牛培培,張總平,貢玉清,杜新平,李平華,3,侯黎明,3,黃瑞華,3*
(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)淮安研究院,江蘇 淮安 223005;2. 江蘇省畜牧總站,江蘇 南京 210017;3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)豬研究所,江蘇 南京 210095)
近三年受“非洲豬瘟”疫情影響,生豬產(chǎn)量急劇下滑。為更好滿足居民豬肉消費(fèi)需求,推動(dòng)構(gòu)建生產(chǎn)高效、資源節(jié)約、環(huán)境友好、布局合理、產(chǎn)銷協(xié)調(diào)的生豬產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展新格局,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)健康發(fā)展。政府先后出臺(tái)了貸款貼息、資金補(bǔ)助、生豬“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”調(diào)運(yùn)等政策支持,極大提高了生豬規(guī)模養(yǎng)殖的發(fā)展速度。2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部召開(kāi)全國(guó)生豬生產(chǎn)恢復(fù)視頻調(diào)度推進(jìn)會(huì)指出:截至10月10日,我國(guó)生豬規(guī)模養(yǎng)殖比重提高到53%[1]。由此分析規(guī)?;B(yǎng)殖將成為我國(guó)畜牧生產(chǎn)的主導(dǎo)力量。規(guī)模養(yǎng)殖擴(kuò)張,意味著養(yǎng)殖污染物大量產(chǎn)生;尤其近幾年層疊式籠養(yǎng)及樓房養(yǎng)殖模式的推廣,使得養(yǎng)殖空氣污染成為生豬高密度養(yǎng)殖發(fā)展面臨的突出問(wèn)題[2-3]。《中國(guó)空氣質(zhì)量管理評(píng)估報(bào)告》2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)農(nóng)業(yè)NH3排放大約為1 000萬(wàn)t,超過(guò)歐洲與美國(guó)NH3排放的總和,其中氮肥施用和畜禽養(yǎng)殖NH3占排放總量的90%。畜禽養(yǎng)殖大省山東和四川省2015年以前的農(nóng)業(yè)源NH3排放清單表明,畜禽源NH3排放分別占農(nóng)業(yè)源NH3排放總量的73%[4]-和72%~79%[5]。因此開(kāi)展養(yǎng)殖源氨氣監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)開(kāi)發(fā)對(duì)提升氣體污染防治水平,促進(jìn)我國(guó)畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)尤為關(guān)鍵。歐美國(guó)家畜禽源NH3排放占全球排放總量的50%,其中美國(guó)約80%,歐洲達(dá)90%。上世紀(jì)80年代歐美國(guó)家開(kāi)始對(duì)畜禽源NH3的排放規(guī)律、監(jiān)測(cè)方法、減排策略進(jìn)行研究;同時(shí)美國(guó)Rosemoun和Thermo、丹麥Lumasense、德國(guó)Drager為代表的公司相繼推出了一系列的氨氣監(jiān)測(cè)設(shè)備。隨著氨氣監(jiān)測(cè)工作持續(xù)開(kāi)展,美國(guó)編制了《氨排放控制和污染防治報(bào)告》,英國(guó)建立了國(guó)家氨減排措施評(píng)價(jià)系統(tǒng)模型,德國(guó)建立了農(nóng)業(yè)排放清單模型,丹麥建立了氨排放模型[6]。2018年我國(guó)“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”打響,隨著規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展,近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究者開(kāi)始高度關(guān)注養(yǎng)殖源氨氣濃度監(jiān)控技術(shù)研究。本文就養(yǎng)殖源氨氣產(chǎn)生及危害、養(yǎng)殖源氨氣監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)綜述,為規(guī)模化養(yǎng)殖源氨氣監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)開(kāi)發(fā)提供參考。
養(yǎng)殖源NH3會(huì)對(duì)畜禽和人類健康及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。研究表明氨氣濃度3×10-5時(shí),可破壞斷奶仔豬氣管和肺的組織形態(tài)結(jié)構(gòu),引起組織炎癥反應(yīng),影響血清、氣管和肺組織細(xì)胞因子含量;氨氣濃度6×10-5時(shí),斷奶仔豬氣管黏液分泌過(guò)多;氨氣濃度9×10-5時(shí),斷奶仔豬氣管和肺的半胱天冬酶表達(dá)量升高,引起組織細(xì)胞凋亡[7]。Michiels等[8]認(rèn)為NH3濃度增加可導(dǎo)致育肥豬胸膜肺炎病變幾率升高。Thu[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn),30%的養(yǎng)殖場(chǎng)工人患有慢性支氣管炎、職業(yè)性哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病。此外,環(huán)境中過(guò)量的氨會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化及氣候變化。
養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)氨氣濃度檢測(cè)方法以化學(xué)法和光學(xué)法為主。研究者用于養(yǎng)殖場(chǎng)氨氣濃度檢測(cè)設(shè)備主要有氣體檢測(cè)管、電化學(xué)傳感器和光學(xué)氣體分析儀。隨著無(wú)線傳感、物聯(lián)網(wǎng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,畜禽舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水平得到了極大地提高。
劉國(guó)云等[10]對(duì)比日本GASTEC公司3CG、日本北川公司105SD和德國(guó)Drage公司0.25/a主動(dòng)取樣氨氣檢測(cè)管的性能發(fā)現(xiàn),大于檢測(cè)管量程范圍1/3時(shí),3種檢測(cè)管比對(duì)結(jié)果相對(duì)誤差均小于15%;小于檢測(cè)管量程范圍1/3時(shí),氣體檢測(cè)管準(zhǔn)確度相對(duì)誤差小于25%(0.25/a氣體檢測(cè)管最低濃度除外)。所以使用此類設(shè)備要注意其量程范圍、精密度和準(zhǔn)確度等參數(shù)指標(biāo)。氣體探測(cè)管雖然檢測(cè)精度較低,但使用方便,因此廣泛應(yīng)用于室內(nèi)氨快速半定量檢測(cè)。
選定濃度13×10-6、66×10-6和105×10-6的氨氣作為待測(cè)氣體,對(duì)比評(píng)價(jià)檢測(cè)管測(cè)定和便攜式電化學(xué)氣體檢測(cè)儀法的精密度,發(fā)現(xiàn)氨氣檢測(cè)管檢測(cè)精密度為5.1%~8.4%,便攜式電化學(xué)檢測(cè)儀精密度為2.3%~7.9%,因此建議便攜式電化學(xué)檢測(cè)儀法作為低濃度氨氣定量的首選方法[11]。Wheeler等[12]利用含有兩個(gè)電化學(xué)NH3傳感器的便攜式檢測(cè)單元對(duì)雞舍氨氣進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)傳感器的差異小于1×10-6,檢測(cè)精度可達(dá)到3%,但長(zhǎng)時(shí)間使用易漂移,需要定期進(jìn)行重新校準(zhǔn)。相對(duì)于氣體檢測(cè)管、電化學(xué)氣體傳感器的局限性,光譜氣體檢測(cè)設(shè)備可進(jìn)行多氣體濃度的實(shí)時(shí)定量檢測(cè),有效避免多氣體檢測(cè)的干擾性。丹麥LUMASENSE公司的INNOVA紅外光聲譜氣體檢測(cè)儀,其檢測(cè)精度可達(dá)到1×10-9,可以選擇性地測(cè)量 NH3、N2O、CH4、CO2等氣體,能夠補(bǔ)償測(cè)量時(shí)溫度,水氣和其他氣體的干擾,是一種高度準(zhǔn)確、可靠和穩(wěn)定的定量氣體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器,但此類設(shè)備價(jià)格昂貴,操作相對(duì)復(fù)雜。以上三類常用檢測(cè)設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn),因此根據(jù)畜禽場(chǎng)養(yǎng)殖條件和實(shí)際需求選擇合適量程、精度和準(zhǔn)確度的檢測(cè)設(shè)備尤為關(guān)鍵。
針對(duì)畜禽舍內(nèi)氨氣濃度連續(xù)監(jiān)控的需要,萬(wàn)子倫等[13]采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)傳輸和信息融合技術(shù),設(shè)計(jì)出成本低廉、能耗較低、多氣體監(jiān)測(cè)的禽畜舍氣體智能化檢測(cè)系統(tǒng)。李帥等[14]設(shè)計(jì)了一種基于LoRa無(wú)線傳感技術(shù)的有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢,王艷等[15]設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW圖形化編程軟件的生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,給出處理決策。養(yǎng)殖源氨氣排放受多種因素影響,為建立準(zhǔn)確的養(yǎng)殖源氨氣濃度預(yù)測(cè)模型,劉春紅等[16]提出了基于ARIMA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豬舍氨氣濃度組合預(yù)測(cè)方法。楊亮等[17]建立了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豬舍氨氣濃度預(yù)測(cè)模型。謝秋菊等[18]采用基于L-M優(yōu)化算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)豬舍環(huán)境氨氣濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)。就現(xiàn)階段氨氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)新總結(jié)發(fā)現(xiàn),為更好實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確連續(xù)地監(jiān)測(cè)、記錄、預(yù)測(cè)、控制養(yǎng)殖源氨氣濃度,需要電化學(xué)、無(wú)線傳感、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科領(lǐng)域深度融合。
養(yǎng)殖源氨氣易附著畜禽呼吸道、消化道黏膜等組織,危害呼吸及消化系統(tǒng)健康,嚴(yán)重影響畜禽健康生產(chǎn)。且氨氣排放作為大氣環(huán)境污染重要組成部分,易引發(fā)土壤和水體的酸化。本文就如何減少和控制氨氣排放措施,從源頭減量、過(guò)程控制和末端利用的角度對(duì)氨氣減排措施進(jìn)行總結(jié)。
日糧中蛋白質(zhì)僅有30%左右的氮被吸收,50%~80%氮以尿液的形式排出,20%~50%以糞便形式排出。因此可通過(guò)改善舍內(nèi)地面結(jié)構(gòu),降低日糧中蛋白質(zhì)水平,添加微生物制劑、酸化劑、尿酶抑制劑、吸附劑等方式從源頭減少氨氣排放。
現(xiàn)代豬舍保育欄下地面坡度大于傳統(tǒng)豬舍,安裝刮糞設(shè)備,利于糞尿分離,減少舍內(nèi)氨氣濃度。調(diào)查顯示產(chǎn)房V型地面設(shè)計(jì)較水平地面大大降低舍內(nèi)氨氣濃度[19]。
降低飼料蛋白水平,可有效降低豬糞中氨氣的排放。Le等[20]報(bào)道,生長(zhǎng)育肥豬日糧蛋白為12%時(shí),可顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度。黃健等[21]研究表明,降低10~20 kg和20~50 kg階段豬日糧蛋白3~4個(gè)百分點(diǎn),舍內(nèi)氨氣濃度能顯著降低26.55%~57.85%。Sajeev 等[22]采用薈萃分析發(fā)現(xiàn),飼料中蛋白水平與氨排放明顯相關(guān),牛日糧蛋白含量降低1個(gè)百分點(diǎn),牛糞尿中NH3減排17%±6%;豬日糧蛋白降低1個(gè)百分點(diǎn),豬糞尿中NH3減排11%±6%。
微生物不僅可以改善動(dòng)物生產(chǎn)水平和健康狀況,還可以減少舍內(nèi)NH3的排放。霍永久等[23]研究表明,在生長(zhǎng)豬日糧中添加0.04%的芽孢桿菌制劑可顯著降低豬糞中氨氣的濃度。在生長(zhǎng)豬日糧中添加0.05%~0.2%枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌制劑可顯著減少豬糞中氨排放[24]。張莉平[25]]在肉雞日糧中添加3 g/kg由地衣芽孢桿菌、糞腸球菌、嗜酸乳桿菌等組成的益生菌制劑,可顯著減少雞舍中氨氣濃度。劉婕等[26]將啤酒酵母、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和膨潤(rùn)土等按比例混合后添加0.15%到豬日糧中,極顯著降低豬舍中氨氣濃度。
酸制劑可作為小豬和育肥豬的詞料添加劑產(chǎn)品,用于降低腸道內(nèi)容物的pH值,增加腸道微生物多樣性,降低豬排泄物中氨氣的排放[27]。Eriksen等[28]研究發(fā)現(xiàn),豬日糧添加2%苯甲酸,豬糞中氨氣減排60%~70%。蛋雞日糧和飲水中添加竹醋液可提高產(chǎn)蛋性能,并減少雞糞中氨氣含量[29]。
絲蘭或樟科植物提取物可作為天然尿酶抑制劑添加到日糧中。日糧中添加絲蘭屬提取物,可有效降低現(xiàn)代化封閉式豬舍內(nèi)氨氣濃度。田麗新[30]研究結(jié)果表明,奶牛日糧中添加2%絲蘭提取物,3 d內(nèi)可減少牛糞中50%以上的氨排放。潘倩等[31]認(rèn)為,斷奶仔豬日糧中添加樟科植物提取物,能抑制糞中脲酶活性,減少氨氣產(chǎn)生。
沸石類物質(zhì)是一類多孔性的硅鋁鹽酸,其特性是由其非常大的內(nèi)表面積和很高的離子交換能力決定的。Kim等[32]認(rèn)為,在生長(zhǎng)育肥豬日糧中添加4%沸石可顯著減低氨氣排放量。將沸石添加到生豬日糧中,糞便中氮可降低15%[33]。
糞便和尿液排出體外并接觸后,尿酶開(kāi)始作用,尿素分解產(chǎn)生氨氣,因此通過(guò)加強(qiáng)清糞管理,做好覆蓋、酸化和尿酶抑制,合理使用空氣凈化設(shè)備是控制糞尿排出、收集、儲(chǔ)存過(guò)程中氨氣產(chǎn)生的重要手段。
對(duì)舍內(nèi)的NH3進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),上午清糞能夠顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度水平[34]。發(fā)現(xiàn)每周清理糞尿混合物3次與每周1次相比,NH3減排46%[35]。由此可見(jiàn),將糞尿排出舍外可有效減少舍內(nèi)氨氣濃度。
糞尿儲(chǔ)存及處理過(guò)程中,會(huì)有大量氨氣產(chǎn)生,在糞尿表面增加覆蓋物,可有效降低氨揮發(fā),常用覆蓋物有聚乙烯塑料膜、普通織物、油、有機(jī)物、疏松多孔物質(zhì)。研究表明,與表面沒(méi)有覆蓋物相比,聚乙烯薄膜近乎完全避免氨揮發(fā)的產(chǎn)生[20]。秸稈、鋸末生物炭、沸石等覆蓋在糞堆表層可有效減少糞肥儲(chǔ)存過(guò)程中氨揮發(fā)。研究表明,糞便中添加生物炭NH3減排38%~53%[36],添加沸石NH3減排30%[37],添加膨潤(rùn)土NH3減排20%[38]。堆肥發(fā)酵過(guò)程中通常采用調(diào)節(jié)pH值、碳氮比、溫度,外源添加沸石、蚯蚓糞、泥炭、過(guò)磷酸鈣、氯化鈣、除臭菌提升固氮效率[39],以達(dá)到氨減排的目的。
韓保安等[40]從豬糞中篩選具有除臭功能的微生物,后進(jìn)行復(fù)配施于糞便中,氨氣去除率達(dá)85.6%??莶菅挎邨U菌可通過(guò)調(diào)節(jié)微生物菌群結(jié)構(gòu)和pH值,促進(jìn)堆肥中氮素轉(zhuǎn)換,達(dá)到降氨減少環(huán)境污染的作用[41]。噴施0.012 mol/L乳酸、0.017 mol/L磷酸于糞便中,24 h內(nèi) NH3可分別減排43%、74%[42]
添加脲酶抑制劑可直接抑制尿酶及產(chǎn)尿酶微生物活動(dòng)來(lái)減少氨的揮發(fā),使糞尿中尿素以酰胺的形式保存在糞尿混合物中。目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的脲酶抑制劑主要有磷胺類、酚醌類、雜環(huán)類、硫代吡啶類、植物提取物等。有研究表明NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)和 2-NPT(N-(2-硝基苯基)磷酸三胺)可有效地減少牛糞尿中52%~73%氨揮發(fā)[43]。潘倩等[31]證實(shí),在豬糞中添加樟科植物提取物,可抑制糞便中氮素分解及NH3釋放。楊彩梅等[44]體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),樟科植物提取物可較好的抑制于豬糞中脲酶活性,減少糞尿中氨氣的產(chǎn)生。張?jiān)苿俒45]研究發(fā)現(xiàn),隨著樟科植物乙醇提取物添加量的增加,舍內(nèi)氨氣排放量減少。
臭氧具有很強(qiáng)的氧化性,能快速分解為O2和O2-,與空氣中的NH3作用形成NO、NO2和H2O。臭氧濃度0.77~3.10 mg/m3連續(xù)作用40 min,NH3濃度可降低30%[46-48]。楊立強(qiáng)等[49]證實(shí),光電除臭儀可顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度。在豬舍內(nèi)安裝空氣電凈化系統(tǒng)后,發(fā)現(xiàn)氨氣的去除效率可達(dá)到30%[50]。
關(guān)于養(yǎng)殖末端氨氣處理和利用,主要從養(yǎng)殖臭氣、糞肥或糞水施用考慮NH3減排。空氣氨吸收一般是將畜禽舍末端臭氣通過(guò)集氣系統(tǒng)與過(guò)濾系統(tǒng)相連。廖新俤等[51]畜禽舍負(fù)壓風(fēng)機(jī)端安裝“擋網(wǎng)+噴霧”裝置,NH3去除率達(dá)74.96%。監(jiān)測(cè)經(jīng)生物過(guò)濾的豬場(chǎng)廢氣,發(fā)現(xiàn)NH3平均去除率為82%[52]。豬舍末端安裝復(fù)合凈化系統(tǒng),外排臭氣NH3去除率可達(dá)85%[53]。采用15∶3∶1(草腐土∶珍珠巖∶黑炭)濾層配方,除臭過(guò)濾結(jié)果表明,末端NH3去除率大于95%[54]。糞肥施用氨減排,主要采用秸稈炭、尿酶抑制劑等覆于糞肥表面減少氨揮發(fā)或抑制氨氣產(chǎn)生[55]。采用豬舍施用糞肥,可減少70%~80%土壤中氨揮發(fā)[56-57]。增強(qiáng)氨的吸收和利用效率。
基于氨減排措施的研究,有研究者為了生產(chǎn)的需要,設(shè)計(jì)了用于規(guī)模畜禽養(yǎng)殖舍外的空氣優(yōu)化房舍結(jié)構(gòu)和舍內(nèi)軌道式空氣質(zhì)量智能巡檢控制系統(tǒng);研發(fā)了干濕分離自動(dòng)清糞系統(tǒng)顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度;開(kāi)發(fā)出可精確調(diào)控堆肥反應(yīng)的密閉式堆肥反應(yīng)器及智能化生物除氨減排一體設(shè)備以及糞尿表層酸化、畜禽糞便智能堆肥反應(yīng)器、多級(jí)循環(huán)噴淋洗氣系統(tǒng)、液態(tài)糞尿供給存儲(chǔ)系統(tǒng)、液態(tài)糞尿注射施用等氨減排利用設(shè)備。就現(xiàn)階段氨控制措施創(chuàng)新方向可見(jiàn),為提高氨氣去除和利用效率,需要從源頭減排、過(guò)程控制、末端利用綜合考慮減氨、控氨和固銨措施;需要畜牧養(yǎng)殖、機(jī)械工程、生物工程、資環(huán)、農(nóng)學(xué)等多學(xué)科融合聯(lián)合開(kāi)展養(yǎng)殖氨控制技術(shù)創(chuàng)新工作。
隨著規(guī)模養(yǎng)殖的快速推進(jìn),氨氣對(duì)從業(yè)者及畜禽健康、周邊鄰里關(guān)系、大氣環(huán)境的影響變得越來(lái)越突出,從目前養(yǎng)殖氨氣監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)進(jìn)展,總結(jié)未來(lái)養(yǎng)殖氨監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向如下。
我國(guó)現(xiàn)階段采用的畜禽污染氣體監(jiān)測(cè)儀器和傳感器均為國(guó)外進(jìn)口,尤其是一些靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、可連續(xù)記錄的設(shè)備,因?yàn)閮r(jià)格昂貴,體積較大僅用在科研工作中。目前缺少性能穩(wěn)定、適用養(yǎng)殖環(huán)境、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄氨氣濃度變化的快檢裝備,為我國(guó)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)氨氣控制技術(shù)效果評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確而可靠的依據(jù)。
國(guó)內(nèi)外研究者已采用降低蛋白水平、添加吸附劑、益生菌、酸化劑、尿酶抑制劑、臭氧(催化)氧化、覆蓋、根施等方面進(jìn)行減氨、控氨、固銨、抑氨技術(shù)。但國(guó)內(nèi)對(duì)各環(huán)節(jié)和各種組合技術(shù)減排效果的評(píng)價(jià)研究較少。因此系統(tǒng)對(duì)比評(píng)價(jià)各技術(shù)(技術(shù)組合)減排效果,有針對(duì)性地建立養(yǎng)殖氨氣減排技術(shù)體系是今后養(yǎng)殖氨減排技術(shù)創(chuàng)新方向。