規模養殖氨氣監測及控制技術

牛培培，張總平，貢玉清，杜新平，李平華,3，侯黎明,3，黃瑞華,3*

(1. 南京農業大學淮安研究院，江蘇 淮安 223005；2. 江蘇省畜牧總站，江蘇 南京 210017；3. 南京農業大學養豬研究所，江蘇 南京 210095)

近三年受“非洲豬瘟”疫情影響，生豬產量急劇下滑。為更好滿足居民豬肉消費需求，推動構建生產高效、資源節約、環境友好、布局合理、產銷協調的生豬產業高質量發展新格局，促進經濟社會平穩健康發展。政府先后出臺了貸款貼息、資金補助、生豬“點對點”調運等政策支持，極大提高了生豬規模養殖的發展速度。2020年農業農村部召開全國生豬生產恢復視頻調度推進會指出：截至10月10日，我國生豬規模養殖比重提高到53%[1]。由此分析規模化養殖將成為我國畜牧生產的主導力量。規模養殖擴張，意味著養殖污染物大量產生；尤其近幾年層疊式籠養及樓房養殖模式的推廣，使得養殖空氣污染成為生豬高密度養殖發展面臨的突出問題[2-3]。《中國空氣質量管理評估報告》2017年統計數據顯示，我國農業NH3排放大約為1 000萬t，超過歐洲與美國NH3排放的總和，其中氮肥施用和畜禽養殖NH3占排放總量的90%。畜禽養殖大省山東和四川省2015年以前的農業源NH3排放清單表明，畜禽源NH3排放分別占農業源NH3排放總量的73%[4]-和72%～79%[5]。因此開展養殖源氨氣監測及控制技術開發對提升氣體污染防治水平，促進我國畜牧業轉型升級尤為關鍵。歐美國家畜禽源NH3排放占全球排放總量的50%，其中美國約80%，歐洲達90%。上世紀80年代歐美國家開始對畜禽源NH3的排放規律、監測方法、減排策略進行研究；同時美國Rosemoun和Thermo、丹麥Lumasense、德國Drager為代表的公司相繼推出了一系列的氨氣監測設備。隨著氨氣監測工作持續開展，美國編制了《氨排放控制和污染防治報告》，英國建立了國家氨減排措施評價系統模型，德國建立了農業排放清單模型，丹麥建立了氨排放模型[6]。2018年我國“藍天保衛戰”打響，隨著規模養殖業飛速發展，近年來國內研究者開始高度關注養殖源氨氣濃度監控技術研究。本文就養殖源氨氣產生及危害、養殖源氨氣監測和控制技術進展進行系統綜述，為規模化養殖源氨氣監測及控制技術開發提供參考。

1 養殖源NH3產生及危害

養殖源NH3會對畜禽和人類健康及生態環境產生不良影響。研究表明氨氣濃度3×10-5時，可破壞斷奶仔豬氣管和肺的組織形態結構，引起組織炎癥反應，影響血清、氣管和肺組織細胞因子含量；氨氣濃度6×10-5時，斷奶仔豬氣管黏液分泌過多；氨氣濃度9×10-5時，斷奶仔豬氣管和肺的半胱天冬酶表達量升高，引起組織細胞凋亡[7]。Michiels等[8]認為NH3濃度增加可導致育肥豬胸膜肺炎病變幾率升高。Thu[9]調查發現,30%的養殖場工人患有慢性支氣管炎、職業性哮喘等呼吸系統疾病。此外，環境中過量的氨會導致生態系統富營養化及氣候變化。

2 養殖源NH3檢測技術進展

養殖場內氨氣濃度檢測方法以化學法和光學法為主。研究者用于養殖場氨氣濃度檢測設備主要有氣體檢測管、電化學傳感器和光學氣體分析儀。隨著無線傳感、物聯網及神經網絡技術的快速發展，畜禽舍內環境監控系統的開發和應用水平得到了極大地提高。

2.1 常用氨氣檢測設備性能

劉國云等[10]對比日本GASTEC公司3CG、日本北川公司105SD和德國Drage公司0.25/a主動取樣氨氣檢測管的性能發現，大于檢測管量程范圍1/3時，3種檢測管比對結果相對誤差均小于15%；小于檢測管量程范圍1/3時，氣體檢測管準確度相對誤差小于25%(0.25/a氣體檢測管最低濃度除外)。所以使用此類設備要注意其量程范圍、精密度和準確度等參數指標。氣體探測管雖然檢測精度較低，但使用方便，因此廣泛應用于室內氨快速半定量檢測。

選定濃度13×10-6、66×10-6和105×10-6的氨氣作為待測氣體，對比評價檢測管測定和便攜式電化學氣體檢測儀法的精密度，發現氨氣檢測管檢測精密度為5.1%～8.4%，便攜式電化學檢測儀精密度為2.3%～7.9%，因此建議便攜式電化學檢測儀法作為低濃度氨氣定量的首選方法[11]。Wheeler等[12]利用含有兩個電化學NH3傳感器的便攜式檢測單元對雞舍氨氣進行監測，發現傳感器的差異小于1×10-6，檢測精度可達到3%，但長時間使用易漂移，需要定期進行重新校準。相對于氣體檢測管、電化學氣體傳感器的局限性，光譜氣體檢測設備可進行多氣體濃度的實時定量檢測，有效避免多氣體檢測的干擾性。丹麥LUMASENSE公司的INNOVA紅外光聲譜氣體檢測儀，其檢測精度可達到1×10-9，可以選擇性地測量 NH3、N2O、CH4、CO2等氣體，能夠補償測量時溫度，水氣和其他氣體的干擾，是一種高度準確、可靠和穩定的定量氣體現場監測器，但此類設備價格昂貴，操作相對復雜。以上三類常用檢測設備各有優缺點，因此根據畜禽場養殖條件和實際需求選擇合適量程、精度和準確度的檢測設備尤為關鍵。

2.2 養殖氨氣濃度監控系統創新

針對畜禽舍內氨氣濃度連續監控的需要，萬子倫等[13]采用窄帶物聯網(NB-IoT)傳輸和信息融合技術，設計出成本低廉、能耗較低、多氣體監測的禽畜舍氣體智能化檢測系統。李帥等[14]設計了一種基于LoRa無線傳感技術的有害氣體監測系統。為實現有害氣體濃度、溫濕度等環境參數的顯示、存儲、查詢，王艷等[15]設計了一種基于LabVIEW圖形化編程軟件的生豬養殖環境監控系統，并利用BP神經網絡算法實現數據融合，給出處理決策。養殖源氨氣排放受多種因素影響，為建立準確的養殖源氨氣濃度預測模型，劉春紅等[16]提出了基于ARIMA-BP神經網絡的豬舍氨氣濃度組合預測方法。楊亮等[17]建立了基于經驗模態分解和長短時記憶神經網絡的豬舍氨氣濃度預測模型。謝秋菊等[18]采用基于L-M優化算法的BP神經網絡模型，對豬舍環境氨氣濃度進行預測。就現階段氨氣濃度監測系統創新總結發現，為更好實現及時準確連續地監測、記錄、預測、控制養殖源氨氣濃度，需要電化學、無線傳感、神經網絡等學科領域深度融合。

3 養殖氨氣濃度控制技術進展

養殖源氨氣易附著畜禽呼吸道、消化道黏膜等組織，危害呼吸及消化系統健康，嚴重影響畜禽健康生產。且氨氣排放作為大氣環境污染重要組成部分，易引發土壤和水體的酸化。本文就如何減少和控制氨氣排放措施，從源頭減量、過程控制和末端利用的角度對氨氣減排措施進行總結。

3.1 飼料源頭減量

日糧中蛋白質僅有30%左右的氮被吸收，50%～80%氮以尿液的形式排出，20%～50%以糞便形式排出。因此可通過改善舍內地面結構，降低日糧中蛋白質水平，添加微生物制劑、酸化劑、尿酶抑制劑、吸附劑等方式從源頭減少氨氣排放。

現代豬舍保育欄下地面坡度大于傳統豬舍，安裝刮糞設備，利于糞尿分離，減少舍內氨氣濃度。調查顯示產房V型地面設計較水平地面大大降低舍內氨氣濃度[19]。

降低飼料蛋白水平，可有效降低豬糞中氨氣的排放。Le等[20]報道，生長育肥豬日糧蛋白為12%時，可顯著降低舍內氨氣濃度。黃健等[21]研究表明，降低10～20 kg和20～50 kg階段豬日糧蛋白3～4個百分點，舍內氨氣濃度能顯著降低26.55%～57.85%。Sajeev 等[22]采用薈萃分析發現，飼料中蛋白水平與氨排放明顯相關，牛日糧蛋白含量降低1個百分點，牛糞尿中NH3減排17%±6%；豬日糧蛋白降低1個百分點，豬糞尿中NH3減排11%±6%。

微生物不僅可以改善動物生產水平和健康狀況，還可以減少舍內NH3的排放。霍永久等[23]研究表明，在生長豬日糧中添加0.04%的芽孢桿菌制劑可顯著降低豬糞中氨氣的濃度。在生長豬日糧中添加0.05%～0.2%枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌制劑可顯著減少豬糞中氨排放[24]。張莉平[25]]在肉雞日糧中添加3 g/kg由地衣芽孢桿菌、糞腸球菌、嗜酸乳桿菌等組成的益生菌制劑，可顯著減少雞舍中氨氣濃度。劉婕等[26]將啤酒酵母、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和膨潤土等按比例混合后添加0.15%到豬日糧中，極顯著降低豬舍中氨氣濃度。

酸制劑可作為小豬和育肥豬的詞料添加劑產品，用于降低腸道內容物的pH值，增加腸道微生物多樣性，降低豬排泄物中氨氣的排放[27]。Eriksen等[28]研究發現，豬日糧添加2%苯甲酸，豬糞中氨氣減排60%～70%。蛋雞日糧和飲水中添加竹醋液可提高產蛋性能，并減少雞糞中氨氣含量[29]。

絲蘭或樟科植物提取物可作為天然尿酶抑制劑添加到日糧中。日糧中添加絲蘭屬提取物，可有效降低現代化封閉式豬舍內氨氣濃度。田麗新[30]研究結果表明，奶牛日糧中添加2%絲蘭提取物，3 d內可減少牛糞中50%以上的氨排放。潘倩等[31]認為，斷奶仔豬日糧中添加樟科植物提取物，能抑制糞中脲酶活性，減少氨氣產生。

沸石類物質是一類多孔性的硅鋁鹽酸，其特性是由其非常大的內表面積和很高的離子交換能力決定的。Kim等[32]認為，在生長育肥豬日糧中添加4%沸石可顯著減低氨氣排放量。將沸石添加到生豬日糧中，糞便中氮可降低15%[33]。

3.2 糞尿產生和處理過程控制

糞便和尿液排出體外并接觸后，尿酶開始作用，尿素分解產生氨氣，因此通過加強清糞管理，做好覆蓋、酸化和尿酶抑制，合理使用空氣凈化設備是控制糞尿排出、收集、儲存過程中氨氣產生的重要手段。

對舍內的NH3進行實時檢測發現，上午清糞能夠顯著降低舍內氨氣濃度水平[34]。發現每周清理糞尿混合物3次與每周1次相比，NH3減排46%[35]。由此可見，將糞尿排出舍外可有效減少舍內氨氣濃度。

糞尿儲存及處理過程中，會有大量氨氣產生，在糞尿表面增加覆蓋物，可有效降低氨揮發，常用覆蓋物有聚乙烯塑料膜、普通織物、油、有機物、疏松多孔物質。研究表明，與表面沒有覆蓋物相比，聚乙烯薄膜近乎完全避免氨揮發的產生[20]。秸稈、鋸末生物炭、沸石等覆蓋在糞堆表層可有效減少糞肥儲存過程中氨揮發。研究表明，糞便中添加生物炭NH3減排38%～53%[36]，添加沸石NH3減排30%[37]，添加膨潤土NH3減排20%[38]。堆肥發酵過程中通常采用調節pH值、碳氮比、溫度，外源添加沸石、蚯蚓糞、泥炭、過磷酸鈣、氯化鈣、除臭菌提升固氮效率[39]，以達到氨減排的目的。

韓保安等[40]從豬糞中篩選具有除臭功能的微生物，后進行復配施于糞便中，氨氣去除率達85.6%。枯草芽孢桿菌可通過調節微生物菌群結構和pH值，促進堆肥中氮素轉換，達到降氨減少環境污染的作用[41]。噴施0.012 mol/L乳酸、0.017 mol/L磷酸于糞便中，24 h內 NH3可分別減排43%、74%[42]

添加脲酶抑制劑可直接抑制尿酶及產尿酶微生物活動來減少氨的揮發，使糞尿中尿素以酰胺的形式保存在糞尿混合物中。目前國內外常見的脲酶抑制劑主要有磷胺類、酚醌類、雜環類、硫代吡啶類、植物提取物等。有研究表明NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)和 2-NPT(N-(2-硝基苯基)磷酸三胺)可有效地減少牛糞尿中52%～73%氨揮發[43]。潘倩等[31]證實，在豬糞中添加樟科植物提取物，可抑制糞便中氮素分解及NH3釋放。楊彩梅等[44]體外試驗發現，樟科植物提取物可較好的抑制于豬糞中脲酶活性，減少糞尿中氨氣的產生。張云剛[45]研究發現，隨著樟科植物乙醇提取物添加量的增加，舍內氨氣排放量減少。

臭氧具有很強的氧化性，能快速分解為O2和O2-，與空氣中的NH3作用形成NO、NO2和H2O。臭氧濃度0.77～3.10 mg/m3連續作用40 min，NH3濃度可降低30%[46-48]。楊立強等[49]證實，光電除臭儀可顯著降低舍內氨氣濃度。在豬舍內安裝空氣電凈化系統后，發現氨氣的去除效率可達到30%[50]。

3.3 末端處理利用

關于養殖末端氨氣處理和利用，主要從養殖臭氣、糞肥或糞水施用考慮NH3減排。空氣氨吸收一般是將畜禽舍末端臭氣通過集氣系統與過濾系統相連。廖新俤等[51]畜禽舍負壓風機端安裝“擋網+噴霧”裝置，NH3去除率達74.96%。監測經生物過濾的豬場廢氣，發現NH3平均去除率為82%[52]。豬舍末端安裝復合凈化系統，外排臭氣NH3去除率可達85%[53]。采用15∶3∶1(草腐土∶珍珠巖∶黑炭)濾層配方，除臭過濾結果表明，末端NH3去除率大于95%[54]。糞肥施用氨減排，主要采用秸稈炭、尿酶抑制劑等覆于糞肥表面減少氨揮發或抑制氨氣產生[55]。采用豬舍施用糞肥，可減少70%～80%土壤中氨揮發[56-57]。增強氨的吸收和利用效率。

3.4 養殖氨氣控制措施創新

基于氨減排措施的研究，有研究者為了生產的需要，設計了用于規模畜禽養殖舍外的空氣優化房舍結構和舍內軌道式空氣質量智能巡檢控制系統；研發了干濕分離自動清糞系統顯著降低舍內氨氣濃度；開發出可精確調控堆肥反應的密閉式堆肥反應器及智能化生物除氨減排一體設備以及糞尿表層酸化、畜禽糞便智能堆肥反應器、多級循環噴淋洗氣系統、液態糞尿供給存儲系統、液態糞尿注射施用等氨減排利用設備。就現階段氨控制措施創新方向可見，為提高氨氣去除和利用效率，需要從源頭減排、過程控制、末端利用綜合考慮減氨、控氨和固銨措施；需要畜牧養殖、機械工程、生物工程、資環、農學等多學科融合聯合開展養殖氨控制技術創新工作。

4 展望

隨著規模養殖的快速推進，氨氣對從業者及畜禽健康、周邊鄰里關系、大氣環境的影響變得越來越突出，從目前養殖氨氣監測及控制技術進展，總結未來養殖氨監控技術發展方向如下。

4.1 養殖用氨氣快速連續監測記錄裝備有待突破

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、可連續記錄的設備，因為價格昂貴，體積較大僅用在科研工作中。目前缺少性能穩定、適用養殖環境、經濟實用、可連續監測記錄氨氣濃度變化的快檢裝備，為我國規模養殖場氨氣控制技術效果評價提供準確而可靠的依據。

4.2 規模養殖氨減排技術體系亟需建立

國內外研究者已采用降低蛋白水平、添加吸附劑、益生菌、酸化劑、尿酶抑制劑、臭氧(催化)氧化、覆蓋、根施等方面進行減氨、控氨、固銨、抑氨技術。但國內對各環節和各種組合技術減排效果的評價研究較少。因此系統對比評價各技術(技術組合)減排效果，有針對性地建立養殖氨氣減排技術體系是今后養殖氨減排技術創新方向。