負壓通風模式下豬舍空氣過濾相關研究

張志勇，樊士冉，鄧啟偉，吳彥強，劉 聰

（新希望六和股份有限公司，山東 青島 266000）

引言

豬舍通風對調控舍內溫濕度、改善舍內空氣質量及保證豬只健康水平起到了非常重要的作用。由于我國豬場大部分處于溫帶、亞熱帶氣候類型區域，夏季普遍較為炎熱，“風機+濕簾”降溫的機械負壓通風模式在我國規模化豬場得以普遍采用。負壓通風的前提條件是豬舍具備相對密閉的空間，負壓風機強行將舍內的空氣排出，在豬舍內形成負壓環境，舍外空氣經通風口由舍外自然進入舍內。

在所有傳染性病原體中，通過空氣進行傳播的病原體是最難控制的。空氣傳播傳染性病原體的速度使其難以控制和防范，現已證明，空氣傳播是許多豬只疾病傳播的重要途徑。豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）和豬流行性腹瀉病毒（PEDV）等病毒已驗證可以由空氣進行傳播。在高密度、高風險的養殖區域，管控空氣傳播疾病的問題尤為突出。

因此，養豬行業內已普遍使用空氣過濾系統作為安全防疫系統的最后一道防線。空氣過濾系統對于切斷病原體的空氣傳播途徑，降低養殖風險起到了十分重要的作用。在美國明尼蘇達州的高密度養殖區，經空氣過濾的公豬舍可以連續6年保持PRRSV陰性，經過空氣過濾的母豬場可以連續3年保持無感染。

然而，目前養殖場內對于如何正確使用空氣過濾系統仍缺乏足夠的認知，正確使用空氣過濾對預防空氣傳播類疾病乃至整個豬場的生物安全防控至關重要。

1 空氣過濾器等級選擇

常見的一些豬只病毒的粒徑如表1所示。

表1 常見病毒的粒徑范圍示例

不同病毒的粒徑各異，以非洲豬瘟病毒為例，是一種巨大而復雜的病毒，但其粒徑也僅有0.2 μm左右。但是通常認為病原微生物極少單個存在，即使存在，也極易被紫外線等殺死，存活時間極短，大部分只能依附于載體上在大氣中懸浮。因此，通常情況下認為空氣過濾系統并非直接過濾掉病原體，而是過濾出病原體的傳播媒介物：塵埃顆粒或者其他氣溶膠。空氣過濾的機理主要分為以下幾種：

（1）攔截效應：當某一粒徑的粒子運動到過濾纖維表面附近時，其中心線到纖維表面的距離小于微粒半徑，灰塵粒子就會被濾料纖維攔截而沉積下來；

（2）慣性效應：當微粒質量較大或速度較快時，由于慣性而碰撞在纖維表面沉積下來；

（3）擴散效應：小粒徑的粒子布朗運動較強而容易碰撞到纖維表面上；

（4）重力效應：微粒通過纖維層時，因重力沉降而沉積在纖維上；

（5）靜電效應：纖維或粒子都可能帶電荷，產生吸引微粒的靜電效應，而將粒子吸到纖維表面上。

與此同時，環境中常見的顆粒粒徑如表2所示。

表2 環境中不同顆粒類型的粒徑

由此可見，大氣環境中存在大量的不同粒徑的顆粒。如PM2.5，指的是環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物。

對于不同粒徑顆粒攜帶病毒的情況，Carmen Alonso等人進行了相關的研究，以PRRSV和PEDV為例，不同顆粒粒徑下每立方米的病毒核酸拷貝數如表3所示。

表3 不同顆粒粒徑下PRRSV和PEDV每立方米的病毒核酸拷貝數

由表3可以看到，在0.4～10 μm的各個粒徑范圍內，均可發現可通過空氣傳播的病毒，且隨著顆粒粒徑變大，病毒的含量明顯增多。

根據標準要求，不同過濾器等級對三種粒徑范圍的最小收集效率（ASHRAE 52.2，2012）如表4所示。

表4 不同空氣過濾等級下的顆粒收集效率（E1，E2和E3）

根據大氣環境中常見的顆粒尺寸情況，以及不同等級過濾器的過濾效率的情況，單純的MERV8等級的空氣過濾器對3 μm以下的顆粒基本上無過濾效果。對于在惡劣環境下的空氣過濾器，通常應選擇MERV14或者MERV16過濾器作為主過濾器。常見做法是使用兩個過濾器組合，比如采用MERV8等級的過濾器作為預過濾器，用以去除空氣中的較大顆粒以延長主過濾器的使用壽命，預過濾器通常每6～12個月更換一次。采用MERV14或者MERV16的過濾器作為主過濾器，用于去除攜帶PRRSV和PEDV的空氣顆粒，主過濾器可以使用大約三年的時間，取決于現場的工況以及制造商的生產水平。

2 負壓豬舍氣密性研究

沒有一個豬舍是可以實現完全密封的。空氣會通過計劃的入口（如吊頂小窗、空氣過濾墻）進入，也會通過非計劃的入口滲漏進入豬舍。Zhang和Barber將豬舍的滲漏分為三種類型：

（1）來自臨近房間的污染空氣滲漏到建筑物內部降低空氣質量；

（2）建筑物外界的新鮮空氣進入房間，可能會引起“賊風”及增加加熱成本；

（3）外部新鮮空氣通過排氣風扇周圍的包絡開口泄漏到房間內，并通過風扇排出而不混合在內部空氣中導致通風效果降低。

三種泄露方式都會影響通風性能及豬舍空氣的可控性。保持豬舍空間的相對密閉性及減少豬舍空氣的泄露對于豬舍通風系統的生物安全至關重要。同時，Zhang和Barber提到，在低氣壓下的畜禽舍的滲透特性在通風系統設計中比高氣壓下更重要。在寒冷季節的通風過程中，設計空氣流量最小，使得難以在畜禽舍內保持所需的靜壓差。滲透/非計劃的空氣進入房間進一步降低了壓力差，這會對豬舍內新鮮空氣的分布以及豬舍空氣的質量產生負面影響。因此，關于滲透/泄漏的精確數據在畜禽舍通風系統的設計中非常重要。

MERV8等級的空氣過濾器可單獨使用，也可以作為預過濾器對下一級過濾器起保護作用，比如可與MERV14或者MERV16串聯使用。不同粒徑范圍顆粒對不同等級組合的空氣過濾器滲透率如表5所示（數據取自 ASHRAE 52.2，2012）。需要注意的是，滲透率的計算采用標準的最低要求，實際的滲透率情況根據制造商的生產水平會有相應的浮動。同時提高空氣過濾等級，會增加通風的阻力，導致室內外靜壓差增大，這一方面會降低風機的運行效率，另一方面會增加未過濾的空氣通過豬舍縫隙進入舍內的風險，如果出現這就意味著空氣過濾系統失去意義了。下面對于采用不同過濾等級的過濾器下進入豬舍的病毒濃度進行計算。

表5 不同顆粒粒徑范圍對不同過濾器等級的滲透率 %

取豬舍內病毒濃度參數作為衡量豬舍過濾效果的主要指標。取每立方米的病毒核酸拷貝數作為衡量病毒濃度的指標，環境中的病毒可通過過濾器過濾后或經過滲漏進入豬舍內。在文中以PRRSV為例，設定環境中三種粒徑每立方米的病毒核酸拷貝數總共為100；0.3～1 μm的顆粒每立方米的病毒核酸拷貝數為C1；1～3 μm的顆粒每立方米的病毒核酸拷貝數為C2；3～10 μm的顆粒每立方米的病毒核酸拷貝數為C3，如公式（1）所示。文中C1、C2、C3分別設為10、10、80，數據取自于K. A. Janni等人的研究，具體環境中的病毒濃度需依據環境情況進行選擇。

以某豬場妊娠舍為例進行相應的計算。豬舍內部空間的長度為69.6 m，寬度為36.6 m，吊頂高度為2.4 m，滿負荷運行的情況下最大豬只數量為1 200頭。在冬季通風模式下，按照每頭豬20 m3/h的需求進行計算，需要的最小換氣量為24 000 m3/h。

根據Jadhav等人測得的妊娠舍的相應泄露數據，K. A. Janni等人將3 000頭母豬場的泄露量Qin，leak與豬舍負壓的關系建立一回歸方程，豬舍泄露量與豬舍負壓Pfan的關系如公式所示：

其中：

Pfan——豬舍負壓，單位為pa；

Qin，leak——豬舍泄漏量，單位為m3/s。

豬舍負壓的測量方式如圖1所示，采用負壓計的型號為德圖testo 510。

圖1 現場負壓檢測示意圖

分別測量24 000m3/h的換氣量下，不同過濾等級豬舍的負壓水平，并根據負壓按照公式（2）計算泄漏量與泄漏量的占比，如表6所示。

由表6發現，在一定的換氣量情況下，采用更高等級的過濾器會造成豬舍內負壓的增大以及泄漏量的增加。

表6 不同過濾等級過濾器對應豬舍負壓以及泄漏量情況

結合不同顆粒粒徑范圍對不同過濾器等級的滲透率、不同顆粒粒徑范圍對應的病毒核酸的拷貝數以及不同過濾器等級豬舍的泄露情況，計算進入豬舍內空氣每立方米的病毒核酸拷貝數，相同通風量情況下采用不同過濾器等級進入豬舍的病毒核酸拷貝數如公式（3）所示。

式中：

Cin,j——采用第j種空氣過濾器等級進入豬舍的每立方米的病毒核酸拷貝數；j=1，采用MERV8等級；j=2，采用MERV8+ MERV14等級；j=3，采用MERV8+ MERV16等級；

Pleak,j——采用第j種空氣過濾器等級豬舍的泄漏量占比；

Pfilter,j——采用第j種空氣過濾器等級豬舍經過過濾器的通風量占比；且Pfilter,j=1-Pfilter,j；

Pi,j——采用第j種空氣過濾器等級對第i種顆粒尺寸范圍的滲透率

根據公式（3），不同過濾器等級在相同通風量情況下進入豬舍的每立方米的病毒核酸拷貝數如表7所示。

表7 不同過濾器等級在相同通風量情況下進入豬舍的每立方米的病毒核酸拷貝數

根據以上計算可發現：采用更高等級的過濾器配置，不一定會起到更好的過濾效果，可能由于豬舍內負壓增大，導致通過非可控入口進入豬舍的空氣量增加，造成更大的風險。因此，負壓通風的豬舍對于密封性的要求極高，應盡可能保證豬舍的密閉性以減少豬舍的泄漏量。尤其需要對各連接處加以檢測，比如屋面和墻面交接處、墻角處、豬舍門窗、過濾器與吊頂連接處等。對于漏風處需及時排查并進行補漏處理。

3 粉塵顆粒的控制

粉塵顆粒的控制對于豬舍內環境的控制至關重要，任何旨在減少空氣中空氣顆粒數量的措施都可直接降低空氣傳播疾病的風險。這些顆粒的組成和粒徑分布將影響疾病的傳播動力學，包括吸入過程中宿主體內的沉積部位、病原體在空氣中停留的時間和傳輸距離，以及病原體的存活性和傳染性。

豬舍內的粉塵主要來源于：（1）顆粒料的飼料粉塵，在料線系統供料或者豬只進食的過程中會有飼料粉塵飄散在空中；（2）豬舍清掃過程中形成的粉塵；（3）豬群躁動、運動或者打架斗毆等產生的粉塵。針對此，需要做到以下幾點：（1）控制豬舍合理濕度，豬舍濕度過低，容易產生粉塵，且懸浮在豬舍的時間較長；建議相對濕度控制在60%左右為宜。（2）保證通風，通過空氣的流通減少豬舍內的粉塵量。（3）加強飼養管理，控制飼養密度，減少豬只爭斗；合理喂食，避免飼料剩余，有條件的情況下進行濕料飼喂等。

對于豬舍外大環境的粉塵顆粒控制需要注意以下幾點：（1）豬舍周邊的道路盡可能硬化；（2）豬舍外部設置圍墻，并保證足夠的高度；（3）對豬舍外部的道路及時清掃，在干燥少雨的季節，經常性進行灑水作業，避免塵土上揚等。

4 總結

文章針對負壓通風模式下豬舍的空氣過濾系統進行了相關研究，通過對環境中顆粒的分布情況、帶病毒粒子的顆粒粒徑情況，確定了空氣過濾器的等級選擇原則，并建立模型對不同過濾等級情況下進入豬舍的病毒核酸拷貝數進行分析。提出了負壓通風模式下影響空氣過濾使用效果的因素并提出相應的改善舉措。對于保證負壓通風模式下空氣過濾器的使用效果有著極為重要的指導作用。文章對于進入豬舍的空氣病毒核酸拷貝數的計算是建立在假定的病毒濃度分布，且豬舍的泄漏量根據已有的公式進行計算，在豬場的實際應用過程中，需要根據實際情況進行測量與計算，以達到更好的指導意義。