不同地區機械通風式密閉畜禽舍空氣氨減排潛力分析*

江旭東，宋 曼，王 紅，董紅敏，王 悅，朱志平**

（1．中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.河北省畜牧總站，石家莊 050035）

氨氣（NH3）是大氣中重要的堿性氣體[1]，參與氮的循環過程，在二次無機氣溶膠的形成中起重要作用，是地區大氣復合污染的重要前體物之一。Gu等科學評估表明全球范圍內減少氨排放比降低氮氧化物對降低大氣中PM2.5更經濟有效[2]，而氨減排有效措施主要來自農業。鄧明君等[3]的研究預估 2020年、2025年和2030年中國農業NH3排放量比2013年分別增長182.22萬t、281.74萬t和360.91萬t，其中畜牧業占91%左右；而在中國當前減排情景下，2020年、2025年和2030年中國農業NH3排放量比2013年分別下降137.19萬t、219.56萬t和299.51萬t，其中畜牧業減排的貢獻占75%左右。由此可見，中國農業NH3減排的關鍵在畜牧業。2021年11月2日，中共中央、國務院印發《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》中明確提出了加強大氣面源和噪聲污染治理，到2025年，京津冀及周邊地區大型規模化養殖場氨排放總量比2020年下降5%。

畜牧業的發展在很大程度上推動著中國農業農村經濟快速發展，但同時也給環境帶來了嚴重污染問題。隨著國家進一步支持畜禽養殖業向著規模化、集約化的方向發展，傳統的農村地區分散養殖的形式逐漸被規模化養殖場所取代[4]。多年來，國內畜牧業從業者主要關注畜禽舍內NH3濃度對畜禽健康和生長性能的影響，對畜禽舍內排出的NH3對大氣環境質量的影響關注較少。近年來，隨著中國部分地區大氣霧霾發生頻率的增加，畜牧業NH3減排逐漸得到重視，周談龍等[5]通過采用低碳氮比的方法，降低了豬糞堆肥過程中氨氣和溫室氣體的排放；余鑫等[6]研究表明沼渣中添加玉米芯混合槽式堆肥過程中氨氣排放低。畜禽舍是畜牧業中氨氣排放最主要來源之一，李復坤等[7]指出，在畜禽養殖全過程中，欄舍內畜禽氨排放占比較大，雖對舍內采取了除氨措施，但由于舍內結構等復雜因素，仍有相當部分氨排放到大氣環境中。歐美等國開展了畜舍外排技術研究，主要減排技術包括生物過濾法、弱酸水噴淋化學吸收法等，上述方法都是針對密閉式畜舍中組織的外排空氣進行集中處理，Melse等研究發現酸化過濾對氨氣的減排效率最高，最高可達到90%[8]。隨著中國規模化養殖比例逐步提升，為了提升養殖效率、降低疫病傳播風險，生豬、蛋雞和肉雞等畜禽規模場已逐步由自然通風畜舍轉變為機械通風畜舍，由于機械通風畜舍進行有組織的通風換氣，便于對排出空氣進行處理，降低其對大氣造成的污染。因此，科學測算中國密閉式畜禽舍氨減排潛力，可為中國畜牧業氨減排量估算、制定畜牧業氨減排指標提供科學依據。

1 資料與方法

按照行政區劃，將全國31個省分為6個地區，分別為華北區、東北區、華東區、中南區、西南區和西北區（不包括港澳臺地區，下同），基于不同畜禽種類飼養情況，分別進行6個地區范圍內的氨減排潛力分析測算。根據第二次全國污染源普查對規模化養殖場畜舍形式的調查，獲取全國不同地區、不同畜種規模化養殖場采用機械通風的養殖場數量和飼養量，基于文獻內容獲得各種畜禽在畜舍的平均氨氣排放因子。根據中國目前養殖方式和畜禽的正常生長發育周期，生豬飼養期按180d，奶牛、肉牛、蛋雞均取365d，而肉雞飼養期按60d測算；優化選擇基于弱酸吸收法為推薦的減排方法，減排效率取值為80%。

分畜種的密閉畜舍外排空氣氨氣減排量計算式為

式中，ENH3,i,j為第i種畜禽在j地區的氨氣減排潛力（萬t），Pi,j為第i種畜禽在j地區的飼養量（萬頭、萬只），EFNH3,i為第i種畜禽氨氣排放因子[g·（頭或只）-1·d-1]，Dui為第i種畜禽的生長周期（d），f為優選的氨氣減排效率（%），10-8為單位換算系數。

不同種類畜禽舍氨氣排放因子及其減排效率由文獻調查數據獲取，各地畜禽飼養量和養殖場數量由2017年開展的第二次全國污染源普查數據中獲取。

2 結果與分析

2.1 不同種類畜禽舍NH3排放因子確定

2.1.1 豬舍

畜禽舍的NH3排放受到多種因素影響，包括畜禽種類、飼養階段、清糞方式、環境溫度和通風方式等，國內外相關學者針對不同情景進行了研究，開展了有關氨氣排放特征的監測和排放因子的測算。朱志平等[9]研究報道墊料型豬舍NH3春夏季平均濃度在5.9～6.8mg·m-3，傳統水泥地面對照舍為14.5～16.7mg·m-3，墊料型豬舍內 NH3的平均濃度只有傳統水泥地面對照舍的40%。Kim等[10]研究也顯示，深坑系統和固液分離系統豬舍的NH3排放濃度以及排放量均是墊料舍相應指標的2～3倍。通風方式不同，舍內NH3的濃度同樣也具有明顯的變化。表1總結了國內外有關學者研究報告的不同類型豬舍的NH3排放因子[11-16]。從表中可以分析看出，豬舍NH3排放因子存在較大的差異，排放因子范圍為0.7～29.4g·頭-1·d-1，不同文獻研究存在較大差異，可能與實驗季節及豬舍內溫度等有關。綜合文獻數據，并選擇文獻中機械通風豬舍氨氣排放因子，確定豬舍平均NH3排放因子為4.8g·頭-1·d-1。

表1 豬舍NH3排放因子文獻調查結果Table 1 Literature survey results about ammonia emission factors in swine barns

2.1.2 雞舍

雞舍內影響NH3排放的重要因素為清糞頻率。Mendes等[17]認為蛋雞舍內NH3排放速率隨著糞便堆積的時間呈指數增加，主要原因是雞糞中的大量有機氮在貯存過程中緩慢分解形成NH3排放。目前用于雞舍飼養的方式有高床系統、墊料系統和清糞帶系統。相比傳統的墊料系統來說，清糞帶系統由于可以較高頻率地將雞糞送出舍外(以每日1次為例)，使雞舍內保持了一個較好的環境，舍內NH3濃度明顯低于其他清糞系統條件下的濃度[18]。通風系統的性能對雞舍NH3排放具有極顯著影響，表2總結了國內外有關學者研究獲得的雞舍內NH3排放因子[11,18-21]，排放因子的范圍為0.12～1.66g·只-1·d-1，墊料養殖由于糞便在舍內貯存時間長，排放因子要高于每日清糞的情形。綜合文獻數據，確定雞舍平均NH3排放因子為0.32g·只-1·d-1。

表2 雞舍NH3排放因子文獻調查結果Table 2 Literature survey results about ammonia emission factors in poultry barns

2.1.3 牛舍

相比于生豬和家禽，奶牛和肉牛的飼養除需要較大的牛舍空間且主要以開放式為主，一般養殖場還有舍外運動場。因而除了養殖舍內會產生NH3排放外，運動場也是NH3排放的重要來源。Pereira等[22]研究了奶牛舍以及運動場的排放情況，發現運動場NH3排放顯著高于畜禽舍內的排放，占到全部排放的69%～92%，同時，運動場NH3排放受環境的影響更大。McGinn等[23]采用擴散法研究了整個奶牛場(包括牛舍、活動區域、飼料間、運輸車間等)的NH3排放，結果表明以NH3形式損失的氮占飼料總攝入氮的63%。表3總結了國內外有關學者研究報告的不同類型牛舍的NH3排放因子[11,24-26]，牛舍清糞主要以機械式清糞方式為主，NH3排放因子在19.8～93.6 g·頭-1·d-1。綜合文獻數據，確定牛舍平均NH3排放因子為40.7g·頭-1·d-1。

表3 牛舍NH3排放因子文獻調查結果Table 3 Literature survey results about ammonia emission factors in cattle barns

2.2 不同種類密閉式畜禽舍NH3減排效率確定

針對密閉舍內排出的空氣，可采用不同的方法進行吸收。包括物理吸附，酸洗和生物過濾等方法，現有研究結果表明酸洗效果最優，平均去除效率在90%～99%（表4）[27-31]，考慮到不同地區實驗研究與實際大面積推廣應用時，氨氣去除效率受管理方式和管理水平等影響，一般無法達到文獻報道的去除效率，綜合比較，選擇酸洗為密閉畜舍氨減排方式，氨氣減排效率值設定為80%。

表4 畜禽舍外排NH3酸洗減排效率文獻調查結果Table 4 Literature survey results about emission reduction efficiency of NH3 from livestock and poultry houses

2.3 不同畜禽密閉舍數量和飼養量的分布

根據第二次全國污染源普查數據，獲取全國生豬、奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞共5種主要畜禽的規模化養殖的養殖場數量和飼養量，圖1給出了上述5種主要畜禽采用自然通風和機械通風兩種管理方式下的養殖場數量情況。從圖1可以看出，不同畜禽的畜舍通風方式存在較大差異，上述5種畜禽全國規模化養殖場共計38.9萬個，其中采用機械通風的養殖場約占總養殖場比例的45.3%，主要以蛋雞、肉雞和生豬養殖場為主，其機械通風占比分別為59.1%、48.5%和40.2%，奶牛和肉牛主要以自然通風為主，占比分別為80.5%和84.5%。從飼養量來看，蛋雞、肉雞和生豬目前都以機械通風為主，占比分別為68.3%、71.3%和53.4%。不同畜種不同地區的采用密閉畜舍的飼養量如表5所示，用于各種畜禽的畜舍空氣氨減排潛力計算。

表5 2017年主要畜禽密閉舍飼養量調查結果Table 5 Population of main livestock and poultry farms with mechanical ventilation in 2017

圖1 2017年不同畜禽在機械通風和自然通風的養殖場數量Fig.1 Number of farms with mechanical and natural ventilation for different livestock and poultry in 2017

2.4 不同地區密閉式畜舍氨減排潛力分析

根據式(1)，利用第二次全國污染源普查數據分別測算6個地區生豬、奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞5種畜禽舍氨減排潛力，結果見圖2、表6和表7。由圖2可見，6大地區生豬舍外排空氣的氨減排潛力合計10.18萬t，其中，中南區的占比最大，達3.95萬t，占38.9%，其次為華東區（達3.02萬t，占29.7%），排在第三的是華北區（為1.27萬t，占12.5%），3個地區生豬密閉舍外排空氣氨氣排放占比總共為81.1%；其余3個地區氨減排潛力較小，僅占18.9%。表明在減排潛力較大的中南區、華東區和華北區，應優先加強生豬養殖場減排設施的推廣應用。

圖2 各地區密閉生豬舍氨減排潛力值計算結果Fig.2 Calculation results for ammonia reduction potential of mechanical ventilation pig farms in different regions

國內目前奶牛和肉牛飼養主要以開敞式畜舍結構為主，因此自然通風方式占比較多，密閉式畜舍占比少，其畜舍外排空氣中氨氣減排潛力也不高，表6給出了不同地區奶牛和肉牛密閉式畜舍的氨氣減排潛力情況。由表可見，國內密閉式奶牛舍和肉牛舍外排空氣氨氣減排潛力分別為1.04萬t和8600t。從地區分布來看，奶牛舍的減排潛力主要來源于東北區、華北區和華東區，占比分別為38.7%、35.6%和18.7%，3個地區占總數的93%；各地區肉牛舍的減排潛力間無明顯差異，占比在10.4%～21.1%。

表6 不同地區密閉式牛舍氨減排潛力計算值及其占比Table 6 Calculated value and proportion of ammonia reduction potential of mechanical ventilation cattle farms in different regions

從養殖量比較，蛋雞和肉雞的規模化養殖場以機械通風的畜舍為主，占比分別為68.3%和71.3%。表7給出了不同地區的蛋雞和肉雞機械通風畜舍外排空氣氨氣減排潛力分布情況。由表可見，蛋雞和肉雞的全國減排潛力分別為7.73萬t和6.75萬t氨氣。從不同地區占比分析來看華東區、中南區和華北區蛋雞氨減排潛力占比較大，分別占全國減排潛力的30.6%、28.6%和16.4%，三個地區蛋雞密閉舍外排空氣氨氣排放占比總共為75.7%；而肉雞舍的減排潛力主要來自華東區，占比達到53%，其次是東北區，占比為20.5%。

表7 各地區密閉式蛋雞和肉雞舍氨減排潛力計算值及其占比Table 7 Ammonia reduction potential of mechanical ventilation poultry farms in different regions of China

3 結論與討論

3.1 討論

通過對中國現有密閉式畜舍外排空氣進行氨減排設施的應用統計與分析，全國生豬、蛋雞、肉雞、奶牛和肉牛等5種畜種在該環節的外排氨氣減排潛力約為26.65萬t，且隨著中國規模化比例的提升，其外排氨氣減排潛力還將逐步提升，從畜種上來看，應該重點關注生豬、蛋雞和肉雞三種主要畜種，其外排氨氣減排潛力分別為38.3%、29.1%和25.4%，因此應重點關注生豬、蛋雞和肉雞舍的外排氨氣減排技術推廣。從地區上看，華東地區密閉畜舍氨氣減排潛力最高，總減排量約為9.31萬t，占全國氨減排潛力的35.1%；其次是中南地區，減排約7.15萬t，占全國總體氨減排潛力的26.9%；華北和東北地區相差不大，分別為3.96萬t和3.62萬t；減排潛力最小的為西南和西北地區，只有1.29萬t和1.23萬t，分別僅占全國總體氨減排潛力的4.9%和4.6%。鄧明君等[3]測算并分析了中國2020-2030年農業NH3減排潛力，結果表明未來中國農業NH3減排重點在河南、山東、河北、內蒙古，該相關地區占全國農業氨減排總潛力的38.5%以上；該研究結果與本研究的結果具有一定的可比性。不過，鄧明君等的研究以奶牛場為主，而國內奶牛場和肉牛場飼養主要以開敞式畜舍結構為主，密閉式畜舍占比較少，因此結論有所不同。隨著中國城市地區性大氣污染問題的日益加劇，地區氨排放影響的研究逐漸受到重視。值得注意的是，部分地區減少氨排放可以有效控制 PM2.5，但也會加劇中國南方地區的酸雨問題。因此，氨減排控制應分地區并采取不同的措施來推進。對于南方地區，尤其是長江中下游平原和四川盆地來說，減氨須與減二氧化硫、減氮氧化合物等酸性氣體協同進行。相比而言，北方地區氮排放與酸雨產生聯動的問題則并不突出[32]，但是霧霾天氣出現頻率較高，應該加大對該地區畜禽舍氨氣減排的建設，為該地區減少霧霾天氣發生提供保障。本研究在基于不同地區基礎上又分析了不同畜種的氨減排潛力，可進一步為未來中國控氨總方略提供一定的參考。

3.2 結論

中國目前機械通風畜舍外排空氣氨氣年減排潛力為26.56萬t，主要來自生豬、蛋雞和肉雞三種畜禽，其氨氣減排潛力分別為10.18萬t、7.73萬t和6.75萬t；從地區上看，主要可實施地區為華東區、中南區和華北區，其氨氣減排潛力分別占全國的35.1%、26.9%和14.9%，加大對上述3個地區生豬、蛋雞和肉雞三種畜禽的密閉式畜舍氨氣減排設施的建設，可為全國氨減排和大氣環境質量改善提供保障。