡量污水有機污染的主要指標，其數值的大小代表水體富營養化的程度[79]。不同清糞工藝污水中污染物的濃度如表3所示。

表3 不同清糞方式下污水中污染物的濃度

由表3可以看出，雖然不同文獻所測得的污水污染物濃度相差較大，但是同一文獻檢測的污水中采用干清糞工藝產生的污水各污染物濃度都比水泡糞和水沖糞低。利用水沖糞和水泡糞工藝產生的污水有機污染物濃度都比較高，其中COD一般在5 000～20 000 mg/L，利用沼氣發酵后有機物濃度仍然較高，很難達到養殖污染物排放標準。干清糞產生的污水污染物濃度都比較低，其中COD一般在1 000～7 600 mg/L，可以采用發酵水力負荷較高的上流式厭氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)、復合式厭氧流化床反應器(Up-flow blanket filter，UBF)、升流式厭氧固體反應器(upflow Anaerobic Solid Reactor，USR)等工藝[81]。利用沼氣厭氧發酵可以有效地去除清糞后原水中的污染物，但是水泡糞工藝經過厭氧處理后各污染物的濃度仍然高于機械清糞，由此也可以說明機械干清糞可以有效地降低污水中污染物的濃度。

不同清糞工藝所產生的污水量如表4所示。機械干清糞與人工干清糞產生的污水量遠低于水泡糞工藝，其中人工清糞方式的污水排放量是水沖糞和水泡糞工藝的0.3%～0.5%[82]。趙許可[78]研究得出，水泡糞工藝產生的糞污總量是人工清糞工藝的1.89倍，其中污水量是人工清糞的3.66倍；人工清糞工藝產生的污水量與機械清糞工藝相差不大。機械和人工干清糞模式可以從源頭上減少糞污排放量。尤其是污水的排放，做到糞尿初步干濕分離，這樣更有利于做到排放減量化。據統計，一個年出欄萬頭的規模化豬場采用水泡糞工藝在糞污處理方面的費用比人工清糞要高出40多萬，主要包括多出的污水處理、清潔用水、污水處理基建投資等費用，有機肥價值降低造成的損失，污水處理難度增加帶來的額外費用；采用機械清糞所需費用共77萬元（34臺清糞機68萬、3個人工費9萬、電費可忽略不計），采用人工清糞需要人工費（7人）21萬元，從提高生產效率、減少勞動強度來看機械清糞只需5 a則可收回成本。機械清糞工藝極大地降低了工人勞動量，且工作效果較好、性能可靠、成本適當，能夠實現規模化豬場機械化、自動化、集約化等目標。

表4 不同清糞工藝產生的污水量

3.1.2 舍內有害氣體

舍內溫濕度受舍外環境影響的同時也受清糞方式的影響。大量研究表明，舍內溫度升高會促進NH3的釋放，因為溫度升高會使脲酶活性增高進而使水相的NH4+迅速轉化為氣相的NH3，例如當溫度升高10 ℃舍內NH3濃度會升高到原來的2倍[84-89]。與水泡糞工藝相比，干清糞工藝舍內的溫濕度相對較低，人工干清糞和機械干清糞工藝都能有效的降低豬舍內的H2S和NH3濃度，并且水泡糞工藝的工作效率并不比機械干清糞低[90]。趙許可[78]研究發現與人工干清糞工藝相比，輸送帶式機械清糞能有效降低豬舍內NH3濃度，并且能更好的控制舍內環境。Voermans等[91]發現利用刮糞板清糞也能夠有效的減少NH3的產生量。

干清糞工藝產生的污水量遠小于水沖糞和水泡糞工藝，其中污染物濃度低于水沖糞和水泡糞工藝，舍內環境也優于其他2種工藝，并且機械清糞的工作效率高于人工清糞。從規模化生豬養殖的長遠發展來看，機械干清糞工藝代替水沖糞、水泡糞工藝勢在必行。

3.2 清糞制度

根據豬只的排泄特征、飼養規模以及氣候環境的變化為其制定適宜的清糞時間和頻次，可以降低豬舍有害氣體含量，改善豬舍空氣環境，減少糞便養分損失和后期糞污處理難度。Philippe等[93]發現用V型刮板或傳送帶及時將豬舍內糞便清出能有效減少舍內50%的NH3產生量。Amon等[92]發現在整個試驗期間不清理糞污和每天清理糞污的情況下，每個豬舍每年的NH3排放量分別為2.1、1.9 kg，CH4排放量分別為1.24、0.54 kg，每天將糞污及時的移出舍外可以減少豬舍有害氣體的排放。牛歡等[94]也發現采用機械清糞及時地將糞尿送出舍外，能縮短有害氣體在舍內產生的時間，但是在快速清糞的同時會加速NH3釋放，清糞過程中NH3濃度會提高70%～75%，在清糞1 h后NH3濃度會降低到刮糞前濃度的80%～85%。Misselbrook等[95]和Wood等[96]研究發現，糞污表面結殼形成已被確定為潛在的NH3緩解策略，去除結殼可能導致舍內產生更高水平的NH3。清糞時伴隨著糞便的翻滾，糞便表面就不容易形成結殼，過高的清糞頻率增加了糞便堆放表面積與空氣的接觸，從而使舍內的NH3產生并揮發到空氣中。

3.3 圈舍沖洗方式

不論如何布置圈舍、采用何種清糞方式都需要定期科學合理的沖洗圈舍，控制圈舍沖洗水也是養殖污水減排的重要環節，選擇合適的沖洗方式可以很大程度的降低污水量。圈欄沖洗用水是豬場污水的重要組成部分，選擇合適的沖洗方式可以很大程度的降低污水量，目前主要的圈舍沖洗方式包括常壓沖洗、高壓沖洗、水氣混合沖洗等。彭河山等[18]研究了3種圈舍沖洗方式所需用水量以及污水中各物質的排放量，發現水氣混合、高壓、常壓沖洗方式用水量分別為3～4、4～6、7～9 L/(頭·d)，水氣混合沖洗方式所需用水量最少，所以采用水氣混合沖洗方式對圈欄進行清洗可明顯減少污水產生量，同時污水中CODcr、TN、TP和NH3-N的排放量相對于常壓和高壓沖洗方式也是最少的。豬場的飼養管理也會影響圈舍沖洗用水，例如飼養員為了保持圈欄清潔度且不愿意花費大量勞力去清掃圈欄而加大沖洗量，那么浪費水量也會增加，這種情況在人工干清糞工藝中最為明顯。在生產中應制定科學合理的圈舍沖洗制度，并按照規定選擇合適的沖洗方式定期清洗圈舍。

4 討論與建議

4.1 討 論

盡管目前很多國內外學者針對豬場廢棄物源頭減量與過程控制的工程技術開展了大量研究，并取得了較大突破，但仍存在以下問題：1）豬只飲水浪費水是豬舍污水的來源之一，但當前大部分研究仍停留在不同因素對浪費水量多少的影響，而飲水浪費水量對豬舍污水產生量、污水污染物成分的影響程度尚沒有直接研究，尤其是對不同清糞模式下污水形成與增量的機制仍未明確，進而制約了從飲水節水的角度實現污水減量的工程技術創新；2）現有研究揭示了糞尿在豬圈內的分布情況是決定豬舍有害氣體產生和豬圈沖洗用水的重要因素，基于豬只的排泄規律提出了圈欄優化設計方案，但在豬只定點排泄訓練、誘導等飼養管理技術方面缺乏配套研究，影響了新型圈欄設計方案有益效果的發揮；3）清糞作為糞污的收集環節，是決定豬舍有害氣體和污水的關鍵因素，現有研究提出的機械干清糞模式顯著降低了污水產生量及其污染物成分，但由于其涉及到機械、建筑、畜牧和自動控制等多專業領域，現有的機械清糞系統仍存在施工難度大、運行穩定性差和維修維護困難等問題，制約了該技術在中國的推廣和應用。

4.2 建 議

針對上述問題，對未來研究重點提出如下建議：

1）研究確定影響豬只飲水浪費水量的關鍵因素，基于豬體特性、飲水需求和行為特征研發節水福利型飲水器，既滿足豬只飲水功能，又能顯著降低飲水過程的浪費水量，研究豬只飲水浪費水轉化為污水的過程機制，結合豬舍建筑結構設計和圈欄設施布局，研發飲水浪費水收集系統和利用技術，實現“水”和“糞尿”的分離收集。

2）基于豬只行為規律，研發豬只定點排泄訓練與誘導等飼養管理技術規程，進一步提高豬圈清潔度和豬舍空氣質量，同時研發豬舍清潔機器人，代替人工水沖豬圈方式，降低豬舍沖洗過程產生的污水量。

3）綜合考慮豬舍建造施工、機械裝備、飼養管理和自動控制等方面，優化機械清糞的系統結構、配套設施和控制方式，降低系統運行故障率，簡化維修維護過程，提高清糞效率，同時針對不同地區資源稟賦特征，研發新型清糞工藝及配套設施裝備，從糞污收集環節促進清潔生產。

4）集成飲水系統、圈欄布局、清糞方式及其他工程技術，進行系統設計和模式創新，創制清潔豬舍工程技術模式。

5 結 論

本文圍繞豬舍內部這一豬場廢棄物產生的源頭場所，以有害氣體和糞污作為廢棄物減量化控制的主要對象，從減少豬只飲水浪費水量、優化圈欄設計和清糞模式等3個方面，闡述了當前國內外研究現狀和應用效果，分析了存在主要技術問題，并針對性提出未來研究的建議。源頭減量和過程控制作為豬場廢棄物處理與資源化利用的關鍵環節，是生豬養殖業健康可持續發展的主要技術需求領域之一，因此應該大力開展豬場廢棄物減量化的工程技術研究與工藝模式創新，同時，可利用物聯網、大數據、人工智能等電子信息技術，研發智能化飲水、清糞、除臭等廢棄物減量化養殖設備，提高設備穩定性和智能化管理水平，為減少豬場廢棄物總量、降低處理利用成本和實現清潔高效養殖提供工程技術支撐，促進中國生豬養殖業綠色轉型升級。

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Research progress of in-house reduce engineering technology for piggery manure wastes and poisonous gas

Liu Anfang1, Ruan Rongdan1,2, Li Tingting1,2, Liu Zuohua2, Zeng Yaqiong2, Long Dingbiao2, Pu Shihua2, Wang Hao2※

(1.402460; 2.,402460,)

Source reduction and process control are the key links of comprehensive treatment of pig farm wastes, and pig house is the source of waste generation. In this paper, the effects of wasted water quantity of water dispenser, flushing water quantity of enclosure and dung method on harmful gases, sewage discharge and pollutant concentration in large-scale pig farms were expounded from three aspects, and three measures for emission reduction from the source of pollutants generated in the enclosure were put forward. Under the scientific feeding and management, according to the different stages of pig drinking water standard, the suitable drinking water and water flow speed can be allocated. According to the density of drinker, the suitable drinking water can be provided, and the drinkers were installed at the right place and height. In general, their behavior of lying down, eating, drinking and excreting was continuous. According to their excretion behavior, water dispensers were usually installed in the leaky floor area, the excretion area was located in the short side wall of the pen, and the separation mode of the pen was designed to be closed. It was suggested that the breeding and fattening stages should be separated from each other in the feeding process, and the appropriate feeding density should be designed so that pigs could only excrete at the fixed points. In the case of guaranteeing the minimum discharge of wasted water from drinking water appliances and flushing water from enclosures, the mode of manure scavenging was a relatively important factor affecting harmful gases, sewage discharge and pollutant concentration in enclosures in emission reduction measures of pollutant sources. Compared with the blister manure and water flushing manure, mechanical dry-dung cleaning process could reduce the harmful gas concentration, sewage discharge and pollutant concentration to the greatest extent. Under the conditions of pig farm, it was suggested that the floor of pig house should be designed as a semi-leaky seam floor and equipped with mechanical dry-dung cleaning technology, which could reduce the pollutant emission of pig house to a large extent. At present, the great breakthroughs had been made in the research of engineering technology for reducing pollutant sources in pig farms in China, but the popularization and application of this technology in pig production was still in its infancy. The related technical equipment in this field still faced many problems, such as insufficient matching, complex operation and management, high cost and poor stability. Therefore, it was suggested to vigorously develop the research and application of pig farm waste source reduction technology model, comprehensively consider the drinking water system, fence layout, fecal clearance mode and other engineering technologies, design and develop the mechanical dry-dung cleaning system and its supporting facilities and equipment. At the same time, the intelligent drinking water, excrement and deodorization could be developed by using electronic information technology such as Internet of Things, big data, artificial intelligence and so on. Such as waste reduction breeding equipment improved the stability of equipment and intelligent management level. The purpose of this paper was to provide technical support for reducing the total amount of pig wastes, reducing the cost of treatment and utilization, and realizing clean and healthy breeding, so as to promote the green transformation and upgrading of pig breeding industry in China.

wastes; pollution control; pig farm; reduction; pen layout; manure cleaning

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.025

S817.3

A

1002-6819(2019)-15-0200-11

2019-05-21

2019-07-12

國家重點研發計劃項目（2018YFD0500704）；重慶市財政專項資金項目（19520）；現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-35）

劉安芳，教授，研究方向為動物遺傳育種與繁殖。Email：anfangliu@126.com

王 浩，助理研究員，研究方向為畜禽養殖設施與智能化。Email：wanghaocau@163.com

中國農業工程學會會員（E040400010M）

劉安芳，阮蓉丹，李廳廳，劉作華，曾雅瓊，龍定彪，蒲施樺，王 浩. 豬舍內糞污廢棄物和有害氣體減量化工程技術研究[J]. 農業工程學報，2019，35(15)：200－210. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.025 http://www.tcsae.org

Liu Anfang, Ruan Rongdan, Li Tingting, Liu Zuohua, Zeng Yaqiong, Long Dingbiao, Pu Shihua, Wang Hao. Research progress of in-house reduce engineering technology for piggery manure wastes and poisonous gas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 200－210. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.025 http://www.tcsae.org