基于微酸性電解水噴霧的擋風墻對蛋種雞舍氨氣和細菌氣溶膠的減排研究

鄭煒超，李宗剛，Sanjay B. Shah，李保明

(1.中國農業大學水利與土木工程學院,農業部設施農業工程重點實驗室,北京 100083;

2.北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心,北京 100083;3.美國北卡羅來納州立大學生物與農業工程系,美國)

1 引言

近年來，畜禽舍空氣污染物的排放問題受到越來越多的關注。其中，畜禽舍大量氨氣的排放會造成環境污染、大氣能見度降低，并危害公眾健康。美國和歐洲超過80%的氨氣排放來源于畜禽養殖。此外，畜禽舍空氣中大量的致病微生物排放后可以進行空間傳播，造成周邊人畜感染。因此，研發經濟、高效的畜禽舍空氣污染物減排技術對保護人類健康和環境具有重要意義。

擋風墻通常位于畜禽舍排風口的下風向，改變排出空氣的氣流方向，使其排向擋風墻上方，提高空氣污染物的稀釋速度。擋風墻不能減少氣體污染物的排放，但是可以加速畜禽舍排出氣體污染物的稀釋，降低氣體污染物在畜禽舍周邊環境的濃度。擋風墻和噴霧結合進行排出空氣凈化，可以減少畜禽舍空氣污染物的排放。微酸性電解水是一種環境友好型的高效消毒劑。微酸性電解水噴霧可以降低畜禽舍內空氣中的細菌濃度，且呈微酸性，可以用作去除氨氣的噴霧介質。

當前，歐洲研究人員研發了多種畜禽舍排出空氣處理技術，通常將所有排出空氣導入處理系統（如酸洗系統）時，其減排效率最高。在美國及其他國家，畜禽舍通風廣泛采用縱向通風技術，將排出的空氣全部導入處理系統的方式成本巨大。此外，建設空間不足也會限制現有畜禽舍改造，阻礙該技術的應用。基于微酸性電解水噴霧的擋風墻為畜禽舍氨氣和細菌氣溶膠的減排提供了一種潛在的、低成本的處理技術，有助于改善周邊環境狀況。但是，目前尚缺乏關于基于噴霧擋風墻的減排技術研究。迫切需要對基于微酸性電解水噴霧的擋風墻對畜禽舍氨氣和細菌氣溶膠的減排效果進行驗證研究。

本研究的主要目的是：對比研究基于自來水和微酸性電解水噴霧的擋風墻對氨氣的減排效果；研究基于不同有效氯濃度的微酸性電解水噴霧擋風墻對細菌氣溶膠的減排效果。

2 材料和方法

2.1 試驗蛋種雞舍

試驗雞舍位于北京市，尺寸為70m×10m×2m（長度×寬度×檐高），試驗時間為2014年冬季（11～12月）。試驗期間，雞舍共飼養14 000只種母雞（試驗開始時為32周齡）和400只成年種公雞，三層階梯式籠養，通風方式為縱向通風。雞舍末端安裝有6臺直徑1.38m的軸流風機，試驗期間進風口為38個側墻進風小窗（長度×寬度=0.5m× 0.25m），試驗期間僅有一臺風機由控制系統控制進行間歇性運轉，調控舍內溫度為17.8～20.6℃（平均溫度為19.2℃），開燈時間為早6點到晚10點（光期：暗期=16：8）。試驗雞舍環境控制系統為AC2000系統，清糞方式為刮板式清糞。

2.2 噴霧裝置和擋風墻

如圖1（a）所示，擋風墻尺寸為3.0m×1.8m×2.1m（長度×寬度×高度），圍繞試驗風機安裝于雞舍外部。擋風墻以鋼架支撐，聚碳酸脂板為墻體。其中正對風機的墻體高度為2.50m，上部也用聚碳酸脂板覆蓋，在遠離風機端留有尺寸為0.75m×1.8m的出風口。

如圖1（a）和（b）所示，3個噴頭安裝于風機排風側0.40m處，均勻分布在半徑為0.30m的圓周上，夾角為120°。噴頭為不銹鋼材質，噴霧形狀為實心錐，噴霧角度為50°，噴霧方向為順風向，每個噴頭噴霧流量為1.0L/min，整個噴霧系統的噴霧流量為3.0L/min，噴霧壓力為120kPa，由噴霧泵提供。噴霧介質為自來水或微酸性電解水，噴霧系統和風機使用同一電源，同步運轉。

2.3 微酸性電解水的制備

試驗使用兩種有效氯濃度的微酸性電解水，分別為70mg/L和100mg/L，使用電解水制備機循環電解HCl和NaCl的混合溶液制得。有效氯濃度采用有效氯測試儀（Harmony-2，睿安德環保設備（北京）有限公司，北京，中國）進行測試，測試方法為比色法。pH采用pH測試計（HM-30 R；DKKTOA Corporation，東京，日本），測試范圍為0.0～14.0。pH測試計使用前用pH為4.01和6.86標準液進行校準。

2.4 風機風速和靜壓差測試

試驗風機每周清潔一次并在試驗開始前更換皮帶，以保證最佳轉速。擋風墻安裝前和安裝后分別進行3次風機風速和舍內外靜壓差測試。風速測試采用便攜式光學風速測試儀（PLT200，Monarch Instrument，新罕布什爾州，美國）測試。靜壓差采用數字壓差計（475-000-FM，DwyerInstruments，Inc.，印第安納州，美國）測試。測試目的是在風機風速和靜壓差的基礎上，結合風機廠家提供的風機通風性能曲線計算擋風墻安裝前后風機通風量的變化。

2.5 氨氣采樣和分析

圖1 擋風墻和噴霧系統縱向剖面圖（a）和噴頭布置圖（b）

氨氣采樣同時在擋風墻進風口（噴霧前）和出風口（噴霧后）進行。氨氣采樣系統由PVC采樣歧管、氣體流量計、兩個洗氣瓶（前置洗氣瓶和后置洗氣瓶）、干燥管和真空泵組成，各部分通過聚乙烯軟管連接。兩個洗氣瓶內都裝有250mL質量濃度為2%的硼酸溶液，后置洗氣瓶中添加甲基紅-溴甲酚綠指示劑，用以檢驗前置洗氣瓶是否能夠完全吸收采樣氣體中的氨氣。整個采樣期間后置洗氣瓶并沒有發生顏色變化，說明采樣氣體中的氨氣被前置洗氣瓶完全吸收。采樣歧管由內徑16mm的PVC管制作而成。如圖1（b），擋風墻進風口和出風口采樣歧管A和B均設計有9個呈直線排列的直徑為2mm的進氣孔，進氣孔間距分別為0.15m和0.20m，進氣孔朝向和風向相同。采樣歧管設計參考Chen和Sparrow的研究結果，所有進氣孔面積之和約為采樣歧管截面積的14%。進風口采樣歧管安裝在風機后0.3m處，出風口采樣歧管安裝在尺寸為0.75m×1.80m的長方形出風口對角線上。由于試驗期間風機間歇性運轉，氨氣采樣系統與風機使用同一電源，同步運轉。氨氣采樣時間為8：00～18：00（10h），采樣后檢測前置洗氣瓶內的吸收液的銨氮濃度。

氨氣采樣系統流量為3.0L/min。采樣時長使用通電計時器讀取。采樣結束后，使用連續流動分析儀測試前置洗氣瓶中溶液的銨氮濃度，并測定溶液總體積。則采樣氣體中氨氣濃度可通過公式1計算：

2.6 細菌氣溶膠采樣和分析

細菌氣溶膠采樣與氨氣采樣類似，同時在擋風墻進風口（噴霧前）和出風口（噴霧后）進行。細菌氣溶膠采樣系統由PVC采樣歧管、AGI-30液體沖撞式微生物采樣器、干燥管、氣體流量計和真空泵組成，通過聚乙烯軟管連接。采樣歧管由內徑為21mm的PVC管制作而成。如圖1（b），進氣口和出氣口采樣歧管A和B均設計有9個呈直線排列的直徑2mm的進氣孔，進氣孔間距分別為0.15m和0.20m，進氣孔朝向和風向相反。采樣歧管設計參考Chen和Sparrow的研究結果。細菌氣溶膠采樣歧管和氨氣采樣歧管安裝位置相鄰，同樣與風機同步運轉。采樣前，細菌氣溶膠采樣器在121℃、100kPa條件下高壓滅菌15min。采樣時間為8：00～9：00和13：00～14：00，每天兩次。采樣后，更換滅過菌的采樣器，同時用75%的酒精對采樣歧管和管道進行消毒滅菌并干燥。

AGI-30氣體沖撞式微生物采樣器液體介質為滅菌的生理鹽水（0.9%的氯化鈉水溶液），氣體采樣流量為12.5L/min，采樣時長使用通電計時器讀取。采樣后，對采樣液進行10倍梯度稀釋，每個梯度取0.5mL的液體進行平板涂布培養，每個梯度重復兩次。培養基為營養瓊脂培養基，涂布后在37℃條件下培養24h，選取菌落數在30～300之間的數據進行計算。空氣細菌濃度通過公式2計算：

式中：:Cbacteria：空氣細菌濃度（CFU/m3）

N：介于30～300之間的菌落數平均值

V1：原始樣液體積（mL）

a：原始樣液稀釋倍數

V2：每個培養皿涂布菌液體積（0.5mL）

Q：氣體采樣流量（12.5 L/min=0.0125 m3/min）

t：采樣時長（min）

2.7 試驗設計

氨氣減排效果研究中，自來水（pH = 7.1～7.4）和微酸性電解水（pH = 5.8～6.2，有效氯濃度為70mg/L）交替噴霧，每種介質噴霧8天，測試每天8：00～18：00，擋風墻進風口和出風口處氨氣的平均濃度，具體見表1。

細菌氣溶膠減排效果研究中，70mg/L和100mg/L的微酸性電解水（pH = 5.8～6.2）交替噴霧，每種介質噴霧6天。由于自來水噴霧不能殺滅細菌氣溶膠且通過降塵去除細菌的效果有限，本研究未進行基于自來水噴霧的擋風墻對細菌氣溶膠的凈化處理試驗。擋風墻進風口和出風口細菌氣溶膠濃度測試時間為每天8：00～9：00和13：00～14：00，具體見表1。

2.8 數據分析

氨氣減排效果研究中，測試計算進風口和出風口每天8：00～18：00的平均氨氣濃度，并依據公式3計算氨氣凈化效率。氨氣濃度以每個采樣天的平均濃度作為一個重復，共8個重復。

細菌氣溶膠減排效果研究中，測試計算進風口和出風口每天8：00～9：00和13：00～14：00的平均細菌氣溶膠濃度，并依據公式3計算細菌氣溶膠凈化效率。細菌氣溶膠濃度以每個小時平均濃度為一個重復，共12個重復（采樣6天，每天進行2次采樣）。

表1 污染物采樣對應的噴霧介質、采樣時長、噴霧量和風機風量[a]

式中：:Rremoval:：氨氣或空氣細菌的凈化效率（%）

Cinlet:：進風口氨氣或空氣細菌濃度（mg/m3或CFU/m3）

Coutlet:：出風口氨氣或空氣細菌濃度（mg/m3或CFU/m3）

通過t檢驗方法，評價凈化效率是否顯著小于數值1，檢驗處理是否對氨氣和細菌氣溶膠有凈化作用；在確定有凈化作用的前提下，通過方差分析，對比不同處理方式。數據分析使用SAS 9.2軟件，ɑ值=0.05。

3 結果與討論

3.1 靜壓差和風機風量

靜壓差測試期間，試驗雞舍只有試驗風機運轉。安裝擋風墻前，舍內外靜壓差為22.6±2.1Pa；安裝擋風墻后，舍內外靜壓差為13.7±0.9Pa，舍內和擋風墻內靜壓差為43.1±1.5Pa。擋風墻安裝前后，試驗風機轉速不變。根據靜壓差測試數據，結合風機性能曲線，估算出擋風墻安裝前后風機風量分別為9.85和8.79m3/s，風量減少10.7%。Ford和Riskowski研究結果顯示，當擋風墻與風機安裝距離為3.05m時（與本研究的3.00 m幾乎相同），風機風量減少9～14%。

3.2 氨氣減排效果

擋風墻進風口和出風口的氨氣平均濃度見表2，進風口氨氣濃度與自來水噴霧擋風墻出風口的氨氣濃度、微酸性電解水噴霧擋風墻出風口的氨氣濃度都有顯著性差異，表明自來水和微酸性電解水噴霧的擋風墻凈化系統都能夠減少氨氣排放（t檢驗，p＜0.01），但自來水噴霧和微酸性電解水噴霧對氨氣的減排效率差異并不顯著（p=0.13）。

本研究擋風墻由聚碳酸脂板制成，通過擋風墻上部出風口將氣流導向上方大氣，對氨氣無凈化作用，但可以為排出空氣和噴霧液滴提供反應界面。氨氣具有極易溶于水的特性，該試驗中使用自來水噴霧氨氣的凈化效率＜9%。由于微酸性電解水pH值（5.8～6.2）小于自來水（7.1～7.4），使用微酸性電解水噴霧提高了氨氣凈化效率，但是提高的效果不顯著。同Manuzon和Hadlocon研究的酸洗凈化系統相比，基于微酸性電解水噴霧的擋風墻氨氣減排效率明顯偏低。可能的原因有：微酸性電解水酸性顯著小于硫酸溶液（pH＜2）；酸洗凈化系統中風速（3～4m/s）小于本試驗系統的風速（5.5～6m/s），空氣在霧化液滴中的滯留時間較長，增加氨氣和液滴的接觸幾率；氨氣凈化效率和單位體積空氣噴霧量、霧粒粒徑有關。本試驗中單位體積空氣噴霧量明顯小于Manuzon的試驗條件，噴霧壓力（120kPa）也明顯小于Manuzon和Hadlocon的試驗條件（分別為210kPa和620kPa），使得本試驗中霧粒粒徑更大，單位空間霧滴數量更少，氣體與霧滴接觸機會更少。

微酸性電解水成分以次氯酸為主，酸性、腐蝕性都小于H2SO4。微酸性電解水是一種環境友好型的消毒劑。如表1所示，試驗期間總噴霧量少于20m3。因此，本試驗在地面收集的液體可直接排放，但是微酸性電解水噴霧對環境和農場建筑結構的影響仍需進一步研究。此外，為推進該減排系統的實際應用，仍需進一步提高氨氣去除效率，并設計水循環利用系統。

3.3 細菌氣溶膠

擋風墻進風口和出風口的細菌氣溶膠平均濃度見表2，進風口細菌氣溶膠濃度與70mg/L微酸性電解水噴霧擋風墻出風口、100mg/L微酸性電解水噴霧擋風墻出風口的細菌氣溶膠濃度都有顯著性差異，表明凈化微酸性電解水噴霧擋風墻能有效減少細菌氣溶膠排放（t檢驗，p＜0.01），但是兩種微酸性電解水噴霧的擋風墻對細菌氣溶膠的凈化效率差異并不顯著（p=0.52）。

表2 不同處理氨氣和細菌氣溶膠的濃度和去除效率[a]

在本研究中，細菌以空氣顆粒物為載體，在擋風墻中直接和霧化的微酸性電解水霧粒接觸，微酸性電解水中的高濃度有效氯能夠殺死細菌或使其失活。此外，微酸性電解水噴霧的降塵作用也可以降低細菌氣溶膠濃度。但是，微酸性電解水噴霧凈化細菌氣溶膠以其殺菌作用為主。微酸性電解水噴霧殺菌作用大小與有效氯濃度相關。本研究70mg/L和100mg/L的微酸性電解水噴霧對細菌氣溶膠的凈化效果差異不顯著，30mg/L的差別可能并不足以顯著提高微酸性電解水噴霧對細菌氣溶膠的凈化效率。優化噴霧系統提高細菌氣溶膠的凈化效率仍需要進一步研究。

4 結論

基于自來水和微酸性電解水噴霧的擋風墻對蛋種雞舍氨氣的減排效率分別為8.8%和13.2%。基于有效氯濃度為70mg/L和100mg/L的微酸性電解水噴霧的擋風墻對蛋種雞舍細菌氣溶膠的減排效率分別為39.4%和40.8%，差異不顯著。基于微酸性電解水噴霧的擋風墻建設和運行成本低、風阻小，是一種經濟可行的新型畜禽舍氨氣和細菌氣溶膠的減排技術。

本研究基于微酸性電解水噴霧的擋風墻減排系統針對單一風機開展，但為該技術在縱向通風的畜禽舍同時用于多臺風機提供了基礎。需要進一步優化和改進系統設計（噴霧壓力和噴霧量等），提高減排效率，并對更多的空氣污染物和不同氣候條件下的減排效果開展研究。

致謝

本研究獲得了北京市自然基金（6154029）、國家自然科學基金（31372350）和國家現代農業產業技術體系—蛋雞（CARS-41）等項目的資助。同時，感謝北京華都峪口禽業有限公司提供試驗蛋種雞舍。

（編譯自：Applied Engineering in Agriculture，2016，32（3）：393-399，原文篇名：Removal of Ammonia and Airborne Culturable Bacteria by Proof-of-Concept Windbreak Wall With Slightly Acidic Electrolyzed Water Spray for a Layer Breeding House）