畜禽場空氣懸浮顆粒物污染與其監控技術研究進展

汪開英 戴圣炎 王玲娟

(1.浙江大學生物系統工程系， 杭州 310058； 2.北卡羅萊納州立大學生物與農業工程系， 羅利 NC 27695-7625)

畜禽場空氣懸浮顆粒物污染與其監控技術研究進展

汪開英1戴圣炎1王玲娟2

(1.浙江大學生物系統工程系， 杭州 310058； 2.北卡羅萊納州立大學生物與農業工程系， 羅利 NC 27695-7625)

隨著畜禽養殖的快速發展，近年來畜禽場空氣中的懸浮顆粒物(PM)對于動物的健康、福利以及生長的危害越來越受到重視。畜禽場PM的來源、理化和生物特征、擴散模型以及相關監控技術已成為國內外研究的熱點。本文闡述了畜禽場PM的來源、特征、危害和國內外針對PM的相關標準；根據畜禽場PM復雜的理化和生物特征，闡述了相應的檢測技術；從源頭、過程和末端3個環節分析了畜禽場PM的控制技術。

畜禽場； 懸浮顆粒物； 空氣污染； 監控技術

引言

空氣懸浮顆粒物(Particulate matter,PM)是在大氣中存在的各種固態和液態顆粒狀物質的總稱，常見的灰塵、煙、霧、霾等都屬于其范疇。顆粒物按粒徑大小可以分為可吸入顆粒物(Inhalable PM, IPM)，又稱總懸浮顆粒物(Total suspended particulate，TSP)、可入胸腔顆粒物(Thoracic, TPM)和可入肺顆粒物(Respirable PM,RPM)等[1]。其中，總懸浮顆粒物(Total suspended particulate，TSP)指大氣中100 μm以下的顆粒物；PM10指空氣動力學直徑小于或等于10 μm的大氣顆粒物，它們可以通過呼吸系統進入人體胸腔及肺部，因此也被用來代表入胸腔顆粒物[1]；PM2.5指空氣動力學直徑小于或等于2.5 μm的大氣顆粒物，它們能夠進入人體肺泡，因此也稱為可入肺顆粒物[2]。

一般PM引發的空氣污染通常被認為是工業化和城市化的后果，農業并沒被當作主要的空氣污染來源。然而，歐洲研究表明，農業可能是主要的空氣污染排放源之一，其中畜禽養殖業PM又是農業源PM的主要來源之一，并且隨著畜禽養殖業的發展，其PM的排放占比還將隨之增加[3]。畜禽場的PM與其他人為排放源的PM有3個不同表現：PM的濃度高于其他室內環境10～100倍、攜帶惡臭和污染氣體、通常含有種類繁多的細菌和微生物而使其具有生物活性[4]。這決定著畜禽場PM對畜禽健康的危害、對畜禽福利的影響以及對環境的影響。

我國養殖系統與歐美發達國家存在較大差異，直接引用國外有限的實驗和檢測數據評估我國畜禽場PM的排放及其對人畜健康和環境的影響，并不能反映我國畜禽場PM的現狀。但目前我國對畜禽場PM污染的研究鮮見報道，本文針對畜禽場PM的源解析、排放特征以及畜禽場PM的有效控制技術等方面進行研究，以期為解決畜禽場PM污染問題提供理論和技術支撐，提高畜禽健康福利和區域環境空氣質量。

1 畜禽場PM污染來源

畜牧生產系統是農業源PM的主要來源之一，其中尤以禽舍和豬舍的PM排放率最大。在歐洲，禽舍和豬舍的PM排放分別占農業源PM排放的50%和30%[5]。畜禽場內PM來源有飼料、體表(包括禽類羽毛)、糞便以及其他類型來源。飼料PM是飼料粉末飄散至空氣中，并長時間漂浮，成為畜禽場PM的主要來源。體表PM包括了畜禽咳嗽、打噴嚏時帶出的飛沫以及運動、蹭癢時脫落的皮膚或羽毛。當然畜禽場內的PM還有類似木屑墊料、畜禽糞便以及真菌孢子等形成的顆粒物[6]。畜禽場內的PM主要來源如表1所示[7]。

不同畜禽場的PM來源與狀況各有不同。對于豬舍而言，PM主要來自于飼料和糞便，源于飼料的PM相對來說粒徑較大[8]，源于糞便的PM相對來說粒徑較小，這意味著動物將其吸入肺泡內的可能性更大，潛在危害也會更大。有研究指出使用墊料的豬舍與不使用墊料的豬舍相比，可吸入顆粒物的濃度將成倍增加，尤其在生長后期，墊料床更加臟，產生的PM也會更多[9]，這意味著墊料成為墊料床畜禽舍PM的主要來源。也有研究指出飼料和豬體產生的皮屑是豬舍內PM的主要來源[10]。在家禽生產中，PM的主要來源則是飼料、糞便、羽毛與其他垃圾。在多層養殖的禽舍內，皮屑、羽毛、排泄物、飼料、垃圾所產生的PM污染尤其嚴重[11]。

表1 畜禽場內PM來源

此外畜禽舍空氣中的污染物質之間會產生化學反應，形成有機或無機粒子，這些粒子被稱為二次顆粒物。比如畜禽舍內空氣中的氨氣與酸性氣體就容易發生化學反應形成無機鹽粒子，這些粒子與糞便、飼料等污染源排放的顆粒物的物理、化學性質完全不同，且粒徑相對較小。因此畜禽舍內的PM2.5有一部分也來源于二次顆粒物[12]。

畜禽場PM的來源是開展畜禽場PM對人畜健康影響機制及對區域環境影響的基礎性研究，是了解畜禽場PM有害性的重要內容。

2 畜禽場PM特征及危害

2.1 畜禽場PM特征

PM是一種懸浮性的混合顆粒物，具有不同的物理、化學和生物學特性。畜禽場PM的物理特征包括PM的濃度、粒徑、形態及排放系數等；化學特征為PM中所攜帶的化學物質，包括有機碳/元素碳(OC/EC)、離子(如無機鹽)和元素等；生物特征為PM中所攜帶的微生物，包括細菌、真菌、病毒等。

畜禽場PM的物理特征中較為主要的是濃度和粒徑分布，因此在對畜禽場PM進行研究時，PM的濃度以及粒徑是必須測量的2個指標。對于不同的畜禽場，PM的濃度因不同動物種類有很大的不同，一般來說，PM濃度最高的是禽類的養殖場，其次是豬，最后是肉牛等的養殖場[13-17]。除了PM的濃度，不同動物舍粒徑分布也是不同的[18]，如表2所示。

PM的排放速率(Emission rate)也是畜禽場PM的一個主要特征。PM的排放速率計算式為

EPM=Q(ρPMo-ρPMi)

式中EPM——畜禽舍PM排放速率Q——畜禽舍通風流量ρPMo、ρPMi——畜禽舍的排放處和入口處的PM質量濃度

表2 不同畜禽種類，不同粒徑的PM 在TSP中所占的比例

畜禽場PM的排放速率也是畜禽場影響外界環境中PM的一個重要的指標。PM的排放速率會因畜禽舍大小和存欄量的不同而變化，為了比較不同種類和大小畜禽舍的PM排放，排放速率通常又會被轉換成排放系數(排放因子)。ALBERT等[19]的研究也表明，不同畜禽種類的畜禽舍的PM排放系數有很大不同，如表3所示。

表3 不同種類畜禽舍的單位PM排放系數

畜禽場PM的化學成分與動物種類、飼養模式、清糞方式等有關。如豬舍和禽舍中的PM比牛棚的PM含有更多的氮元素和干燥物質，而牛欄中的PM會有更多的濕物質、礦物質和灰質[20]。近年來針對畜禽養殖系統的PM中化學成分的研究主要包含PM中的微量元素、離子、有機碳和元素碳(OC和EC)等。目前畜牧業因化學物質對二次顆粒物形成的貢獻、不同化學成分及其相互作用對人畜健康風險評估急需進一步研究。同時，有限的研究表明畜禽場PM含有的有機質最多能達到90%[21]。畜禽場PM中包含眾多微生物(真菌、細菌、病毒、毒素和過敏源)，研究發現畜禽舍內的空氣微生物大多數是細菌，其中革蘭氏陽性菌占優勢，真菌只占小部分[22]。目前，PM在畜禽場微生物傳輸中的作用有待進一步研究。顆粒物的生化特征是開展畜禽場顆粒物的源解析和危害研究的重要指標。

2.2 畜禽場PM危害

2.2.1 畜禽場PM對人畜健康的危害

畜禽場PM被認為是造成動物生產性能下降的不利因素[23-24]。畜禽場PM不僅造成環境的污染，而且對動物的福利和健康都會帶來不利影響[18]。畜禽場PM對動物的健康危害主要在于對動物呼吸道的刺激及損傷。RADON等[25]研究發現被動物吸入的PM會深入到動物的呼吸道，引發呼吸道的疾病，如慢性支氣管炎、哮喘等。MICHIELS等[26]研究顯示，在PM和氨氣(NH3)的共同作用下，豬的日增重率降低，肺炎的發病率增加，甚至死亡率也會有所提高。PAPANASTASIOU等[27]研究發現PM的大小和表面積也決定了其對動物呼吸道的炎癥損傷及氧化損傷的程度。除了PM本身的作用，PM攜帶的化合物和微生物也會對動物產生危害[28]。豬場中的PM攜帶有超過50種的化合物，這些附著在PM上的化合物如果進入更深層的呼吸道中會增強PM的生物刺激性，也增加了PM的潛在健康危害。柴同杰等[29]研究發現微生物氣溶膠(Bioaerosols)是舍內畜禽健康下降及舍間疾病傳播擴散的主要因素。

畜禽場PM對人體的主要危害就是呼吸道疾病[30]，特別是養殖場的工作人員，他們受畜禽場PM的影響患呼吸道疾病的幾率更大[31]。文獻[32-34]對呼吸病學及健康風險的研究表明PM與人的心肺功能失常也存在關系，而且在老人、小孩和患病群體中，PM濃度的提高會顯著提升死亡率。美國流行病學研究發現，糖尿病與PM之間存在著緊密聯系[35]。

畜禽場PM對人畜健康的影響研究現階段多在于PM與人畜健康之間的聯系或與某種疾病之間存在關系，但對于PM對人畜健康的影響機理還有待深入的研究。當前仍欠缺大量的定量信息，以及PM 問題嚴重程度、現有的和潛在的PM 健康影響嚴重程度的眾多不確定性。另外畜禽舍PM 吸附的NH3、惡臭化合物、致病性與非致病性微生物的影響有待評估，因此，需要獲取更全面、完善的PM 特征信息以揭示畜禽場PM 的暴露-效果關系和暴露-反應關系。

2.2.2 畜禽場PM對環境的影響

畜禽場PM排放到周邊環境中的可能性極高，相關研究表明PM不僅對畜禽場內空氣質量有重要影響，外界環境同樣會受到影響[36]。PM通過畜舍風機被排放到舍外[37]，對環境空氣造成8%的PM10貢獻率，4%的初次PM2.5污染。在其他PM污染物降低的同時，農業PM污染卻未得到重視[38-39]，可見畜禽場排放到大氣的PM不容忽視[40]。排放到養殖場外界的PM可對生態系統產生影響，植被吸收污染的壓力也因此增大[41]。高濃度的PM污染同樣也會影響到氣候變化，比如霧霾的形成、大氣輻射與大氣可見度等[42]。排放的PM本身可以攜帶臭氣污染物、微生物、有毒酸性物質以及其他生物成分可對周圍居民空氣質量造成影響[43-45]。

2.2.3 畜禽場PM擴散模擬與影響評估

擴散模擬是評估畜禽場PM排放對環境影響的重要手段。顆粒物的擴散模型可以對PM的擴散規律進行預測，可以更好地針對其規律實行相應的措施。應用PM的擴散模型，了解PM的擴散規律，對于抑制PM擴散，降低PM的環境影響有著積極的意義。場區、場周邊以及場所在區域的不同范圍合適的PM擴散模型亦不同。基于計算流體力學(CFD)的傳播模型適用于場區內的PM擴散模擬，CHOI等[46]使用CFD技術對農場的空氣污染物的傳播進行了模擬與仿真，得出通風系統和建筑布局成為空氣污染物擴散的關鍵影響因素。通過CFD的仿真模擬試驗，可在建設初期為農場的建筑布局和通風設施提供寶貴依據，盡早采取保護措施以最大程度減少污染物的危害。大氣擴散模型AERMOD是一種穩態模型系統，常用于50 km以下距離的污染物擴散模擬，適合畜禽場周邊的PM擴散模擬，HADLOCON等[47]使用AREMOD模型對雞場的PM排放進行了模擬，評估了該雞場周邊空氣中的PM濃度符合美國國家環境空氣質量標準。而CALPUFF是一種非穩態的模型系統，適用于50 km以上的PM模擬，可以模擬污染物在大氣環境中的擴散、轉化和清除的過程，因此適合于養殖場所在區域的PM擴散模擬[48]。然而PM場內外的擴散模擬會因氣象條件以及地形的不可控，對模擬的結果產生影響。

2.3 畜禽場PM排放的影響因素

畜禽場內 PM 排放速率、濃度等特征受多種因素的影響。有研究表明，畜禽場 PM 排放與畜禽舍結構、通風方式及其通風率、飼養管理活動、溫濕度、光照、畜禽行為、畜禽生長階段、體重、季節等因素相關[49-50]。畜禽場PM 濃度和排放速率呈現出季節和時間的變化，PM的濃度與相對濕度、溫度和通風量成反比、與畜禽行為活性成正比[51-57]。LE等[58]研究不同飼養模式的雞舍發現，散養式的飼養模式要比籠養式的飼養模式產生更多的PM，另外每籠雞數、籠子的維修狀態、每天喂養的飼料量都能影響PM的濃度及排放。為獲得不同動物種類、飼養管理模式和環境參數的 PM 排放特征，仍需獲取大量的相關數據以探究 PM 與環境參數、養殖工藝與管理模式等因素之間的相關性。

2.4 PM相關標準

國內外為約束環境中的PM濃度，制定了相關標準。歐洲現行環境空氣質量標準和監測體系基于2008年歐洲議會和歐盟理事會共同頒布的歐洲環境空氣質量及清潔空氣指令(《Ambient Air Quality and Cleaner Air for Europe》)(2008/50/EC)，并規定PM2.5的日均濃度限值為25 μg/m3。該指令中除規定PM的標準限值以外，還根據不同目的設定了一系列濃度限值對顆粒物污染進行全方面的綜合控制。美國的《清潔空氣法》(《Clean Air Act》)則要求美國國家環境保護暑(EPA)每5年就要對PM等主要空氣污染物的標準進行一次復審。EPA于2006年頒布了現行的空氣顆粒物標準，PM2.5日均濃度限值為35 μg/m3。日本現行的空氣環境質量標準在2009年的修訂版中也加入了PM2.5，并規定PM2.5的日平均濃度限值為35 μg/m3。我國現行的空氣質量標準是環境保護部與國家質量監督檢驗檢疫總局于2012年2月29日發布的《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，其中規定PM2.5的日平均濃度一級限值為35 μg/m3。而我國農業部在1999年頒布的NY/T 388—1999《畜禽環境質量標準》中還規定了畜禽場區內PM10濃度不得超過1 mg/m3，畜禽舍內PM10濃度最高不得超過4 mg/m3。

由于畜禽場PM的復雜性和多樣性，現今國內外對于畜禽場PM的濃度以及畜禽場PM的排放系數(特別是針對PM2.5)都沒有相應的強制立法或政策出臺。

3 畜禽場PM的檢測技術

畜禽場的PM對人畜及環境危害的嚴重性已經逐漸被人們所認識，但由于其復雜性及多樣性，政府及相關部門難以制定政策及法律對其濃度與排放進行限制和控制。因此，開展畜禽場PM的檢測，了解掌握PM的構成是治理PM較為可行的措施。畜禽場PM的檢測技術可以從物理、化學、生物三大特征入手，對PM進行全面的檢測，了解其結構、成分，才能更好地對PM進行控制。

3.1 PM的物理特征檢測技術

3.1.1 PM濃度檢測

PM濃度的檢測方法主要為稱量法和光學法。其中稱量法得出的是質量濃度，即PM質量與空氣體積之比；而光學法得出的是數量濃度，即PM數量與空氣體積之比。PM研究常用的是質量濃度，數量濃度可結合PM的密度及其形狀等信息換算為質量濃度。

稱量檢測法是將一定流量的空氣通過采樣器的濾膜，空氣包含的PM就會被捕集在濾膜上，然后根據采樣后濾膜增加的質量計算出單位體積空氣PM的質量，即PM的質量濃度。對于不同粒徑的PM(如PM10、PM2.5)檢測，需要在采樣器的收集系統上添加不同類型的切割頭。當前畜禽場PM質量濃度檢測使用較多的有微量震蕩天平(TEOMs)和β衰減PM監測儀(Beta gauge)，兩者都可以實現PM的自動、連續、精確監測[59-64]。兩者的差異在于TEOMs基于其獨特的微量天平系統來對收集到濾膜上的PM質量變化進行測定[65]，而Beta gauge則基于Beta射線的衰減原則來對收集到濾膜上的PM質量變化進行測定[66]。

PM濃度的光學檢測主要有基于光學原理的便攜式PM檢測儀和光學粒子計數器等[67-70]，其檢測的精確度相對于TEOMs和Beta gauge檢測低一些。但這類檢測儀器便于攜帶和操作，因此在對畜禽場PM的濃度檢測中也常被用到。

3.1.2 PM的粒徑分布檢測

PM粒徑分布 (Particulate size distribution, PSD)也是PM的主要物理特征。PM粒徑分布檢測分為空氣動力學檢測、光學檢測以及電子檢測。

空氣動力學檢測主要包含級聯撞擊器以及氣動粒度儀。其中級聯撞擊器采用慣性去除原理將不同粒徑的PM在不同的撞擊階段進行分離，從而對不同粒徑范圍的PM進行收集并最終計算其分布。但由于小微粒缺乏慣性粒，因此大多被用于微米級PM中較大粒徑的分布檢測[1]。而氣動粒度儀則能提供實時、高分辨率的PSD測量，測量范圍為0.5～20 μm[71]。常志勇等[72]采用微孔均勻沉積沖擊式采樣器與氣動粒度儀2種粒徑儀對畜禽場顆粒物進行測量分析，發現氣動粒度儀在測量畜禽場顆粒物時效果較好。

光學檢測技術包括了光學粒子計數器和光散射粒度儀。光學粒子計數器可以檢測PM的粒徑分布，但這種粒徑分布不是空氣動力學直徑的粒徑分布，因此需要結合PM的密度和形狀信息將結果轉換為空氣動力學直徑。光散射粒度儀能夠提供廣泛的粒徑測量范圍，但需要先收集PM，而后進行粒徑分析，且它和光學粒子計數器一樣需要PM的其他信息來將粒徑轉換為空氣動力學粒徑[71]。

電子檢測技術主要是電傳感區技術(ESZ)，電傳感區技術是應用電阻原理來測量靜止于電解質中的PM粒徑分布。與光散射粒度儀一樣，這種技術也需要提前采集PM的樣本，但它能夠提供高分辨率和重復性的個體PM的粒徑評估。

3.2 PM的化學特征檢測技術

離子色譜法主要用于測定各種離子的含量，原理是將改進后的電導檢測器安裝在離子交換樹脂柱的后面，以連續檢測色譜分離離子的方法。通過離子交換的方法分離出樣品離子，再用檢測器對樣品離子進行檢測響應。目前離子色譜能測定下列類型的離子：有機陰離子、堿金屬、堿土金屬、重金屬、稀土離子和有機酸，以及胺和銨鹽等。MASIOL等[73]對威尼斯的PM2.5進行分季度采樣，將樣本溶于水后，用離子色譜法對溶液進行離子測定，并通過PMF模型對威尼斯的PM2.5成分(包括化合物和所含離子)進行了分析。

能量色散X射線光譜分析法，即借助于分析試樣發出的元素特征X射線波長和強度, 根據波長測定試樣所含的元素,根據強度測定元素的相對含量。根據EDX元素分析法原理，目前已經出現了相應的商品化的儀器，如能量色散X射線熒光分析儀(EDXRF)。CAMBRA-LOPEZ等[74]將高分辨率掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線分析儀(EDX)結合，通過分析得到了畜禽舍顆粒物的形態和化學數據。

熱光學分析法主要是通過加熱的方法分離樣品中的有機碳(OC)和元素碳(EC)，再通過光學的方法分析測定兩者的含量。相應的商品化儀器有有機碳/元素碳分析儀，可以測定顆粒物樣品中的有機碳和無機碳含量。LI等[75]曾對北卡羅納州動物養殖場內的大氣顆粒物中的碳進行測定，來估算二級有機碳的濃度。

需要注意的是，3種方法在分析之前都需要提前進行采樣，采樣設備以及分析方法如表4所示。

表4 畜禽場PM的化學成分分析方法

3.3 PM的生物特征檢測技術

顆粒物的生物特征主要是PM內所吸附的微生物，包括細菌、真菌、病毒等。PM中的微生物樣品采集，可以通過采樣器抽取一定量空氣進入吸收液，使得PM攜帶的微生物分散于吸收液中；取定量吸收液進行培養，再用微生物分析的方法對微生物的種屬進行鑒別。WANG等[76]使用玻璃撞擊器對攜帶微生物的顆粒物樣本進行收集，并將菌落形態記錄法、革蘭氏染色法和代謝分析法結合使用來鑒定培養后菌落的類型。

而在微生物學上，對微生物分析常用的方法是16S核糖體分析。16S核糖體分析是利用序列測序的方法對細菌種屬進行鑒定，可以用于未知樣品的快速種屬分析或為生化鑒定提供指導信息。對于難以獲得純培養的細菌，16S分析是唯一可用的鑒定方法。GERALD等[51]曾對畜禽舍的顆粒物進行采集，通過培養基對PM內的微生物進行培養并使用16S核糖體分析后，發現畜禽舍內PM含有李斯特菌和大腸桿菌。

4 畜禽場PM的控制技術

畜禽場PM的控制是一個系統工程，通過源頭、過程和末端等環節進行全程控制。

4.1 源頭控制

畜禽業的PM源主要是飼料、糞便、皮屑(禽類羽毛)和發酵床等。對于飼料類源頭，顆粒類飼料比粉類飼料更能降低PM濃度，但會額外增加飼料的成本。濕式喂養是從源頭入手減少舍內PM濃度的一種方法。TAKAI等[77]研究表明，通過對飼料增加4%的動物脂肪，可以使豬舍內的PM濃度降低35%～60%，同時人接觸的PM濃度降低50%～70%。將固體飼料改成液體飼料，也能顯著降低畜禽舍的PM濃度。同時，采用精細喂養的喂料方式也能降低飼料的浪費率及其引發的顆粒物污染。

畜禽舍內的PM不僅來自畜禽舍內，從外部環境進入舍內的PM往往攜帶外來的病毒或細菌，會對畜禽帶來健康危害，因此需要針對外部進入的PM進行源頭控制。新風系統便是一種源頭控制技術：對畜禽舍的進風進行過濾處理，以去除外界空氣中的PM以及其上攜帶的可能致病的微生物。FRANCIS等[78]研制了一套負壓通風的過濾系統，可以高效過濾舍外空氣中的PM，且過濾器中的抗菌膜層可以有效阻隔細菌病毒進入。

管理模式的不同也可從源頭上對PM產生影響。如墊料床的養殖模式與普通養殖模式相比，PM濃度會因墊料的揚起而相對較高[9]；如多層籠養的禽類養殖模式與普通養殖模式相比，PM濃度會因禽類翅膀的扇動而相對較高[11]。養殖模式的改變可以在生產上提高養殖效率但卻也會帶來PM濃度升高的環境問題，因此對于畜禽場管理者需要綜合考慮各種因素，選擇合適的管理模式。

源頭控制是最常用且經濟有效的PM控制方法，但由于各種因素干擾，源頭控制所帶來的效果往往難以令人滿意，因此需要其他控制技術的輔助。

4.2 過程控制

畜禽場PM的過程控制是指飼養過程中對PM的控制，PM的過程控制技術有靜電除塵、通風調控、噴灑水(油)降塵以及清糞技術等。

(1)靜電除塵技術。靜電除塵是一種氣體除塵的方法，在冶金、化學等工業中用以凈化氣體或回收有用塵粒，在畜禽舍中使用靜電除塵技術不僅能起到降塵的作用，還能殺死吸附在顆粒上或懸浮的微生物。對肉雞舍使用空間靜電系統，舍內PM濃度平均降低61%，NH3平均降低56%，微生物數量降低67%，但電能的消耗過高[6]。CHAI等[79]將改進后的靜電除塵技術用于禽舍內的除塵，效率高達79%。但靜電除塵技術的運行成本較高，且由于高壓在操作上有一定的危險性。

(2)通風系統。畜禽舍的通風主要分為自然通風和機械通風，是舍內空氣質量的重要保障措施。合理的通風設計不僅能及時排出舍內污濁的空氣，補入新鮮的空氣，而且能對舍內的溫濕度、有害氣體濃度以及顆粒物濃度起到良好的調控[80-81]。特別在干燥的夏季，機械通風系統所帶來的空氣流動能有效地去除舍內顆粒物。

(3)噴灑水(油)降塵。在畜禽舍內或者動物體表噴灑少量的水或者油，或者通過噴霧裝置對舍內進行加濕處理，可以有效吸附舍內空氣中的PM達到降塵的目的。TAKAI等[82]研究表明，每天定次在豬舍噴灑一定濃度的含菜籽油的溶液，可以明顯的降低PM的濃度。但噴灑的方法會增加舍內空氣濕度，為微生物的滋生提供條件，且冬天噴灑液體會降低舍內溫度，影響畜禽的健康生長。

(4)清糞技術。在養殖過程中，對于畜禽糞便的及時清理可減少糞便在舍內的暴露時間，改善舍內空氣質量，對于舍內 PM濃度也能起到有效的抑制作用。

總之，過程控制應針對不同動物種類的畜禽場、不同飼養階段的畜禽舍、不同管理方式(通風方式、清糞方式等)，綜合分析不同控制技術的優點與局限性，考慮氣候、季節等外因，科學合理地選用控制技術。

4.3 末端控制

末端控制主要是針對向外排放環節進行的控制，可分為PM從舍內向舍外的排放以及PM從場區向環境的擴散。末端控制可以減少PM對外界環境的影響，保護畜禽場周邊的生態環境。對于PM從舍內向舍外排放環節的末端控制，生物過濾器可以在機械通風式畜禽舍的排放口對排放出來的舍內空氣進行過濾以及凈化，通過微生物的作用達到除臭的目的，同時也可以過濾舍內空氣中的PM[83]。在畜禽舍外建造擋塵墻，能有效控制顆粒物向外界排放。在畜禽場周邊科學種植可以降低PM從場區向外界環境的擴散。

適合特定畜禽飼養系統、動物種類和地理區域的高效、經濟可行的減排策略和技術有待進一步研究，多種控制技術結合以及系統性的全程控制是新的研究方向。

5 展望

畜禽場PM作為空氣質量的一個重要指標，不僅影響動物的健康福利以及生長性能，而且也嚴重影響工作人員的健康和周邊環境質量。隨著我國養殖業的規模化發展，畜禽場PM的研究還可以在以下幾個方面進行突破：①畜禽場 PM的來源和排放特征是開展 PM對人畜健康影響機制及其對區域環境空氣質量風險等研究的基礎性研究。然而，相比其他人為排放源，目前畜禽業 PM 排放研究相對薄弱，尤其在 PM 的排放特征和來源的研究上存在明顯不足。近年來，源解析技術在畜禽場 PM 源解析中逐漸被關注，通過源解析確定 PM 的來源是揭開 PM有害性面紗的重要方法。因此，針對畜禽場PM的源解析研究亟待加強與深入。②畜禽場PM對人畜健康的危害當前仍欠缺大量的定量信息，以及對PM問題的嚴重程度和潛在的影響機制仍有眾多的不確定性。畜禽場PM 吸附的NH3、惡臭化合物、致病性與非致病性微生物的影響有待評估，因此，需要獲取更全面、完善的 PM 特征信息以揭示畜禽場 PM 的暴露-效果關系和暴露-反應關系。③現階段對于畜禽場PM的控制技術的研究很多，包括從源頭、過程以及末端上的控制。適合特定畜禽飼養系統、動物種類和地理區域的高效、經濟可行的減排策略和技術有待進一步研究，多種控制技術結合的思路是新的研究方向。

1 HINDS W C. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles[M]. New York: John Wiley & Sons, 1999.

2 JULIANA O D M, SONIA F S, ISIS A K, et al. Inhalation of fine particulate matter during pregnancy increased IL-4 cytokine levels in the fetal portion of the placenta[J]. Toxicology Letters, 2015, 232(2): 475-480.

3 OLE-KENNETH N, MARLENE P, MALENE N, et al. Projection of SO2, NOx, NMVOC, NH3and particle emissions-2012—2035[R].Danish Centre for Environment and Energy, Aarhus University, 2013.

4 CAMBRA-LOPEZ M, TORRES A G, AAMINK A J A, et al. Source analysis of fine and coarse particulate matter from livestock houses [J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(3): 694-707.

5 EMEP-CORINAIR. EMEP/CORINAIR atmospheric emission inventory guidebook[R].Copenhagen, Denmark:EEA, 2007.

6 劉會娟. 雞舍內顆粒物控制方法初探[J]. 畜牧與獸醫, 2013, 10(45):58-59.

7 ZHAO Y, ANDRE J A A, MART C M, et al. Airborne microorganisms from livestock production systems and their relation to dust[J]. Environmental Science and Technology, 2014, 44(10): 1071-1128.

8 DONHAM K J, POPENDORF W, PALMGREN U, et al. Characterization of dusts collected from swine confinement buildings[J]. American Journal of Industrial Medicine, 1986,10(3): 294-297.

9 AARNINK A J A, STOCKHOFE-ZURWIEDEN N, WAGEMANS M J M, et al. Dust in different housing systems for growing-finishing pigs[C]∥Proceedings of Engineering the Future, AgEng 2004, 2004.

10 AARNINK A J A, ROELOFS P E M M, ELLEN H H, et al. Dust sources in animal houses[C]∥Proceedings of International Symposium on Dust Control in Animal Production Facilities, 1999.

11 QI R, MANBECK H B, MAGHIRANGE R G. Dust net generation rate in a poultry layer house[J]. Transactions of the ASABE, 1992, 35(5): 1639-1645.

12 ROUMELIOTIS T S, HEVST B J V. Investigation of secondary particulate matter formation in a layer barn[C]∥Livestock Environment VIII, 2008.

13 LAI H T L, AAMINKL A J A, CAMBRA-LOPEZ M, et al. Size distribution of airborne particles in animal houses[J]. Agricultural Engineering International: CIGR Journal,2014,16(3):28-42.

14 JOO H S, KIHONG P, LEE K, et al. Mass concentration coupled with mass loading rate for evaluating PM2.5 pollution status in the atmosphere: a case study based on dairy Barns[J]. Environmental Pollution, 2015, 207: 374-380.

15 BONIFACIO H F, MAGHIRANG R G, TRABUE S L, et al. TSP, PM10, and PM2.5 emissions from a beef cattle feedlot using the flux-gradient technique[J]. Atmospheric Environment, 2015, 101: 49-57.

16 ADELL H, MOSET V, ZHAO Y, et al. Comparative performance of three sampling techniques to detect airborne Salmonella species in poultry farms[J]. Annals of Agricultural and Environmental Medicine, 2014, 21(1): 15-24.

17 KAASIK A, MAASIKMETS M. Concentrations of airborne particulate matter, ammonia and carbon dioxide in large scale uninsulated loose housing cowsheds in Estonia[J]. Biosystems Engineering, 2013, 114(3):223-231.

18 CAMBRA-LOPEZ M, ANDRE J A A, ZHAO Y, et al. Airborne particulate matter from livestock production systems: a review of an air pollution problem[J]. Environmental Pollution,2010, 158: 1-17.

19 ALBERT W, JULIO M, PETER W G, et al. Emissions of particulate matter from animal houses in the Netherlands[J]. Atmospheric Environment, 2015, 111:202-212.

20 HARTUNG J, SALEH M. Composition of dusts and effects on animals[J]. Landbauforschung V?lkenrode,2007,308:111-116.

21 SEEDORF J, HARTUNG J. Emission of airborne particulates from animal production [C]∥Livestock Framing and the Environment, 2001: 15-22.

22 ZHAO Y, ANDRE J A A, MART C M D J, et al. Airborne microorganisms from livestock production systems and their relation to dust[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2014,44:1071-1128.

23 HOMIDAN A, ROBERTSON J F. Effect of litter type and stocking density on ammonia, dust concentrations and broiler performance[J]. British Poultry Science, 2003, 44: 57-58.

24 DONHAM K J, LEININGER J R. Animal studies of potential chronic lung-disease of workers in swine confinement buildings[J]. American Journal of Veterinary Research, 1984, 45(5): 926-931.

25 RADON K, WEBER C, IVERSEN M, et al. Exposure assessment and lung function in pig and poultry farmers[J]. Occupational and Environmental Medicine, 2001, 58(6): 405-410.

26 MICHIELS A, PIEPERS S, ULENS T, et al. Maes.Impact of particulate matter and ammonia on average daily weight gain, mortality and lung lesions in pigs[J]. Preventive Veterinary Medicine, 2015, 121: 99-107.

27 PAPANASTASIOU D K, FIDAROS D, BARTZANAS T, et al. Monitoring particulate matter levels and climate conditions in a Greek sheep and goat livestock building[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2011, 83(1-4):285-296.

28 YANG X F, WANG X L, ZHANG Y H, et al. Gates characterization of trace elements and ions in PM10and PM2.5emitted from animal confinement buildings[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(39): 7096-7104.

29 柴同杰,趙云玲,劉輝,等. 禽舍微生物氣溶膠含量及其空氣動力學研究[J]. 中國獸醫雜志, 2001,37(3): 9-11.

30 ANDERSEN C I, VON E, SMISTH L M, et al. Respiratory symptoms and airway obstruction in swine veterinarians: a persistent problem[J]. American Journal of Industrial Medicine, 2004, 46(4): 386-392.

31 VIEGAS S, MATEUS V, ALMEIDA-SILVA M, et al. Occupational exposure to particulate matter and respiratory symptoms in Portuguese swine barn works[J]. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A, 2013,76(17):1007-1014.

32 ABEN J, AMELING C B, BECK J, et al. On health risks of ambient PM in the Netherlands[R]. RIVM Report 650010032,2002.

33 KIM K H, KABIR E, KABIR S. A review on the human health impact of airborne particulate matter[J]. Environment International, 2015, 74: 136-143.

34 MITLOEHNER F M, CALVO M S. Worker health and safety in concentrated animal feeding operations[J]. Journal of Agricultural Safety and Health, 2008, 14(2): 163-187.

35 PEARSON J F, BACHIREDDY C, SHYAMPRASAD S, et al. Association between fine particulate matter and diabetes prevalence in the US[J]. Diabetes Care, 2010, 33(10):2196-2201.

36 POPE C A, BUMETT R T, THUN M J, et al. Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution[J]. The Journal of the American Medical Association, 2002, 287(9): 1132-1141.

37 PHILLIPS V R, HOLDEN M R, SNEATH R W, et al. The development of robust of gaseous and particulate air pollutants in livestock buildings[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1998, 70(1):11-24.

38 GRIMM E. Control of PM emissions from livestock farming installations in Germany[C]∥HINZ T, TAMOSCHAT-DEPOLT K. Proceedings of Particulate Matter in and from Agriculture, FAL Agricultural Research, 2007.

39 KLIMONT Z, WAGNER F, AMMANN C, et al. The role of agriculture in the European Commission strategy to reduce air pollution[C]∥HINZ T, TAMOSCHAT-DEPOLT K. Proceedings of Particulate Matter in and from Agriculture, FAL Agricultural Research, 2008.

40 TAKAI H, PEDERSEN S, JOHNSEN J O, et al. Concentrations and emissions of airborne dust in livestock buildings in Northern Europe[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1998, 70(1): 59-77.

41 GRANTZ D A, GAMER J H B, JOHNSON D W. Ecological effects of particulate matter[J]. Environment International, 2005, 29(2-3): 213-239.

42 IPOC change. Report of the IPCC export meeting on emission estimation of aerosols relevant to climate change[R]. Environmental Policy Collection, 2005.

43 BAKUTIS B, MONSTVILIENE E, JANUSKEVICIENE G. Analyses of airborne contamination with bacteria, endotoxins and dust in livestock barns and poultry houses[J]. Acta Veterinaria Brno, 2004, 73(3): 283-289.

44 CAI L, KOZIEL J A, LO Y C, et al. Charaterization of volatile organic compounds and odorants associated with swine barn particulate matter using solid-phase microextraction and gas chromatography-mass spectrometry-olfactometry[J]. Journal of Chromatography A, 2006, 1102(1-2): 60-72.

45 SEEDORF J. An emission inventory of livestock-related bioaerosols for Lower Saxony[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(38): 6565-6581.

46 CHOI J S, LEE I B, HONG S W, et al. Aerodynamic analysis of air pollutants in pig farms using CFD technology[C]∥17th World Congress of the International Commission of Agricultural and Biosystems Engineering, Paper 100888, 2010.

47 HADLOCON L S, ZHAO L Y, BOHRER G, et al. Modeling of particulate matter dispersion from a poultry facility using AERMOD[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2015, 65(2):206-217.

48 HOLMES N S, MORAWSKA L. A review of dispersion modelling and its application to the dispersion of particles: an overview of different dispersion models available[J]. Atmospheric Environment, 2006,40(30): 5902-5928.

49 陳峰. 籠養蛋雞舍顆粒物與有害氣體濃度研究[D]. 云南：昆明理工大學, 2014.

50 莫金鑫. 自動化超大規模蛋雞舍粉塵組分及季節變化規律的研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學， 2013.

51 GERALD C, McPHERSON C, McDANIEL T, et al. A biophysiochemical analysis of settled livestock and poultry housing dusts[J]. American Journal of Agricultural and Biological Sciences, 2014, 9(2): 153-166.

52 CAMBRA-LOPEZ M, HERMOSILLA T, AAMINK A J A, et al. A methodology to select particle morpho-chemical characteristics to use in source apportionment of particulate matter from livestock houses[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2012, 81: 14-23.

53 HUANG Q, McCONNELL L L, RAZOTE E, et al. Utilizing single particle Raman microscopy as a non-destructive method to identify sources of PM10from cattle feedlot operations[J]. Atmospheric Environment, 2013, 66:17-24.

54 PERKINS S L, FEDDES J J R, FRASER D. Effects of sow and piglet activity on respirable particle concentrations[J]. Applied Engineering in Agriculture, 1997, 13(4): 537-539.

55 COSTA A, BORGONOVO F, LEROY T, et al. Dust concentration variation in relation to animal activity in a pig barn[J]. Biosystems Engineering, 2009, 104(1): 118-124.

56 CALVET S, VAN DEN H, KOSCH R, et al. The influence of the lighting program on broiler activity and dust production[J]. Poultry Science, 2009, 88(12):2504-2511.

57 YAO H Q, CHOI H L, LEE J H, et al. Effect of microclimate on particulate matter, airborne bacteria, and odorous compounds in swine nursery houses[J]. Journal of Animal Science, 2010, 88(11):3707-3714.

58 LE B S, HUNEAU S A, HUONNIC D, et al. Aerial dust concentration in cage-housed, floor-housed, and aviary facilities for laying hens[J]. Poultry Science, 2013, 92(11): 2827-2833.

59 HEBER A J, BOGAN B W, NI J Q, et al. The national air emissions monitoring study: overview of barn sources[C]∥Livestock Environment VIII, 2008.

60 Purdue University. Quality assurance project plan for the national air emisisons monitoring study (barn component)[R]. West Lafayette, IN: Purdue University, 2006.

61 JOO H S, NDEGWA P M, HEBER A J, et al. Particulate matter dynamics in naturally ventilated freestall dairy barns[J]. Atmospheric Environment, 2013, 69:182-190.

62 HAYES M D, XIN Hongwei, LI Hong, et al. Ammonia, greenhouse gas, and particulate matter concentrations and emissions of aviary layer houses in the Midwestern USA[J]. Agricultural and Biosystems Engineering, 2012, 56(5):1921-1932.

63 RAZOTE E B, MAGHIRANG R G, MURPHY P, et al. Ambient PM10 concentrations at a beef cattle feedlot in Kansas[C]∥ASABE International Symposium on Air Quality and Waste Management for Agricalture,2007.

64 LIN X J, CORTUS E L, ZHANG R, et al. Air emissions from broiler houses in California[J]. Transactions of the ASABE, 2012, 55(5): 1895-1908.

65 LI Q F, WANG L J, LIU Z F, et al. Field evaluation of particulate matter measurements using tapered element oscillating microbalance in a layer house[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2012, 62(3):322-335.

66 CFR. Reference method for the determination of suspended particulate matter in the atmosphere (high-volume method)[Z]. 40 CFR Appendix B, To Part 50, Washington, DC:US Government Printing Office, 2003.

67 MAGHIRANG R G, MANBECK H B, ROUSH W B, et al. Air contamiant distributions in a commerical laying houses[J]. Transactions of ASAE, 1991, 34(5): 2171-2179.

68 MAGHIRANG R G, PUMA M C, LIU Y, et al. Dust concentrations and particle size distribution in an enclosed swine nursery[J]. Transactions of ASAE, 1997, 40(3): 749-754.

69 ROUMELIOTIS T S, DIXON B J, HEYST B J. Characterization of gaseous pollutant and particulate matter emission rates from a commercial broiler operation part II: correlated emission rates[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(31): 3778-3786.

70 ROUMELIOTIS T S, DIXON B J, HEYST B J. Characterization of gaseous pollutant and particulate matter emission rates from a commercial broiler operation part I: observed trends in emissions[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(31): 3770-3777.

71 McCLURE J. Determination of particulate matter emissions from confinement animal housing[D]. Urbana, IL: University of Illinois at Urbana-Champaign, 2009.

72 常志勇, 楊逍, 慕海峰，等. 基于粒徑譜儀的畜禽場顆粒物測量研究[J/OL]. 農業機械學報, 2015, 46(8): 246-251. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150834&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.08.034. CHANG Zhiyong, YANG Xiao, MU Haifeng, et al. Real-time measurement of particulate matter emitted from animal feeding operation based on aerodynanic particle sizer[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8): 246-251. (in Chinese)

73 MASIOL M, SQUIZZATO S, RAMPAZZO G, et al. Source apportionment of PM2.5at multiple sites in Venice (Italy): spatial variability and the role of weather[J]. Atmospheric Environment, 2014, 98:78-88.

74 CAMBRA-LOPEZ M, HERMOSILLA T, AAMINK A J A, et al. A methodology to select particle morpho-chemical characteristics to use in source apportionment of particulate matter from livestock house[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2012, 81:14-23.

75 LI Q F, WANG L L, JAVANTY R K M, et al. Organic and elemental carbon in atmospheric fine particulate in animal agriculture intensive area in North Carolina: estimation of secondary organic carbon concentration[J]. Open Journal of Air Pollution, 2013, 2(1): 7-18.

76 WANG L J, LI Q F, KEITH E, et al. Biological characteristics of aerosols emitted from a layer operation in southestern US[C]. ASABE Annual Meeting Paper 096358, 2009.

77 TAKAI H, JAEOBSONB L D, PEDEMENA S. Reduction of dust concentration and exposure in pig buildings by adding animal fat in feed [J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1996, 63(2):113-120.

78 DLR. Application of all filtration systems in swine operations[M]. AGRIS, 2009.

79 CHAI M, LU M M, TIM K, et al. Using an improved electrostatic precipitator for poultry dust removal[J]. Journal of Electrostatics, 2009, 67(6):870-875.

80 TAN Z C, ZHANG Y H. A review of effects and control methods of particulate matter in animal indoor environments[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2004, 54(7):845-854.

81 LI H, XIN R, BUMS T, et al. Effects of bird activity, ventilation rate and humidity on PM10concentration and emission rate of a turkey barn[C]∥Livestock Environment VIII, 2008:111-116.

82 TAKAI H, MOILER F, IVERSEN M. Dust control in pig houses by spraying mpesoed oil[J]. Transactions of the ASAE, 1995,38(5):1513-1518.

83 MELSE R W, VAN DER WERF A W. Biofiltration for mitigation of methane emission from animal husbandry[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(14):5460-5468.

Research Progress on Pollution and Monitoring Technology of Particulate Matter from Livestock and Poultry Farms

WANG Kaiying1DAI Shengyan1WANG Lingjuan2

(1.DepartmentofBiosystemsEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,NorthCarolinaStateUniversity,RaleighNC27695-7625,USA)

With the rapid development of livestock and poultry in recent decades, emissions of particulate matter (PM) from animal production facilities have became increasing concern due to its adverse effect on the health and welfare of humans and animals, as well as the environment. The state-of-the-art-of the source, characteristics, harm, the related standards and control technologies of PM in livestock farms were reviewed. Knowledge on the sources, the physicochemical and biological characteristics, diffusion models and reduction techniques of PM from livestock and poultry farms can be used to identify and quantify sources of PM, evaluate effects of PM and develop adequate abatement strategies of PM in animal farms. The monitoring technology of PM based on its complicated characteristics was stated. Mass concentration and PSD of PM could be measured by weighing, optical, aerodynamic and electronic methods. Three techniques of monitoring components of PM from animal farms currently were introduced in detail, including ion chromatography, X-ray spectrometry and thermal optical analysis. Identification techniques of microorganism in PM were mentioned briefly, including gram method staining, metabolic analysis and ribosome profiling. The source control technology, process control technology and end control technology of PM from livestock and poultry farms were briefed, cost effective adequate reduction technologies and strategies of PM in Chinese animal farms needed to be developed. Further research to characterize, assess health risk on animals and humans, and control PM in animal farms was discussed.

livestock and poultry farms; particulate matter; air pollution; monitoring technology

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.030

2016-11-01

2017-01-04

國家自然科學基金項目(31672467)

汪開英(1968—)，女，副教授，主要從事農業空氣質量研究，E-mail: zjuwky@zju.edu.cn

X513; S811.7

A

1000-1298(2017)06-0232-10