规模养殖氨气监测及控制技术

2021-08-06牛培培张总平贡玉清杜新平李平华侯黎明黄瑞华

畜牧与兽医 2021年8期

牛培培，张总平，贡玉清，杜新平，李平华,3，侯黎明,3，黄瑞华,3*

(1. 南京农业大学淮安研究院，江苏淮安 223005；2. 江苏省畜牧总站，江苏南京 210017；3. 南京农业大学养猪研究所，江苏南京 210095)

近三年受“非洲猪瘟”疫情影响，生猪产量急剧下滑。为更好满足居民猪肉消费需求，推动构建生产高效、资源节约、环境友好、布局合理、产销协调的生猪产业高质量发展新格局，促进经济社会平稳健康发展。政府先后出台了贷款贴息、资金补助、生猪“点对点”调运等政策支持，极大提高了生猪规模养殖的发展速度。2020年农业农村部召开全国生猪生产恢复视频调度推进会指出：截至10月10日，我国生猪规模养殖比重提高到53%[1]。由此分析规模化养殖将成为我国畜牧生产的主导力量。规模养殖扩张，意味着养殖污染物大量产生；尤其近几年层叠式笼养及楼房养殖模式的推广，使得养殖空气污染成为生猪高密度养殖发展面临的突出问题[2-3]。《中国空气质量管理评估报告》2017年统计数据显示，我国农业NH3排放大约为1 000万t，超过欧洲与美国NH3排放的总和，其中氮肥施用和畜禽养殖NH3占排放总量的90%。畜禽养殖大省山东和四川省2015年以前的农业源NH3排放清单表明，畜禽源NH3排放分别占农业源NH3排放总量的73%[4]-和72%～79%[5]。因此开展养殖源氨气监测及控制技术开发对提升气体污染防治水平，促进我国畜牧业转型升级尤为关键。欧美国家畜禽源NH3排放占全球排放总量的50%，其中美国约80%，欧洲达90%。上世纪80年代欧美国家开始对畜禽源NH3的排放规律、监测方法、减排策略进行研究；同时美国Rosemoun和Thermo、丹麦Lumasense、德国Drager为代表的公司相继推出了一系列的氨气监测设备。随着氨气监测工作持续开展，美国编制了《氨排放控制和污染防治报告》，英国建立了国家氨减排措施评价系统模型，德国建立了农业排放清单模型，丹麦建立了氨排放模型[6]。2018年我国“蓝天保卫战”打响，随着规模养殖业飞速发展，近年来国内研究者开始高度关注养殖源氨气浓度监控技术研究。本文就养殖源氨气产生及危害、养殖源氨气监测和控制技术进展进行系统综述，为规模化养殖源氨气监测及控制技术开发提供参考。

1 养殖源NH3产生及危害

养殖源NH3会对畜禽和人类健康及生态环境产生不良影响。研究表明氨气浓度3×10-5时，可破坏断奶仔猪气管和肺的组织形态结构，引起组织炎症反应，影响血清、气管和肺组织细胞因子含量；氨气浓度6×10-5时，断奶仔猪气管黏液分泌过多；氨气浓度9×10-5时，断奶仔猪气管和肺的半胱天冬酶表达量升高，引起组织细胞凋亡[7]。Michiels等[8]认为NH3浓度增加可导致育肥猪胸膜肺炎病变几率升高。Thu[9]调查发现,30%的养殖场工人患有慢性支气管炎、职业性哮喘等呼吸系统疾病。此外，环境中过量的氨会导致生态系统富营养化及气候变化。

2 养殖源NH3检测技术进展

养殖场内氨气浓度检测方法以化学法和光学法为主。研究者用于养殖场氨气浓度检测设备主要有气体检测管、电化学传感器和光学气体分析仪。随着无线传感、物联网及神经网络技术的快速发展，畜禽舍内环境监控系统的开发和应用水平得到了极大地提高。

2.1 常用氨气检测设备性能

刘国云等[10]对比日本GASTEC公司3CG、日本北川公司105SD和德国Drage公司0.25/a主动取样氨气检测管的性能发现，大于检测管量程范围1/3时，3种检测管比对结果相对误差均小于15%；小于检测管量程范围1/3时，气体检测管准确度相对误差小于25%(0.25/a气体检测管最低浓度除外)。所以使用此类设备要注意其量程范围、精密度和准确度等参数指标。气体探测管虽然检测精度较低，但使用方便，因此广泛应用于室内氨快速半定量检测。

选定浓度13×10-6、66×10-6和105×10-6的氨气作为待测气体，对比评价检测管测定和便携式电化学气体检测仪法的精密度，发现氨气检测管检测精密度为5.1%～8.4%，便携式电化学检测仪精密度为2.3%～7.9%，因此建议便携式电化学检测仪法作为低浓度氨气定量的首选方法[11]。Wheeler等[12]利用含有两个电化学NH3传感器的便携式检测单元对鸡舍氨气进行监测，发现传感器的差异小于1×10-6，检测精度可达到3%，但长时间使用易漂移，需要定期进行重新校准。相对于气体检测管、电化学气体传感器的局限性，光谱气体检测设备可进行多气体浓度的实时定量检测，有效避免多气体检测的干扰性。丹麦LUMASENSE公司的INNOVA红外光声谱气体检测仪，其检测精度可达到1×10-9，可以选择性地测量 NH3、N2O、CH4、CO2等气体，能够补偿测量时温度，水气和其他气体的干扰，是一种高度准确、可靠和稳定的定量气体现场监测器，但此类设备价格昂贵，操作相对复杂。以上三类常用检测设备各有优缺点，因此根据畜禽场养殖条件和实际需求选择合适量程、精度和准确度的检测设备尤为关键。

2.2 养殖氨气浓度监控系统创新

针对畜禽舍内氨气浓度连续监控的需要，万子伦等[13]采用窄带物联网(NB-IoT)传输和信息融合技术，设计出成本低廉、能耗较低、多气体监测的禽畜舍气体智能化检测系统。李帅等[14]设计了一种基于LoRa无线传感技术的有害气体监测系统。为实现有害气体浓度、温湿度等环境参数的显示、存储、查询，王艳等[15]设计了一种基于LabVIEW图形化编程软件的生猪养殖环境监控系统，并利用BP神经网络算法实现数据融合，给出处理决策。养殖源氨气排放受多种因素影响，为建立准确的养殖源氨气浓度预测模型，刘春红等[16]提出了基于ARIMA-BP神经网络的猪舍氨气浓度组合预测方法。杨亮等[17]建立了基于经验模态分解和长短时记忆神经网络的猪舍氨气浓度预测模型。谢秋菊等[18]采用基于L-M优化算法的BP神经网络模型，对猪舍环境氨气浓度进行预测。就现阶段氨气浓度监测系统创新总结发现，为更好实现及时准确连续地监测、记录、预测、控制养殖源氨气浓度，需要电化学、无线传感、神经网络等学科领域深度融合。

3 养殖氨气浓度控制技术进展

养殖源氨气易附着畜禽呼吸道、消化道黏膜等组织，危害呼吸及消化系统健康，严重影响畜禽健康生产。且氨气排放作为大气环境污染重要组成部分，易引发土壤和水体的酸化。本文就如何减少和控制氨气排放措施，从源头减量、过程控制和末端利用的角度对氨气减排措施进行总结。

3.1 饲料源头减量

日粮中蛋白质仅有30%左右的氮被吸收，50%～80%氮以尿液的形式排出，20%～50%以粪便形式排出。因此可通过改善舍内地面结构，降低日粮中蛋白质水平，添加微生物制剂、酸化剂、尿酶抑制剂、吸附剂等方式从源头减少氨气排放。

现代猪舍保育栏下地面坡度大于传统猪舍，安装刮粪设备，利于粪尿分离，减少舍内氨气浓度。调查显示产房V型地面设计较水平地面大大降低舍内氨气浓度[19]。

降低饲料蛋白水平，可有效降低猪粪中氨气的排放。Le等[20]报道，生长育肥猪日粮蛋白为12%时，可显著降低舍内氨气浓度。黄健等[21]研究表明，降低10～20 kg和20～50 kg阶段猪日粮蛋白3～4个百分点，舍内氨气浓度能显著降低26.55%～57.85%。Sajeev 等[22]采用荟萃分析发现，饲料中蛋白水平与氨排放明显相关，牛日粮蛋白含量降低1个百分点，牛粪尿中NH3减排17%±6%；猪日粮蛋白降低1个百分点，猪粪尿中NH3减排11%±6%。

微生物不仅可以改善动物生产水平和健康状况，还可以减少舍内NH3的排放。霍永久等[23]研究表明，在生长猪日粮中添加0.04%的芽孢杆菌制剂可显著降低猪粪中氨气的浓度。在生长猪日粮中添加0.05%～0.2%枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌制剂可显著减少猪粪中氨排放[24]。张莉平[25]]在肉鸡日粮中添加3 g/kg由地衣芽孢杆菌、粪肠球菌、嗜酸乳杆菌等组成的益生菌制剂，可显著减少鸡舍中氨气浓度。刘婕等[26]将啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和膨润土等按比例混合后添加0.15%到猪日粮中，极显著降低猪舍中氨气浓度。

酸制剂可作为小猪和育肥猪的词料添加剂产品，用于降低肠道内容物的pH值，增加肠道微生物多样性，降低猪排泄物中氨气的排放[27]。Eriksen等[28]研究发现，猪日粮添加2%苯甲酸，猪粪中氨气减排60%～70%。蛋鸡日粮和饮水中添加竹醋液可提高产蛋性能，并减少鸡粪中氨气含量[29]。

丝兰或樟科植物提取物可作为天然尿酶抑制剂添加到日粮中。日粮中添加丝兰属提取物，可有效降低现代化封闭式猪舍内氨气浓度。田丽新[30]研究结果表明，奶牛日粮中添加2%丝兰提取物，3 d内可减少牛粪中50%以上的氨排放。潘倩等[31]认为，断奶仔猪日粮中添加樟科植物提取物，能抑制粪中脲酶活性，减少氨气产生。

沸石类物质是一类多孔性的硅铝盐酸，其特性是由其非常大的内表面积和很高的离子交换能力决定的。Kim等[32]认为，在生长育肥猪日粮中添加4%沸石可显著减低氨气排放量。将沸石添加到生猪日粮中，粪便中氮可降低15%[33]。

3.2 粪尿产生和处理过程控制

粪便和尿液排出体外并接触后，尿酶开始作用，尿素分解产生氨气，因此通过加强清粪管理，做好覆盖、酸化和尿酶抑制，合理使用空气净化设备是控制粪尿排出、收集、储存过程中氨气产生的重要手段。

对舍内的NH3进行实时检测发现，上午清粪能够显著降低舍内氨气浓度水平[34]。发现每周清理粪尿混合物3次与每周1次相比，NH3减排46%[35]。由此可见，将粪尿排出舍外可有效减少舍内氨气浓度。

粪尿储存及处理过程中，会有大量氨气产生，在粪尿表面增加覆盖物，可有效降低氨挥发，常用覆盖物有聚乙烯塑料膜、普通织物、油、有机物、疏松多孔物质。研究表明，与表面没有覆盖物相比，聚乙烯薄膜近乎完全避免氨挥发的产生[20]。秸秆、锯末生物炭、沸石等覆盖在粪堆表层可有效减少粪肥储存过程中氨挥发。研究表明，粪便中添加生物炭NH3减排38%～53%[36]，添加沸石NH3减排30%[37]，添加膨润土NH3减排20%[38]。堆肥发酵过程中通常采用调节pH值、碳氮比、温度，外源添加沸石、蚯蚓粪、泥炭、过磷酸钙、氯化钙、除臭菌提升固氮效率[39]，以达到氨减排的目的。

韩保安等[40]从猪粪中筛选具有除臭功能的微生物，后进行复配施于粪便中，氨气去除率达85.6%。枯草芽孢杆菌可通过调节微生物菌群结构和pH值，促进堆肥中氮素转换，达到降氨减少环境污染的作用[41]。喷施0.012 mol/L乳酸、0.017 mol/L磷酸于粪便中，24 h内 NH3可分别减排43%、74%[42]

添加脲酶抑制剂可直接抑制尿酶及产尿酶微生物活动来减少氨的挥发，使粪尿中尿素以酰胺的形式保存在粪尿混合物中。目前国内外常见的脲酶抑制剂主要有磷胺类、酚醌类、杂环类、硫代吡啶类、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)可有效地减少牛粪尿中52%～73%氨挥发[43]。潘倩等[31]证实，在猪粪中添加樟科植物提取物，可抑制粪便中氮素分解及NH3释放。杨彩梅等[44]体外试验发现，樟科植物提取物可较好的抑制于猪粪中脲酶活性，减少粪尿中氨气的产生。张云刚[45]研究发现，随着樟科植物乙醇提取物添加量的增加，舍内氨气排放量减少。

臭氧具有很强的氧化性，能快速分解为O2和O2-，与空气中的NH3作用形成NO、NO2和H2O。臭氧浓度0.77～3.10 mg/m3连续作用40 min，NH3浓度可降低30%[46-48]。杨立强等[49]证实，光电除臭仪可显著降低舍内氨气浓度。在猪舍内安装空气电净化系统后，发现氨气的去除效率可达到30%[50]。

3.3 末端处理利用

关于养殖末端氨气处理和利用，主要从养殖臭气、粪肥或粪水施用考虑NH3减排。空气氨吸收一般是将畜禽舍末端臭气通过集气系统与过滤系统相连。廖新俤等[51]畜禽舍负压风机端安装“挡网+喷雾”装置，NH3去除率达74.96%。监测经生物过滤的猪场废气，发现NH3平均去除率为82%[52]。猪舍末端安装复合净化系统，外排臭气NH3去除率可达85%[53]。采用15∶3∶1(草腐土∶珍珠岩∶黑炭)滤层配方，除臭过滤结果表明，末端NH3去除率大于95%[54]。粪肥施用氨减排，主要采用秸秆炭、尿酶抑制剂等覆于粪肥表面减少氨挥发或抑制氨气产生[55]。采用猪舍施用粪肥，可减少70%～80%土壤中氨挥发[56-57]。增强氨的吸收和利用效率。

3.4 养殖氨气控制措施创新

基于氨减排措施的研究，有研究者为了生产的需要，设计了用于规模畜禽养殖舍外的空气优化房舍结构和舍内轨道式空气质量智能巡检控制系统；研发了干湿分离自动清粪系统显著降低舍内氨气浓度；开发出可精确调控堆肥反应的密闭式堆肥反应器及智能化生物除氨减排一体设备以及粪尿表层酸化、畜禽粪便智能堆肥反应器、多级循环喷淋洗气系统、液态粪尿供给存储系统、液态粪尿注射施用等氨减排利用设备。就现阶段氨控制措施创新方向可见，为提高氨气去除和利用效率，需要从源头减排、过程控制、末端利用综合考虑减氨、控氨和固铵措施；需要畜牧养殖、机械工程、生物工程、资环、农学等多学科融合联合开展养殖氨控制技术创新工作。