畜禽舍顆粒物排放特征及控制技術與裝備

周忠凱， 霍連飛， 王慧鑫， 湯 赤， 孟力力， 柏宗春

(江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，農業農村部長江中下游設施農業工程重點實驗室，江蘇南京210014)

畜禽集約化養殖過程產生大量的顆粒物(PM)，成為大氣中可吸入性顆粒物PM10(粒徑≤10.0 μm)和細顆粒物PM2.5(粒徑≤2.5 μm)的重要來源之一[1-2]。顆粒物表面附著大量污染氣體、重金屬離子和病原微生物等，誘發動物肺炎等多種呼吸道疾病，顆粒物通過通風系統進入大氣循環，成為大氣污染物的重要組成部分，嚴重影響動物健康和養殖場周圍的空氣環境狀況[3]。已有的研究結果顯示，畜禽養殖場PM主要來源于畜禽糞便、毛皮、飼料和細菌等[4]，不同動物類型和養殖工藝其主要來源存在一定的差異[5]。畜禽養殖過程中PM的排放受到動物活動、飼料類型、養殖工藝、養殖模式以及舍內糞便管理的影響[6-9]。為有效控制畜禽養殖過程PM的產生和排放，降低養殖過程PM對動物健康的影響，目前對PM源頭控制技術、過程控制技術和末端去除技術[10]進行了大量的研究。由于動物類型、畜禽舍結構和養殖工藝的差異，PM控制技術與設備系統的選擇以及適用性存在很大的差異，不同PM控制技術在PM質量濃度控制和減排效果以及適用性方面需要進一步評估。本文綜述了國內外主要畜禽舍顆粒物質量濃度分布規律和排放特征，分析不同畜禽品種和養殖工藝對PM排放的影響，總結了國內外主要的畜禽養殖設施顆粒物控制技術與裝備系統，為了解不同畜禽飼養系統顆粒物排放特征，選擇最佳的顆粒物控制技術與設備提供參考。

1 不同畜禽舍顆粒物質量濃度分布規律及排放特征

1.1 豬舍可吸入性顆粒物排放

不同生豬生長階段舍內顆粒物的平均質量濃度與排放率見表1。結果顯示，不同研究豬舍內顆粒物的質量濃度變化范圍較大，PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為3.0～2 300.0 μg/m3和2.0～563.0 μg/m3。其中，分娩、妊娠母豬舍PM10和PM2.5的質量濃度分別為187～826 μg/m3和19.2～101.0 μg/m3，斷奶仔豬舍PM10和PM2.5的質量濃度分別為110～1 836 μg/m3和16.0～98.4 μg/m3，育肥豬舍PM10和PM2.5的質量濃度最高分別達到2 300 μg/m3和563 μg/m3。

表1 豬舍顆粒物平均質量濃度與排放率

數據分析顯示不同研究豬舍PM10和PM2.5的排放率[以500 kg動物體質量(AU)計]范圍分別為0.090～6.670 g/(AU·d)和0.088～1.420 g/(AU·d)。其中，分娩、妊娠母豬舍PM10和PM2.5的排放率分別為0.090～1.230 g/(AU·d)和0.088～0.100 g/(AU·d)；育肥豬舍PM10和PM2.5的排放率分別為1.750～6.400 g/(AU·d)和0.070～1.420 g/(AU·d)；斷奶仔豬舍PM10和PM2.5的排放率最高分別達到6.67 g/(AU·d)和0.225 g/(AU·d)。Shang等[7]和Xu等[11]分別對中國水泡糞和干清糞育肥豬舍內PM的排放率進行了測定，數據顯示PM10和PM2.5的排放率高于深坑貯存系統，PM2.5的排放率最高達到1.42 g/(AU·d)。與育肥豬舍和分娩/妊娠豬舍相比，斷奶仔豬舍PM10的排放率較高，通過改變飼喂工藝(由飼喂干飼料改為飼喂濕飼料)斷奶仔豬舍的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，但對舍內PM2.5的排放無明顯影響。與機械通風豬舍相比，自然通風豬舍PM10的平均質量濃度小于100 μg/m3，同時分析結果顯示，機械通風豬舍采用隧道通風模式也可以有效降低豬舍內PM10的質量濃度，但對舍內PM2.5的質量濃度無明顯影響。清糞方式對豬舍內顆粒物質量濃度的影響相對較小，可能主要被不同間隔的通風率差異所掩蓋[12]。

1.2 家禽舍可吸入性顆粒物排放

不同家禽養殖模式舍內顆粒物質量濃度與排放率見表2。結果顯示，不同研究家禽舍內顆粒物PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為29.0～10 951.0 μg/m3和5.0～866.0 μg/m3。其中，平養、棲架籠養蛋雞舍PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為420.0～10 951.0 μg/m3和37.0～866.0 μg/m3，疊層、階梯、富集型籠養蛋雞舍PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為29.0～830.0 μg/m3和5.0～140.0 μg/m3，墊料肉雞舍PM10和PM2.5的平均質量濃度范圍分別為100.0～5 000.0 μg/m3和28.4～495.0 μg/m3。

表2 禽舍顆粒物的平均質量濃度與排放率

不同研究禽舍PM10和PM2.5的排放率范圍分別為2.55～68.59 g/(AU·d)和0.14～5.60 g/(AU·d)。其中，平養、棲架籠養蛋雞舍PM10和PM2.5的排放率范圍分別為28.00～68.59 g/(AU·d)和2.10～5.50 g/(AU·d)，疊層、階梯、富集型籠養蛋雞舍PM10和PM2.5的排放率范圍分別為2.55～16.00 g/(AU·d)和0.14～4.73 g/(AU·d)，墊料肉雞舍PM10和PM2.5的平均排放率范圍分別為12.9～34.5 g/(AU·d)和1.65～5.60 g/(AU·d)。Winkel等[13]調查結果顯示，在舍內鋪設墊料導致平養蛋雞舍、棲架籠養蛋雞舍和平養肉雞舍內PM10的質量濃度最高分別達到7 315 μg/m3、10 951 μg/m3和5 000 μg/m3，排放率最高分別達到68.59 g/(AU·d)、53.2 g/(AU·d)和34.5 g/(AU·d)；PM2.5的質量濃度最高分別達到423 μg/m3、886 μg/m3和495 μg/m3，排放率最高分別達到3.7 g/(AU·d)、5.5 g/(AU·d)和5.6 g/(AU·d)。

1.3 牛羊舍可吸入性顆粒物排放

牛羊舍內顆粒物的平均質量濃度與排放率見表3，牛羊舍內PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為12.0～1 462.6 μg/m3和1.8～152.0 μg/m3。其中奶牛舍PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為14.0～308.5 μg/m3和1.8～152.0 μg/m3，肉牛舍PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為18.0～183.0 μg/m3和5.0～40.0 μg/m3，羊舍PM10和PM2.5的質量濃度范圍分別為12.0～1 462.6 μg/m3和3.0～138.5 μg/m3。牛羊舍通常采用自然通風方式，同時設置一定面積的運動場，導致舍內PM質量濃度受季節變化影響較大，通常在冬季寒冷季節PM質量濃度最低，夏季溫暖季節最高[14]。但是，在寒冷地區的有窗密閉式牛舍內PM10和PM2.5的質量濃度從夏季開始呈現增加趨勢，于12月份分別達到最高的308.5 μg/m3和41.8 μg/m3[15]。同時地面類型特別是墊料類型影響舍內PM質量濃度。Abbouda等[16]監測了沙土地面附加運動場綿羊舍內PM的質量濃度特征，羊舍PM10和PM2.5的質量濃度分別最高達到1 462.6 μg/m3和138.5 μg/m3，高于其他類型牛羊舍。

表3 牛羊舍顆粒物的質量濃度與排放率

在有關牛羊舍PM排放的相關研究中，有限的數據顯示，PM10和PM2.5的排放率分別為1頭0.205～30.000 g/d和0.040～4.000 g/d[13-14]。在評估空氣中PM狀態時，排放率比質量濃度更能反映環境質量狀況，牛羊舍大小和動物的養殖規模對PM10排放有顯著影響，但是對PM2.5排放的影響較小[17]。Joo等[14]測定了整個奶牛舍PM10和PM2.5的排放率范圍，分別為1頭11.9～15.0 g/d和1.6～4.0 g/d。Bonifacio等[18]測定了肉牛舍PM10的排放率最高達到1頭30.0 g/d，高于奶牛舍。

2 不同畜禽舍顆粒物排放對比

畜禽舍PM的排放受到多種因素的影響，動物養殖設施類型、糞便管理以及舍內飼喂活動、光照變化和飼養員的活動均可能導致動物活動的變化，從而導致不同畜禽舍內PM的質量濃度存在很大的差異[52-53]。較大顆粒物PM10通常由動物(如皮膚細胞和細菌)產生，而較小顆粒物PM2.5則由畜禽舍內的灰塵和糞便產生[4]。在家禽養殖場，大部分空氣顆粒物來源于羽毛和糞便，生豬養殖場空氣顆粒物主要來源于飼料和糞便。牛羊養殖過程PM10主要來源于飼料和糞便，PM2.5主要來源于養殖場車輛運輸過程[5,14]，但是Joo等[17]研究結果顯示牛舍內PM2.5排放量并未隨著養殖場運輸活動的增加而發生顯著變化，牛羊養殖過程PM2.5的來源還沒有明確的結論。此外，由于舍內PM的質量濃度受到通風管理和季節的影響，PM質量濃度數值大都呈正偏態分布，夏季PM質量濃度的分布范圍更廣，冬季分布集中，導致PM質量濃度往往被高估。

圖1和圖2顯示了不同畜禽養殖工藝舍內PM10、PM2.5質量濃度和排放率的范圍。數據統計分析結果顯示，墊料使用增加了舍內PM的質量濃度，墊料平養和棲架籠養家禽養殖場以及使用墊料的羊場和奶牛場PM的質量濃度高于其他類型畜禽養殖場；同時，采用墊料平養和棲架籠養蛋雞舍內PM質量濃度和排放率在各類畜禽舍中最高，而疊層籠養和階梯籠養蛋雞舍，由于采用無墊料養殖工藝或者動物與糞便(墊料)分離養殖工藝，動物活動水平較低，PM質量濃度和排放率則均處于較低的水平。

a：斷奶仔豬；b：分娩/妊娠母豬；c：育肥豬(部分漏縫地板)；d：育肥豬(全漏縫地板)；e：蛋雞階梯籠養；f：蛋雞疊層籠養；g：蛋雞棲架飼養；h：蛋雞平養；i：肉雞平養；j：奶牛；k：肉牛；l：山羊/綿陽。

a：斷奶仔豬；b：分娩/妊娠母豬；c：育肥豬(部分漏縫地板)；d：育肥豬(全漏縫地板)；e：蛋雞階梯籠養；f：蛋雞疊層籠養；g：蛋雞棲架飼養；h：蛋雞平養；i：肉雞平養；j：奶牛；k：肉牛；l：山羊/綿陽。

數據分析結果顯示，斷奶仔豬舍和育肥豬舍內PM的質量濃度和排放率高于分娩/妊娠母豬舍，斷奶仔豬舍通常需要較高的溫度，特別是冬季為了提高舍內的溫度，通常設置較小的通風量，導致斷奶仔豬舍PM質量濃度和排放率較高，這主要與豬舍的通風率、溫度和相對濕度等因素有關。此外，地板類型影響育肥豬舍內的PM10和PM2.5的質量濃度，采用全漏縫地板育肥豬舍內PM質量濃度低于部分漏縫地板豬舍。密閉式豬舍的通風影響豬舍內PM的質量濃度和排放率，較高通風率會降低畜禽舍中 PM10的質量濃度，但是通風過程中產生的湍流，導致PM懸浮在空氣中的持續時間更長，從而導致機械通風豬舍內PM排放率較高[20,22]。

牛羊舍中的較低PM質量濃度主要與開放式自然通風畜舍較高的通風率有關[16,51]。牛的活動是導致PM10質量濃度升高的主要因素，但對PM2.5質量濃度沒有明顯影響，此外，PM10質量濃度受到環境因素影響，通常較高的溫度導致空氣干燥，空氣顆粒物更容易懸浮在空氣中，PM2.5的質量濃度與溫度之間具有較高的正相關性，隨相對濕度增加而降低[14,17]。自然通風牛羊舍中PM2.5排放與風速呈正相關，在較高的風速條件下空氣中 PM2.5懸浮時間延長，同時空氣交換率增加加速了PM2.5的排放，風速對PM10質量濃度的影響通常弱于環境條件和動物活動的影響[18,49]。

3 畜禽舍顆粒物控制工程技術與裝備

通過改善畜禽養殖工藝，優化動物飼養過程管理可以降低顆粒的排放，此外，建立畜禽養殖過程顆粒物控制技術和設備系統是降低養殖過程顆粒物排放的重要手段。目前主要的控制技術有空氣過濾除塵技術、空氣洗滌除塵技術、噴霧除塵技術和靜電除塵技術等。

3.1 空氣過濾除塵技術與裝備

空氣過濾除塵技術與裝備是通過在畜禽舍排風處建造擋風墻或者植物緩沖區，使氣流改變方向，通過離心力的原理，進而使PM在氣流通過擋風墻或者植物緩沖區沉降，以達到除塵的目的。擋塵墻是指用于畜禽舍排風扇的下風向，以減少氣流前進動量沉淀顆粒物的裝置。擋塵墻需要使用能夠抗風的金屬框架固定，通常選用抗紫外線防水布、活性炭纖維或者秸稈、雜草等作為擋塵墻的材料，擋塵墻通常安裝在排氣扇后3～10 m 處，高度為3～5 m[54]，安裝布局見圖3。此外，在畜禽舍排風扇的下風向通過種植植物(通常由喬木、灌木和草組成)建立植物緩沖區，可以有效降低畜禽舍內顆粒物的排放，研究結果顯示空氣過濾除塵技術與裝備的顆粒物去除效率為21%～74%[55-56]。空氣過濾除塵技術與裝備的顆粒物去除效率受到阻擋材料結構、孔隙率、位置因素以及植物種類的影響。與其他技術相比，空氣過濾除塵技術與裝備成本相對較低，但擋塵墻長期使用易堵塞，需要定期清理擋塵墻的表面，植物緩沖區內需要定期清理雜草，保證種植植物成活。

圖3 畜禽舍擋塵墻安裝示意圖

3.2 空氣洗滌除塵技術與設備

空氣洗滌除塵技術與設備主要用于對排出畜舍的空氣進行過濾，是在密閉空間通過噴淋系統或過濾組件(陶瓷填料或者玻璃纖維)收集顆粒物并去除養殖場空氣污染物的技術[57]。洗滌除塵設備的尺寸取決于PM質量濃度以及排氣量，設計需要滿足最大的氣流速率，顆粒物去除效率受到氣流方向、洗滌液組合物、液氣比和空氣停留時間的影響[58]。空氣洗滌除塵設備中通常使用橫流式、逆流式和并流式3種氣流配置(圖4)。

圖4 空氣洗滌除塵設備的氣流配置結構示意圖

橫流式洗滌除塵設備中，排出空氣與淋洗液成直角流動，該方式空氣停留時間較短。而并流式洗滌除塵設備中，排出空氣與淋洗液沿相同方向流動，該方式可以最大限度地減少堵塞。目前在洗滌除塵設備中通常使用橫流式和并流式。逆流式理論上是氣體吸收的最佳配置，但存在堵塞問題，逆流式通常用于含有濾床的洗滌除塵設備[59]。

洗滌液pH值不影響PM的去除，水可以去除畜禽設施中的大部分污染物，當去除多種污染物時，洗滌除塵設備通常設置多級洗滌空氣洗滌器，增設酸性洗滌(硫酸)模塊增加NH3的吸收，增設堿性洗滌液(次氯酸)增加H2S去除效率[60]。隨著空氣在洗滌除塵設備系統內停留時間的增加，PM去除效率也會增加，洗滌除塵設備空氣停留時間為0.4～8.0 s[59]。洗滌液流速與通過洗滌器的空氣流速之比影響洗滌除塵設備運行效率，為提高PM的去除效率，液氣比通常控制在2×10-6至4×10-4之間[61]。洗滌除塵設備可以有效去除PM和其他空氣污染物(NH3和H2S)，但由于其較高的壓隕和相對較高的投資成本、運行成本，在畜禽養殖設施中的使用受到限制。目前FarmAir 公司、Inno+公司和IPT公司生產的畜禽舍空氣洗滌除塵設備在畜禽養殖場已經應用，PM的去除效率為50%～90%[62]。風機出口風速大于4.0 m/s[63]，不同厚度的空氣洗滌器組件以及級數影響PM的去除效率，雖然增加洗滌器級數和厚度能夠提高PM的去除效率，但導致壓損增加，通風效率降低。需要進一步開發成本低、效率高、對軸流風機運行無顯著影響的洗滌除塵設備。

3.3 噴霧除塵技術與設備

噴霧除塵的原理是利用高壓或者高速氣流的分裂作用將少量液體(水、除臭劑、油或者油水混合物)破碎形成細小霧滴，并在整個畜禽舍中均勻分布與顆粒物結合，通過重力沉降凝結達到去除顆粒物的目的。目前畜禽養殖過程主要的噴霧裝備包括高壓噴霧[64]、高速氣流噴霧[65]系統，高壓噴霧系統主要應用于水和油水混合物的霧化，高速氣流噴霧系統主要應用于油的霧化(圖5)。

圖5 噴霧除塵系統結構示意圖

噴霧除塵霧滴直徑通常小于122 μm，高壓噴霧系統壓力通常大于5.00 MPa，液體流量根據噴頭孔徑大小通常控制在5.5～12.0 L/h；高速氣流噴霧系統空氣管路壓力通常大于0.20 MPa，液體管路壓力通常大于0.35 MPa，液體流量為10.5～19.2 L/h；噴霧系統在畜禽舍的安裝高度在2.5 m至3.0 m之間，噴霧距離大于1.5 m。研究結果顯示，油水混合噴霧可降低家禽舍內PM10和PM2.5的質量濃度和排放，霧滴直接噴在墊料上，不會對動物產生影響，肉雞和蛋雞舍PM10排放量分別減少55%～85%和25%～40%[66]。噴霧除塵技術與設備系統相對成熟，可以廣泛應用于自然/機械通風畜禽舍內外以及堆肥車間的PM控制、消毒和夏季降溫，但是可能導致畜禽舍內濕度增加等問題。目前研究結果顯示，降低噴霧頻率不僅可以有效降低舍內PM的質量濃度，避免濕度過高對畜禽的影響，同時降低使用過程耗水量大的問題[67]。

3.4 靜電除塵技術與設備

靜電除塵技術的工作原理是畜禽舍顆粒物經過高壓靜電場時與負離子結合帶上負電后，在陽極表面放電而沉積，實現顆粒物去除[68-69]。目前畜禽養殖過程靜電除塵技術多采用空氣負離子發生系統，該系統由兩排串聯負直流電離單元組成，電離單元由空氣負離子發生器和接地收集板組成，沿著畜禽舍長度方向安裝，懸掛在畜禽舍上方約2.50 m處，放電電極采用導電管，其尖點間距為2.54 cm。該電極連接到高壓電源，以產生高密度電子陣列(-30 kV DC)，為確保安全，電流限制為0.7～2.0 mA[70-71]。目前EPI Air公司生產的靜電除塵設備已經在商業化養殖場進行了應用，靜電除塵技術可以改善畜禽舍內環境質量并提高動物的生產效率[72]。安裝應用見圖6。研究結果顯示，采用靜電除塵技術的肉雞舍內PM10和PM2.5的排放量分別降低約36%和10%[66]。

圖6 靜電除塵設備工作示意圖

靜電除塵技術與設備可以廣泛應用于自然/機械通風畜禽舍內外PM控制，但是應用過程中畜禽舍內顆粒物通常收集至電極、天花板、地面或其他金屬表面上，清理過程導致二次揚塵等問題，同時由于受到自身結構、供電裝置和風速的影響，通風量較大的畜舍PM去除效率受到限制。將該技術結合空氣過濾技術與裝備使用，可有效提高顆粒物去除效率，同時避免二次揚塵對動物的影響。

4 小結

畜禽養殖過程產生大量的顆粒物，畜禽種類、養殖工藝、地板類型以及環境條件是影響畜禽養殖場顆粒物質量濃度分布和排放的重要因素。其中，不同畜禽種類養殖墊料的使用是導致顆粒物質量濃度和排放增加的主要因素，家禽墊料平養和棲架飼養條件下顆粒物的質量濃度和排放率最高。

畜禽養殖過程顆粒物控制技術與設備發展對優化畜禽養殖環境管理和提升畜禽養殖業可持續發展水平具有重要意義。通過改善養殖墊料的應用和管理，優化畜禽舍通風，應用噴霧和靜電除塵裝備，可以有效改善畜禽舍內外環境質量。空氣過濾和洗滌裝備，雖然無法改善畜舍內的空氣質量，但可以降低PM排放對環境的影響。為滿足規模化畜禽養殖場對環境質量控制技術與裝備的需求，在未來技術發展方向上，加大畜禽低污染排放養殖工藝與配套設備、過程控制設備和末端減排設備的研究，開發適合特定區域畜禽生產工藝和動物類型的最佳顆粒物控制技術與設備系統，并建立相關控制技術與配套設備系統標準，提高設備系統的技術適用性和經濟性，促進環境質控制技術與設備的推廣應用。