上海市典型畜禽养殖场恶臭污染物排放特征调查

周忠强，沈根祥，*，徐 昶，宋梦洁，陈晓婷，王振旗，付 侃，钱晓雍

(1.华东理工大学 资源与环境工程学院，上海 200237； 2.上海市环境科学研究院，国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室，上海 200233； 3.上海市环境监测中心，上海 200235)

近几十年来，恶臭污染已逐渐成为一个重要的环境问题[1]，其影响日益受到各界关注[2-3]。恶臭的来源有天然源与人为源：天然源主要为动植物蛋白质通过微生物分解作用而引起的自发性臭气[4]；人为源则包括工业生产排放源、城市市政设施排放源、机动车尾气排放源、畜禽养殖和加工排放源，及其他人为源。随着我国人民生活水平的提高，人们对肉制品与奶制品的需求日益上升，畜禽养殖场数量也显著增加，由畜禽臭气引起的环境污染及“场群矛盾”日益凸显，恶臭扰民事件频繁发生。研究表明，畜禽养殖排放的恶臭不仅会影响畜禽场工作人员的心肺功能，而且会刺激周围居民的感官系统，从而影响身体健康[5-8]。某些恶臭特征污染物(H2S、NH3)还会损伤畜禽的黏膜系统，对畜禽养殖的生产效率具有显著影响[9]。

国外在畜禽养殖业恶臭研究方面起步较早，大多关注于畜禽场恶臭成分分析、畜禽场恶臭排放因子、畜禽场恶臭扩散模型、畜禽恶臭控制技术等[10-14]。Akdeniz等[15]和Gay等[16]对不同畜禽种类多个畜禽场的臭气浓度水平开展研究，但该研究主要针对的是场界和粪便堆肥环节，并未涉及堆粪、污水等排放环节，以及畜禽场整体恶臭污染水平。相比而言，国内对畜禽恶臭的研究主要集中在控制技术与扩散模型上[17-18]，很少有对畜禽场场界及主要排放环节臭气浓度的系统性研究。部分研究认为，畜禽养殖业的恶臭主要是由于畜禽粪便内的有机化合物在微生物转化后形成的[19]，主要排放环节包含畜舍养殖、粪便堆肥、污水贮存、堆肥还田等[20]。此外，环境及气象因素也会影响恶臭的产生与排放，如温度升高可以促进恶臭气体的产生，通风率升高和排放面积增加会加速恶臭气体向环境的扩散[21]。本研究对上海市10家典型畜禽养殖场的恶臭污染现状开展实测调研，探索不同类型畜禽养殖场场界臭气浓度水平及主要排放环节的臭气排放污染特征，以奶牛场和猪场为例，调查其特征污染物(H2S、NH3)的含量及其与臭气浓度的关系，以期更好地了解和掌握上海市畜禽养殖业恶臭排放水平和现状。

1 材料与方法

1.1 调查对象

选择位于上海市奉贤区、浦东新区、金山区的10家典型畜禽养殖场进行调查，其中包括2家蛋鸡场、4家奶牛场、4家猪场，覆盖上海市比较典型的畜禽种类、污水贮存模式、粪便处理模式。各畜禽养殖场的具体情况如表1所示。

1.2 调查内容

调查10家养殖场的场界臭气浓度，以及畜舍养殖、粪便堆肥、污水贮存环节的臭气浓度。以奶牛场和猪场为例，测定其畜舍养殖、粪便堆肥、污水贮存环节典型臭气特征污染物的浓度，分析臭气浓度与典型臭气特征污染物浓度的关系。

1.3 调查方法

1.3.1 测定指标

按照GB 14554—1993《恶臭污染物排放标准》及GB/T 14675—1993《空气质量 恶臭的测定 三点比较式臭袋法》的定义和监测要求，对畜禽场臭气浓度进行监测，用以综合评价养殖场的恶臭强度[22-23]。

研究表明，NH3和H2S是畜禽养殖业排放的2种典型恶臭特征污染物[24]。考虑到畜禽养殖场恶臭污染排放的主要特征，本研究选取NH3和H2S作为主要恶臭特征污染物测定指标。

1.3.2 采样与分析

根据上海市环境监测中心关于恶臭投诉事件的统计，上海地区的恶臭投诉主要发生在春、夏季，因此选取春、夏季的典型天气状况(排除雨、雪、雷暴等异常天气)对恶臭进行研究，获取上述畜禽养殖场畜舍养殖、粪便堆肥、污水贮存环节，及场界居民敏感点位的臭气浓度。

畜舍养殖与粪便堆肥环节在畜舍出风口处分别设置1个采样点；污水贮存环节在贮存池下风向1 m处设置1个采样点。场界采样点布置在畜禽养殖场下风向场界边缘，共设置3～4个采样点。分别于2016年4—5月(春季)、8—9月(夏季)、2016年11月(秋季)和2017年2月(冬季)，在典型天气下各采样3 d，每个采样点采集3次。

表1 典型畜禽养殖场概况

猪场养殖规模是指猪场养殖畜舍的育肥猪一次存栏量。

The scale of swine referred to the amount of fattening pigs in pig house.

利用天津迪兰奥特环保科技开发有限公司生产的8 L气体采样袋/采样箱收集臭气样品，每个样品的采样时间为3 min，每2 h采样一次，共取样3次。

以0.01 mol·L-1稀硫酸为吸收液，采集NH3气体，采样流量为1.0 L·min-1，采样与样品分析均遵循HJ 533—2009《环境空气和废气 氨的测定 纳氏试剂分光光度法》的要求。以氢氧化镉-聚乙烯醇磷铵溶液为吸收液采集H2S气体，采样流量为1.0 L·min-1，避光采样45～60 min，采样与样品分析遵循DB 31/982—2016《地方城镇污水处理厂 大气污染物排放标准》附录B《环境空气和废气 硫化氢的测定 亚甲基蓝分光光度法》的要求。特征污染物每2 h采样1次，共取样3次。总采样时段覆盖畜禽养殖粪污从产生到清理的整个过程。此外，利用温湿度计和风速仪测定收集风速风向、气温等气象参数，用于后续分析。采样期间各畜禽场的气象数据如表2所示。

表2 采样季节气象因子

1.4 调查数据分析

所有数据处理与分析采用Excel 2013与Origin 8.0软件进行，显著性检验采用ANOVA单因子水平方差分析，相关性分析采用相关系数。

2 结果与分析

2.1 畜禽养殖场场界与主要排放环节的臭气浓度

如表3所示，春季各畜禽养殖场场界臭气浓度为<10～128，夏季场界臭气浓度范围为<10～79。个别畜禽养殖场春、夏季臭气浓度存在较大差异，如位于浦东新区的猪场A，夏季场界的臭气监测浓度最大值仅为18，而春季场界的臭气浓度监测最大值则达到了128。与其相反，猪场D的场界臭气浓度最大值在夏季为79，而在春季仅为18。

蛋鸡场春季场界臭气浓度为<10～13，畜舍养殖环节臭气浓度为10～30，粪便堆肥环节臭气浓度为16～412；夏季场界臭气浓度为<10～39，畜舍养殖环节臭气浓度为12～44，粪便堆肥环节臭气浓度为23～81。对比发现，蛋鸡场粪便堆肥环节春、夏季的臭气浓度总体均高于畜舍养殖环节。

奶牛场春季场界臭气浓度为<10～34，畜舍养殖环节臭气浓度为10～95，粪便堆肥环节臭气浓度为10～45，污水贮存环节臭气浓度为10～511；夏季场界臭气浓度为<10～27，畜舍养殖环节臭气浓度为14～68，粪便堆肥环节臭气浓度为10～66，污水贮存环节臭气浓度为22～161。奶牛场各主要臭气排放环节中，污水贮存环节的臭气浓度在春、夏两季均显著(P<0.05)高于粪便堆肥和畜舍养殖环节。

猪场春季场界臭气浓度为<10～128，畜舍养殖环节臭气浓度为10～538，粪便堆肥环节臭气浓度为10～205，污水贮存环节臭气浓度为10～88；夏季场界臭气浓度为<10～79，畜舍养殖环节臭气浓度为15～197，粪便堆肥环节臭气浓度为10～79，污水贮存环节臭气浓度为11～69。猪场畜舍养殖环节的臭气浓度总体高于粪便堆肥和污水贮存环节。

2.2 养殖场主要排放环节特征污染物浓度

猪场与奶牛场臭气主要排放环节的特征污染物(NH3、H2S)浓度如表4所示。奶牛场畜舍养殖、粪便堆肥、污水贮存环节4个季节的NH3浓度平均值分别为0.228～1.925、0.263～1.840、0.820～1.185 mg·m-3，H2S浓度平均值分别为0.002 7～0.010 0、0.001 2～0.005 2、0.011 0～0.025 0 mg·m-3。猪场畜舍养殖、粪便堆肥、污水贮存环节4个季节的NH3浓度平均值分别为1.725～15.250、0.152～0.984、0.162～0.689 mg·m-3，H2S浓度平均值分别为0.018 2～0.039 6、0.007 4～0.040 9、0.007 2～0.033 1 mg·m-3。

猪场和奶牛场畜舍养殖环节的NH3、H2S浓度均表现出冬季>秋季>春季>夏季的特征，其中猪场和奶牛场畜舍养殖环节冬季的NH3浓度达到了夏季的8倍以上，冬季的H2S浓度达到了夏季的2.18～3.70倍。猪场的粪便堆肥与污水贮存环节的NH3浓度均表现为冬季最低；奶牛场的粪便堆肥与污水贮存环节的NH3浓度分别在夏季和冬季最低。猪场和奶牛场的粪便堆肥与污水贮存环节的H2S浓度在4个季节间没有明显的变化规律。

表3 各养殖场场界及主要排放环节的臭气浓度

表4 奶牛场和猪场内主要排放环节的NH3、H2S浓度

2.3 特征污染物浓度与臭气浓度的相关性

选择春、夏季猪场与奶牛场主要排放环节的臭气浓度与特征污染物浓度做线性回归，结果显示，猪场的NH3、H2S浓度与臭气浓度的相关性达到极显著水平(P<0.01)，拟合的回归方程的决定系数(R2)分别为0.563 2和0.504 4(图1)；而奶牛场的NH3、H2S浓度与臭气浓度无显著相关性。

2.4 粪污处理工艺对粪便堆肥与污水贮存环节臭气浓度的影响

如表5所示，蛋鸡场采用简易堆肥和制作有机肥的处理工艺后，春、夏季粪便堆肥棚的平均臭气浓度分别为70.0～365.0和29.0～29.0；猪场采用简易堆肥与制作有机肥的处理工艺后，春、夏季粪便堆肥棚臭气浓度分别为37.0～115.0和<10～65.0。

如表6所示，采用厌氧缺氧好氧污水处理工艺的奶牛场C和猪场B、D的污水贮存环节的春、夏季臭气浓度平均值为12.0～100.0，而采用污水厌氧发酵还田工艺的养殖场的污水贮存环节春、夏季臭气浓度平均值为16.0～439.0。

图1 猪场NH3、H2S浓度与臭气浓度的关系Fig.1 Correlations between NH3 and H2S with odor concentrations in pig farm

3 讨论

本研究以上海市10家典型畜禽养殖场为对象，调查不同畜禽种类(蛋鸡、奶牛和肉猪)、不同排放环节的恶臭排放特征。结果显示，上海市典型畜禽养殖场场界臭气浓度范围为<10～128，波动较大，这是畜禽养殖场场区布局、气象条件、简易堆肥，将畜禽粪便与秸秆混合后简易堆置，直至施用。

表5 不同堆肥工艺堆肥棚内的臭气浓度

Simple composting， The livestock manure was mixed with straw and then simply stacked until application.

表6 不同污水处理工艺的污水池下风向臭气浓度

厂区管理等因素综合作用的结果。蛋鸡场、奶牛场、猪场的主要恶臭排放环节臭气浓度分别为10～412、10～511和10～538。蛋鸡养殖场粪便堆肥环节、奶牛场污水贮存环节与猪场畜舍养殖环节的臭气浓度均大于该类畜禽养殖其他臭气排放环节，应重点加以控制。猪场内的特征污染物(NH3、H2S)浓度与臭气浓度的相关性达到极显著水平，而奶牛场的特征污染物(NH3、H2S)浓度与臭气浓度无显著相关性，说明测定特征污染物(NH3、H2S)浓度可以在一定程度上反映恶臭污染水平，但两者并不能完全等同。使用畜禽粪便制作有机肥的粪便堆肥棚臭气浓度明显低于粪便简易堆肥的堆肥棚，说明粪便堆肥工艺对粪便堆肥环节的臭气浓度有明显影响，应鼓励推广畜禽粪便生产有机肥，以减少臭气排放。

所调查的10家畜禽养殖场场界臭气浓度波动较大。调查发现，浓度值波动较大的猪场A是因为在夏季监测期内有6个育肥猪舍出栏，出栏占比达到75%，导致夏季的臭气排放源强显著弱于春季。同时，由于夏季畜舍温度较高，采取密闭式机械通风的排风模式，这也有利于恶臭污染物的扩散。朱志平等[25]与代小蓉等[26]对典型猪场的研究也发现，夏季通风能降低臭气浓度。

蛋鸡场粪便堆肥环节的臭气浓度总体高于畜舍养殖环节。这可能是因为蛋鸡养殖场的粪便堆肥环节好氧发酵条件不完善，形成事实上的厌氧环境而产生恶臭气体；又或者是因为粪便堆肥环节的粪便量明显多于畜舍养殖环节。奶牛场污水贮存环节的臭气浓度高于粪便堆肥与畜舍养殖环节。这可能是因为奶牛的饲料主要是纤维素类的秸秆与草料，其所排泄的畜禽粪便中臭气产生量相对较少；而污水贮存的厌氧环节因为有大量的厌氧微生物参与分解活动，故有相当量的臭气产生。猪场畜舍养殖环节的臭气浓度总体高于粪便堆肥和污水贮存环节。这可能是因为本研究中猪场的畜舍养殖环节基本为密闭式，虽然夏天高温时段采取机械通风模式，但春秋冬三季仅根据室内温度部分开窗透气，总体而言相对密闭，不利于恶臭扩散；而粪便堆肥和污水贮存环节总体为露天或半露天式，相对敞开的环境有利于恶臭污染物的扩散和挥发，因此臭气浓度也相对较低。

猪场的NH3、H2S浓度与臭气浓度的相关性达到极显著水平，而奶牛场的NH3、H2S浓度与臭气浓度并无显著相关性。这可能是因为猪和奶牛的养殖方式、饲料成分有差异。猪饲料中的蛋白质含量较高，N、S含量高，粪污排放的NH3和H2S浓度较高，是猪场臭气的主要来源贡献，因此NH3和H2S浓度与臭气浓度相关性总体较好；而奶牛的饲料主要是以发酵秸秆为主的纤维素类粗饲料，N、S含量相对较低，而发酵秸秆有残余的发酵产酸气味，对臭气浓度有较大贡献，因而NH3和H2S浓度和臭气浓度相关性不强。

在粪便堆肥环节中，采用简易堆肥工艺的臭气浓度高于制作有机肥的。这可能是因为制作有机肥需要向畜禽粪便中添加一定比例的纤维类物质与一定量的菌剂，纤维类物质的加入会明显增加堆肥的蓬松度和堆肥的透气性能，菌剂可以有效提高堆肥的发酵效率，因此制作有机肥的粪便堆肥环节好氧发酵条件更优，产生的臭气量低于简易堆肥的堆肥棚。猪场与奶牛场的污水处理工艺对该环节的臭气浓度影响不大，可能是因为污水处理环节处于开放、露天的环境中，采样点臭气浓度除受臭气源强度影响外，还受到场区布局、气象条件、管理模式等因素的综合影响，其扩散机制非常复杂，因此各处理工艺对臭气浓度的影响并未表现出明显的规律性。