新型清粪系统猪舍热环境及有害气体监测与分析

李仲瀚，张克强，巴士迪，杨增军

（农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

我国是畜禽养殖大国，近30 年来肉类产量居世界首位，随着畜禽养殖逐渐向集约化方向转变，高密度的集约化养殖模式导致了大气污染物的集中排放，畜禽养殖业已成为我国大气污染的主要来源。畜禽舍是粪污产生的源头场所，舍内粪污的收运方式关系到气态污染物排放的底物基数，决定了污染物源头减排效果和动物福利，是影响“十四五”绿色高效养殖工厂创制成败的重要环节。目前主流的水泡粪工艺和干清粪工艺，都存在粪污舍内停留时间长、残留严重、收运过程扰动大等问题，这些问题导致舍内环节成为有害气体排放的“第一现场”，是我国打赢蓝天保卫战的重要整治目标。

舍内环境质量通常用热环境和有害气体等参数衡量。热环境指标以温度和湿度为主，此外还包括热辐射、风速、大气压、光照等。有害气体包括NH、HS、CO和CH等，根据对环境的影响和职业卫生的要求，NH和HS 被认为是畜牧生产中最重要的污染物。NH主要来自于尿液中尿素的快速水解，是雾霾和气溶胶生成的重要影响因素，猪舍中的气溶胶会导致猪的呼吸不适，抑制生猪的采食和生长发育。HS 主要来自于粪便的厌氧分解，即使是低浓度的HS 也具有强烈的气味和毒性，从而导致畜舍中的动物和工人出现健康问题。欧美国家在畜禽养殖污染气体分析方法与手段和连续监测设备与方法等方面已取得了一定成果。近年来，畜禽养殖污染气体研究在我国越来越受重视，随着计算机网络和气体传感器等技术在养殖环境监测中的研究逐渐深入，有害气体浓度测定方法、气体传感器和数据记录与传输等方面都得到充分发展，进而为养殖环境监测和数据采集分析提供了更多途径和便利。

畜禽舍内的热环境和有害气体指标在一天24 h内以及不同季节间均有变化，需长期连续监测来获取真实、有效的数据。为了掌握采用新型清粪系统的猪舍内部环境的变化规律，本研究基于无线传感器环境监测设备，对不同季节的猪舍进行每个季节连续7 d的监测，测量猪舍内的温、湿度，以及NH和HS 浓度，以期掌握新型清粪系统猪舍内部的环境特征，为优化猪舍内清粪系统、改善猪舍的内部环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验猪舍及饲养管理

本研究在天津市西青区益利来养殖公司进行，养殖场位于天津市西青区杨柳青镇。试验选取育肥舍，猪舍南北朝向，靠南北墙分别布置两列猪栏，中间有1 m 宽过道，每侧各有栏位6 个，采用半漏缝地板结构。试验前对猪舍进行粪污快速分离收运系统安装改造，工作原理如图1 所示，生猪排泄的粪尿经过漏粪地板掉落到具有相分离功能的带式输送系统，尿液等液态物质经过滤后落入分离输送机下部的接液槽体，而干粪留在输送带上部并运送到指定处理设施，实现粪污的舍内原位过滤式重力分离和粪尿的分类收集。相比传统清粪方式，该系统能在粪污产生的同时完成粪尿分离，减少粪尿共存时间，从而减少有害气体的产生；输送带能降低清粪时的扰动，平稳、及时地将粪便运出舍内，减少舍内粪污的基数和停留时间，从而减少有害气体的产量。猪舍改造完成后进行消毒处理，试验期间猪舍统一管理，生猪自由采食、饮水，饲料为生长猪全价料饲料，每日10：00和16：00运行设备进行清粪。

图1 基于漏缝地板的粪污快速分离收运系统工作原理图Figure 1 The technical diagram of the rapid manure collection and transportation system based on slatted floor

1.2 猪舍热环境和有害气体浓度检测方法

本试验于一年中的每个季节各连续监测7 d，春季为2020 年4 月13 日—19 日，夏季为2020 年7 月15日—21 日，秋季为2020 年10 月11 日—17 日，冬季为2019 年12 月24 日—30 日。监测指标包括温度、湿度、NH浓度以及HS 浓度。采用由农业农村部环境保护科研监测所养殖业污染防治创新团队研发的多组分气体原位在线监测设备进行检测，设备经校准标定后使用，主要指标如表1 所示。箱体置于猪舍中央进行实时监测，数据每5 min记录并上传一次。

表1 监测箱参数指标Table 1 The parameter indicators of monitoring box

1.3 数据处理与分析

记录的气体数据需要剔除因传感器故障（断电、电磁波影响）而出现的异常数据，并计算出小时平均值、最大值和最小值。统计分析和图表制作均基于小时平均值。采用Excel 2019 软件处理数据，Origin 2018 软件制图，采用SPSS 25 软件进行方差分析，并进行显著性检验。

2 结果与讨论

不同季节舍内平均温度、相对湿度、NH浓度、HS 浓度见表2。各季节温度差异明显，夏季温度最高，冬季温度最低，秋季平均温度显著高于春季（＜0.05），各季节平均温度基本在生猪所需正常范围之内；各季节舍内平均湿度差异明显，冬季显著高于秋季、春季和夏季（＜0.05）。舍内NH浓度变化较大，夏季由于长时间通风，舍内的NH浓度显著低于其余三季（＜0.05），而冬季为了保证舍内温度，通风时间有限，导致NH在舍内累计浓度显著高于其余季节；HS浓度与NH浓度的变化趋势基本一致，夏季最低，冬季最高，春秋两季差异不显著。

表2 不同季节猪舍内温度、相对湿度、NH3浓度、H2S浓度变化Table 2 Changes of temperature，relative humidity，NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons

2.1 舍内温、湿度

猪舍温度小时平均值变化和季节变化如图2a 和表3 所示，各季节连续7 d 的温度日变化规律基本相同，主要随外界温度的变化而改变，呈先上升后下降的趋势。全年猪舍的年平均温度为（21.8±4.1）℃，猪舍的最低温度和最高温度分别为14.8 ℃和31.5 ℃；春季平均温度为（21.1±1.9）℃，夏季平均温度为（27.2±2.2）℃，秋季平均温度为（21.9±1.6）℃，冬季平均温度为（16.6±0.9）℃，冬季舍内温度显著低于其他三季。根据国家标准，生猪的适宜生长温度在20～25 ℃之间，最低临界值为16 ℃，最高则为28 ℃。夏季午后因外界温度过高会导致舍内温度超过临界值，冬季清晨也有部分时间温度过低，导致舍内温度低于最低临界值，监测数据显示超过28 ℃和低于16 ℃的时间分别占总时间的19%和16%，因此，需要对舍内温度的调节开展进一步研究。彭红芳对不同季节水泡粪猪舍的环境温度进行监测，发现夏季的舍内温度为（27.9±2.7）℃，冬季的舍内温度为（21.1±1.8）℃，两季节舍内的环境温度差异极显著，而全年温度范围在18～27 ℃之间；阮蓉丹等对机械清粪方式下猪舍内的环境指标进行研究，结果显示夏季猪舍内的温度为（28.84±0.06）℃；赵许可对人工清粪和输送带式机械清粪猪舍的环境指标进行研究，发现冬季人工清粪猪舍的温度为（19.47±0.51）℃，机械清粪猪舍的温度为（21.03±0.49）℃。上述研究与本研究得到的温度监测结果基本一致，不同清粪方式和所处地区不同都会导致舍内温度出现差异：相比干清粪方式，水泡粪猪舍会存留大量粪污和处理用水，而水的比热容较大，导致舍内温度相对较高；机械清粪猪舍内温度相对一致；本研究在天津开展，冬季气温较低，而赵许可的研究在浙江进行，试验时外界温度较高，地域的环境温度不同是舍内温度出现差异的主要原因。

表3 不同季节猪舍内温度和相对湿度监测数据Table 3 Monitoring data of temperature and relative humidity in pig house in different seasons

图2 不同季节猪舍内温、湿度小时变化规律Figure 2 Hourly variation of temperature and relative humidity in pig house in different seasons

猪舍相对湿度小时平均值变化和季节变化如图2b和表3所示，相对湿度随猪舍清洗和集中排泄后的水分增加而升高，各季节变化没有明显规律。从表3可以看出，舍内全年相对湿度平均值为69.2%±2.5%，春季为68.2%±3.7%，夏季为67.4%±4.1%，秋季为68.9%±3.1%，冬季为71.9%±4.4%。夏季温度升高，生猪因饮水和降温需求的增加导致舍内相对湿度变化较大；冬季因保暖需要通风较少，故舍内的相对湿度稳定在较高值，显著高于其他季节。育肥猪适宜的相对湿度范围为60%～70%，低于50%或高于80%则超过相对湿度的临界值。从监测数据看，试验期间猪舍相对湿度均在60%以上，有38%的时间相对湿度高于70%，超出畜禽舒适范围的环境相对湿度会导致畜禽在温度较高时无法散热，体温过高会影响自身代谢，对畜禽的饲料转化和日增重有负面影响。BANHAZI发现相比于通风量，平均NH浓度和相对湿度的关系更密切，故需要加强对猪舍相对湿度的管理从而控制舍内平均NH浓度。赵许可对机械清粪猪舍的相对湿度进行监测，发现平均湿度为66.70%±2.71%；代小蓉等对人工清粪猪舍的环境指标进行监测，发现1 a 内猪舍的平均相对湿度为71.4%±11.7%，与本研究结果基本相符。赵许可研究发现水泡粪猪舍夏季的平均湿度为73.81%±0.68%，冬季的平均湿度为80.16%±1.06%，因水泡粪猪舍工艺处理需要，舍内存留大量污水导致湿度较高，而本研究中新型清粪系统采用节水冲洗技术和粪尿分类收集工艺，清洁用水少且尿液在产生后即流出舍内，因此能有效控制舍内的相对湿度。

2.2 舍内NH3、H2S浓度

猪舍每个季节连续7 d的平均NH浓度变化规律如图3a 所示。总体而言，4 个季节舍内NH浓度日变化均呈现出先上升后下降的趋势，夏季显著低于其余3个季节，各季节最大值均出现在温度较高的10：00—17：00，而最小值则出现在凌晨。原因是猪群在白天进食多、活动剧烈，高新陈代谢的同时增加了排泄活动，粪污排放增加导致分解产生的NH增多，故舍内的NH浓度比夜间高。NH浓度的季节变化如图4a所示，各季节差异显著，夏季舍内的NH浓度最低，春季和秋季的舍内NH浓度较高，而冬季的舍内NH浓度最高，主要原因是猪舍内NH大部分来自于生猪排泄的粪污中的尿素在脲酶催化作用下的分解，SAHA等发现温度升高使得脲酶活性增强，尿素分解速率增加。春、秋季温度适中，基本采用自然通风；夏季高温但通常会加强舍内通风，及时排出有害气体，故夏季舍内NH浓度比春、秋季低；而寒冷冬季舍内因保温需要，猪舍通风时间极短甚至不通风，导致粪尿分解产生的大量NH在舍内蓄积，因此浓度显著高于其他季节。RODRIGUEZ等研究了温度对平均NH浓度的影响，发现当温度从26 ℃下降至23 ℃时，平均NH浓度由2.88 mg·m下降至0.23 mg·m，且该研究排除了通风的影响，可见NH浓度随温度变化趋势明显。

对表4 的监测数据分析发现，全年舍内的平均NH浓度为（5.48±2.12）mg·m，最高浓度达10.47 mg·m，最低浓度为1.89 mg·m。有研究发现人工干清粪猪舍、机械干清粪猪舍和水泡粪猪舍的舍内平均NH浓度分别为22.18、9.33 mg·m和10.90 mg·m，新型清粪系统猪舍相比上述研究舍内NH浓度分别降低75.3%、41.3%和49.7%。通风时间对舍内NH浓度影响很大，增加通风时间会加速舍内有害气体进入大气，还会促进粪污分解释放有害气体。在本研究中，猪舍内仅安装一台风机且通风时间较短，相比其他研究通过增加通风时间来改善舍内环境，减少了对大气环境的污染。畜舍内的环境标准要求NH浓度应小于20 mg·m，且舍内平均NH浓度在8 mg·m以下对畜禽生长更有利，本研究猪舍仅冬季部分时间超出适宜范围，基本能满足畜禽健康生长的环境要求。

图3b 为每个季节连续7 d 舍内HS 平均浓度变化。与NH不同，HS 浓度并未出现明显的日变化规律，但其变化更频繁，瞬时浓度差更大。NI 等认为HS 气体在水中的溶解度很低，导致过饱和的HS 气体以气泡形式停留在粪污中，当达到一定浓度或被干扰就会释放出HS 气体，导致舍内HS 浓度在短时间内产生巨大变化。这种原理对舍内长期停留液态粪污的水泡粪工艺可以做出解释，而本研究的猪舍每天清理两次粪污，不存在长期储放的液态粪污，舍内HS 浓度剧烈变化可能是生猪踩踏粪便等其他因素造成的；FETRA 等研究发现粪污中HS 的形成和释放会受到温度的影响，因为粪污中含硫有机化合物的分解依赖酶的作用，因此HS 浓度的瞬时变化可能与局部温度的升高有关。

图3 不同季节猪舍内NH3和H2S浓度小时变化规律Figure 3 Hourly variation of NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons

舍内HS浓度的季节变化如图4b所示，全年平均浓度为（0.86±0.17）mg·m。研究发现人工干清粪猪舍、机械干清粪和水泡粪猪舍的舍内平均HS浓度分别为7.87、2.13 mg·m和8.20 mg·m，新型清粪系统猪舍相比上述研究舍内HS 浓度分别降低89.1%、59.6%和89.5%。如表4 所示，冬季舍内的平均HS 浓度最高，达到（1.12±0.25）mg·m，夏季的舍内平均HS浓度最低，仅（0.69±0.19）mg·m，春、秋两季的浓度相差较小，只略高于夏季。冬季舍内HS 浓度较高的原因可能是清粪频率减少，舍内的粪污比其他季节储存量大、停留时间长，加之因保温需求通风量减小，使得HS在舍内蓄积。本研究猪舍的平均HS浓度为0.86 mg·m，远低于规模化猪舍环境标准的国家要求（＜10 mg·m），能满足畜禽健康生长的需要。

表4 不同季节猪舍内NH3和H2S浓度监测数据（mg·m-3）Table 4 Monitoring data of NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons（mg·m-3）

图4 不同季节猪舍内NH3和H2S浓度变化规律Figure 4 Variation of NH3 and H2S concentrations in pig house in different seasons

本试验猪舍的舍内NH和HS 浓度均低于国家标准，舍内温、湿度大部分时间均保持在适宜生猪生长的范围内。冬季舍内的两种有害气体浓度显著高于夏季，也高于春、秋两季，可能是舍内温度和通风量造成的。夏季外界温度较高，为保证舍内的环境温度适宜畜禽生长，需要加大通风时长，在降温的同时也会将舍内的有害气体排出畜舍，在保持温、湿度的同时降低了舍内NH、HS 的浓度；而冬季舍外寒冷，需要保证舍内的温暖环境，减少不必要的通风换气，仅在温度较高或舍内有害气体浓度过高时才开启风机，造成舍内有害气体的积累，较高的NH和HS 浓度会对畜禽的健康生长产生不利影响，故封闭式猪舍应改进通风和保温措施，以保障动物福利。

朱志平等对猪舍的NH排放规律进行了研究，发现冬季舍内的NH浓度显著高于夏季，季节差异明显，与本研究结果一致。伍清林等对采用干清粪方式的规模化猪场哺乳仔猪舍、保育猪舍和生长育肥猪舍的各季节舍内空气质量变化进行研究，结果表明舍内NH浓度在9.67～12.74 mg·m之间，HS 浓度在1.95～2.81 mg·m之间，NH和HS 浓度均高于本研究，原因可能是粪污清运不及时，粪尿在舍内长时间混合停留导致有害气体大量产生，且在清运时扰动粪污也会加速有害气体的生成，故舍内NH和HS 浓度高于本研究。PETIT 等的研究表明较高水平的膳食蛋白质水平会使新鲜粪便和尿液中的总氮浓度升高，从而导致尿素分解产生的NH浓度快速上升；HEBER 等研究发现如果养殖用水中的硫含量较高，则会显著增加HS 从粪污中的释放，导致舍内有害气体浓度增加。综合各研究可以发现，舍内温度、湿度、通风时间、粪污停留时间、源排放强度、饲料和用水等因素都是影响NH和HS浓度变化的重要因素。

3 结论

（1）本研究猪舍内的温度范围为14.7～31.8 ℃，有19%和16%的时间在最高和最低临界温度范围之外；相对湿度的范围为62.7%～75.3%，有38%的时间超出最适相对湿度范围。相比传统清粪工艺，新型清粪系统对舍内温、湿度的控制有一定效果。

（2）猪舍内全年平均NH浓度为5.48 mg·m，最高浓度在夏季，最低浓度出现在冬季。各季节最大值均出现在午后，而最小值则出现在凌晨。猪舍全年的平均HS 浓度为0.86 mg·m，冬季的平均HS 浓度最高，而夏季的最低。试验期间新型清粪系统猪舍内的NH和HS 浓度均低于国家标准，也低于其他传统清粪工艺。

（3）在新型清粪系统猪舍内，温度和相对湿度基本都控制在适宜范围内，减少了NH和HS 的产生，使舍内NH和HS 浓度保持在较低范围，表明该系统能为生猪养殖提供适宜的舍内环境。