负压通风模式下猪舍空气过滤相关研究

张志勇，樊士冉，邓启伟，吴彦强，刘 聪

（新希望六和股份有限公司，山东 青岛 266000）

引言

猪舍通风对调控舍内温湿度、改善舍内空气质量及保证猪只健康水平起到了非常重要的作用。由于我国猪场大部分处于温带、亚热带气候类型区域，夏季普遍较为炎热，“风机+湿帘”降温的机械负压通风模式在我国规模化猪场得以普遍采用。负压通风的前提条件是猪舍具备相对密闭的空间，负压风机强行将舍内的空气排出，在猪舍内形成负压环境，舍外空气经通风口由舍外自然进入舍内。

在所有传染性病原体中，通过空气进行传播的病原体是最难控制的。空气传播传染性病原体的速度使其难以控制和防范，现已证明，空气传播是许多猪只疾病传播的重要途径。猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）和猪流行性腹泻病毒（PEDV）等病毒已验证可以由空气进行传播。在高密度、高风险的养殖区域，管控空气传播疾病的问题尤为突出。

因此，养猪行业内已普遍使用空气过滤系统作为安全防疫系统的最后一道防线。空气过滤系统对于切断病原体的空气传播途径，降低养殖风险起到了十分重要的作用。在美国明尼苏达州的高密度养殖区，经空气过滤的公猪舍可以连续6年保持PRRSV阴性，经过空气过滤的母猪场可以连续3年保持无感染。

然而，目前养殖场内对于如何正确使用空气过滤系统仍缺乏足够的认知，正确使用空气过滤对预防空气传播类疾病乃至整个猪场的生物安全防控至关重要。

1 空气过滤器等级选择

常见的一些猪只病毒的粒径如表1所示。

表1 常见病毒的粒径范围示例

不同病毒的粒径各异，以非洲猪瘟病毒为例，是一种巨大而复杂的病毒，但其粒径也仅有0.2 μm左右。但是通常认为病原微生物极少单个存在，即使存在，也极易被紫外线等杀死，存活时间极短，大部分只能依附于载体上在大气中悬浮。因此，通常情况下认为空气过滤系统并非直接过滤掉病原体，而是过滤出病原体的传播媒介物：尘埃颗粒或者其他气溶胶。空气过滤的机理主要分为以下几种：

（1）拦截效应：当某一粒径的粒子运动到过滤纤维表面附近时，其中心线到纤维表面的距离小于微粒半径，灰尘粒子就会被滤料纤维拦截而沉积下来；

（2）惯性效应：当微粒质量较大或速度较快时，由于惯性而碰撞在纤维表面沉积下来；

（3）扩散效应：小粒径的粒子布朗运动较强而容易碰撞到纤维表面上；

（4）重力效应：微粒通过纤维层时，因重力沉降而沉积在纤维上；

（5）静电效应：纤维或粒子都可能带电荷，产生吸引微粒的静电效应，而将粒子吸到纤维表面上。

与此同时，环境中常见的颗粒粒径如表2所示。

表2 环境中不同颗粒类型的粒径

由此可见，大气环境中存在大量的不同粒径的颗粒。如PM2.5，指的是环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物。

对于不同粒径颗粒携带病毒的情况，Carmen Alonso等人进行了相关的研究，以PRRSV和PEDV为例，不同颗粒粒径下每立方米的病毒核酸拷贝数如表3所示。

表3 不同颗粒粒径下PRRSV和PEDV每立方米的病毒核酸拷贝数

由表3可以看到，在0.4～10 μm的各个粒径范围内，均可发现可通过空气传播的病毒，且随着颗粒粒径变大，病毒的含量明显增多。

根据标准要求，不同过滤器等级对三种粒径范围的最小收集效率（ASHRAE 52.2，2012）如表4所示。

表4 不同空气过滤等级下的颗粒收集效率（E1，E2和E3）

根据大气环境中常见的颗粒尺寸情况，以及不同等级过滤器的过滤效率的情况，单纯的MERV8等级的空气过滤器对3 μm以下的颗粒基本上无过滤效果。对于在恶劣环境下的空气过滤器，通常应选择MERV14或者MERV16过滤器作为主过滤器。常见做法是使用两个过滤器组合，比如采用MERV8等级的过滤器作为预过滤器，用以去除空气中的较大颗粒以延长主过滤器的使用寿命，预过滤器通常每6～12个月更换一次。采用MERV14或者MERV16的过滤器作为主过滤器，用于去除携带PRRSV和PEDV的空气颗粒，主过滤器可以使用大约三年的时间，取决于现场的工况以及制造商的生产水平。

2 负压猪舍气密性研究

没有一个猪舍是可以实现完全密封的。空气会通过计划的入口（如吊顶小窗、空气过滤墙）进入，也会通过非计划的入口渗漏进入猪舍。Zhang和Barber将猪舍的渗漏分为三种类型：

（1）来自临近房间的污染空气渗漏到建筑物内部降低空气质量；

（2）建筑物外界的新鲜空气进入房间，可能会引起“贼风”及增加加热成本；

（3）外部新鲜空气通过排气风扇周围的包络开口泄漏到房间内，并通过风扇排出而不混合在内部空气中导致通风效果降低。

三种泄露方式都会影响通风性能及猪舍空气的可控性。保持猪舍空间的相对密闭性及减少猪舍空气的泄露对于猪舍通风系统的生物安全至关重要。同时，Zhang和Barber提到，在低气压下的畜禽舍的渗透特性在通风系统设计中比高气压下更重要。在寒冷季节的通风过程中，设计空气流量最小，使得难以在畜禽舍内保持所需的静压差。渗透/非计划的空气进入房间进一步降低了压力差，这会对猪舍内新鲜空气的分布以及猪舍空气的质量产生负面影响。因此，关于渗透/泄漏的精确数据在畜禽舍通风系统的设计中非常重要。

MERV8等级的空气过滤器可单独使用，也可以作为预过滤器对下一级过滤器起保护作用，比如可与MERV14或者MERV16串联使用。不同粒径范围颗粒对不同等级组合的空气过滤器渗透率如表5所示（数据取自 ASHRAE 52.2，2012）。需要注意的是，渗透率的计算采用标准的最低要求，实际的渗透率情况根据制造商的生产水平会有相应的浮动。同时提高空气过滤等级，会增加通风的阻力，导致室内外静压差增大，这一方面会降低风机的运行效率，另一方面会增加未过滤的空气通过猪舍缝隙进入舍内的风险，如果出现这就意味着空气过滤系统失去意义了。下面对于采用不同过滤等级的过滤器下进入猪舍的病毒浓度进行计算。

表5 不同颗粒粒径范围对不同过滤器等级的渗透率 %

取猪舍内病毒浓度参数作为衡量猪舍过滤效果的主要指标。取每立方米的病毒核酸拷贝数作为衡量病毒浓度的指标，环境中的病毒可通过过滤器过滤后或经过渗漏进入猪舍内。在文中以PRRSV为例，设定环境中三种粒径每立方米的病毒核酸拷贝数总共为100；0.3～1 μm的颗粒每立方米的病毒核酸拷贝数为C1；1～3 μm的颗粒每立方米的病毒核酸拷贝数为C2；3～10 μm的颗粒每立方米的病毒核酸拷贝数为C3，如公式（1）所示。文中C1、C2、C3分别设为10、10、80，数据取自于K. A. Janni等人的研究，具体环境中的病毒浓度需依据环境情况进行选择。

以某猪场妊娠舍为例进行相应的计算。猪舍内部空间的长度为69.6 m，宽度为36.6 m，吊顶高度为2.4 m，满负荷运行的情况下最大猪只数量为1 200头。在冬季通风模式下，按照每头猪20 m3/h的需求进行计算，需要的最小换气量为24 000 m3/h。

根据Jadhav等人测得的妊娠舍的相应泄露数据，K. A. Janni等人将3 000头母猪场的泄露量Qin，leak与猪舍负压的关系建立一回归方程，猪舍泄露量与猪舍负压Pfan的关系如公式所示：

其中：

Pfan——猪舍负压，单位为pa；

Qin，leak——猪舍泄漏量，单位为m3/s。

猪舍负压的测量方式如图1所示，采用负压计的型号为德图testo 510。

图1 现场负压检测示意图

分别测量24 000m3/h的换气量下，不同过滤等级猪舍的负压水平，并根据负压按照公式（2）计算泄漏量与泄漏量的占比，如表6所示。

由表6发现，在一定的换气量情况下，采用更高等级的过滤器会造成猪舍内负压的增大以及泄漏量的增加。

表6 不同过滤等级过滤器对应猪舍负压以及泄漏量情况

结合不同颗粒粒径范围对不同过滤器等级的渗透率、不同颗粒粒径范围对应的病毒核酸的拷贝数以及不同过滤器等级猪舍的泄露情况，计算进入猪舍内空气每立方米的病毒核酸拷贝数，相同通风量情况下采用不同过滤器等级进入猪舍的病毒核酸拷贝数如公式（3）所示。

式中：

Cin,j——采用第j种空气过滤器等级进入猪舍的每立方米的病毒核酸拷贝数；j=1，采用MERV8等级；j=2，采用MERV8+ MERV14等级；j=3，采用MERV8+ MERV16等级；

Pleak,j——采用第j种空气过滤器等级猪舍的泄漏量占比；

Pfilter,j——采用第j种空气过滤器等级猪舍经过过滤器的通风量占比；且Pfilter,j=1-Pfilter,j；

Pi,j——采用第j种空气过滤器等级对第i种颗粒尺寸范围的渗透率

根据公式（3），不同过滤器等级在相同通风量情况下进入猪舍的每立方米的病毒核酸拷贝数如表7所示。

表7 不同过滤器等级在相同通风量情况下进入猪舍的每立方米的病毒核酸拷贝数

根据以上计算可发现：采用更高等级的过滤器配置，不一定会起到更好的过滤效果，可能由于猪舍内负压增大，导致通过非可控入口进入猪舍的空气量增加，造成更大的风险。因此，负压通风的猪舍对于密封性的要求极高，应尽可能保证猪舍的密闭性以减少猪舍的泄漏量。尤其需要对各连接处加以检测，比如屋面和墙面交接处、墙角处、猪舍门窗、过滤器与吊顶连接处等。对于漏风处需及时排查并进行补漏处理。

3 粉尘颗粒的控制

粉尘颗粒的控制对于猪舍内环境的控制至关重要，任何旨在减少空气中空气颗粒数量的措施都可直接降低空气传播疾病的风险。这些颗粒的组成和粒径分布将影响疾病的传播动力学，包括吸入过程中宿主体内的沉积部位、病原体在空气中停留的时间和传输距离，以及病原体的存活性和传染性。

猪舍内的粉尘主要来源于：（1）颗粒料的饲料粉尘，在料线系统供料或者猪只进食的过程中会有饲料粉尘飘散在空中；（2）猪舍清扫过程中形成的粉尘；（3）猪群躁动、运动或者打架斗殴等产生的粉尘。针对此，需要做到以下几点：（1）控制猪舍合理湿度，猪舍湿度过低，容易产生粉尘，且悬浮在猪舍的时间较长；建议相对湿度控制在60%左右为宜。（2）保证通风，通过空气的流通减少猪舍内的粉尘量。（3）加强饲养管理，控制饲养密度，减少猪只争斗；合理喂食，避免饲料剩余，有条件的情况下进行湿料饲喂等。

对于猪舍外大环境的粉尘颗粒控制需要注意以下几点：（1）猪舍周边的道路尽可能硬化；（2）猪舍外部设置围墙，并保证足够的高度；（3）对猪舍外部的道路及时清扫，在干燥少雨的季节，经常性进行洒水作业，避免尘土上扬等。

4 总结

文章针对负压通风模式下猪舍的空气过滤系统进行了相关研究，通过对环境中颗粒的分布情况、带病毒粒子的颗粒粒径情况，确定了空气过滤器的等级选择原则，并建立模型对不同过滤等级情况下进入猪舍的病毒核酸拷贝数进行分析。提出了负压通风模式下影响空气过滤使用效果的因素并提出相应的改善举措。对于保证负压通风模式下空气过滤器的使用效果有着极为重要的指导作用。文章对于进入猪舍的空气病毒核酸拷贝数的计算是建立在假定的病毒浓度分布，且猪舍的泄漏量根据已有的公式进行计算，在猪场的实际应用过程中，需要根据实际情况进行测量与计算，以达到更好的指导意义。