李仲瀚，巴士迪，張克強(qiáng)，楊增軍

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)逐漸向集約化、規(guī)?；D(zhuǎn)變，養(yǎng)殖污染已成為制約該行業(yè)發(fā)展的棘手問(wèn)題。源頭減量和過(guò)程控制是豬場(chǎng)糞污綜合治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，豬舍既是糞污產(chǎn)生的源頭場(chǎng)所，又是生產(chǎn)和防疫重地，舍內(nèi)糞污的收運(yùn)方式，一方面對(duì)污染物的產(chǎn)生量和濃度有重要影響，關(guān)系到后續(xù)處理和資源化利用的成本和方式；另一方面氣態(tài)污染物的舍內(nèi)排放量和病原體滋生影響環(huán)境質(zhì)量，關(guān)系到動(dòng)物福利及周邊人居環(huán)境[1-3]。BROCK?MANN 等[4]的研究表明適宜的糞污收運(yùn)方式對(duì)提高糞便養(yǎng)分利用率和減少環(huán)境污染尤為重要。影響清糞方式選擇的因素有很多，不能僅依據(jù)清糞工藝的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)確定清糞方式，糞污收運(yùn)是糞污管理過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，必須與糞污管理的其他環(huán)節(jié)配合構(gòu)建完整的管理鏈條才能實(shí)現(xiàn)糞污的有效管理，所以要根據(jù)后續(xù)的處理技術(shù)來(lái)確定相應(yīng)的清糞方式；同時(shí)也要考慮規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的地理位置、資源條件、經(jīng)濟(jì)水平、勞動(dòng)成本等因素，綜合各因素選擇適合養(yǎng)殖場(chǎng)使用的清糞工藝[5]。

合理的清糞工藝不僅能顯著降低生豬養(yǎng)殖中的污水產(chǎn)生量及污水中污染物濃度，為糞污的后續(xù)處理與利用降低難度，而且能減少舍內(nèi)有害氣體的產(chǎn)生量，為生豬的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，故規(guī)?；i場(chǎng)糞污清理方式的選擇尤為重要[6-7]。劉安芳等[8]對(duì)不同清糞工藝下的污水產(chǎn)生量和污水成分進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)干清糞產(chǎn)生的污水量和污染物濃度都比較低。鐘科賢[9]采用刮板干清糞工藝，用集尿管單獨(dú)收集豬尿，以此達(dá)到源頭分類(lèi)收集和減量提質(zhì)的目的。翁曉星等[10]分析了豬場(chǎng)清糞技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了規(guī)?；i場(chǎng)采用干清糞方式更有優(yōu)勢(shì)，但仍需加強(qiáng)設(shè)備和技術(shù)研究，提高現(xiàn)代化、機(jī)械化和自動(dòng)化水平。本研究采用糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)的機(jī)械清糞方式收集養(yǎng)殖場(chǎng)糞污，分析其理化性質(zhì)和舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)，以期為改進(jìn)和調(diào)整舍內(nèi)清糞工藝提供科學(xué)理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

1.1.1 試驗(yàn)豬舍

本研究在位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)的天津市西青區(qū)益利來(lái)養(yǎng)殖公司開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)選取的2 個(gè)豬舍均為保育舍，試驗(yàn)組采用糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)照組采用人工干清糞方式，豬舍南北朝向，內(nèi)部為兩列單走道式，每列6 個(gè)豬欄，兩側(cè)各有4 個(gè)窗，前端有風(fēng)機(jī)1個(gè)、門(mén)1個(gè)。

1.1.2 飼養(yǎng)管理

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)組豬舍進(jìn)行糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)安裝改造，工作原理如圖1 所示。改造結(jié)束后對(duì)兩組豬舍同時(shí)進(jìn)行清洗和消毒。試驗(yàn)期間兩組豬舍統(tǒng)一管理，生長(zhǎng)豬自由采食、飲水。飼料為生長(zhǎng)豬全價(jià)料，飼喂周期為30 d，試驗(yàn)組每日上午10：00 和下午16：00進(jìn)行設(shè)備清糞，對(duì)照組同時(shí)進(jìn)行人工清掃。

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

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集

試驗(yàn)的污水樣品分別在試驗(yàn)組和對(duì)照組的污水池采集，糞便樣品在兩豬舍的集糞池采集，每日清糞操作完成后進(jìn)行取樣，采集的糞便和污水樣品按標(biāo)準(zhǔn)保存后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

糞便檢測(cè)指標(biāo)包括含水率（MC）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）4項(xiàng)；污水檢測(cè)指標(biāo)包括化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）4項(xiàng)。

糞便的MC、TN 和TP 參照NY 525—2012 有機(jī)肥料中含水率、總氮和總磷的檢測(cè)方法測(cè)定；NH3-N 采用凱氏定氮法檢測(cè)。污水的TN、NH3-N 和TP 分別參照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[11]中的過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、蒸餾滴定法和過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法進(jìn)行檢測(cè)；COD 采用快速消解分光光度法測(cè)定。

環(huán)境指標(biāo)包括溫度、濕度、NH3濃度以及H2S 濃度。采用由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所養(yǎng)殖業(yè)污染防治創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多組分氣體原位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定后使用，主要參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。箱體置于豬舍中央進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)每10 min記錄并上傳一次。

表1 監(jiān)測(cè)箱參數(shù)指標(biāo)Table 1 The parameter indicators of monitoring box

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019 軟件處理，采用Origin 2018 軟件制圖，采用SPSS 25 軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 糞便及污水成分

試驗(yàn)組和對(duì)照組的糞便成分如表2 所示，試驗(yàn)組糞便平均含水率為69.52%，對(duì)照組含水率為74.44%，試驗(yàn)組的糞便含水率極顯著低于對(duì)照組（P<0.01），相比于對(duì)照組降低了4.92個(gè)百分點(diǎn)；試驗(yàn)組糞便中總氮和氨氮平均含量分別為3.35%和0.25%，對(duì)照組分別為2.84%和0.13%，試驗(yàn)組均極顯著高于對(duì)照組（P<0.01），分別提高了0.51 個(gè)百分點(diǎn)和0.12 個(gè)百分點(diǎn)；試驗(yàn)組糞便的平均總磷含量為2.69%，對(duì)照組含量為2.32%，試驗(yàn)組顯著高于對(duì)照組（P<0.05），提高了0.37個(gè)百分點(diǎn)。

表2 糞便成分分析（%）Table 2 Analysis of fecal composition（%）

從兩組污水中污染物濃度的結(jié)果（表3）可以看出，試驗(yàn)組污水中總氮、總磷、氨氮濃度及化學(xué)需氧量分別為535.25、65.27、193.14、1 411.24 mg·L-1，而對(duì)照組污水中分別為929.19、152.57、465.21、2 239.12 mg·L-1，試驗(yàn)組除總磷顯著低于對(duì)照組外（P<0.05），其余指標(biāo)均極顯著低于對(duì)照組（P<0.01），分別降低了42.40%、57.22%、58.48%和36.97%。

表3 污水成分分析（mg·L-1）Table 3 Analysis of wastewater composition（mg·L-1）

機(jī)械清糞組與人工清糞組收集的固態(tài)糞便在含水率上差異極顯著，人工清糞組比機(jī)械清糞組的含水率高出4.92 個(gè)百分點(diǎn)。趙許可[12]研究了人工清糞方式和輸送帶式機(jī)械清糞方式對(duì)糞便的清運(yùn)效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種清糞方式得到的固體糞便含水率均小于70%，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。本試驗(yàn)中機(jī)械清糞組收集的糞便含水率較低，符合堆肥發(fā)酵的水分要求，這種含水率較低的糞便在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)因漏液而污染環(huán)境，更利于后續(xù)的處理與利用[13]。機(jī)械清糞組固態(tài)糞便中總氮、總磷和氨氮的平均含量極顯著高于人工清糞組，故作為有機(jī)肥的利用價(jià)值要高于人工清糞組。機(jī)械清糞組收集的污水中總氮、總磷、氨氮、COD都顯著低于人工清糞組。吳根義等[14]研究發(fā)現(xiàn)水泡糞工藝的糞尿長(zhǎng)時(shí)間停留在水中，糞便中的養(yǎng)分，如有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)移到水中，導(dǎo)致污水的污染物濃度升高，水泡糞污水的COD高達(dá)20 000 mg·L-1、氨氮也接近1 500 mg·L-1，好氧微生物在這種高氨氮的廢水中活動(dòng)會(huì)受到抑制和毒害，難以進(jìn)行生物處理。水體中COD、總氮、總磷、氨氮等主要指標(biāo)的含量反映了水體富營(yíng)養(yǎng)化程度與污水的后續(xù)處理難度[15]，機(jī)械清糞的固液分類(lèi)收集方式既能提高固態(tài)糞便中有機(jī)物的綜合利用價(jià)值，又能降低養(yǎng)殖場(chǎng)污水的處理難度和處理負(fù)荷[16]，本研究中兩組糞污性質(zhì)出現(xiàn)差異的原因可能是糞便與尿液完成實(shí)時(shí)固液分離，污水與固態(tài)糞便短暫接觸后直接流出，故收集的固態(tài)糞便中含水率較低，避免了固態(tài)糞便中的養(yǎng)分損失，也顯著降低了污水中的污染物濃度。

2.2 舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)

兩組豬舍內(nèi)平均溫度、濕度、NH3濃度、H2S 濃度見(jiàn)表4。兩舍間溫度無(wú)顯著差異（P>0.05），對(duì)照組平均溫度略高于試驗(yàn)組，均在正常范圍之內(nèi)；對(duì)照組平均相對(duì)濕度比試驗(yàn)組高5.58 個(gè)百分點(diǎn)，差異極顯著（P<0.01）；試驗(yàn)組NH3和H2S 濃度相比對(duì)照組降低約64.83%和62.33%，差異極顯著（P<0.01）。

表4 豬舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和NH3、H2S濃度分析Table 4 Analysis of temperature，relative humidity，concentration of NH3 and H2S in piggery

2.2.1 清糞方式對(duì)舍內(nèi)溫度和濕度的影響

由圖2 和圖3 可知，兩舍內(nèi)溫度和濕度連續(xù)30 d的變化基本穩(wěn)定，每日均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，主要隨外界氣溫而變化；相對(duì)濕度的升高則與清糞時(shí)用水量增加以及豬的集中排泄密切相關(guān)。兩組豬舍的24 h舍內(nèi)溫度變化趨勢(shì)基本相同，均呈先上升后下降的趨勢(shì)，最高溫度均出現(xiàn)在14：00—17：00，夜間和凌晨時(shí)溫度降至最低；清糞活動(dòng)前后舍內(nèi)的溫度無(wú)顯著變化。兩組豬舍的24 h 舍內(nèi)濕度變化情況保持同升同降趨勢(shì)，試驗(yàn)組24 h 舍內(nèi)濕度均低于對(duì)照組，日間溫度較高時(shí)兩組豬舍的相對(duì)濕度均有所降低，早晨和傍晚舍內(nèi)濕度達(dá)到最大。

圖2 豬舍內(nèi)溫度和濕度動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of temperature and humidity in piggery

環(huán)境溫度的控制有其必要性，適宜的環(huán)境溫度使畜禽的質(zhì)量增幅和飼料轉(zhuǎn)化率達(dá)到峰值，若溫度高于或者低于該適宜范圍，畜禽的生長(zhǎng)指標(biāo)都會(huì)受到影響[17-18]。在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)組豬舍的平均溫度略低于對(duì)照組，豬的適宜生長(zhǎng)環(huán)境溫度為21～26 ℃[19]，兩組豬舍的日平均溫度基本在適宜溫度范圍內(nèi)，養(yǎng)殖效果較好，表明機(jī)械清糞模式雖然對(duì)舍內(nèi)的溫度控制有一定影響，但基本不影響育肥豬的生長(zhǎng)發(fā)育。舍內(nèi)外溫度的變化趨勢(shì)基本保持一致，也證明了舍內(nèi)溫度主要受外界環(huán)境因素影響。

施正香等[20]研究發(fā)現(xiàn)，豬對(duì)環(huán)境濕度的耐受范圍較大，最適宜的環(huán)境濕度范圍在50%～70%之間，最低相對(duì)濕度不應(yīng)低于40%，最高不應(yīng)超過(guò)80%。本試驗(yàn)中，人工清糞組的舍內(nèi)平均相對(duì)濕度顯著高于機(jī)械清糞組（P<0.01），主要是由于人工清糞方式清潔用水較多，糞尿也長(zhǎng)時(shí)間停留在舍內(nèi)，導(dǎo)致舍內(nèi)的相對(duì)濕度升高。從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，兩組豬舍的平均相對(duì)濕度均在生豬生長(zhǎng)發(fā)育的適宜范圍內(nèi)。相對(duì)濕度對(duì)生豬生產(chǎn)性能的影響，往往是與溫度共同作用的[21]，本試驗(yàn)兩組豬舍的溫度均在適宜范圍內(nèi)，故相對(duì)濕度對(duì)育肥豬的生長(zhǎng)無(wú)不良影響。

圖3 豬舍內(nèi)溫濕度日變化情況Figure 3 Diurnal changes of temperature and humidity in piggery for 24 h

2.2.2 清糞方式對(duì)舍內(nèi)NH3和H2S濃度的影響

NH3和H2S 容易擴(kuò)散，在豬舍內(nèi)可均勻分布且容易檢測(cè)，而有害性和毒性又較大，所以選擇這兩種氣體來(lái)衡量舍內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。兩組豬舍的NH3濃度變化如圖4和圖5所示，與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組舍內(nèi)連續(xù)30 d 的NH3濃度變化相對(duì)平穩(wěn)，而舍內(nèi)24 h 平均NH3濃度也低于試驗(yàn)組，變化趨勢(shì)基本保持一致，均呈先上升后下降的趨勢(shì)。清糞后兩組豬舍的NH3濃度均有所上升，試驗(yàn)組濃度平穩(wěn)升高，而對(duì)照組的變化更劇烈；在15：00 左右舍內(nèi)的NH3濃度達(dá)到峰值，夜間23：00至次日3：00濃度最低。

圖4 豬舍內(nèi)NH3濃度動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of NH3 concentration in piggery

從圖5 和圖6 可知兩組豬舍內(nèi)H2S 濃度變化相對(duì)平緩，試驗(yàn)組顯著低于對(duì)照組。從舍內(nèi)H2S 濃度的24 h 變化情況可以發(fā)現(xiàn)，兩組豬舍9：00—13：00 的H2S 濃度最高，在夜晚和凌晨時(shí)濃度降至最低。豬舍內(nèi)的H2S 主要來(lái)自含硫有機(jī)物（糞尿、飼料和墊草）的分解，此外，糞中微生物厭氧還原硫酸鹽也會(huì)產(chǎn)生大量H2S，故在豬集中排泄至清糞完成期間的舍內(nèi)H2S濃度最高。

圖5 豬舍內(nèi)NH3和H2S濃度日變化Figure 5 Diurnal changes of NH3 and H2S concentrations in piggery

圖6 豬舍內(nèi)H2S濃度動(dòng)態(tài)變化Figure 6 Dynamic changes of H2S concentration in piggery

研究發(fā)現(xiàn)豬舍內(nèi)的NH3濃度與舍內(nèi)糞污的可揮發(fā)面積、糞便含水率、糞便總氮含量等密切相關(guān)[22]，同時(shí)溫度的升高和CO2濃度的增加均加速NH3的釋放[23]。李季等[24]發(fā)現(xiàn)舍內(nèi)高溫期間的NH3排放量占全天的30%以上，而在本試驗(yàn)中，每日12：00—15：00 舍內(nèi)溫度達(dá)到最大值，溫度升高加速了NH3的排放，使?jié)舛冗_(dá)到峰值。馬占威[25]研究發(fā)現(xiàn)，糞便產(chǎn)生后及時(shí)通過(guò)清糞設(shè)備將糞污運(yùn)出會(huì)縮短有害氣體在舍內(nèi)的產(chǎn)生，但是清糞的同時(shí)會(huì)加速NH3的釋放。MISSELBROOK等[26]研究發(fā)現(xiàn)，糞污表面形成的薄殼能減少NH3的釋放，當(dāng)這層薄殼被破壞后會(huì)加速NH3的產(chǎn)生，當(dāng)發(fā)生清糞行為時(shí)，機(jī)械的擾動(dòng)和刮動(dòng)會(huì)導(dǎo)致舍內(nèi)NH3濃度短暫上升，高于清糞行為前的舍內(nèi)濃度，以上研究與本研究結(jié)果相符。朱志平等[27]對(duì)不同季節(jié)豬舍有害氣體濃度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)舍內(nèi)NH3濃度隨季節(jié)變化明顯，舍內(nèi)有害氣體濃度因夏季通風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)而保持較低的穩(wěn)定狀態(tài)。本研究在8 月進(jìn)行，舍內(nèi)有害氣體濃度也較低，與前人研究結(jié)果相符。與人工清糞組相比，機(jī)械清糞組能顯著降低舍內(nèi)的氨氣和硫化氫濃度。試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)氨氣和硫化氫濃度均未超過(guò)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，可見(jiàn)糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)能顯著改善舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）與人工清糞方式相比，糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)的機(jī)械清糞方式能在糞污產(chǎn)生的同時(shí)實(shí)現(xiàn)固液分離，使糞便的含水率顯著降低，總氮、總磷和氨氮含量顯著提高；污水的總氮、總磷、氨氮濃度和化學(xué)需氧量分別顯著降低42.40%、57.22%、58.48%和36.97%?？梢?jiàn)糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)能在保留糞便利用價(jià)值的同時(shí)降低污水后續(xù)處理難度，有較好的提質(zhì)減量效果。

（2）與人工清糞方式相比，采用糞污快速分離收運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械清糞方式的豬舍內(nèi)NH3和H2S 濃度顯著降低，平均降幅分別為64.83%和62.33%，表明快速分離收運(yùn)系統(tǒng)能滿(mǎn)足豬舍空氣環(huán)境質(zhì)量要求，為生豬生長(zhǎng)提供適宜環(huán)境。