畜禽養殖污染氣體監測技術綜述

蒲施樺，李廳廳，王 浩，簡 悅，劉作華*，龍定彪*，阮蓉丹

（1.重慶市畜牧科學院，重慶402460；2.西南大學動物科學學院，重慶402460；3.農業農村部西南設施養殖工程科學觀測實驗站，重慶402460）

隨著人們生活質量的提高，對肉蛋奶制品數量和質量的需求也在不斷增加，這也促使我國畜牧養殖向規模化、集約化、標準化發展。原農業部2018 年工作要點指出，我國生豬飼養量和豬肉產量占世界總量的50%，截至2017 年底，我國大中規模生豬養殖出欄率為全國生豬總出欄率的78.4%；大中規模家禽養殖出欄數為全國總家禽出欄量的63%[1]，畜禽規模化養殖率在58%左右，規模化養殖已成為畜牧生產的中堅力量。在規模畜禽養殖為農業增收、農村經濟壯大開辟新途徑的同時，也伴隨產生了大量環境污染物。其中，規模化畜禽養殖排放的空氣污染物成為了現今不容忽視的環境問題之一[2-4]，受到了越來越多的關注。2016 年《中國空氣質量管理評估報告》的統計數據顯示，我國畜牧業的氨排放量占全國氨排放總量的80%以上[5]，而美國和歐洲的畜牧業氨排放量分別占人類氨排放總量的55%和75%[6-7]。養殖業的空氣污染物被認為是生態系統的破壞者之一[8]。因此，開展畜禽養殖場空氣污染物監測，為畜禽養殖污染防控技術及決策提供準確有效的檢測數據，對促進我國現代畜牧業升級轉型，實現環境友好型的畜禽養殖業至關重要。

美國、歐洲等發達國家和地區的畜禽養殖場空氣污染物監測研究起步較早，20 世紀50 年代初美國首次開展了針對畜禽養殖場氨氣濃度的監測工作[9]，隨后加拿大、丹麥等國家陸續開展了大量畜禽養殖場空氣質量檢測工作，并形成了相對成熟的監測方法和操作規范[10-11]。近年來，我國加大了對畜禽養殖場的環境污染防治力度，并相繼出臺了《畜禽養殖業污染防治技術規范》《畜禽養殖業污染物排放標準》等系列的畜禽養殖污染監督標準和法規[12-13]。但由于我國的相關研究起步較晚，現有的畜禽養殖污染檢測技術尚處于跟跑階段[14]。作為畜禽養殖場污染物防控的技術手段和基礎，研發智能化養殖場空氣污染物檢測技術及設備，建立標準化的規模化養殖場空氣質量監測系統是當前面臨的一項迫切任務。本文就國內外在畜禽養殖空氣污染物監測的采樣、檢測、通風三個重要環節的方法、技術、設備進行系統的對比總結，為我國規模化畜禽養殖場空氣質量監測提供參考依據。

1 養殖場氣體的現場采集技術及設備

現場氣體采集方式根據采樣設備的覆蓋空間大小，可分為封閉式、點位式和開路式三種。封閉式是在封閉空間進行氣體樣品的收集，而點位式和開路式，分別針對三維空間內一特定點和兩點式光路中的氣體進行采集（圖1）。

圖1 氣體采集方法Figure 1 Gas collection methods

1.1 封閉式

封閉式采集法是將一個密封性的外殼或桶，覆蓋在監測點位的上方而形成一個密閉采樣室，可消除外界環境對樣品的影響。這種密封采集室的底部一般是敞開的，并配備一個或多個空氣出入口，用于氣體檢測和裝置內部空氣環境的清洗。最早的采集室是由瑞士Lindvall 研發用于氣味測定，被稱為“Lindvall箱”，后來被Svensson 等[15]用于畜禽場或土壤中氨氣、二氧化碳的采集。目前研究中出現過的采樣室大多為箱體（表1）。

1.2 點位式

點位式采樣是在養殖場內的一個或多個點位置進行氣體采集，相比密封式，該方法可以采集養殖舍內不同高度、進出風口以及場區上風向、下風向的氣體。根據采樣設備的不同，點位式可分為主動式和被動式。被動式采樣通常采用傳感器設備，氣體通過擴散方式進入到設備中，同時完成氣體濃度的檢測工作，如被動式氣體探測管，就是通過待測氣體擴散至管內進行的采集和測定。主動式采樣則是利用一個或者多個氣泵對監測位置的氣體樣品進行采集。其中，原位式主動采樣的氣泵和檢測設備在同一位置，如華瑞公司生產的氣體檢測管（圖2），就是采用抽氣泵將氣體吸入到檢測管中進行檢測，其操作簡單，且測定及時。集中式主動采樣是一種相對復雜的多點位式采集系統（圖3），由氣管、氣泵及自動控制設備組成，監測點的氣體由自動系統控制通過氣管輸送至檢測設備，能實現多點位、長距離的氣體采集和監測，但系統中輸送氣管需要進行隔熱或加熱處理，以防止氣體傳輸過程中溫度差異造成的管內局部冷凝[26]。

表1 采樣室的規格及用途Table 1 Specification and usage of sampling chamber

1.3 開路式

圖2 華瑞LP-1200氣體采樣泵Figure 2 Gas sampling pump RAE LP-1200

圖3 INNOVA1409 多點式采樣儀Figure 3 Multipoint sampler INNOVA1409

開路式通過由光源發射器、接收器∕傳感器組成的光學探測裝置進行氣體采集檢測。由光源發射器向遠距離方向發射紫外或紅外光束，從而形成一條開放式光路徑，將氣體傳輸至光源接收器∕傳感器進行濃度檢測。由于光學探測設備性能差異，光源發射器和接受器之間的開放路徑長度在100～750 m 不等[27]，美國PID公司的LaserWarn1000∕2000量子激光開路式氣體檢測設備可以監控500 m的氨氣和二氧化碳濃度，Secrest 等[28]采用紫外光差分吸收技術對養殖場以北0.8 km處的NH3濃度進行測定，用以評估密蘇里州集約化養殖場的NH3排放對下風向居民的影響。

2 污染氣體濃度現場檢測技術及設備

早期養殖場氣體檢測主要是采用濕化學法和嗅覺法等傳統方法[29]，隨著氣體傳感器和分析技術的提升，許多高精度的氣體技術被引入到畜禽空氣質量測量中。目前，關于畜禽養殖領域的氣體檢測方法主要分為嗅覺法、化學法和光學法三大類，根據設備檢測原理的不同又分為11 種（圖4）。其中，氣體檢測管、電化學傳感器、光學氣體分析儀被廣泛用于養殖場現場氣體檢測。

2.1 氣體檢測管

圖4 氣體濃度檢測方法的分類Figure 4 Classification of gas concentration detection methods

氣體檢測管基于目標氣體吸附固體表面顯色反應而設計，不同氣體會根據反應產物的不同顯示出不同顏色，其檢測氣體種類可達300 種。氣體檢測管根據氣體采集類型，分為主動型氣管和被動型氣管。由于其操作簡單、功能單一，早期被用于畜禽養殖場內NH3和H2S 的檢測。Meyer 等[30]首次采用氣體檢測管測量了200 個產仔豬舍的NH3濃度；Worley 等[31]也采用氣體探測管對豬舍內的NH3和H2S 進行檢測。氣體檢測管的成本相對較低，美國RAE、德國德爾格等氣體檢測管的價格大約在50～70元，配套的氣管泵在1000～1500 元。不同類型、不同廠家的檢測管的檢測精度和范圍會存在差異性。Skewes 等[32]發現被動型氣管（Gastec Passive Dosimeter Tube No.3）與主動型氣管（Gastec Low Range Ammonia Detector Tube No.3）在對畜禽舍內的NH3濃度進行測定時，被動型氣管的檢測限更低，精準度更高；Kroodsma 等[33]對比了德國德爾格與日本光明理化兩家公司的氣體檢測管，發現在測定低濃度NH3時，德爾格氣管的精準率在10%左右，誤差率在15%左右，而日本光明理化的氣管的精準率和誤差率均在2%以下。可見，氣體檢測管無法滿足畜禽舍內低濃度氣體的檢測要求，且精準度和誤差率也不穩定，但因其使用方便、性價比高，目前依然被廣泛應用。

2.2 電化學傳感法

接觸式傳感法是基于氣體的電化學性質，通過目標氣體與傳感器接觸發生化學反應，以傳感器的電流變化或電阻變化來判斷氣體的成分和濃度。常用的接觸式傳感器有半導體傳感器、電化學傳感器和電子鼻。早在20 世紀60 年代，半導體傳感器就因其靈敏度高、穩定性好、制作簡單而被廣泛用于農業領域的氣體檢測，Li 等[34]采用半導體傳感器對畜禽舍內NH3和H2S 進行測定；半導體材料決定了傳感器的靈敏度，常用的材料有WO3、Fe2O3、Sn2O3等。Ahsan 等[35]對WO3半導體膜進行改進，顯著提高了傳感器的靈敏度，能檢測小于10 μL·L-1的NH3；Kawashinma 等[36]對NH3傳感器的半導體材料Sn2O3進行加熱處理，發現其可現場檢測小于10 nL·L-1的NH3濃度變化。雖然半導體傳感器的應用簡單、成本低，但其檢測氣體單一，難以適應復雜氣體環境的檢測要求，而電化學傳感器具有良好的氣體選擇性，能在復雜氣體環境下測定多種氣體成分。常見的電化學傳感器有德國德爾格生產的X-am 7000、美國華瑞生產的MultiRAE 2等，這些都被用于畜禽舍內的NH3、CH4、H2S 等氣體的檢測，其檢測精度至少達到1 μL·L-1。電化學傳感器在長時間使用過程中容易出現漂移，需要定期進行氣體標定校準；其電極與氣體接觸時間過長，會出現永久性中毒，影響設備的額定使用壽命，壽命一般在12～18個月。

2.3 光學氣體分析儀

光學法分析基于氣體對光吸收的特質，通過獲取氣體的光譜信息進行氣體濃度測定。由于其靈敏度高、響應時間短、能實現自動化連續檢測，而被逐漸用于畜禽場空氣污染濃度變化及排放規律的相關研究。如Dekock 等[37]采用Binos4b 型非分散紅外光譜（NDIR）分析儀對3 棟育肥豬舍NH3濃度進行周期性監測，所建立的NH3排放模型的最大誤差小于10%；Hensen 等[38]采用美國TDLAS 檢測儀研究了奶牛養殖場N2O 和CH4的排放規律，N2O 和CH4分辨率分別為20 nL·L-1和10 nL·L-1。相比于氣體檢測管、電化學法檢測對象的局限性，光譜原理的檢測設備能進行多氣體的實時定量，其選擇性強，能有效避免多氣體檢測的干擾性。具有代表性的檢測設備是丹麥LUMASENSE公司的INNOVA 紅外光聲譜氣體檢測儀，它能測定NH3、N2O、CH4、CO2、C2H5OH 五種氣體，測定精度能達到10-9級。該儀器在檢測分析過程中，能有效補償測量溫度，消除水汽和氣體的干擾，確保數據的穩定性、可靠性、準確性。Childers 等[39-40]采用INNOVA測定豬舍內的NH3、CH4、CO 等有害氣體濃度，檢測限小于3 nL·L-1，且各種氣體的平均誤差小于3%。

就市場上應用比較廣泛的氣體測定設備進行歸納發現（表2），這些設備在檢測范圍、測定精度、運行成本等方面都各具優點和缺點。然而，到目前為止，尚不能確定哪種檢測技術或設備的數據更接近“真實”畜禽養殖污染氣體濃度。主要是因為養殖場氣體檢測技術標準尚未建立，從而導致無法對現有的測定設備進行比較和評估。

3 通風量的檢測

通風狀況是影響畜禽舍空氣污染物濃度及排放的主要因素之一。因此，通風量作為氣體濃度監測的一項重要指標，被用來計算養殖場有害氣體濃度排放率[41]（公式1）。由于養殖場通風模式及通風設備的多樣性，造成畜禽舍通風量測定的誤差較大，這成為畜禽環境監測領域的一個技術難題。

式中：E 為排放速率，mg·min-1；Q 為通風量，m3·min-1；C1、C2分別為空氣交換空間進出口空氣污染物濃度，mg·m-3。

表2 有害氣體濃度現場檢測設備比較Table 2 The comparison of on-site harmful gas detection equipments

通風量的測量主要有直接和間接兩種方式。直接測量即通過測定風機排風口的風速、風機的表面積、風機運行時間等參數計算得到通風量。間接測量即基于測量其他變量來計算，如示蹤劑氣體法[42]。

3.1 直接測量法

直接測量法只能用于機械通風的密閉畜禽舍，其通風量一般通過測定風機排風口的風速和風機表面積來計算，或通過測量舍內舍外的靜壓差、風機的運行時間來計算。風機運行時間可以通過風帆開關、風機轉速法以及風扇振動傳感器的監測來獲取[43]。風速和靜壓可以通過傳感器測定[44]。常規的風速傳感器只能用于直徑小于80 cm 的風機的測定，為測定大直徑風機的風速，美國設計出一種適用于直徑140 cm及以下的風機現場通風測定系統（FANS）[45]。由于需要在畜禽舍內每個風機的排放口安裝相應的檢測設備，這對于規模化養殖場來說，不僅工作量大，而且成本高。因此，該方法在規模化養殖場的通風測定中適用性不強。

通風量在測算過程中，由于單點位的風速測量難以代表整個風機的實際通風量，因此造成計算結果誤差大，或是忽略了風機傳送帶松動、粉塵阻礙停止運轉等情況，導致測算結果與實際值有20%～25%的偏差[46]。為了提高測算的精準度，不少學者會根據試驗現場環境對通風量計算公式進行修正（表3）。Ni等[47]通過對豬舍風機運行時間和室內靜壓的監測，建立了風機通風量與靜壓的線性模型；王文林等[48]在規模化豬場夏季NH3日排放特征的研究中，由于考慮到氣象條件對通風率的影響，于是將溫度、氣壓參數加入測算公式進行修正。Chai 等[49]對風機風扇進行了工業標準測試，建立了風機通風量與靜壓差的三階多項式模型。Calvet等[50]對一個商業肉雞場不同規格的風機通風量進行監測，最終舍內總通風量通過各個風機通風量與運行時間進行求和得到。

3.2 間接測量法

對于開放式和半開半閉式的畜禽養殖場，通風量的測量常采用間接測量法。間接測量包括示蹤法、二氧化碳平衡法和其他方法（熱量平衡法、濕度平衡法以及熱壓、風壓測量法），其具體計算公式見表4。實際中運用較多的方法是示蹤法和二氧化碳平衡法，而其他方法由于參數難以確定，且誤差較大等原因一般只作為理論計算。

3.2.1 示蹤法

示蹤法是根據質量守恒原理，在通風建筑物或者通風空間中釋放一定量的示蹤劑，通過檢測示蹤氣體的濃度變化來間接計算通風量[51-52]。示蹤法測定效果取決于示蹤氣體是否能與空氣均勻混合，所以示蹤氣體的選擇極其重要。只有具備安全性（不易燃燒、無毒、無刺激性）、惰性（不與測算空間氣體發生反應）、唯一性和易測量性才是理性示蹤氣體[53]。目前，試驗常用的示蹤氣體有六氟化硫（SF6）、一氧化碳（CO）、氦氣（He）、氫氣（H2）等[54-55]。1998年，Demmers等[56]首次在英國采用一氧化碳示蹤劑對自然通風的牛場的通風量進行了監測，認為測量的精確度與風速成反比。Samer等[57]采用水平衡法、二氧化碳平衡法、熱平衡法和放射性示蹤氣體法對一個自然通風的奶牛舍中的氣體交換率進行測定，其中放射性示蹤測定的結果更為可靠。

3.2.2 二氧化碳平衡法

二氧化碳平衡法即在知道動物產熱量與新陳代謝關系的前提下，由不同動物在不同飼養情況下的呼吸熵得出二氧化碳的產生量，再通過舍內舍外的二氧化碳濃度計算出實際通風量[58-59]。二氧化碳平衡法的有效性取決于動物代謝率數據的可靠性[60]，而方法中的呼吸熵和產熱量主要是通過參考推薦得出，這使得通風量的計算值與實際值存在一定的偏差。Blanes 等[61]對比二氧化碳平衡法、濕度平衡法和熱量平衡法三種方法計算的豬舍通風量數據，結果顯示二氧化碳平衡法較實測通風量低8%，濕度、熱量平衡法較實測通風量均低9%。Samer 等[62]采用二氧化碳平衡法、示蹤法和濕度法對自然通風的奶牛場冬季和夏季的通風量進行測定，結果表明二氧化碳平衡法在冬季的效果更好。

4 畜禽養殖場氣體監測誤差

養殖場氣體監測過程中的采集、布點、通風量估算、人為操作等環節，都會對檢測結果造成誤差。為了確保監測結果的代表性、完整性、準確性、可比性、重復性，需要對養殖場空氣監測過程的氣體采集、儀器檢測等過程實施質量管控措施。對現有畜禽養殖氣體研究中的監測和質控措施進行總結歸納發現（表5）[64-66]，大部分誤差來源于校準、采樣、檢測三個環節。

4.1 校準誤差

校準是采用標準氣體對測量裝置或基準面，如響應、漂移、線性、穩定性和精度等性能系數的校正。產生校準誤差的因素主要有三個：一是校準氣體，Albert等[67]對同一廠家同批次的55.3、33.2 μL·L-1和9.33 μL·L-1標準NH3進行測試，發現測試結果存在10%～20%的誤差，選擇具有資質的供氣商并進行標氣自檢是較為有效的質控措施；二是校準頻率，過高的校準頻率不僅昂貴，而且造成正常測量時間的損失，而過少的校準將會增加檢測結果的不確定性，通過自動校準設備和軟件可減少這一誤差產生；三是干擾氣體，校準氣體通常不含有干擾物質，這與實際測量空氣存在一定差異，而這種差異會在設備被標氣校準后引起測量數據的誤差，這在實際中不可避免，除非已知干擾成分的濃度，才可消除這種誤差。

表3 直接法測通風量的相關方程式Table 3 Correlation equations for direct measurement of ventilation volume

表4 間接法測通風量的相關方程式Table 4 Correlation equations for measuring ventilation volume by indirect method

4.2 采樣誤差

采樣誤差主要來源于采樣方法和采樣設備。養殖場氣體濃度日變化和季節變化明顯，是氣體采樣的一個重要誤差源。Lefcourt[68]提出增加采集點位、提高采集頻率并擴大測試樣本量可避免這種誤差性。而大部分采樣設備的采樣速率、工作時間以及采樣氣管都無法滿足這種采集要求，而且長時間、高頻率的采集，會引起采樣氣管堵塞、系統負壓泄露。因此只能通過設備性能升級和人為正常維護，從而提高這種采集需求的實施性。

4.3 檢測誤差

養殖場氣體濃度低、瞬間變化不明顯，使得氣體測定的響應頻率低于檢測設備的響應時間，從而產生“實時”濃度測定誤差，加之養殖場溫濕度差異、粉塵、顆粒物質等干擾因素較多，進而增加了測定數據的誤差性。而現今研究所用氣體檢測設備性能，如響應時間、測定精度及其對氣體干擾物質消除和補充等，都不是針對養殖場環境及氣體而研發的。因此，需要監測工作開始前，評估檢測設備的現場測定性能，選取滿足監測需求的設備，提高養殖氣體監測數據的有效性和準確性。

表5 畜禽舍內氣體濃度監測誤差及控制措施Table 5 Problems and control measures in monitoring gas concentration in livestock houses

5 展望

5.1 養殖場氣體采樣的代表性、全面性、連續性仍是一項技術難題

養殖場區域結構復雜，氣體污染源多且分散，而現有的采樣技術只適用于短時間的點位、路徑，對于場區氣體長期性、空間性變化的多點式采集，尚無相關的采樣技術方法和設備，加之養殖環境中粉塵、飼料粉塵等干擾物質多，從而造成養殖場氣體采集成為難點問題。

5.2 廣譜實用型畜禽氣體污染物快速檢測裝備有待研發

我國現階段采用的畜禽污染氣體監測儀器和傳感器均為國外進口，尤其是一些靈敏度高、響應時間短的設備，因為價格昂貴，大部分設備只集中在科研院校研究使用，缺乏一款具有自主產權、適用于我國畜禽養殖環境的廣譜實用型畜禽氣體污染物快速檢測裝備，以為我國養殖優勢產區商業型養殖場實地應用、養殖場環境信息長期穩定獲取提供技術手段。

5.3 規模化畜禽污染氣體監測技術標準亟待開展

國內外對于畜禽氣體污染物監測技術標準尚不完善，導致一些畜禽養殖場空氣污染物監測數據不具備可比性和代表性。因此，需要聯合科研院校、儀器企業、環境監管部門及標準管理部門，制定畜禽污染氣體采樣、檢測、校準、數據處理等相關的技術標準，構建一套完整、有效的畜禽養殖場污染氣體監測技術方案，為摸清主要氣體污染物排放、遷移及轉化特征和規律提供技術支撐。