我国畜禽养殖氨排放特征及减排体系构建研究

王文林，杜薇，韩宇捷，曹秉帅，李文静，童仪，戴铄蕴，刘波*

（1.生态环境部南京环境科学研究所，南京 210042；2.南通大学地理科学学院，江苏南通 226007）

氨在大气化学和气溶胶形成过程中起着重要作用，在雾霾形成中扮演着重要角色[1-3]，是形成细颗粒物（PM2.5）的重要前体物[4-6]，且会加快细粒子的生成速度[3，7]。欧美发达国家PM2.5控制实践表明，通过对氨排放进行同步削减，可以大幅度降低大气环境中PM2.5浓度，实现环境空气质量的大幅提升[8]。由此可见，从源头上控制氨的排放，对降低大气二次无机盐及PM2.5浓度水平，控制雾霾污染，大幅提升环境空气质量尤为重要[9]。研究发现，畜禽养殖是大气氨的主要排放源。我国畜禽养殖氨排放量占总排放量的54.06%[10]。可见，控制畜禽养殖氨排放对于削减人为源大气氨排放起到关键作用，进而对改善空气质量有着重要的意义。

“十三五”以来，我国已逐渐将氨防控提上环境管理日程，《“十三五”生态环境保护规划》（2016 年）在国家政策层面提出了“氨防控”的要求[11]，《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》（2018 年）明确了在重点地区开展氨排放控制试点的要求[12]，《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（2018年）提出了基于农业资源利用效率改善的氨减排行动计划[13]，其中畜禽养殖业因其较高的集约化水平成为氨重点减排试点方向。目前已有研究系统梳理了畜禽养殖氨排放的影响因素[8，10]，从源头（日粮优化）、场内（圈舍、粪水贮存处理）和田间（农田利用）3 个环节提出了较为完备的畜禽养殖氨减排技术清单，并明确了减排效率[14]。畜禽养殖事关我国肉类供给安全，在协同畜禽生产与污染防治方面，农业农村部与生态环境部出台了一系列文件鼓励环境友好型养殖，推动养殖标准化及粪污资源化利用[15-18]。但是，上述政策推广的养殖模式及减排技术基本都是从养分高效利用及水污染物减排角度出发[15-16]，而对氨减排考虑不足。目前各养殖模式的氨排放特征尚不清晰、减排效果尚不明确，各种氨减排技术与现行的各类政策、规范的协调性分析不足，严重制约了技术落地应用。

为此，本研究开展各畜禽养殖模式氨排放特征分析，筛选具有氨减排潜力的养殖模式，并结合氨减排技术清单研究基础，围绕畜禽生产-污染防治大协同、污水-废气-固废处理小协同目标，开展政策、规范协调性分析，最终构建模式替代和技术减排相耦合的畜禽氨减排体系，并提出配套落地政策建议，为顺利推动畜禽氨减排试点工作提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 养殖模式

畜禽养殖中的氨主要来自于饲养过程中产生大量的畜禽粪污（指畜禽养殖过程产生粪便、尿液和污水的总称），粪污中大量未被消化的含氮有机物在多种微生物作用下分解产生的氨气挥发至大气中[18]。从畜禽粪污产生、输送、储存处理和后续利用的流程看，氨主要来自于养殖场和农田两个单元，养殖场单元包括圈舍和粪污储存处理设施2 个环节，农田单元为还田环节。圈舍环节的圈舍结构和清粪方式，粪污处理设施环节的液态粪污处理方式和固态粪污处理方式均会影响氨的排放过程。各养殖场按照圈舍结构、清粪方式、液态粪污和固态粪污处理形成的一定的组合方式，称之为养殖模式。

本研究养殖模式数据（圈舍结构、清粪方式、粪污处理方式等）来源于中国畜牧业年鉴、农业统计年鉴、各省各地级市年度统计年鉴及相关农业调查资料，并结合在全国开展的畜牧业氨排放调查工作获取的数据，涉及东北、华北、西北、华南、华东、西南大区共19 个省，涵盖生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡养殖场共142 个。

经梳理获得我国主要畜种规模化养殖场典型养殖模式，见表1 和表2。从养殖场圈舍结构来看，肉牛、奶牛圈舍多为自然通风开放式，肉鸡、蛋鸡圈舍多为机械通风封闭式，生猪圈舍两种类型兼有；从清粪方式来看，干清粪仍是规模化养殖场主要采用的清粪方式，水冲粪和水泡粪主要在生猪养殖场中有所运用，垫草垫料在生猪、肉牛、蛋鸡和肉鸡养殖中都有应用。从规模化养殖场的粪污处理模式来看，传统的肥水储存模式仍然是各畜种液态粪污的主要处理方式[19-21]；厌氧发酵在各类畜禽中都得到应用，普遍使用的厌氧发酵模式为沼气发电；好氧处理在生猪、肉牛、奶牛养殖场得到应用；堆肥发酵是目前固态粪污的主要处理模式[22]。我国各畜种养殖户的养殖模式比较单一，即圈舍养殖模式为自然通风圈舍结构，清粪方式多为干清粪，粪污处理基本采用肥水储存模式。

表1 规模化养殖场圈舍养殖模式Table 1 The enclosure breeding model of large-scale breeding farm

表2 规模化养殖场粪污处理模式Table 2 The manure treatment model of large-scale breeding farm

1.1.2 氨减排技术

聚焦畜牧业氨减排技术研究的综述文献，着重收集2018年以来的相关文献[22-26]，梳理出生猪、肉牛、奶牛、蛋鸡、肉鸡粪污管理全链条各自潜在氨减排技术，并围绕技术的减排效果、适用性和经济可行性进行整合分析。

1.1.3 畜禽污染治理政策与规范

本文通过全国人大、国务院、农业农村部、生态环境部等与畜禽生产和污染治理相关政府部门网站，收集筛选各类畜禽养殖生产及污染防治相关政策与规范文本。其中，重点梳理2018 年以来出台的畜禽养殖生产及污染防治政策、文件和通知，以及目前在时效期内的畜禽养殖污染防治相关技术规范。最终获取各部门机构独立或合作颁布的27 个相关政策与规范文本。

1.2 研究方法

1.2.1 养殖模式氨排放监测

针对梳理的典型养殖模式，在东北、华北、华东、华南、西南、西北地区，选取管理水平接近的养殖场进行实地监测，获取主要畜种典型养殖模式圈舍和粪污储置设施的氨排放速率，监测养殖场数量见表3。在监测过程中，确保同一畜种的生长阶段相同，各监测养殖场均处于正常生产情况，监测期间的温度和湿度范围分别选取在（20±3）℃和50%～70%。开放式圈舍、封闭式圈舍和粪污设施的氨排放监测方法参照《畜禽养殖氨排放核算技术方法研究》[27]。通过获取的氨气浓度核算单位畜禽的氨排放速率，核算方法参照《畜禽养殖氨排放核算技术方法研究》[27]。

表3 规模化养殖场监测数量Table 3 The Monitoring number of large-scale breeding farm

1.2.2 养殖模式氨排放特征

采用基准比较法进行养殖模式氨排放特征比较，将应用最为普遍而生产管理水平相对较低的养殖模式作为基准模式，通过对养殖模式的梳理，选取干清粪为圈舍环节基准模式，肥水储存为粪污处理设施环节基准模式，根据公式（1）进行减排效果分析：

式中：I为减排系数；Ci为相比较的第i种养殖模式氨排放速率，g·头-1·d-1；C0为基准模式氨排放速率，g·头-1·d-1。

1.2.3 减排技术与养殖模式耦合

基于畜禽生产-污染防治大协同，污水-废气-固废处理小协同目标，结合各减排技术特点，筛选出现行畜禽养殖生产及污染防治政策、规范中具有氨减排效果的减排技术，再与典型养殖模式的组成设施及生产运行特征进行匹配性分析，从而将减排技术与养殖模式进行耦合。

2 结果与讨论

2.1 典型养殖模式氨排放特征

2.1.1 圈舍养殖模式

通过监测核算获得我国典型养殖模式各排放环节的氨排放速率。从圈舍结构来看，相同清粪方式的机械通风封闭化圈舍氨排放速率要小于自然通风开放式圈舍，以生猪圈舍为例（图1），干清粪、水冲粪、水泡粪和垫草垫料清粪方式封闭圈舍比相同清粪方式的开放式圈舍氨排放速率分别小25.41%、24.65%、13.94%和9.61%。机械通风圈舍在夏季运用智能机械通风降低舍内温度，并配以湿帘等设施提高舍内湿度，通过改变环境因素进而减少圈舍氨排放[28-31]。研究发现，在封闭式育肥猪舍中，当通风频率提高到3倍，由于温度下降，氨排放只增加25%，舍内氨浓度降低到了原来的1/3。而在非封闭式育肥猪舍，通风频率提高5 倍，由于温度几乎没有下降，氨排放也相应增加了5倍[32]。

从清粪方式来看，相同通风方式圈舍氨排放速率表现为水冲粪＜干清粪＜垫草垫料＜水泡粪，以生猪圈舍为例，封闭圈舍水冲粪、水泡粪和垫草垫料模式相比于干清粪模式的减排系数分别是0.81、1.23 和1.03，对应的开放式圈舍分别是0.82、1.42 和1.25，见图1。清粪方式决定了粪尿在舍内的存积时间和混合程度，以及粪尿受扰动的程度，进而会影响栏舍内氨排放[32-33]。水冲粪相比干清粪，粪便扰动较小，加之水冲增加湿度，使氨溶解于水而减少禽舍氨气排放量，这在一定程度上减少了氨的排放[8]。水泡粪圈舍粪污在舍内停留时间明显较长，从而加大了圈舍环节的氨排放[8]。干清粪操作时会剧烈扰动粪尿，同时增加了粪尿在舍内的暴露面积，从而释放更多的氨气[34]。垫草垫料中温度相对较高，容易造成氨气挥发，并且其中的含氮物质会发生降解反应，进而产生氨气[35]。

2.1.2 粪污处理模式

从粪污处理模式来看，干清粪生猪的厌氧发酵、好氧处理和堆肥发酵模式相比于肥水储存模式的减排系数分别是0.28、0.08 和0.52；奶牛相应分别为0.28、0.21 和0.28；肉牛相应分别为0.21、0.17 和0.19；蛋鸡和肉鸡的厌氧发酵、堆肥发酵模式的减排系数分别是0.11、0.22 和0.09、0.10（图2）。在传统的肥水储存模式中，畜禽粪尿以混合形式存在，尿液中的氮主要是以尿素形式存在，粪便中的脲酶会加速尿素分解，从而导致氨气的排放[13]。在厌氧发酵过程中，随着有机物的矿化分解，虽然富含氮素的粪污会产生新的氨氮，但是反硝化和厌氧氨氧化等作用减少了粪污的氨排放，同时处理设施密闭的处理环境也间接减少了氨排放，其与粪污直接储存堆放相比一定程度上减少了氨排放潜力[36]。好氧处理模式通过生物硝化作用将氨氮转化成硝酸盐，相比于肥水存储模式大幅降低了氨排放[37]。堆肥发酵主要是通过微生物的氨化作用分解有机氮产生氨气，然而氨气又溶于堆体物从而形成铵态氮，铵态氮又可作为细胞生长的氮源供微生物同化，从而减少了氨气的排放[38]。

2.2 畜牧业氨减排技术

基于已有的畜牧业氨减排技术研究基础[39-42]，对生猪、肉牛、奶牛、蛋鸡和肉鸡养殖源头（日粮优化）、场内（圈舍、粪水贮存处理）和田间（农田利用）氨减排技术进行梳理，围绕技术减排率和技术特点（适用性与经济性）进行归纳总结，结果见表4。

表4 畜牧业氨减排技术清单Table 4 List of ammonia emission reduction technologies in animal husbandry

总的来看，我国在畜牧业氨排放控制方面的研究起步较晚，对氨的减排技术还停留在研究和成果的梳理阶段，仅有某些基于畜牧废弃物资源化利用或恶臭防治目标的减排技术在一定范围内有所应用[18]。目前所提出的氨减排技术都是针对某一粪肥管理阶段的某单项技术，着重某个具体节点而割裂了养殖场内部各养殖环节之间联系，忽略了全流程体系构建[14]。此外，缺乏基于应用场景养殖模式特点的氨减排组合技术之间衔接性和综合效果的评价，未能兼顾养殖模式对氨减排的作用[42]。所提出的大多数技术措施起源或流行于国外，缺乏针对我国养殖条件应用场景的适应性分析[39]，以及与我国畜禽污染防治政策衔接性分析[40-41]。

2.3 养殖模式与减排技术的政策、规范协调性分析

通过收集我国畜牧养殖相关的法律、法规、标准、规范、管理办法和行动计划，对畜牧业氨减排相关条文进行梳理，结合养殖模式排放特征、减排技术特点与减排效果，筛选出现行畜禽养殖生产及污染防治政策、规范中具有氨减排效果的养殖模式与污染防治技术，结果见表5。通过分析，发现圈舍封闭化+机械通风、堆肥发酵、厌氧发酵等养殖模式，低蛋白日粮、圈舍排风口处理、液态粪污覆盖、密闭堆肥+废气处理、粪肥机械深施等控氨技术与现行的畜禽养殖场相关法律、标准、规范、管理办法和行动计划存在一致性，可作为畜牧业氨减排的方向。

表5 具有政策一致性的氨减排养殖模式与污染防治技术列表Table 5 List of ammonia emission reduction farming mode and pollution prevention technology with policy consistency

2.4 基于模式替代和技术减排相耦合的畜禽氨减排体系

通过对畜禽养殖模式排放特征的分析，发现在相同的管理水平下，同一畜种养殖场因养殖模式差异造成对氨排放影响因素的作用效果不同，最终导致同一畜种养殖场各养殖模式之间氨排放存在差异。可见，可通过优选具有氨减排潜力的模式进行养殖模式替代，从而实现养殖场氨减排，即模式氨减排。畜禽养殖氨过程减排技术是针对畜禽养殖的源头、场内和田间等氨排放环节，通过一系列的物理、化学、生物等手段，强化模式对氨减排的作用效果，进而实现氨减排。可见，模式氨减排是实施技术减排的基础，技术氨减排是对模式氨减排的强化与提升，由此构建模式替代和技术减排相耦合的畜禽氨减排体系，见图3。

依据畜禽氨减排体系框架，结合排放效果与政策协调性分析，提出模式替代方向，即圈舍结构模式替代方向为机械通风封闭式圈舍替代自然通风开放式圈舍；液态粪污处理模式替代方向为厌氧发酵替代肥水储存；固态粪污处理模式替代方向为粪污堆肥发酵替代肥水储存。

将通过筛选的减排技术与典型养殖模式的组成设施及生产运行特征进行匹配性分析，将养殖模式与减排技术进行耦合，结果见表6 和表7。从源头减排技术来看，低蛋白日粮技术适用于各畜种的养殖模式。对于封闭式管理的养殖场，如生猪场、蛋鸡场和肉鸡场等，可采用废气收集结合酸式洗涤器或生物滴滤器技术。从液态粪污减排技术来看，因覆盖材料覆盖均匀性差、运行周期较短、稳定性低、易下沉或被吹走、受天气影响大等原因，局部覆盖技术一般用于雨水较少地区的小型养殖场肥水储存模式的存储池、厌氧发酵模式的沼液池和好氧处理模式的氧化塘等设施的氨减排。整体覆盖+废气处理技术适用于中大型养殖场肥水储存模式的存储池，厌氧发酵模式的沼液池，好氧处理模式的调节池、曝气池和氧化塘等设施的氨减排。从固态粪污减排技术来看，覆膜堆肥适用于每日生产粪污量几百千克到几吨的中小型养殖场堆肥发酵模式。发酵罐堆肥+废气处理技术占地面积小且可连续生产，但鉴于成本因素，该技术适用于中大型养殖场或粪污集中处理中心的堆肥发酵模式[56-58]。堆肥场密闭化+废气处理技术，将传统的条垛式或槽式堆肥场地密闭，并配套废气收集处理系统，占地面积大，投资和运行成本高，适用于大型养殖场粪污集中处理中心的堆肥发酵模式[59]。从田间减排技术来看，粪肥深施是有效的氨减排技术，经肥水储存、厌氧发酵处理的液态粪污适宜采用注射施肥技术；经肥水储存处理的液态粪污和堆肥发酵处理的固态粪污适宜采用覆土深施技术[60-62]。

表6 圈舍模式与氨减排技术耦合列表Table 6 List of the coupling of enclosure mode and ammonia abatement technology

表7 粪污处理模式与氨减排技术耦合列表Table 7 List of the coupling of manure treatment mode and ammonia abatement technology

3 结论与政策建议

3.1 结论

（1）通过实地监测发现，各养殖模式间氨排放存在差异。从圈舍结构来看，相同清粪方式下机械通风封闭化圈舍氨排放速率小于自然通风开放式圈舍，生猪圈舍干清粪、水冲粪、水泡粪和垫草垫料清粪方式封闭圈舍比相同清粪方式的开放式圈舍氨排放速率分别减小25.41%、24.65%、13.94%和9.61%；从清粪方式来看，相同通风方式圈舍氨排放速率表现为水冲粪＜干清粪＜垫草垫料＜水泡粪，生猪封闭圈舍水冲粪、水泡粪和垫草垫料模式相比于干清粪模式的减排系数分别是0.81、1.23 和1.03，对应的开放式圈舍分别是0.82、1.42 和1.25；从粪污处理模式来看，各畜种的传统肥水储存模式氨排放最大，生猪的厌氧发酵、好氧处理和堆肥发酵模式相比于肥水储存模式的减排系数分别是0.28、0.08 和0.52；奶牛相应分别为0.28、0.21 和0.28；肉牛相应分别为0.21、0.17 和0.19；蛋鸡和肉鸡的厌氧发酵、堆肥发酵模式的减排系数分别为0.11、0.22和0.09和0.10。

（2）基于养殖模式与减排技术的政策、规范协调性分析，发现圈舍封闭化+机械通风、堆肥发酵、厌氧发酵等养殖模式，低蛋白日粮、圈舍排风口处理、液态粪污覆盖、密闭堆肥+废气处理、粪肥机械深施等控氨技术与现行的畜禽养殖场相关法律、标准、规范、管理办法和行动计划存在一致性，可作为畜牧业氨减排的方向。

（3）系统辨析氨减排模式与技术的关系，构建模式替代和技术减排相耦合的畜禽氨减排体系，将通过筛选的减排技术与典型养殖模式的组成设施及生产运行特征进行匹配性分析，实现养殖模式与减排技术耦合，为我国畜牧业氨减排工作提供支撑。

3.2 政策建议

本研究基于畜禽生产-污染防治大协同、污水-废气-固废处理小协同目标，梳理了现行畜禽养殖生产及污染防治政策、规范中具有氨减排效果的养殖模式与污染防治技术，明确了氨减排模式与技术的对应关系，由此提出了模式替代和技术减排相耦合的畜禽氨减排体系，体现了“源头削减、清洁生产、资源化综合利用、防止二次污染”等技术特点，在氨高效减排的同时，最大程度地实现恶臭、温室气体、废水、固废的协同减排，具有较好的推广性。但是，研究结果距离落实畜禽养殖氨排放控制试点工作，实现区域畜禽养殖氨总量减排目标，进而实现大气环境质量改善尚有较大差距，还应开展以下工作：

（1）制定大气氨环境质量标准，以大气环境承载力为纲科学指导畜禽养殖业发展。基于区域氨排放对雾霾形成的贡献影响，制定大气氨环境质量标准，主要在京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原地区等国家大气污染防治重点区域，开展大气环境承载力评价，结合土地承载力和水资源、水环境承载力分析结果，科学确定区域载畜量、养殖布局、养殖模式及氨减排技术。

（2）制定畜禽养殖氨排放标准及配套的氨监测技术规范，将畜禽氨排放逐步纳入固定污染源环境管理体系。根据《国家大气污染物排放标准制定技术导则》（HJ 945.1—2018）要求，重点对可推广的畜禽养殖氨减排技术效果开展调研、监测，制定养殖场圈舍、粪水贮存处理等关键排放节点氨排放限值及其配套的监测技术规范，推动《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）修订，将氨逐步纳入畜禽养殖环境影响评价、环境保护设施设计、竣工验收及其投产后排污许可管理等环境监管工作。

（3）制定畜禽养殖场氨减排核算技术规范及配套的氨减排工程建设技术规范，为区域养殖氨总量减排及评估考核提供依据。针对区域养殖全口径，主要考虑因养殖基量变化、养殖模式变化以及新氨减排技术措施等带来的氨减排量，基于可操作性和可落地目标，充分考虑农业普查、环境统计养殖活动水平及第二次全国污染源普查畜禽养殖氨排放因子等数据源结构，开展核算方法、数据质量管理、报告编制等内容设计，制定氨减排核算技术规范；为保障设施减排效果，应明确氨减排工程建设技术要求，推动《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》（HJ 497—2009）修订，切实为环境管理部门核算区域畜禽氨减排量、评估畜禽氨减排成效提供依据。