王美芝，吳中紅，劉繼軍，趙婉瑩（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193）

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豬舍有害氣體及顆粒物環(huán)境參數(shù)研究綜述

王美芝，吳中紅，劉繼軍，趙婉瑩
（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193）

摘 要：豬舍內(nèi)產(chǎn)生的氨氣等有害氣體不僅對豬舍內(nèi)的豬只和工作人員的健康產(chǎn)生一定的影響，而且有害氣體的排放還將對周邊環(huán)境及大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。文內(nèi)對比了美國、中國豬舍內(nèi)有害氣體環(huán)境控制標準，綜述了美國、中國及歐盟成員國關(guān)于氨氣、二氧化碳等有害氣體及顆粒物在豬舍內(nèi)的濃度監(jiān)測值及排放值，以期為中國豬舍環(huán)境控制的力度和研究方向提供參考。

關(guān)鍵詞：豬舍；環(huán)境；氨氣；顆粒物；二氧化碳

全球集約化的家畜生產(chǎn)引起氨氣、臭味、顆粒物PM和溫室氣體（CH4和N2O）更高的排放量。為減少氨氣對環(huán)境的污染，歐盟、美國和加拿大1999年聯(lián)合制定了長距離越境空氣污染協(xié)議（Gothenburg protocol），到2010年氨氣排放量較1990年減少17%，2020年與2005年相比，氨氣排放量降低6%［1］。歐洲94%的氨氣排放來源于農(nóng)業(yè)［2］。家畜飼養(yǎng)排放的氨氣占人類活動氨氣排放量的64%?；谌虬睔獾呐欧帕恐?1%～55%由家畜飼養(yǎng)中畜舍和糞污儲存系統(tǒng)排放引起［3］，Gothenburg protocol 建議使用低排放動物生產(chǎn)系統(tǒng)。在歐盟，主要對排放量多、占比重較大的豬舍和禽舍實行低排放畜舍。家畜飼養(yǎng)引起的溫室氣體排放量占人類活動溫室氣體排放量的比例約為14.5%［4］，養(yǎng)豬和家禽引起的溫室氣體排放量約占家畜飼養(yǎng)溫室氣體排放量的9%和8%。家畜飼養(yǎng)中排放的甲烷、氧化亞氮和二氧化碳分別占家畜飼養(yǎng)溫室氣體排放總量的44%、29%和27%。養(yǎng)豬生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體不僅對大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境造成危害，還對豬舍內(nèi)動物及工人的健康產(chǎn)生一定影響。本文對豬舍有害氣體的產(chǎn)生、危害、環(huán)境參數(shù)、排放參數(shù)及減排措施的研究現(xiàn)狀進行了綜述，以期為中國養(yǎng)豬生產(chǎn)中環(huán)境控制的力度、研究方向提供參考。

1 豬舍有害氣體排放方面的研究進展

1.1 豬舍內(nèi)有害氣體的產(chǎn)生和危害

養(yǎng)豬生產(chǎn)中最為重要的排放物是氨氣，氨氣排放到空氣中引起土壤酸化、水體富營養(yǎng)化，二者導(dǎo)致生物多樣性的喪失［5］。氨氣主要產(chǎn)生于豬舍內(nèi)實體地面、漏縫地板和糞溝內(nèi)尿液變干的過程中。氨氣對黏膜的清除系統(tǒng)有害，可降低纖毛和黏液流動的活力［6］。 因此降低黏膜清除系統(tǒng)的功能，使呼吸道易于感染疾?。?］。氨氣濃度為8～11 mg/m3時將刺激鼻子和眼睛、支氣管及肺部。

硫化氫產(chǎn)生于糞污厭氧變性的過程中，在攪拌糞污時產(chǎn)生量更大。硫化氫濃度為2～8 mg/m3時有臭雞蛋味；在其濃度為76～152 mg/m3時將引起嗅覺麻痹；濃度高于152 mg/m3時將產(chǎn)生鼻炎和流淚；硫化氫濃度為152～228 mg/m3時將引起支氣管炎（干咳）；硫化氫濃度為304～759 mg/ m3時將引起頭疼、頭昏、惡心、肺炎、肺水腫；濃度大于1 518 mg/m3時將引起呼吸停止甚至死亡。

豬舍內(nèi)二氧化碳的產(chǎn)生主要有3個來源. 動物呼出產(chǎn)生［8］、糞污產(chǎn)生［9］。寒冷地區(qū)各種能源如油、天然氣和煤炭燃燒供暖產(chǎn)生，其中，養(yǎng)豬生產(chǎn)和其他動物生產(chǎn)中動物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳是最大的排放源，占碳吸收量的50%～60%。二氧化碳濃度為58 929 mg/m3時人類將增加呼吸頻率、頭疼、頭昏；濃度大于589 286 mg/m3時將產(chǎn)生致命性影響。二氧化碳是豬舍通風(fēng)量評價中的標志性氣體［10］。

豬舍內(nèi)一氧化碳主要來源于通風(fēng)不當?shù)娜济杭訜崞?、燃氣加熱器。一氧化碳能引起死亡，當豬舍內(nèi)一氧化碳濃度達250 mg/m3時，妊娠母豬將流產(chǎn)。

二氧化碳是最為重要的溫室氣體［11］。 二氧化碳不僅是溫室氣體排放源之一， 而且與生活在周邊地區(qū)的人類的健康風(fēng)險有關(guān)［12］。甲烷和氧化亞氮是影響較強的溫室氣體，其溫室氣體效應(yīng)分別是二氧化碳的34和298倍［13］。而養(yǎng)豬生產(chǎn)中甲烷的產(chǎn)生主要來源于糞污儲存過程，動物直接產(chǎn)生的量極少［14］。

1.2 豬舍有害氣體控制限值參數(shù)

美國IOWA State University 推廣中心推薦的各種有害氣體在豬舍的濃度值上限［15］見表1。

表1 美國IOWA State University 推廣中心推薦的豬舍內(nèi)有害氣體濃度限值

表2 中國豬舍有害氣體環(huán)境標準中濃度限值參數(shù) mg/m3

中國《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》GB/T17824.3-2008中關(guān)于有害氣體含量的限值見表2。

由表1和表2可知，中國豬舍環(huán)境標準中二氧化碳濃度限值與美國推薦的豬舍內(nèi)二氧化碳濃度限值相比要求偏高。二氧化碳濃度越低，豬舍空氣質(zhì)量越好，但是二氧化碳濃度越低代表豬舍的通風(fēng)量越大，特別是對于冬季寒冷地區(qū)豬舍來說，在保持豬舍內(nèi)溫度適宜時，豬舍內(nèi)二氧化碳濃度越低，豬舍的通風(fēng)量越大、供暖能耗越大。

1.3 豬舍內(nèi)有害氣體濃度和排放量參數(shù)

既有文獻中關(guān)于豬舍內(nèi)有害氣體濃度的監(jiān)測值和背景值見表3。

表3 既有文獻中豬舍有害氣體濃度值［1］ mg/m3

由表3可知，監(jiān)測到的豬舍內(nèi)氨氣最高濃度達到66 mg/m3，可見，此時豬舍內(nèi)環(huán)境可對工人和豬的鼻子、眼睛及呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。硫化氫濃度監(jiān)測到的最高值9 mg/m3，豬舍內(nèi)可有臭雞蛋味，尚未引起處于此豬舍環(huán)境中的工人嗅覺麻痹。監(jiān)測到的豬舍內(nèi)二氧化碳濃度最高值9 821 mg/m3，尚沒有使處于此環(huán)境中的工人出現(xiàn)增加呼吸頻率、頭疼、頭昏等癥狀。

既有文獻中二氧化碳排放量參數(shù)見表4。

既有文獻中氨氣、甲烷和氧化亞氮排放量參數(shù)見表5。

《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》提出的全球溫室氣體減排計劃目標為至2012年，溫室氣體排放量較1990年減少5.2%。幾個國家采納并修改了京都議定書制定減排計劃目標，自2013年到2020年，溫室氣體排放量較1990年減少18%。中國政府根據(jù)中國國情、發(fā)展階段、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和國際責(zé)任，確定了到2030年的自主行動目標，即：二氧化碳排放2030年左右達到峰值并爭取盡早達峰；單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%。因此，中國的畜牧業(yè)也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整生產(chǎn)模式，在本行業(yè)內(nèi)采取經(jīng)濟有效的方式減少溫室氣體排放量。

表4 既有文獻中二氧化碳排放量參數(shù)

表5 既有文獻中NH3、CH4和N2O排放量參數(shù)

2 豬舍顆粒物排放方面的研究進展

2.1 豬舍內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生及危害

豬舍內(nèi)顆粒物主要來源于糞便、飼料、毛發(fā)、皮屑和細菌。豬舍內(nèi)產(chǎn)生的顆粒物通過機械通風(fēng)或者自然通風(fēng)排入大氣，豬舍排放的細顆粒物能夠進入動物和人的呼吸系統(tǒng)影響健康開始引起關(guān)注。顆粒物根據(jù)尺寸主要分為PM10 和PM2.5兩種，PM10定義為通過空氣動力學(xué)當量直徑10 μm切割入口的捕集效率為50%的切割器的顆粒，同理，PM2.5 定義為通過空氣動力學(xué)當量直徑2.5 μm切割入口的捕集效率為50%的切割器的顆粒。多種污染物和微生物可以吸附在顆粒物上，豬舍內(nèi)空氣顆粒物對動物福利、生產(chǎn)性能、工人健康和環(huán)境均有重要不利影響，有研究證明PM10對豬的呼吸系統(tǒng)疾病有重要影響。顆粒物和氨氣都對黏膜的清除系統(tǒng)有害。顆粒物能夠引起呼吸系統(tǒng)上皮細胞的炎癥或刺激。小于10 μm 的顆粒能進入豬的呼吸道，大部分微生物附著于粒徑5～20 μm顆粒物上并主要附著于10 μm 顆粒上， 粒徑為5 μm及以上的顆粒主要影響纖毛系統(tǒng)，小于4 μm的顆粒可吸入到肺泡 。

2.2 歐盟大氣顆粒物的限值規(guī)定

為保護人類健康，歐盟規(guī)定了大氣中顆粒物濃度的高限值，從 2005年1月起，PM10日平均濃度最高不超過50 μg/m3，每年不超過35次。 PM10濃度的年平均值最高不超過40 μg / m3。 PM2.5日平均濃度最高值到2015年目標值不超過25 μg/m3。目前，荷蘭某些地區(qū)的PM10濃度也經(jīng)常超標，其中大部分超標地區(qū)是畜牧養(yǎng)殖的周邊地區(qū)。美國和中國豬舍內(nèi)顆粒物的濃度限值分別見表1和表2。

2.3 顆粒物濃度的測量方法

正確的精確的顆粒物濃度測量方法對評價其對工人健康、豬生產(chǎn)性能和健康的不利影響的評價極其重要，對于比較研究不同研究機構(gòu)的豬舍顆粒物排放量數(shù)據(jù)也極為重要。 豬舍內(nèi)顆粒物的組成特征與大氣顆粒物組成不同，它含有豬舍內(nèi)的特殊氣體成分和臭味成分。 空氣中PM10 和 PM2.5顆粒物的采樣方法在歐洲由法規(guī) EN 12341 （1998） 和EN 14907 （2005）分別進行了規(guī)范。 目前，對于室內(nèi)PM10和 PM2.5的測量方法尚沒有標準的測量方法。Nele Van Ransbeeck et al比較了重量法、兩種相似的激光散射法和Beta 射線法四種不同的測量方法在豬舍測量的PM10、PM2.5和PM1的濃度值。

2.4 豬舍內(nèi)顆粒物的濃度現(xiàn)值和排放量參數(shù)

已經(jīng)報道的各個國家豬舍內(nèi)PM10 和 PM2.5的濃度及排放量參數(shù)見表6。

表6 既有文獻中豬舍PM10、PM2.5濃度和排放量參數(shù)

由表6可知，既有文獻中豬舍內(nèi)PM10濃度最高值為4.4 mg/m3，由表1和表2可知，美國建議的豬舍內(nèi)顆粒物濃度限值為10 mg/m3，中國豬舍內(nèi)顆粒物濃度限值為1.5 mg/m3（成年豬舍）/（1.2 mg/m3哺乳豬舍、保育豬舍）。美國及中國豬舍環(huán)境標準中的顆粒物均未指出是TSP還是PM10，假設(shè)顆粒物指TSP，國內(nèi)外研究結(jié)果表明，PM10/TSP的重量比值為60%～80%，則既有文獻中豬舍內(nèi)PM10濃度最高值為4.4 mg/m3相當于TSP濃度不超過8 mg/m3，因此，既有文獻中豬舍內(nèi)顆粒物濃度值一般不超過美國豬舍推薦的顆粒物限值要求，但是超過中國豬舍環(huán)境標準中顆粒物限值要求。

歐盟的家畜生產(chǎn)排放的PM10和PM2.5分別占總排放量的8%和4%，2012Gothenburg protocol 規(guī)定，到2020年，與2005年相比，PM2.5需降低22%，因此，家畜生產(chǎn)的PM2.5產(chǎn)生量也應(yīng)相應(yīng)削減。中國的PM2.5濃度也有年度削減計劃，因此，中國養(yǎng)豬業(yè)也有必要采取經(jīng)濟有效的措施在本行業(yè)減少PM2.5的排放。

3 減少豬舍有害氣體產(chǎn)生量及排放量的主要方法

幾種源頭控制技術(shù)和管道末端控制技術(shù)可以減少畜舍氨氣排放，源頭控制技術(shù)包括：易于清理的糞污收集表面、減少散發(fā)氨氣的糞污表面面積、降低散發(fā)氨氣的糞污表面溫度、及時將糞污清理出畜舍、減少糞污停留在畜舍的時間，防止糞污變干、對有糞溝的豬舍配置糞溝風(fēng)機通風(fēng)。

管道末端控制技術(shù)包括化學(xué)的、生物的和綜合的空氣洗滌器和生物過濾器，該技術(shù)引導(dǎo)排風(fēng)通過濕填料床來去除水溶性物質(zhì)。這些技術(shù)已在丹麥、加拿大和荷蘭等數(shù)個國家的豬舍系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。在荷蘭，育肥豬和母豬舍應(yīng)用管道末端減排技術(shù)的比例從2010年的50%上升到超過2012年的60%，主要歸功于空氣洗滌器的應(yīng)用。

除了氨氣，豬舍排放的臭味對于人口密度較大區(qū)域的周邊居民具有一定的影響，也需要空氣洗滌器和生物過濾器等除臭技術(shù)。空氣洗滌器能夠去除部分顆粒物。幾個歐洲國家以立法的形式規(guī)定了PM去除的效率。對保育豬舍安裝的生物過濾器能夠過濾掉86%～88%的總顆粒物并能夠去除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）92%～95%。生物過濾器能夠去除畜舍臭味99%、并能去除有臭味的16種VOC物質(zhì)86%，建造成本、空氣壓降和去除效率是生物過濾器的3個關(guān)鍵參數(shù)。

在優(yōu)化設(shè)計空氣洗滌器的過程中，人們也期待空氣洗滌器也能去除溫室氣體，但是目前溫室氣體在空氣洗滌器和生物過濾器中的變化尚未知，但是N2O在空氣洗滌系統(tǒng)中是無法去除的。

可能降低豬舍內(nèi)硫化氫濃度的辦法主要有：稀釋糞污、適當?shù)募S溝通風(fēng)、攪拌糞污時增大通風(fēng)量；在攪拌糞污時禁止工人進入豬舍；將糞污儲存在豬舍外。

可能的降低豬舍二氧化碳濃度的辦法是提高豬舍的通風(fēng)率。

避免豬舍內(nèi)一氧化碳濃度超標的辦法就是正確調(diào)整加熱器，以各棟豬舍集中供暖代替每棟豬舍內(nèi)燃燒能源供暖。

減少豬舍內(nèi)顆粒物產(chǎn)生量的可能的解決方法主要有：保持豬舍清潔、避免糞污變干、使用顆粒料或液體飼料。

4 結(jié)語

綜上所述，在中美豬舍有害氣體濃度限值中中國豬舍二氧化碳濃度值限值偏低，實際生產(chǎn)中難以達到，若想達到此目標冬季供暖能耗將較大。近年來美國、歐盟等國家對豬舍內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體向大氣排放方面的研究較多，反映了發(fā)達國家在豬舍環(huán)境控制技術(shù)已經(jīng)成熟的條件下，日益注重養(yǎng)豬生產(chǎn)對周邊環(huán)境及全球環(huán)境的影響方面的研究。在中國政府已經(jīng)承諾制定減排目標和國際社會的關(guān)注熱點影響下，中國研究機構(gòu)也開始展開了豬舍有害氣體排放量基數(shù)的參數(shù)研究，這將對中國養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有益的幫助。

部分參考文獻

［1］ CAROLINE VAN dER HEYDEN，PETER DEMEYER，EVELINE I.P.Volcke.Mitigating emissions from pig and poultry housing facilities throμgh air scrubbers and biofilters：State-of-theart and perspectives.Biosystemsengineering，134（2015）74-93.

［2］ UNECE/LRTAP.（2012）.European Union emission inventory report 1990-2010 under the UNECE Convention on Long-range Transboundary Air Pollution （LRTAP）.EEA Technical report no 8/2012.European Environment Agency.

［3］ BEUSEN，A.H.W.，Bouwman，A. F.，HEUBERGER，P.S.C.，et al.Bottomup uncertainty estimates of global ammonia emissions from global agricultural production systems.Atmospheric Environment，42（24），6067-6077.

［4］ GERBER， P.J.，STEINFELD， H.，HENDERSON，B.，et al.（2013）. Tackling climate change throμgh livestock-A global assessment of emissions and mitigation opportunities （p.136）.Rome：Food and Agricultural Organization of the United Nations.

［5］ O E N E M A，O .，V E L T H O F，G . L.，AMANN，M.，et al.（2012）. Emissions from agriculture and their control potentials （TSAP Report3）. International Institute for Applied Systems Analysis （IIASA）， European Commission.

［6］ STOMBAUGH，D.P.，TEAGUE，et al.（1969）.Effects of atmospheric ammonia on the pig.J.Anim.Sci.96，844-847.

［7］ MAES， D.，SEGALES，J.，MEYNS，T.，et al.2008.Control of Mycoplasma hyopneumoniae infections in pigs. Vet. Microbiol. 126， 297-309.

［8］ N I J . Q .，H E N D R I K S，J .，CONNEGRACHTS， J.，et al.1999a. Production of carbon dioxide in a fattening pig house under fi eld condition： I. Exhalation by pigs. Atmos. Environ. 33，3691-3696.

［9］ N i J . Q .，V I N C K I E R，C .，HENDRIKS，J.，et al. 1999b. Production of carbon dioxide in a fattening pig house under fi eld condition： II. Release from manure. Atmos. Environ. 33，3697-3703.

［10］ BLANES，V.，PEDERSEN，S.，2005. Ventilation fl ow in pig houses measured and calculated by carbon dioxide，moisture，and heat balance equations.Biosyst.Eng.92，483-493.

［11］ DONG H.，KANG，G.，Zhu，Z.，et al.2009.Ammonia，methane，and carbon dioxide concentrations and emissions of a hoop grower-finisher swine barn.Transactions of the ASAE 52（5），1741-1747.

［12］ HEEDERIK，D.，Sigsgaard，T.，Thorne，et al.2007.Health effects of airborne exposures from concentrated animal feeding operations. Environ. Health Perspect.115，298-302.

［13］IPPC.（2013）.ClimateChange2013. ThePhysicalScienceBasis（p.1535）.Ca mbridge，UnitedKingdomandNewYo rk，NY，USA：Cambridge University Press. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.

［14］ TRSBUE，S.，Kerr，B..2014.Emissions of Greenhouse Gases， Ammonia，and Hydrogen Sulfide from Pigs Fed Standard Diets and Diets Supplemented with Dried Distillers Grains with Solubles.J.Environ. Qual.43，1176-1186 .

［15］ JAY D. HARMON and HONGWEI XIN， Health Hazards in Swine Confinement Housing： How Bad Is Bad？http：//lib.dr.iastate.edu/abe_ eng_animalproduction_pubs/.1995.

如需全部參考文獻，請與作者索取。

基金項目：生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團隊項目，項目編號：BAIC02-2016

作者簡介：王美芝（1974-），女，副教授，博士，主要從事畜牧工程與畜牧環(huán)境研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，100193，Email： meizhiwang@cau.edu.cn

收稿日期：（2016-03-02）