规模化养猪过程中臭气的减排措施研究进展

周思邈，柴小龙，梁晓飞，李 同，闫之春

（山东新希望六和集团有限公司养猪研究院，山东青岛 266100）

近几年，我国生猪养殖业快速发展，特别是大型集约化、规模化养殖场的大量建设，给养殖场周围的空气质量带来严重影响。随着国家对环境保护越来越重视，以及养殖场周围居民对臭气投诉增多，如何有效解决养殖臭气问题成为大型养殖场面临的棘手问题。养殖过程中臭气减排的主要方式可以概括为3个方面：源头减排、过程控制和末端处理。源头减排即通过提高饲料利用率，减少粪尿中氮素排放，是实现减少臭气排放的关键；过程控制是在养殖过程中注重猪只粪尿管理，减少臭气释放；末端处理是将臭气进行收集处理，减少臭气向周围环境扩散。本文总结了国内外关于养殖臭气的相关研究，从臭气主要成分、各组分浓度、臭气产生的主要影响因素以及减排措施等方面进行综述，以期对养殖臭气的减排提供思路。

1 养殖场臭气的主要成分及影响因素

一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快感觉及损害生活环境的异味气体都可以称为臭气。畜禽粪便中含有大量土著微生物，其对粪尿中有机物的腐败分解是养殖臭气主要来源，此外动物表皮、毛发、饲料、垫料等富含蛋白质的废弃物厌氧分解也会产生臭气。

1.1 养殖场臭气的主要成分 养殖场臭气成分复杂，会受到养殖畜禽种类、生产管理方式、粪尿处理措施等因素的影响，大体上可以分为4类：NH和挥发性胺类、HS和含硫化合物、芳香族化合物（吲哚类和酚类）、挥发性脂肪酸类。Schiffman等通过气相色谱和质谱（GC/MS）分析了猪场臭气，发现猪场臭气中的挥发性有机物（VOC）和固定气体多达331种，包括酸类、醇类、胺类、酰胺类、酯类、醚类、酚类、芳族化合物、其他含氮化合物、含硫化合物、类固醇和其他化合物等。在臭气组分中，浓度较高、方便现场实时监测，对人畜健康影响较大的有害气体主要是NH和HS，这也是我国国家标准《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）规定的主要监控指标。《规模猪场环境参数及环境管理》（GB/T 17824.3-2008）中规定猪舍内NH浓度需低于25 mg/m，HS浓度需低于10 mg/m。当NH、HS超过一定浓度后，会对猪只的生长和健康产生负面影响，如降低猪只的生产性能、抵抗力，影响疫苗的免疫效果，甚至会诱发疾病等。

1.2 养殖场臭气的主要影响因素 畜禽粪便腐败分解产生恶臭物质的成分和浓度会因尿液的混入量、水分含量、环境温度、清粪方式、通气量、pH以及贮存时间等因素的不同而存在很大差异。国内外许多研究学者对猪舍内各臭气浓度（主要是NH）的检测结果见表1。

表1 猪舍NH3浓度统计

通风量是影响猪舍NH浓度的主要因素，自然通风模式下，通风量较低，NH积聚在猪舍内难以扩散，致使浓度水平较高；机械通风模式下，较高的通风量可将大量臭气带出猪舍，从而降低舍内NH浓度。在通风模式不变的情况下，猪只的生长阶段、环境温度和猪只活动强度也是影响NH浓度水平的重要因素。不同生长阶段的猪只因饲料配方、饲养密度的不同会造成粪便中含氮量出现差异，饲养密度会造成粪便产量的不同，两种因素叠加会造成舍内NH浓度的明显差异。舍内环境温度会影响粪尿中微生物的代谢活性，进而影响舍内NH含量。

纪英杰等监测了夏秋两季舍内NH浓度的变化，结果表明猪舍夏季机械通风模式下NH浓度为3.31 mg/m，秋季采用半机械通风半自然通风模式时，通风量约为夏季的1/3，舍内NH浓度达到4.91 mg/m。刘杨等测得规模猪场机械通风育肥舍春季、夏季、秋季和冬季的平均NH浓度分别为3.60、3.15、3.88、8.41 mg/m，对应的夏季通风量分别是春季、秋季和冬季通风量的2.08、2.34、3.04倍。王文林等监测夏季猪只不同生长阶段（保育、育肥I、育肥II）以及妊娠母猪与分娩母猪舍内的NH浓度分别为0.97、3.37、5.45、2.19、1.44 mg/m，表明各生长阶段氨排放存在差异。此外，研究还发现猪舍内氨气排放具有明显的日变化规律，夏季主要受温度和猪只活动强度的影响，秋季主要受机械通风运行模式的影响。许稳等连续检测了8月至次年1月育肥舍、妊娠舍、哺乳舍和保育舍的NH浓度，发现舍内NH平均浓度呈现冬季＞秋季＞夏季的季节变化趋势，这与不同季节的通风量有关。总的来看，规模化猪场在夏季和冬季面对的臭气问题不同，夏季猪场面临的主要是臭气减排和臭气处理问题，主要因为夏季为降低舍内和猪只体表温度，猪舍会进行大量的机械通风，在这个过程中会将大量的臭气污染物排放到舍外；冬季猪舍因保温需要减少换气量，主要面对舍内氨气浓度较高问题。

猪舍清粪方式会影响粪尿的存在形式，如粪尿是否分离、粪便含水量、粪便在舍内贮存时间，进而造成舍内NH含量差异。汪开英等在动物人工气候室分析了3种不同栏舍地板结构对NH排放的影响，发现地面结构类型对猪舍NH排放影响显著，常规养殖方式下半缝隙地面和实心地面的猪舍NH排放量相对生物发酵床猪舍较高。与干清粪相比，水冲粪和水泡粪都存在耗水量大、污水产生量大及其污染物浓度高、舍内有害气体含量高等问题，从清洁生产的角度考虑，干清粪工艺是规模化猪场的必然选择。

2 臭气的减排措施

2.1 平衡氨基酸组分降低蛋白摄入 在满足猪只营养需求的前提下，通过减少饲料中粗蛋白质含量，减少粪尿中氮元素的排放量，可以实现从源头上减少臭气产生。根据氨基酸平衡理论，必需氨基酸之间及其与非必需氨基酸之间达到最佳平衡时，才能够达到最佳利用效率。一般在以谷物和豆粕为主的植物性饲料中赖氨酸、蛋氨酸等含量较低，不能满足猪只需要，因此，采取额外补加赖氨酸、蛋氨酸以及谷氨酸，降低日粮的蛋白质水平等方式，可以提高饲料蛋白利用率，大大节省蛋白质用量，降低饲养成本，提高猪只生产效率，同时还能够减少粪氮和尿氮的排放，有效改善猪舍小环境，减轻粪污处理压力。

Kerr等进行了33组猪只的代谢试验，试验数据显示在平衡氨基酸的基础上，日粮蛋白水平每降低10 g/kg，氮的排泄能降低8.4%。而Leek等研究发现日粮蛋白水平每降低10 g/kg，氮的排泄能降低8.7%和6.7%。Liu等研究也证明，通过氨基酸来补充日粮中降低的粗蛋白质能有效减轻NH排放，在标准日粮的基础上降低2.1%～3.8%、4.4%～7.8%的粗蛋白质后，NH排放量较对照组分别降低了33%和57.2%，且粪便排泄量和粪便中的NH-N浓度也明显降低。刘作华等试验发现，日粮蛋白质含量每降低3%～4%，猪舍内NH浓度显著降低26.55%～57.85%。不同研究者之间的数值差异可能与试验猪体重、对照组日粮的粗蛋白水平、日粮粗蛋白降低的幅度以及氨基酸的平衡模式有关，更为准确的减排效果有待进一步研究。

2.2 添加饲料添加剂 养殖臭气主要由微生物在不完全厌氧条件下分解粪尿中的蛋白质和碳水化合物产生，因此通过改善动物肠道和粪尿中的微生物菌群组成，或者降低产生恶臭气体微生物的活性，也可以实现减少臭气排放的目的。益生菌、益生元、有机酸、丝兰提取物、纤维、中草药等饲料添加剂可以通过调节消化道微生物菌群，改善营养物质的消化和吸收，进而减少臭气排放。

廖新俤等研究发现在猪只日粮中添加0.05%的活菌制剂可以起到猪舍NH减排效果，两条生产线上连续10 d的监测发现舍内NH浓度分别降低了40.28%和56.46%。Murphy等研究表明在育肥猪日粮中添加不同剂量的苯甲酸（0、10、20和30 g/kg）可降低总氮和尿氮的排出率，并且可降低尿氮/粪氮比，从而降低猪粪尿中NH的排放。王保黎等研究发现在饲料中添加比例为90 g/（t饲料）的丝兰属植物提取物能够显著降低猪舍内NH产生量。人们对丝兰属植物提取物的除臭机理还未达成一致意见，有研究者认为主要是其含有脲酶抑制剂，能够抑制脲酶活性；也有人认为，其主要通过与NH和HS相结合进而抑制有害气体散逸。然而，大多研究对饲料添加剂提高蛋白利用率，降低NH排放的效果是充分肯定的。在饲料减抗的背景下，通过向饲料中添加有益微生物、丝兰提取物、中草药成分等提高猪只抵抗力，同时减少NH排放，对于规模化养殖具有重要的应用价值。

2.3 控制舍内温度和湿度 猪舍内NH含量受饲养密度、饲养管理水平、地面结构、舍内温湿度、通风情况、粪污清除等多因素影响。舍内温度升高会促进NH释放，因为温度升高会使脲酶活性增高，同时使水相的NH迅速转化为气相的NH。暴雪艳等在封闭式分娩舍内进行的气体监测表明，舍内气体中NH和CO浓度与圈舍温度显著正相关(r=0.898)。猪舍内的温湿度控制在适宜范围有利于猪只生长增重，还可以有效降低猪舍NH浓度，提高舍内空气质量。

2.4 粪尿分离和控制清粪频次 规模化生猪养殖过程中产生的NH主要来源于尿液中尿素的水解和粪便中有机物氮的分解。猪体内形成的尿素有75%～80%随尿液排出体外，尿素分解为NH的过程很快，在常温下只需几小时，而猪粪中的有机物氮分解产生NH是一个相对缓慢的过程，通常需要数周的时间且产生的NH量也较少。因此，及时进行粪尿分离，并将尿液排出猪舍进行集中处理，可有效减少猪舍氨气排放量，也可降低粪污的后续处理难度。

Panetta等在实验室条件下研究发现，将尿液从粪便中分离可以使NH排放量降低99%。Lachance等研究发现将水泡粪清粪频次由每周清空1次增加到每周3次，能够使NH排放降低46%；刮粪板清粪工艺下，每周刮粪次数由3次增加到7次反使NH排放量增加11%；对比不同清粪工艺对舍内NH浓度的影响发现每周3次刮粪板清粪比水泡粪每周清空1次，NH排放量低49%。牛欢等发现机械清粪过程会加速NH释放，NH浓度会提高70%～75%，在清粪1 h后NH浓度会降低到刮粪前浓度的80%～85%。Misselbrook等和Wood等认为，粪污表面结壳可以减少粪便内的NH向舍内挥发，清粪时伴随着粪便翻滚，会破坏粪便表面已形成的壳状物，增大粪便内NH挥发，造成舍内NH浓度增大。过高的清粪频率会让更多新鲜粪便暴露在空气中，从而促进NH的产生并挥发到舍内。李新建等研究发现使用局部漏缝地板可有效地降低氨气释放量，育肥舍内漏缝地板占总面积37%时，NH释放量比采用全漏缝地板减少40%。综上，在规模化生产过程中建议采用局部漏缝地板配合干清粪工艺进行粪尿分离，并合理控制清粪频次，以减少粪尿内NH挥发。

2.5 粪便除臭剂 通过降低粪沟粪尿pH，在粪沟中添加吸附类物质和优势除臭菌种等措施也可以减少粪尿NH的产生。当温度保持不变时，pH决定了NH+和NH之间的平衡关系，较低的pH会降低氨水比例，减少NH挥发。pH 7～10的范围内会最大程度增加NH释放量，pH降低到7以下会抑制NH挥发，pH 在4.5左右时几乎没有可以测量的游离氨。直接将微生物除臭菌剂或者微生物发酵液喷洒到粪沟内，利用微生物之间的协同、繁殖、共生作用转化分解粪便中的有机物质，利用微生物的硝化和反硝化作用来转换氮元素，以达到降低NH排放的目的。

2.6 生物过滤 生物过滤法应用于机械通风猪舍一般需要将通风系统与过滤装置进行组合，猪舍排出的污浊气体经处理后再排入环境中，是一种重要的末端处理方式。气体进入生物过滤器后，经气、水界面传递到附着于填料表面的生物膜中，膜中微生物以有机气体污染物作为其生长繁殖所需的基质，将大分子结构的有机气体污染物经不同转化途径氧化分解为简单无害或少害的CO、NO、HO等无机物，达到净化的目的。生物滤器内的结构、过滤腔内填充物以及运行参数都会对处理效果产生影响。

Taghipour等比较了生物过滤器内部分区（1层和3层）对不同浓度NH降解性能的影响，发现分3层时生物滤池的最大清除能力、处理效率、压降损失等方面均优于1层结构。Dumont等对比了气体在过滤器中的停留时间、加载速率对氨气去除效率的影响，发现夏季停留时间为12 s时NH去除效率在90%～100%，停留时间减小到6 s时NH去除效率降为30%～50%；外界环境（温度和湿度）也会对处理效率产生影响，秋季停留时间为12 s时NH去除率约为80%，小于夏季相同运行条件下的处理效率。在相对干燥的秋季要特别注意生物滤池的加湿处理，为达到良好的NH去除效果，可以在填料中接种优势除臭除氨菌种，增加生物过滤器中微生物的丰富度和数量。Yasuda等在以混合岩棉为填料的生物滤池来降解畜禽养殖场中的NH，结果表明经生物滤池处理后NH的出口浓度小于3.8 mg/m。Melse等利用生物过滤池来减少畜禽养殖场中甲烷的释放量的实验发现，在进气的平均温度为12℃左右，填料的pH为6.8时，NH的进气速率为83 mg/m·h、HS的进气速率为0.6～16 mg/m·h的条件下，NH去除率为90%～100%，HS的去除率达100%。

3 猪场除臭应用案例分析

一些研究者根据猪场臭气排放特点，依据水对NH等臭气的溶解特性和微生物对有机臭气的代谢特性，采用循环水喷淋、生物滤床等方式进行猪场除臭的中试试验，验证了其应用的可行性和除臭效率。如Hartung等在生产中对2个生物滤池进行长期（6.5年）监测，2个微生物滤池对NH的平均去除率分别为15%、36%，将滤料的含水率从20%升高到40%可提高生物滤器的清洗效率。中国农业大学工学院等单位在北京某猪场进行了生物氧化法除臭试验（图1），试验装置尺寸为6 m×3 m×3 m，处理风量为10 000 Nm/h，NH处理效率为90%。华南农业大学在江西某种猪场进行了两层喷淋滤墙除臭试验（图2），并给出了除臭效率和运行成本的分析，在喷淋液中使用硫酸时NH去除率达到85%，每日耗电量292度；不加硫酸时NH去除率达到50%，每日耗电量290度。此外，现在已有一些猪场采用在猪舍排风口安装湿式洗涤器来净化猪舍排出废气中的粉尘、NH、HS和其他臭气（图3）。猪舍湿式洗涤器主要是由过滤器和喷淋系统组成，过滤器面积较大，置于风机后合适距离位置处，使其与猪舍废气充分接触；喷淋系统循环利用液体充分润湿过滤器。仅使用水的条件下，湿式洗涤器对猪舍废气中粉尘和NH的去除效果与通风量大小有关，冬季通风时可以降低60%，春秋通风时降低30%，夏季通风时降低20%。此外，为提高废气的去除效果，可以考虑在循环水中添加除臭菌剂或气味掩蔽剂。

图1 生物氧化装置示意图[41]

图2 两层喷淋滤墙除臭[42]

图3 湿式洗涤器现场安装图

美国北卡罗来纳州做了一种多孔阻风墙+植物条带的简易除臭试验，如图4所示。在风机外搭建了一个2.8 m×5.4 m×2.9 m 的箱体，采用孔隙率为60%的防蝇网覆盖；与风机相对的前下方留有0.25 m高的开口（图中矩形区域）用以减少风阻，开口后端种植植物，试验发现，该方式对通风风压损失较小（＜13 Pa），对总固形物颗粒降低的效率约为46%（36%～58%），但对对NH的去除率较低，约为13%（5%～16%），对于HS几乎没有去除效果。

图4 多孔阻风墙+植物条带除臭装置[43]

传统生物过滤器应用到猪场除臭需要考虑猪舍大量通风需求和过滤器较大风阻之间的矛盾，解决猪舍通风和臭气在滤床中滞留时间的匹配问题。目前已有猪场采用喷淋墙式的除臭方式虽可以有效减少风阻，但因滤层较薄，臭气和喷淋水接触时间短，还存在除臭效率低、耗水量大的问题。如何在保证猪舍通风量的前提下，通过滤料结构设计增加气液接触，借助微生物、除臭剂进一步提高除臭效率，是下一阶段应该持续优化解决的问题。

4 讨论及建议

通过饲料营养管理、粪尿清理管理以及末端过滤处理，实现猪场夏季臭气减排，冬季舍内NH浓度控制，是规模化猪场臭气减排过程中应着重关注的事项。在满足猪只不同饲养阶段营养需求的条件下，通过优化饲料配方，降低饲料粗蛋白质含量，补充必须氨基酸优化氨基酸组成，添加有益微生物提高蛋白转化吸收水平，降低粪尿中含氮量是减少臭气排放的根本方法。在粪便管理过程中推荐使用半漏缝地板，配合使用干清粪工艺，做到粪尿的干湿分离；对于采用水泡粪工艺的猪舍，要适当减少贮存天数，增加猪舍通风量，控制舍内氨气含量。末端处理工艺建议在猪舍排风口处采用湿式洗涤器配合喷淋系统和除臭微生物，降解排放臭气。