新型清糞系統豬舍熱環境及有害氣體監測與分析

李仲瀚，張克強，巴士迪，楊增軍

（農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191）

我國是畜禽養殖大國，近30 年來肉類產量居世界首位，隨著畜禽養殖逐漸向集約化方向轉變，高密度的集約化養殖模式導致了大氣污染物的集中排放，畜禽養殖業已成為我國大氣污染的主要來源。畜禽舍是糞污產生的源頭場所，舍內糞污的收運方式關系到氣態污染物排放的底物基數，決定了污染物源頭減排效果和動物福利，是影響“十四五”綠色高效養殖工廠創制成敗的重要環節。目前主流的水泡糞工藝和干清糞工藝，都存在糞污舍內停留時間長、殘留嚴重、收運過程擾動大等問題，這些問題導致舍內環節成為有害氣體排放的“第一現場”，是我國打贏藍天保衛戰的重要整治目標。

舍內環境質量通常用熱環境和有害氣體等參數衡量。熱環境指標以溫度和濕度為主，此外還包括熱輻射、風速、大氣壓、光照等。有害氣體包括NH、HS、CO和CH等，根據對環境的影響和職業衛生的要求，NH和HS 被認為是畜牧生產中最重要的污染物。NH主要來自于尿液中尿素的快速水解，是霧霾和氣溶膠生成的重要影響因素，豬舍中的氣溶膠會導致豬的呼吸不適，抑制生豬的采食和生長發育。HS 主要來自于糞便的厭氧分解，即使是低濃度的HS 也具有強烈的氣味和毒性，從而導致畜舍中的動物和工人出現健康問題。歐美國家在畜禽養殖污染氣體分析方法與手段和連續監測設備與方法等方面已取得了一定成果。近年來，畜禽養殖污染氣體研究在我國越來越受重視，隨著計算機網絡和氣體傳感器等技術在養殖環境監測中的研究逐漸深入，有害氣體濃度測定方法、氣體傳感器和數據記錄與傳輸等方面都得到充分發展，進而為養殖環境監測和數據采集分析提供了更多途徑和便利。

畜禽舍內的熱環境和有害氣體指標在一天24 h內以及不同季節間均有變化，需長期連續監測來獲取真實、有效的數據。為了掌握采用新型清糞系統的豬舍內部環境的變化規律，本研究基于無線傳感器環境監測設備，對不同季節的豬舍進行每個季節連續7 d的監測，測量豬舍內的溫、濕度，以及NH和HS 濃度，以期掌握新型清糞系統豬舍內部的環境特征，為優化豬舍內清糞系統、改善豬舍的內部環境提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍及飼養管理

本研究在天津市西青區益利來養殖公司進行，養殖場位于天津市西青區楊柳青鎮。試驗選取育肥舍，豬舍南北朝向，靠南北墻分別布置兩列豬欄，中間有1 m 寬過道，每側各有欄位6 個，采用半漏縫地板結構。試驗前對豬舍進行糞污快速分離收運系統安裝改造，工作原理如圖1 所示，生豬排泄的糞尿經過漏糞地板掉落到具有相分離功能的帶式輸送系統，尿液等液態物質經過濾后落入分離輸送機下部的接液槽體，而干糞留在輸送帶上部并運送到指定處理設施，實現糞污的舍內原位過濾式重力分離和糞尿的分類收集。相比傳統清糞方式，該系統能在糞污產生的同時完成糞尿分離，減少糞尿共存時間，從而減少有害氣體的產生；輸送帶能降低清糞時的擾動，平穩、及時地將糞便運出舍內，減少舍內糞污的基數和停留時間，從而減少有害氣體的產量。豬舍改造完成后進行消毒處理，試驗期間豬舍統一管理，生豬自由采食、飲水，飼料為生長豬全價料飼料，每日10：00和16：00運行設備進行清糞。

圖1 基于漏縫地板的糞污快速分離收運系統工作原理圖Figure 1 The technical diagram of the rapid manure collection and transportation system based on slatted floor

1.2 豬舍熱環境和有害氣體濃度檢測方法

本試驗于一年中的每個季節各連續監測7 d，春季為2020 年4 月13 日—19 日，夏季為2020 年7 月15日—21 日，秋季為2020 年10 月11 日—17 日，冬季為2019 年12 月24 日—30 日。監測指標包括溫度、濕度、NH濃度以及HS 濃度。采用由農業農村部環境保護科研監測所養殖業污染防治創新團隊研發的多組分氣體原位在線監測設備進行檢測，設備經校準標定后使用，主要指標如表1 所示。箱體置于豬舍中央進行實時監測，數據每5 min記錄并上傳一次。

表1 監測箱參數指標Table 1 The parameter indicators of monitoring box

1.3 數據處理與分析

記錄的氣體數據需要剔除因傳感器故障（斷電、電磁波影響）而出現的異常數據，并計算出小時平均值、最大值和最小值。統計分析和圖表制作均基于小時平均值。采用Excel 2019 軟件處理數據，Origin 2018 軟件制圖，采用SPSS 25 軟件進行方差分析，并進行顯著性檢驗。

2 結果與討論

不同季節舍內平均溫度、相對濕度、NH濃度、HS 濃度見表2。各季節溫度差異明顯，夏季溫度最高，冬季溫度最低，秋季平均溫度顯著高于春季（＜0.05），各季節平均溫度基本在生豬所需正常范圍之內；各季節舍內平均濕度差異明顯，冬季顯著高于秋季、春季和夏季（＜0.05）。舍內NH濃度變化較大，夏季由于長時間通風，舍內的NH濃度顯著低于其余三季（＜0.05），而冬季為了保證舍內溫度，通風時間有限，導致NH在舍內累計濃度顯著高于其余季節；HS濃度與NH濃度的變化趨勢基本一致，夏季最低，冬季最高，春秋兩季差異不顯著。

表2 不同季節豬舍內溫度、相對濕度、NH3濃度、H2S濃度變化Table 2 Changes of temperature，relative humidity，NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons

2.1 舍內溫、濕度

豬舍溫度小時平均值變化和季節變化如圖2a 和表3 所示，各季節連續7 d 的溫度日變化規律基本相同，主要隨外界溫度的變化而改變，呈先上升后下降的趨勢。全年豬舍的年平均溫度為（21.8±4.1）℃，豬舍的最低溫度和最高溫度分別為14.8 ℃和31.5 ℃；春季平均溫度為（21.1±1.9）℃，夏季平均溫度為（27.2±2.2）℃，秋季平均溫度為（21.9±1.6）℃，冬季平均溫度為（16.6±0.9）℃，冬季舍內溫度顯著低于其他三季。根據國家標準，生豬的適宜生長溫度在20～25 ℃之間，最低臨界值為16 ℃，最高則為28 ℃。夏季午后因外界溫度過高會導致舍內溫度超過臨界值，冬季清晨也有部分時間溫度過低，導致舍內溫度低于最低臨界值，監測數據顯示超過28 ℃和低于16 ℃的時間分別占總時間的19%和16%，因此，需要對舍內溫度的調節開展進一步研究。彭紅芳對不同季節水泡糞豬舍的環境溫度進行監測，發現夏季的舍內溫度為（27.9±2.7）℃，冬季的舍內溫度為（21.1±1.8）℃，兩季節舍內的環境溫度差異極顯著，而全年溫度范圍在18～27 ℃之間；阮蓉丹等對機械清糞方式下豬舍內的環境指標進行研究，結果顯示夏季豬舍內的溫度為（28.84±0.06）℃；趙許可對人工清糞和輸送帶式機械清糞豬舍的環境指標進行研究，發現冬季人工清糞豬舍的溫度為（19.47±0.51）℃，機械清糞豬舍的溫度為（21.03±0.49）℃。上述研究與本研究得到的溫度監測結果基本一致，不同清糞方式和所處地區不同都會導致舍內溫度出現差異：相比干清糞方式，水泡糞豬舍會存留大量糞污和處理用水，而水的比熱容較大，導致舍內溫度相對較高；機械清糞豬舍內溫度相對一致；本研究在天津開展，冬季氣溫較低，而趙許可的研究在浙江進行，試驗時外界溫度較高，地域的環境溫度不同是舍內溫度出現差異的主要原因。

表3 不同季節豬舍內溫度和相對濕度監測數據Table 3 Monitoring data of temperature and relative humidity in pig house in different seasons

圖2 不同季節豬舍內溫、濕度小時變化規律Figure 2 Hourly variation of temperature and relative humidity in pig house in different seasons

豬舍相對濕度小時平均值變化和季節變化如圖2b和表3所示，相對濕度隨豬舍清洗和集中排泄后的水分增加而升高，各季節變化沒有明顯規律。從表3可以看出，舍內全年相對濕度平均值為69.2%±2.5%，春季為68.2%±3.7%，夏季為67.4%±4.1%，秋季為68.9%±3.1%，冬季為71.9%±4.4%。夏季溫度升高，生豬因飲水和降溫需求的增加導致舍內相對濕度變化較大；冬季因保暖需要通風較少，故舍內的相對濕度穩定在較高值，顯著高于其他季節。育肥豬適宜的相對濕度范圍為60%～70%，低于50%或高于80%則超過相對濕度的臨界值。從監測數據看，試驗期間豬舍相對濕度均在60%以上，有38%的時間相對濕度高于70%，超出畜禽舒適范圍的環境相對濕度會導致畜禽在溫度較高時無法散熱，體溫過高會影響自身代謝，對畜禽的飼料轉化和日增重有負面影響。BANHAZI發現相比于通風量，平均NH濃度和相對濕度的關系更密切，故需要加強對豬舍相對濕度的管理從而控制舍內平均NH濃度。趙許可對機械清糞豬舍的相對濕度進行監測，發現平均濕度為66.70%±2.71%；代小蓉等對人工清糞豬舍的環境指標進行監測，發現1 a 內豬舍的平均相對濕度為71.4%±11.7%，與本研究結果基本相符。趙許可研究發現水泡糞豬舍夏季的平均濕度為73.81%±0.68%，冬季的平均濕度為80.16%±1.06%，因水泡糞豬舍工藝處理需要，舍內存留大量污水導致濕度較高，而本研究中新型清糞系統采用節水沖洗技術和糞尿分類收集工藝，清潔用水少且尿液在產生后即流出舍內，因此能有效控制舍內的相對濕度。

2.2 舍內NH3、H2S濃度

豬舍每個季節連續7 d的平均NH濃度變化規律如圖3a 所示。總體而言，4 個季節舍內NH濃度日變化均呈現出先上升后下降的趨勢，夏季顯著低于其余3個季節，各季節最大值均出現在溫度較高的10：00—17：00，而最小值則出現在凌晨。原因是豬群在白天進食多、活動劇烈，高新陳代謝的同時增加了排泄活動，糞污排放增加導致分解產生的NH增多，故舍內的NH濃度比夜間高。NH濃度的季節變化如圖4a所示，各季節差異顯著，夏季舍內的NH濃度最低，春季和秋季的舍內NH濃度較高，而冬季的舍內NH濃度最高，主要原因是豬舍內NH大部分來自于生豬排泄的糞污中的尿素在脲酶催化作用下的分解，SAHA等發現溫度升高使得脲酶活性增強，尿素分解速率增加。春、秋季溫度適中，基本采用自然通風；夏季高溫但通常會加強舍內通風，及時排出有害氣體，故夏季舍內NH濃度比春、秋季低；而寒冷冬季舍內因保溫需要，豬舍通風時間極短甚至不通風，導致糞尿分解產生的大量NH在舍內蓄積，因此濃度顯著高于其他季節。RODRIGUEZ等研究了溫度對平均NH濃度的影響，發現當溫度從26 ℃下降至23 ℃時，平均NH濃度由2.88 mg·m下降至0.23 mg·m，且該研究排除了通風的影響，可見NH濃度隨溫度變化趨勢明顯。

對表4 的監測數據分析發現，全年舍內的平均NH濃度為（5.48±2.12）mg·m，最高濃度達10.47 mg·m，最低濃度為1.89 mg·m。有研究發現人工干清糞豬舍、機械干清糞豬舍和水泡糞豬舍的舍內平均NH濃度分別為22.18、9.33 mg·m和10.90 mg·m，新型清糞系統豬舍相比上述研究舍內NH濃度分別降低75.3%、41.3%和49.7%。通風時間對舍內NH濃度影響很大，增加通風時間會加速舍內有害氣體進入大氣，還會促進糞污分解釋放有害氣體。在本研究中，豬舍內僅安裝一臺風機且通風時間較短，相比其他研究通過增加通風時間來改善舍內環境，減少了對大氣環境的污染。畜舍內的環境標準要求NH濃度應小于20 mg·m，且舍內平均NH濃度在8 mg·m以下對畜禽生長更有利，本研究豬舍僅冬季部分時間超出適宜范圍，基本能滿足畜禽健康生長的環境要求。

圖3b 為每個季節連續7 d 舍內HS 平均濃度變化。與NH不同，HS 濃度并未出現明顯的日變化規律，但其變化更頻繁，瞬時濃度差更大。NI 等認為HS 氣體在水中的溶解度很低，導致過飽和的HS 氣體以氣泡形式停留在糞污中，當達到一定濃度或被干擾就會釋放出HS 氣體，導致舍內HS 濃度在短時間內產生巨大變化。這種原理對舍內長期停留液態糞污的水泡糞工藝可以做出解釋，而本研究的豬舍每天清理兩次糞污，不存在長期儲放的液態糞污，舍內HS 濃度劇烈變化可能是生豬踩踏糞便等其他因素造成的；FETRA 等研究發現糞污中HS 的形成和釋放會受到溫度的影響，因為糞污中含硫有機化合物的分解依賴酶的作用，因此HS 濃度的瞬時變化可能與局部溫度的升高有關。

圖3 不同季節豬舍內NH3和H2S濃度小時變化規律Figure 3 Hourly variation of NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons

舍內HS濃度的季節變化如圖4b所示，全年平均濃度為（0.86±0.17）mg·m。研究發現人工干清糞豬舍、機械干清糞和水泡糞豬舍的舍內平均HS濃度分別為7.87、2.13 mg·m和8.20 mg·m，新型清糞系統豬舍相比上述研究舍內HS 濃度分別降低89.1%、59.6%和89.5%。如表4 所示，冬季舍內的平均HS 濃度最高，達到（1.12±0.25）mg·m，夏季的舍內平均HS濃度最低，僅（0.69±0.19）mg·m，春、秋兩季的濃度相差較小，只略高于夏季。冬季舍內HS 濃度較高的原因可能是清糞頻率減少，舍內的糞污比其他季節儲存量大、停留時間長，加之因保溫需求通風量減小，使得HS在舍內蓄積。本研究豬舍的平均HS濃度為0.86 mg·m，遠低于規模化豬舍環境標準的國家要求（＜10 mg·m），能滿足畜禽健康生長的需要。

表4 不同季節豬舍內NH3和H2S濃度監測數據（mg·m-3）Table 4 Monitoring data of NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons（mg·m-3）

圖4 不同季節豬舍內NH3和H2S濃度變化規律Figure 4 Variation of NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons

本試驗豬舍的舍內NH和HS 濃度均低于國家標準，舍內溫、濕度大部分時間均保持在適宜生豬生長的范圍內。冬季舍內的兩種有害氣體濃度顯著高于夏季，也高于春、秋兩季，可能是舍內溫度和通風量造成的。夏季外界溫度較高，為保證舍內的環境溫度適宜畜禽生長，需要加大通風時長，在降溫的同時也會將舍內的有害氣體排出畜舍，在保持溫、濕度的同時降低了舍內NH、HS 的濃度；而冬季舍外寒冷，需要保證舍內的溫暖環境，減少不必要的通風換氣，僅在溫度較高或舍內有害氣體濃度過高時才開啟風機，造成舍內有害氣體的積累，較高的NH和HS 濃度會對畜禽的健康生長產生不利影響，故封閉式豬舍應改進通風和保溫措施，以保障動物福利。

朱志平等對豬舍的NH排放規律進行了研究，發現冬季舍內的NH濃度顯著高于夏季，季節差異明顯，與本研究結果一致。伍清林等對采用干清糞方式的規模化豬場哺乳仔豬舍、保育豬舍和生長育肥豬舍的各季節舍內空氣質量變化進行研究，結果表明舍內NH濃度在9.67～12.74 mg·m之間，HS 濃度在1.95～2.81 mg·m之間，NH和HS 濃度均高于本研究，原因可能是糞污清運不及時，糞尿在舍內長時間混合停留導致有害氣體大量產生，且在清運時擾動糞污也會加速有害氣體的生成，故舍內NH和HS 濃度高于本研究。PETIT 等的研究表明較高水平的膳食蛋白質水平會使新鮮糞便和尿液中的總氮濃度升高，從而導致尿素分解產生的NH濃度快速上升；HEBER 等研究發現如果養殖用水中的硫含量較高，則會顯著增加HS 從糞污中的釋放，導致舍內有害氣體濃度增加。綜合各研究可以發現，舍內溫度、濕度、通風時間、糞污停留時間、源排放強度、飼料和用水等因素都是影響NH和HS濃度變化的重要因素。

3 結論

（1）本研究豬舍內的溫度范圍為14.7～31.8 ℃，有19%和16%的時間在最高和最低臨界溫度范圍之外；相對濕度的范圍為62.7%～75.3%，有38%的時間超出最適相對濕度范圍。相比傳統清糞工藝，新型清糞系統對舍內溫、濕度的控制有一定效果。

（2）豬舍內全年平均NH濃度為5.48 mg·m，最高濃度在夏季，最低濃度出現在冬季。各季節最大值均出現在午后，而最小值則出現在凌晨。豬舍全年的平均HS 濃度為0.86 mg·m，冬季的平均HS 濃度最高，而夏季的最低。試驗期間新型清糞系統豬舍內的NH和HS 濃度均低于國家標準，也低于其他傳統清糞工藝。

（3）在新型清糞系統豬舍內，溫度和相對濕度基本都控制在適宜范圍內，減少了NH和HS 的產生，使舍內NH和HS 濃度保持在較低范圍，表明該系統能為生豬養殖提供適宜的舍內環境。