規(guī)模豬場氨減排技術(shù)——智能減氨棚

文│田坤 胡小山 丁健 孫亮華（河南牧原生態(tài)環(huán)境科技有限公司）

劉明月（牧原食品股份有限公司）

周元清*（全國畜牧總站）

隨著全球范圍內(nèi)集約化畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖過程排放的氨氣日益增加。農(nóng)業(yè)作為最大的人為氨揮發(fā)源，占全球人為氨排放總量的80%～90%，其中畜禽養(yǎng)殖占50%～60%。在我國，畜禽養(yǎng)殖業(yè)作為我國氨排放最大的貢獻(xiàn)源，占總排放量的40%～60%，其中以規(guī)模化生豬養(yǎng)殖、肉牛業(yè)和蛋雞過程為主要環(huán)節(jié)。近年來，我國生豬養(yǎng)殖規(guī)模化率從2017年的46.9%提升至2022年的65.1%，生豬存欄量逐年增高，截至2023年上半年，我國生豬存欄量43517萬頭。未來行業(yè)規(guī)模化進(jìn)程仍將持續(xù)，養(yǎng)殖量和生產(chǎn)速度逐步提升，與此同時(shí)帶來的氨排放量也將持續(xù)增加。

畜禽場氨排放濃度過高時(shí)不僅會(huì)抑制畜禽生長，同時(shí)引起人體不適。我國無公害養(yǎng)殖GB/T 18407.3-2001規(guī)定，氨氣濃度場區(qū)＜5毫克/立方米、豬舍＜25毫克/立方米，超過該濃度會(huì)引發(fā)動(dòng)物呼吸道疾病，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)肺水腫、出血，呼吸困難，窒息等癥狀。此外，氨可與血紅蛋白結(jié)合，降低機(jī)體的抵抗能力，大大增加豬的發(fā)病率和死亡率。人體能敏銳地感知氨氣，當(dāng)氨氣濃度達(dá)到38毫克/立方米時(shí)即可引起流淚和鼻塞，若長期處于高濃度氨氣環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)呼吸疾病、眼睛干癢、頭暈乏力等癥狀，對器官和心臟產(chǎn)生損傷。此外，氨氣作為大氣中惟一的堿性氣體，易與氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）結(jié)合生成銨鹽細(xì)粒子，是PM2.5的前體物。同時(shí)，氨氣參與大氣干濕沉降，一旦排放會(huì)迅速沉積在陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)上，降低土壤和水體質(zhì)量，降低生物多樣性。

“ 十 三 五” 以 來， 我 國 逐漸將氨防控提上環(huán)境管理日程。《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》在國家政策層面提出了“氨防控”的要求，《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》明確了在重點(diǎn)地區(qū)開展氨排放控制試點(diǎn)的要求，《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》提出了基于農(nóng)業(yè)資源利用效率改善的氨減排行動(dòng)計(jì)劃，其中畜禽養(yǎng)殖業(yè)因其較高的集約化水平成為氨重點(diǎn)減排試點(diǎn)方向。《中共中央 國務(wù)院關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》要求，到2025年京津冀及周邊地區(qū)大型規(guī)模化養(yǎng)殖場氨排放總量削減5%。

近年來，豬舍氨減排技術(shù)迅速發(fā)展，建立了源頭減量-過程控制-末端治理的除氨模式創(chuàng)新。通過使用低蛋白日糧，降低氨氣排放；采用機(jī)械通風(fēng)封閉化圈舍代替自然通風(fēng)開放式圈舍等通過改變豬舍模式，進(jìn)行氨氣收集過程控制。末端治理是常用的豬舍氨減排手段，舍內(nèi)空氣統(tǒng)一收集后處理，可提高工藝效率、降低成本。本試驗(yàn)采用一種適用于規(guī)模化豬場機(jī)械通風(fēng)條件下封閉豬舍的氨減排措施，以末端治理為重心，結(jié)合源頭減量和過程控制，達(dá)到豬舍全鏈條氨減排，為畜牧生產(chǎn)過程減氨目標(biāo)提供工藝選擇。

一、材料與方法

1.試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)。本研究于河南省某規(guī)模化生豬養(yǎng)殖企業(yè)豬場肥豬舍，舍內(nèi)豬群平均體重分別為60千克（圈舍A）、80千克（圈舍B）及100千克（圈舍C）。

2.試驗(yàn)方法。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)于圈舍A、圈舍B、圈舍C均設(shè)置末端處理裝置，其中圈舍A處理為清水處理（CK）和系統(tǒng)正常運(yùn)行（T1），圈舍B系統(tǒng)正常運(yùn)行（T2）、圈舍C系統(tǒng)正常運(yùn)行（T3）。

（2）采樣方式。使用在線監(jiān)測的方式，分別在圈舍A、B、C的末端處理裝置內(nèi)外布設(shè)氨氣濃度檢測儀，連續(xù)獲取氨氣濃度數(shù)據(jù)。檢測儀器布置完成后，待儀器示數(shù)變化趨于穩(wěn)定時(shí)開始取值。

（3）統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行整理，使用GraphPad Prism對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

二、豬舍減氨案例

豬舍氨氣減排以每個(gè)豬舍為處理單元，末端治理設(shè)施為智能減氨棚，由布水模塊、除臭墻、循環(huán)水槽、泵組、電控系統(tǒng)等組成（圖1）。

◎圖1 智能減氨棚外觀，其中黑色主體部分為除臭墻

◎圖2 不同存欄平均體重圈舍的智能減氨棚的氨減排效率。

1.工藝原理。豬舍排風(fēng)中含有大量的氨氣，智能減氨棚系疏松多孔填料構(gòu)成，設(shè)置除臭劑循環(huán)系統(tǒng)，豬舍排風(fēng)經(jīng)過智能減氨棚后，在填料墻水膜的物理吸收和化學(xué)反應(yīng)共同作用下，去除氨氣及其他臭氣分子，達(dá)到氨減排的目標(biāo)。

2.工藝特點(diǎn)。布水模塊均勻布水，除臭劑在除臭墻形成均勻的水膜，與出風(fēng)中的氨氣、硫化氫、芳香族、脂肪族、揮發(fā)性有機(jī)酸、揮發(fā)性硫化物等臭氣分子反應(yīng)后，于底部循環(huán)水槽內(nèi)收集，經(jīng)智能水泵模塊循環(huán)利用。

3.減排路徑。智能減氨棚具有過濾和水洗系統(tǒng)功能，作為豬舍氨氣末端治理設(shè)施配合豬舍內(nèi)部的氣體收集、送風(fēng)系統(tǒng)，形成豬舍從內(nèi)到外的全鏈條氨減排路徑。

（1）氣體收集。密閉豬舍機(jī)械通風(fēng)收集氨氣，舍內(nèi)噴淋降低豬舍溫濕度，通過改變環(huán)境因素降低氨排放，例如溫度降低使脲酶活性降低從而減少尿素分解為氨氣。

（2）送風(fēng)系統(tǒng)。豬舍使用精準(zhǔn)通風(fēng)技術(shù)，根據(jù)豬群體重設(shè)計(jì)通風(fēng)量，節(jié)省豬舍進(jìn)氣從而降低最終所需處理的氨氣體積。

（3）過濾系統(tǒng)。物理、化學(xué)、生物結(jié)合的方式進(jìn)行過濾，豬舍出風(fēng)氨氣被空氣和飼料粉塵裹挾，通過物理攔截（吸附材料、水膜）、化學(xué)處理、生物濾床等方式對氨氣進(jìn)行攔截和處理，減少氨氣排放至大氣。

（4）水洗除氨系統(tǒng)。豬舍出風(fēng)氣體經(jīng)過輸送后統(tǒng)一收集至水洗單元，在水及除臭劑的作用下吸收和反應(yīng)去除氨氣（圖1）。

（5）控制單元。以每個(gè)豬舍為控制單元，水洗及藥劑添加系統(tǒng)根據(jù)出風(fēng)氨氣濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過設(shè)置需求出風(fēng)氨氣濃度，智能控制水及除臭劑的添加量。

（6）檢測系統(tǒng)。出風(fēng)設(shè)置氨氣濃度檢測裝置，根據(jù)氨氣濃度調(diào)控除氨設(shè)施參數(shù)。

4.工藝設(shè)計(jì)。

（1）除臭墻面積設(shè)計(jì)。除臭墻面積應(yīng)結(jié)合豬舍出風(fēng)總量、過墻風(fēng)速以及除臭墻實(shí)際利用率確定，具體計(jì)算公式如下：

式中：

S——除臭墻面積，單位為平方米；

Q——風(fēng)機(jī)風(fēng)量，單位為立方米每小時(shí)；

v——過墻風(fēng)速，單位為米每秒；

σ——除臭墻實(shí)際利用率（%），與除臭墻填充材料的孔隙率一致。

（2）除臭墻厚度設(shè)計(jì)。除臭墻厚度應(yīng)結(jié)合養(yǎng)殖場不同豬舍豬只存欄量、最大日齡呼吸量、糞棚通風(fēng)量、設(shè)計(jì)過墻風(fēng)速、設(shè)計(jì)除臭墻面積進(jìn)行設(shè)計(jì)。推薦過墻風(fēng)速設(shè)計(jì)參數(shù)1～1.5米/秒，除臭墻面積按照式（2）進(jìn)行計(jì)算確定：

式中：

T——除臭墻厚度，單位為米；

t——設(shè)計(jì)過墻時(shí)間，單位為秒；

v——過墻風(fēng)速，單位為米每秒。

5.減排效果。智能減氨棚在不同圈舍的氨氣濃度變化和瞬時(shí)去除率結(jié)果見圖2，所涉及的豬舍包括圈舍A（平均存欄體重60千克）、圈舍B（平均存欄體重80千克）、圈舍C（平均存欄體重100千克）。智能減氨棚在清水運(yùn)行和加藥運(yùn)行條件下的氨減排效果分別為圖2（A）、圖2（B），兩者對比可知，當(dāng)處理前氨氣濃度為8ppm以上時(shí)，清水運(yùn)行可通過溶解氨氣而表現(xiàn)出一定的氨減排效果，但減排率不超過66%；加藥運(yùn)行的氨減排效率可保持在71.8%以上，且在運(yùn)行良好的情況下達(dá)到100%的氨減排效果（氨氣未檢出），說明在正常運(yùn)行的情況下，智能減氨棚能夠滿足豬舍出風(fēng)的氨氣去除目標(biāo)。當(dāng)豬舍存欄生豬平均體重增高時(shí)，智能減氨棚的氨氣減排率可分別保持在81.2%（平均體重80千克，圈舍B，圖2C）和26.4%（平均體重100千克，圈舍C，圖2D）以上。圈舍A、B、C的最大氨減排效果雖然均可達(dá)到100%，然而隨著存欄平均體重增加至100千克以上，減排率有明顯的降低，此時(shí)可通過添加藥劑用量或增設(shè)第二道除臭墻以延長反應(yīng)時(shí)間以保持不同的氨減排目標(biāo)。

6.工藝成本。以肥豬舍設(shè)計(jì)存欄600頭、氨氣減排率80%、氨氣產(chǎn)生速率10克/（頭·天）為例，固定投資為38770元。智能減氨棚可使用10年，頭均總成本為7.74元/頭，去除每千克氨氣所需的成本為5.2元/千克。

三、結(jié)語

（1）智能減氨棚具有較高的氨減排效果，豬舍存欄平均體重分別為60、80、100千克時(shí)，氨減排效率可分別達(dá)到71.8%、81.2%及26.4%以上。

（2）實(shí)際應(yīng)用過程可通過增加加藥濃度、設(shè)置第二道除臭墻等措施提高智能減氨棚的氨減排效率。

（3）每去除1千克氨氣所需成本為5.2元。