畜禽场空气悬浮颗粒物污染与其监控技术研究进展

汪开英 戴圣炎 王玲娟

(1.浙江大学生物系统工程系， 杭州 310058； 2.北卡罗莱纳州立大学生物与农业工程系， 罗利 NC 27695-7625)

畜禽场空气悬浮颗粒物污染与其监控技术研究进展

汪开英1戴圣炎1王玲娟2

(1.浙江大学生物系统工程系， 杭州 310058； 2.北卡罗莱纳州立大学生物与农业工程系， 罗利 NC 27695-7625)

随着畜禽养殖的快速发展，近年来畜禽场空气中的悬浮颗粒物(PM)对于动物的健康、福利以及生长的危害越来越受到重视。畜禽场PM的来源、理化和生物特征、扩散模型以及相关监控技术已成为国内外研究的热点。本文阐述了畜禽场PM的来源、特征、危害和国内外针对PM的相关标准；根据畜禽场PM复杂的理化和生物特征，阐述了相应的检测技术；从源头、过程和末端3个环节分析了畜禽场PM的控制技术。

畜禽场； 悬浮颗粒物； 空气污染； 监控技术

引言

空气悬浮颗粒物(Particulate matter,PM)是在大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称，常见的灰尘、烟、雾、霾等都属于其范畴。颗粒物按粒径大小可以分为可吸入颗粒物(Inhalable PM, IPM)，又称总悬浮颗粒物(Total suspended particulate，TSP)、可入胸腔颗粒物(Thoracic, TPM)和可入肺颗粒物(Respirable PM,RPM)等[1]。其中，总悬浮颗粒物(Total suspended particulate，TSP)指大气中100 μm以下的颗粒物；PM10指空气动力学直径小于或等于10 μm的大气颗粒物，它们可以通过呼吸系统进入人体胸腔及肺部，因此也被用来代表入胸腔颗粒物[1]；PM2.5指空气动力学直径小于或等于2.5 μm的大气颗粒物，它们能够进入人体肺泡，因此也称为可入肺颗粒物[2]。

一般PM引发的空气污染通常被认为是工业化和城市化的后果，农业并没被当作主要的空气污染来源。然而，欧洲研究表明，农业可能是主要的空气污染排放源之一，其中畜禽养殖业PM又是农业源PM的主要来源之一，并且随着畜禽养殖业的发展，其PM的排放占比还将随之增加[3]。畜禽场的PM与其他人为排放源的PM有3个不同表现：PM的浓度高于其他室内环境10～100倍、携带恶臭和污染气体、通常含有种类繁多的细菌和微生物而使其具有生物活性[4]。这决定着畜禽场PM对畜禽健康的危害、对畜禽福利的影响以及对环境的影响。

我国养殖系统与欧美发达国家存在较大差异，直接引用国外有限的实验和检测数据评估我国畜禽场PM的排放及其对人畜健康和环境的影响，并不能反映我国畜禽场PM的现状。但目前我国对畜禽场PM污染的研究鲜见报道，本文针对畜禽场PM的源解析、排放特征以及畜禽场PM的有效控制技术等方面进行研究，以期为解决畜禽场PM污染问题提供理论和技术支撑，提高畜禽健康福利和区域环境空气质量。

1 畜禽场PM污染来源

畜牧生产系统是农业源PM的主要来源之一，其中尤以禽舍和猪舍的PM排放率最大。在欧洲，禽舍和猪舍的PM排放分别占农业源PM排放的50%和30%[5]。畜禽场内PM来源有饲料、体表(包括禽类羽毛)、粪便以及其他类型来源。饲料PM是饲料粉末飘散至空气中，并长时间漂浮，成为畜禽场PM的主要来源。体表PM包括了畜禽咳嗽、打喷嚏时带出的飞沫以及运动、蹭痒时脱落的皮肤或羽毛。当然畜禽场内的PM还有类似木屑垫料、畜禽粪便以及真菌孢子等形成的颗粒物[6]。畜禽场内的PM主要来源如表1所示[7]。

不同畜禽场的PM来源与状况各有不同。对于猪舍而言，PM主要来自于饲料和粪便，源于饲料的PM相对来说粒径较大[8]，源于粪便的PM相对来说粒径较小，这意味着动物将其吸入肺泡内的可能性更大，潜在危害也会更大。有研究指出使用垫料的猪舍与不使用垫料的猪舍相比，可吸入颗粒物的浓度将成倍增加，尤其在生长后期，垫料床更加脏，产生的PM也会更多[9]，这意味着垫料成为垫料床畜禽舍PM的主要来源。也有研究指出饲料和猪体产生的皮屑是猪舍内PM的主要来源[10]。在家禽生产中，PM的主要来源则是饲料、粪便、羽毛与其他垃圾。在多层养殖的禽舍内，皮屑、羽毛、排泄物、饲料、垃圾所产生的PM污染尤其严重[11]。

表1 畜禽场内PM来源

此外畜禽舍空气中的污染物质之间会产生化学反应，形成有机或无机粒子，这些粒子被称为二次颗粒物。比如畜禽舍内空气中的氨气与酸性气体就容易发生化学反应形成无机盐粒子，这些粒子与粪便、饲料等污染源排放的颗粒物的物理、化学性质完全不同，且粒径相对较小。因此畜禽舍内的PM2.5有一部分也来源于二次颗粒物[12]。

畜禽场PM的来源是开展畜禽场PM对人畜健康影响机制及对区域环境影响的基础性研究，是了解畜禽场PM有害性的重要内容。

2 畜禽场PM特征及危害

2.1 畜禽场PM特征

PM是一种悬浮性的混合颗粒物，具有不同的物理、化学和生物学特性。畜禽场PM的物理特征包括PM的浓度、粒径、形态及排放系数等；化学特征为PM中所携带的化学物质，包括有机碳/元素碳(OC/EC)、离子(如无机盐)和元素等；生物特征为PM中所携带的微生物，包括细菌、真菌、病毒等。

畜禽场PM的物理特征中较为主要的是浓度和粒径分布，因此在对畜禽场PM进行研究时，PM的浓度以及粒径是必须测量的2个指标。对于不同的畜禽场，PM的浓度因不同动物种类有很大的不同，一般来说，PM浓度最高的是禽类的养殖场，其次是猪，最后是肉牛等的养殖场[13-17]。除了PM的浓度，不同动物舍粒径分布也是不同的[18]，如表2所示。

PM的排放速率(Emission rate)也是畜禽场PM的一个主要特征。PM的排放速率计算式为

EPM=Q(ρPMo-ρPMi)

式中EPM——畜禽舍PM排放速率Q——畜禽舍通风流量ρPMo、ρPMi——畜禽舍的排放处和入口处的PM质量浓度

表2 不同畜禽种类，不同粒径的PM 在TSP中所占的比例

畜禽场PM的排放速率也是畜禽场影响外界环境中PM的一个重要的指标。PM的排放速率会因畜禽舍大小和存栏量的不同而变化，为了比较不同种类和大小畜禽舍的PM排放，排放速率通常又会被转换成排放系数(排放因子)。ALBERT等[19]的研究也表明，不同畜禽种类的畜禽舍的PM排放系数有很大不同，如表3所示。

表3 不同种类畜禽舍的单位PM排放系数

畜禽场PM的化学成分与动物种类、饲养模式、清粪方式等有关。如猪舍和禽舍中的PM比牛棚的PM含有更多的氮元素和干燥物质，而牛栏中的PM会有更多的湿物质、矿物质和灰质[20]。近年来针对畜禽养殖系统的PM中化学成分的研究主要包含PM中的微量元素、离子、有机碳和元素碳(OC和EC)等。目前畜牧业因化学物质对二次颗粒物形成的贡献、不同化学成分及其相互作用对人畜健康风险评估急需进一步研究。同时，有限的研究表明畜禽场PM含有的有机质最多能达到90%[21]。畜禽场PM中包含众多微生物(真菌、细菌、病毒、毒素和过敏源)，研究发现畜禽舍内的空气微生物大多数是细菌，其中革兰氏阳性菌占优势，真菌只占小部分[22]。目前，PM在畜禽场微生物传输中的作用有待进一步研究。颗粒物的生化特征是开展畜禽场颗粒物的源解析和危害研究的重要指标。

2.2 畜禽场PM危害

2.2.1 畜禽场PM对人畜健康的危害

畜禽场PM被认为是造成动物生产性能下降的不利因素[23-24]。畜禽场PM不仅造成环境的污染，而且对动物的福利和健康都会带来不利影响[18]。畜禽场PM对动物的健康危害主要在于对动物呼吸道的刺激及损伤。RADON等[25]研究发现被动物吸入的PM会深入到动物的呼吸道，引发呼吸道的疾病，如慢性支气管炎、哮喘等。MICHIELS等[26]研究显示，在PM和氨气(NH3)的共同作用下，猪的日增重率降低，肺炎的发病率增加，甚至死亡率也会有所提高。PAPANASTASIOU等[27]研究发现PM的大小和表面积也决定了其对动物呼吸道的炎症损伤及氧化损伤的程度。除了PM本身的作用，PM携带的化合物和微生物也会对动物产生危害[28]。猪场中的PM携带有超过50种的化合物，这些附着在PM上的化合物如果进入更深层的呼吸道中会增强PM的生物刺激性，也增加了PM的潜在健康危害。柴同杰等[29]研究发现微生物气溶胶(Bioaerosols)是舍内畜禽健康下降及舍间疾病传播扩散的主要因素。

畜禽场PM对人体的主要危害就是呼吸道疾病[30]，特别是养殖场的工作人员，他们受畜禽场PM的影响患呼吸道疾病的几率更大[31]。文献[32-34]对呼吸病学及健康风险的研究表明PM与人的心肺功能失常也存在关系，而且在老人、小孩和患病群体中，PM浓度的提高会显著提升死亡率。美国流行病学研究发现，糖尿病与PM之间存在着紧密联系[35]。

畜禽场PM对人畜健康的影响研究现阶段多在于PM与人畜健康之间的联系或与某种疾病之间存在关系，但对于PM对人畜健康的影响机理还有待深入的研究。当前仍欠缺大量的定量信息，以及PM 问题严重程度、现有的和潜在的PM 健康影响严重程度的众多不确定性。另外畜禽舍PM 吸附的NH3、恶臭化合物、致病性与非致病性微生物的影响有待评估，因此，需要获取更全面、完善的PM 特征信息以揭示畜禽场PM 的暴露-效果关系和暴露-反应关系。

2.2.2 畜禽场PM对环境的影响

畜禽场PM排放到周边环境中的可能性极高，相关研究表明PM不仅对畜禽场内空气质量有重要影响，外界环境同样会受到影响[36]。PM通过畜舍风机被排放到舍外[37]，对环境空气造成8%的PM10贡献率，4%的初次PM2.5污染。在其他PM污染物降低的同时，农业PM污染却未得到重视[38-39]，可见畜禽场排放到大气的PM不容忽视[40]。排放到养殖场外界的PM可对生态系统产生影响，植被吸收污染的压力也因此增大[41]。高浓度的PM污染同样也会影响到气候变化，比如雾霾的形成、大气辐射与大气可见度等[42]。排放的PM本身可以携带臭气污染物、微生物、有毒酸性物质以及其他生物成分可对周围居民空气质量造成影响[43-45]。

2.2.3 畜禽场PM扩散模拟与影响评估

扩散模拟是评估畜禽场PM排放对环境影响的重要手段。颗粒物的扩散模型可以对PM的扩散规律进行预测，可以更好地针对其规律实行相应的措施。应用PM的扩散模型，了解PM的扩散规律，对于抑制PM扩散，降低PM的环境影响有着积极的意义。场区、场周边以及场所在区域的不同范围合适的PM扩散模型亦不同。基于计算流体力学(CFD)的传播模型适用于场区内的PM扩散模拟，CHOI等[46]使用CFD技术对农场的空气污染物的传播进行了模拟与仿真，得出通风系统和建筑布局成为空气污染物扩散的关键影响因素。通过CFD的仿真模拟试验，可在建设初期为农场的建筑布局和通风设施提供宝贵依据，尽早采取保护措施以最大程度减少污染物的危害。大气扩散模型AERMOD是一种稳态模型系统，常用于50 km以下距离的污染物扩散模拟，适合畜禽场周边的PM扩散模拟，HADLOCON等[47]使用AREMOD模型对鸡场的PM排放进行了模拟，评估了该鸡场周边空气中的PM浓度符合美国国家环境空气质量标准。而CALPUFF是一种非稳态的模型系统，适用于50 km以上的PM模拟，可以模拟污染物在大气环境中的扩散、转化和清除的过程，因此适合于养殖场所在区域的PM扩散模拟[48]。然而PM场内外的扩散模拟会因气象条件以及地形的不可控，对模拟的结果产生影响。

2.3 畜禽场PM排放的影响因素

畜禽场内 PM 排放速率、浓度等特征受多种因素的影响。有研究表明，畜禽场 PM 排放与畜禽舍结构、通风方式及其通风率、饲养管理活动、温湿度、光照、畜禽行为、畜禽生长阶段、体重、季节等因素相关[49-50]。畜禽场PM 浓度和排放速率呈现出季节和时间的变化，PM的浓度与相对湿度、温度和通风量成反比、与畜禽行为活性成正比[51-57]。LE等[58]研究不同饲养模式的鸡舍发现，散养式的饲养模式要比笼养式的饲养模式产生更多的PM，另外每笼鸡数、笼子的维修状态、每天喂养的饲料量都能影响PM的浓度及排放。为获得不同动物种类、饲养管理模式和环境参数的 PM 排放特征，仍需获取大量的相关数据以探究 PM 与环境参数、养殖工艺与管理模式等因素之间的相关性。

2.4 PM相关标准

国内外为约束环境中的PM浓度，制定了相关标准。欧洲现行环境空气质量标准和监测体系基于2008年欧洲议会和欧盟理事会共同颁布的欧洲环境空气质量及清洁空气指令(《Ambient Air Quality and Cleaner Air for Europe》)(2008/50/EC)，并规定PM2.5的日均浓度限值为25 μg/m3。该指令中除规定PM的标准限值以外，还根据不同目的设定了一系列浓度限值对颗粒物污染进行全方面的综合控制。美国的《清洁空气法》(《Clean Air Act》)则要求美国国家环境保护暑(EPA)每5年就要对PM等主要空气污染物的标准进行一次复审。EPA于2006年颁布了现行的空气颗粒物标准，PM2.5日均浓度限值为35 μg/m3。日本现行的空气环境质量标准在2009年的修订版中也加入了PM2.5，并规定PM2.5的日平均浓度限值为35 μg/m3。我国现行的空气质量标准是环境保护部与国家质量监督检验检疫总局于2012年2月29日发布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，其中规定PM2.5的日平均浓度一级限值为35 μg/m3。而我国农业部在1999年颁布的NY/T 388—1999《畜禽环境质量标准》中还规定了畜禽场区内PM10浓度不得超过1 mg/m3，畜禽舍内PM10浓度最高不得超过4 mg/m3。

由于畜禽场PM的复杂性和多样性，现今国内外对于畜禽场PM的浓度以及畜禽场PM的排放系数(特别是针对PM2.5)都没有相应的强制立法或政策出台。

3 畜禽场PM的检测技术

畜禽场的PM对人畜及环境危害的严重性已经逐渐被人们所认识，但由于其复杂性及多样性，政府及相关部门难以制定政策及法律对其浓度与排放进行限制和控制。因此，开展畜禽场PM的检测，了解掌握PM的构成是治理PM较为可行的措施。畜禽场PM的检测技术可以从物理、化学、生物三大特征入手，对PM进行全面的检测，了解其结构、成分，才能更好地对PM进行控制。

3.1 PM的物理特征检测技术

3.1.1 PM浓度检测

PM浓度的检测方法主要为称量法和光学法。其中称量法得出的是质量浓度，即PM质量与空气体积之比；而光学法得出的是数量浓度，即PM数量与空气体积之比。PM研究常用的是质量浓度，数量浓度可结合PM的密度及其形状等信息换算为质量浓度。

称量检测法是将一定流量的空气通过采样器的滤膜，空气包含的PM就会被捕集在滤膜上，然后根据采样后滤膜增加的质量计算出单位体积空气PM的质量，即PM的质量浓度。对于不同粒径的PM(如PM10、PM2.5)检测，需要在采样器的收集系统上添加不同类型的切割头。当前畜禽场PM质量浓度检测使用较多的有微量震荡天平(TEOMs)和β衰减PM监测仪(Beta gauge)，两者都可以实现PM的自动、连续、精确监测[59-64]。两者的差异在于TEOMs基于其独特的微量天平系统来对收集到滤膜上的PM质量变化进行测定[65]，而Beta gauge则基于Beta射线的衰减原则来对收集到滤膜上的PM质量变化进行测定[66]。

PM浓度的光学检测主要有基于光学原理的便携式PM检测仪和光学粒子计数器等[67-70]，其检测的精确度相对于TEOMs和Beta gauge检测低一些。但这类检测仪器便于携带和操作，因此在对畜禽场PM的浓度检测中也常被用到。

3.1.2 PM的粒径分布检测

PM粒径分布 (Particulate size distribution, PSD)也是PM的主要物理特征。PM粒径分布检测分为空气动力学检测、光学检测以及电子检测。

空气动力学检测主要包含级联撞击器以及气动粒度仪。其中级联撞击器采用惯性去除原理将不同粒径的PM在不同的撞击阶段进行分离，从而对不同粒径范围的PM进行收集并最终计算其分布。但由于小微粒缺乏惯性粒，因此大多被用于微米级PM中较大粒径的分布检测[1]。而气动粒度仪则能提供实时、高分辨率的PSD测量，测量范围为0.5～20 μm[71]。常志勇等[72]采用微孔均匀沉积冲击式采样器与气动粒度仪2种粒径仪对畜禽场颗粒物进行测量分析，发现气动粒度仪在测量畜禽场颗粒物时效果较好。

光学检测技术包括了光学粒子计数器和光散射粒度仪。光学粒子计数器可以检测PM的粒径分布，但这种粒径分布不是空气动力学直径的粒径分布，因此需要结合PM的密度和形状信息将结果转换为空气动力学直径。光散射粒度仪能够提供广泛的粒径测量范围，但需要先收集PM，而后进行粒径分析，且它和光学粒子计数器一样需要PM的其他信息来将粒径转换为空气动力学粒径[71]。

电子检测技术主要是电传感区技术(ESZ)，电传感区技术是应用电阻原理来测量静止于电解质中的PM粒径分布。与光散射粒度仪一样，这种技术也需要提前采集PM的样本，但它能够提供高分辨率和重复性的个体PM的粒径评估。

3.2 PM的化学特征检测技术

离子色谱法主要用于测定各种离子的含量，原理是将改进后的电导检测器安装在离子交换树脂柱的后面，以连续检测色谱分离离子的方法。通过离子交换的方法分离出样品离子，再用检测器对样品离子进行检测响应。目前离子色谱能测定下列类型的离子：有机阴离子、碱金属、碱土金属、重金属、稀土离子和有机酸，以及胺和铵盐等。MASIOL等[73]对威尼斯的PM2.5进行分季度采样，将样本溶于水后，用离子色谱法对溶液进行离子测定，并通过PMF模型对威尼斯的PM2.5成分(包括化合物和所含离子)进行了分析。

能量色散X射线光谱分析法，即借助于分析试样发出的元素特征X射线波长和强度, 根据波长测定试样所含的元素,根据强度测定元素的相对含量。根据EDX元素分析法原理，目前已经出现了相应的商品化的仪器，如能量色散X射线荧光分析仪(EDXRF)。CAMBRA-LOPEZ等[74]将高分辨率扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线分析仪(EDX)结合，通过分析得到了畜禽舍颗粒物的形态和化学数据。

热光学分析法主要是通过加热的方法分离样品中的有机碳(OC)和元素碳(EC)，再通过光学的方法分析测定两者的含量。相应的商品化仪器有有机碳/元素碳分析仪，可以测定颗粒物样品中的有机碳和无机碳含量。LI等[75]曾对北卡罗纳州动物养殖场内的大气颗粒物中的碳进行测定，来估算二级有机碳的浓度。

需要注意的是，3种方法在分析之前都需要提前进行采样，采样设备以及分析方法如表4所示。

表4 畜禽场PM的化学成分分析方法

3.3 PM的生物特征检测技术

颗粒物的生物特征主要是PM内所吸附的微生物，包括细菌、真菌、病毒等。PM中的微生物样品采集，可以通过采样器抽取一定量空气进入吸收液，使得PM携带的微生物分散于吸收液中；取定量吸收液进行培养，再用微生物分析的方法对微生物的种属进行鉴别。WANG等[76]使用玻璃撞击器对携带微生物的颗粒物样本进行收集，并将菌落形态记录法、革兰氏染色法和代谢分析法结合使用来鉴定培养后菌落的类型。

而在微生物学上，对微生物分析常用的方法是16S核糖体分析。16S核糖体分析是利用序列测序的方法对细菌种属进行鉴定，可以用于未知样品的快速种属分析或为生化鉴定提供指导信息。对于难以获得纯培养的细菌，16S分析是唯一可用的鉴定方法。GERALD等[51]曾对畜禽舍的颗粒物进行采集，通过培养基对PM内的微生物进行培养并使用16S核糖体分析后，发现畜禽舍内PM含有李斯特菌和大肠杆菌。

4 畜禽场PM的控制技术

畜禽场PM的控制是一个系统工程，通过源头、过程和末端等环节进行全程控制。

4.1 源头控制

畜禽业的PM源主要是饲料、粪便、皮屑(禽类羽毛)和发酵床等。对于饲料类源头，颗粒类饲料比粉类饲料更能降低PM浓度，但会额外增加饲料的成本。湿式喂养是从源头入手减少舍内PM浓度的一种方法。TAKAI等[77]研究表明，通过对饲料增加4%的动物脂肪，可以使猪舍内的PM浓度降低35%～60%，同时人接触的PM浓度降低50%～70%。将固体饲料改成液体饲料，也能显著降低畜禽舍的PM浓度。同时，采用精细喂养的喂料方式也能降低饲料的浪费率及其引发的颗粒物污染。

畜禽舍内的PM不仅来自畜禽舍内，从外部环境进入舍内的PM往往携带外来的病毒或细菌，会对畜禽带来健康危害，因此需要针对外部进入的PM进行源头控制。新风系统便是一种源头控制技术：对畜禽舍的进风进行过滤处理，以去除外界空气中的PM以及其上携带的可能致病的微生物。FRANCIS等[78]研制了一套负压通风的过滤系统，可以高效过滤舍外空气中的PM，且过滤器中的抗菌膜层可以有效阻隔细菌病毒进入。

管理模式的不同也可从源头上对PM产生影响。如垫料床的养殖模式与普通养殖模式相比，PM浓度会因垫料的扬起而相对较高[9]；如多层笼养的禽类养殖模式与普通养殖模式相比，PM浓度会因禽类翅膀的扇动而相对较高[11]。养殖模式的改变可以在生产上提高养殖效率但却也会带来PM浓度升高的环境问题，因此对于畜禽场管理者需要综合考虑各种因素，选择合适的管理模式。

源头控制是最常用且经济有效的PM控制方法，但由于各种因素干扰，源头控制所带来的效果往往难以令人满意，因此需要其他控制技术的辅助。

4.2 过程控制

畜禽场PM的过程控制是指饲养过程中对PM的控制，PM的过程控制技术有静电除尘、通风调控、喷洒水(油)降尘以及清粪技术等。

(1)静电除尘技术。静电除尘是一种气体除尘的方法，在冶金、化学等工业中用以净化气体或回收有用尘粒，在畜禽舍中使用静电除尘技术不仅能起到降尘的作用，还能杀死吸附在颗粒上或悬浮的微生物。对肉鸡舍使用空间静电系统，舍内PM浓度平均降低61%，NH3平均降低56%，微生物数量降低67%，但电能的消耗过高[6]。CHAI等[79]将改进后的静电除尘技术用于禽舍内的除尘，效率高达79%。但静电除尘技术的运行成本较高，且由于高压在操作上有一定的危险性。

(2)通风系统。畜禽舍的通风主要分为自然通风和机械通风，是舍内空气质量的重要保障措施。合理的通风设计不仅能及时排出舍内污浊的空气，补入新鲜的空气，而且能对舍内的温湿度、有害气体浓度以及颗粒物浓度起到良好的调控[80-81]。特别在干燥的夏季，机械通风系统所带来的空气流动能有效地去除舍内颗粒物。

(3)喷洒水(油)降尘。在畜禽舍内或者动物体表喷洒少量的水或者油，或者通过喷雾装置对舍内进行加湿处理，可以有效吸附舍内空气中的PM达到降尘的目的。TAKAI等[82]研究表明，每天定次在猪舍喷洒一定浓度的含菜籽油的溶液，可以明显的降低PM的浓度。但喷洒的方法会增加舍内空气湿度，为微生物的滋生提供条件，且冬天喷洒液体会降低舍内温度，影响畜禽的健康生长。

(4)清粪技术。在养殖过程中，对于畜禽粪便的及时清理可减少粪便在舍内的暴露时间，改善舍内空气质量，对于舍内 PM浓度也能起到有效的抑制作用。

总之，过程控制应针对不同动物种类的畜禽场、不同饲养阶段的畜禽舍、不同管理方式(通风方式、清粪方式等)，综合分析不同控制技术的优点与局限性，考虑气候、季节等外因，科学合理地选用控制技术。

4.3 末端控制

末端控制主要是针对向外排放环节进行的控制，可分为PM从舍内向舍外的排放以及PM从场区向环境的扩散。末端控制可以减少PM对外界环境的影响，保护畜禽场周边的生态环境。对于PM从舍内向舍外排放环节的末端控制，生物过滤器可以在机械通风式畜禽舍的排放口对排放出来的舍内空气进行过滤以及净化，通过微生物的作用达到除臭的目的，同时也可以过滤舍内空气中的PM[83]。在畜禽舍外建造挡尘墙，能有效控制颗粒物向外界排放。在畜禽场周边科学种植可以降低PM从场区向外界环境的扩散。

适合特定畜禽饲养系统、动物种类和地理区域的高效、经济可行的减排策略和技术有待进一步研究，多种控制技术结合以及系统性的全程控制是新的研究方向。

5 展望

畜禽场PM作为空气质量的一个重要指标，不仅影响动物的健康福利以及生长性能，而且也严重影响工作人员的健康和周边环境质量。随着我国养殖业的规模化发展，畜禽场PM的研究还可以在以下几个方面进行突破：①畜禽场 PM的来源和排放特征是开展 PM对人畜健康影响机制及其对区域环境空气质量风险等研究的基础性研究。然而，相比其他人为排放源，目前畜禽业 PM 排放研究相对薄弱，尤其在 PM 的排放特征和来源的研究上存在明显不足。近年来，源解析技术在畜禽场 PM 源解析中逐渐被关注，通过源解析确定 PM 的来源是揭开 PM有害性面纱的重要方法。因此，针对畜禽场PM的源解析研究亟待加强与深入。②畜禽场PM对人畜健康的危害当前仍欠缺大量的定量信息，以及对PM问题的严重程度和潜在的影响机制仍有众多的不确定性。畜禽场PM 吸附的NH3、恶臭化合物、致病性与非致病性微生物的影响有待评估，因此，需要获取更全面、完善的 PM 特征信息以揭示畜禽场 PM 的暴露-效果关系和暴露-反应关系。③现阶段对于畜禽场PM的控制技术的研究很多，包括从源头、过程以及末端上的控制。适合特定畜禽饲养系统、动物种类和地理区域的高效、经济可行的减排策略和技术有待进一步研究，多种控制技术结合的思路是新的研究方向。

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Research Progress on Pollution and Monitoring Technology of Particulate Matter from Livestock and Poultry Farms

WANG Kaiying1DAI Shengyan1WANG Lingjuan2

(1.DepartmentofBiosystemsEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,NorthCarolinaStateUniversity,RaleighNC27695-7625,USA)

With the rapid development of livestock and poultry in recent decades, emissions of particulate matter (PM) from animal production facilities have became increasing concern due to its adverse effect on the health and welfare of humans and animals, as well as the environment. The state-of-the-art-of the source, characteristics, harm, the related standards and control technologies of PM in livestock farms were reviewed. Knowledge on the sources, the physicochemical and biological characteristics, diffusion models and reduction techniques of PM from livestock and poultry farms can be used to identify and quantify sources of PM, evaluate effects of PM and develop adequate abatement strategies of PM in animal farms. The monitoring technology of PM based on its complicated characteristics was stated. Mass concentration and PSD of PM could be measured by weighing, optical, aerodynamic and electronic methods. Three techniques of monitoring components of PM from animal farms currently were introduced in detail, including ion chromatography, X-ray spectrometry and thermal optical analysis. Identification techniques of microorganism in PM were mentioned briefly, including gram method staining, metabolic analysis and ribosome profiling. The source control technology, process control technology and end control technology of PM from livestock and poultry farms were briefed, cost effective adequate reduction technologies and strategies of PM in Chinese animal farms needed to be developed. Further research to characterize, assess health risk on animals and humans, and control PM in animal farms was discussed.

livestock and poultry farms; particulate matter; air pollution; monitoring technology

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.030

2016-11-01

2017-01-04

国家自然科学基金项目(31672467)

汪开英(1968—)，女，副教授，主要从事农业空气质量研究，E-mail: zjuwky@zju.edu.cn

X513; S811.7

A

1000-1298(2017)06-0232-10