2019, Vol. 38
2. 西南大学动物科学学院, 重庆 402460;
3. 农业农村部西南设施养殖工程科学观测实验站, 重庆 402460
2. College of Animal Sciences, Southwest University, Chongqing 402460, China;
3. Scientific Observation and Experiment Station of Livestock Equipment Engineering in Southwest, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Chongqing 402460, China
随着人们生活质量的提高, 对肉蛋奶制品数量和质量的需求也在不断增加, 这也促使我国畜牧养殖向规模化、集约化、标准化发展。原农业部2018年工作要点指出, 我国生猪饲养量和猪肉产量占世界总量的50%, 截至2017年底, 我国大中规模生猪养殖出栏率为全国生猪总出栏率的78.4%;大中规模家禽养殖出栏数为全国总家禽出栏量的63%[1], 畜禽规模化养殖率在58%左右, 规模化养殖已成为畜牧生产的中坚力量。在规模畜禽养殖为农业增收、农村经济壮大开辟新途径的同时, 也伴随产生了大量环境污染物。其中, 规模化畜禽养殖排放的空气污染物成为了现今不容忽视的环境问题之一[2-4], 受到了越来越多的关注。2016年《中国空气质量管理评估报告》的统计数据显示, 我国畜牧业的氨排放量占全国氨排放总量的80%以上[5], 而美国和欧洲的畜牧业氨排放量分别占人类氨排放总量的55%和75%[6-7]。养殖业的空气污染物被认为是生态系统的破坏者之一[8]。因此, 开展畜禽养殖场空气污染物监测, 为畜禽养殖污染防控技术及决策提供准确有效的检测数据, 对促进我国现代畜牧业升级转型, 实现环境友好型的畜禽养殖业至关重要。
美国、欧洲等发达国家和地区的畜禽养殖场空气污染物监测研究起步较早, 20世纪50年代初美国首次开展了针对畜禽养殖场氨气浓度的监测工作[9], 随后加拿大、丹麦等国家陆续开展了大量畜禽养殖场空气质量检测工作, 并形成了相对成熟的监测方法和操作规范[10-11]。近年来, 我国加大了对畜禽养殖场的环境污染防治力度, 并相继出台了《畜禽养殖业污染防治技术规范》《畜禽养殖业污染物排放标准》等系列的畜禽养殖污染监督标准和法规[12-13]。但由于我国的相关研究起步较晚, 现有的畜禽养殖污染检测技术尚处于跟跑阶段[14]。作为畜禽养殖场污染物防控的技术手段和基础, 研发智能化养殖场空气污染物检测技术及设备, 建立标准化的规模化养殖场空气质量监测系统是当前面临的一项迫切任务。本文就国内外在畜禽养殖空气污染物监测的采样、检测、通风三个重要环节的方法、技术、设备进行系统的对比总结, 为我国规模化畜禽养殖场空气质量监测提供参考依据。
1 养殖场气体的现场采集技术及设备现场气体采集方式根据采样设备的覆盖空间大小, 可分为封闭式、点位式和开路式三种。封闭式是在封闭空间进行气体样品的收集, 而点位式和开路式, 分别针对三维空间内一特定点和两点式光路中的气体进行采集(图 1)。
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图 1 气体采集方法 Figure 1 Gas collection methods |
封闭式采集法是将一个密封性的外壳或桶, 覆盖在监测点位的上方而形成一个密闭采样室, 可消除外界环境对样品的影响。这种密封采集室的底部一般是敞开的, 并配备一个或多个空气出入口, 用于气体检测和装置内部空气环境的清洗。最早的采集室是由瑞士Lindvall研发用于气味测定, 被称为"Lindvall箱", 后来被Svensson等[15]用于畜禽场或土壤中氨气、二氧化碳的采集。目前研究中出现过的采样室大多为箱体(表 1)。
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表 1 采样室的规格及用途 Table 1 Specification and usage of sampling chamber |
点位式采样是在养殖场内的一个或多个点位置进行气体采集, 相比密封式, 该方法可以采集养殖舍内不同高度、进出风口以及场区上风向、下风向的气体。根据采样设备的不同, 点位式可分为主动式和被动式。被动式采样通常采用传感器设备, 气体通过扩散方式进入到设备中, 同时完成气体浓度的检测工作, 如被动式气体探测管, 就是通过待测气体扩散至管内进行的采集和测定。主动式采样则是利用一个或者多个气泵对监测位置的气体样品进行采集。其中, 原位式主动采样的气泵和检测设备在同一位置, 如华瑞公司生产的气体检测管(图 2), 就是采用抽气泵将气体吸入到检测管中进行检测, 其操作简单, 且测定及时。集中式主动采样是一种相对复杂的多点位式采集系统(图 3), 由气管、气泵及自动控制设备组成, 监测点的气体由自动系统控制通过气管输送至检测设备, 能实现多点位、长距离的气体采集和监测, 但系统中输送气管需要进行隔热或加热处理, 以防止气体传输过程中温度差异造成的管内局部冷凝[26]。
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图 2 华瑞LP-1200气体采样泵 Figure 2 Gas sampling pump RAE LP-1200 |
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图 3 INNOVA1409多点式采样仪 Figure 3 Multipoint sampler INNOVA1409 |
开路式通过由光源发射器、接收器/传感器组成的光学探测装置进行气体采集检测。由光源发射器向远距离方向发射紫外或红外光束, 从而形成一条开放式光路径, 将气体传输至光源接收器/传感器进行浓度检测。由于光学探测设备性能差异, 光源发射器和接受器之间的开放路径长度在100~750 m不等[27], 美国PID公司的LaserWarn1000/2000量子激光开路式气体检测设备可以监控500 m的氨气和二氧化碳浓度, Se- crest等[28]采用紫外光差分吸收技术对养殖场以北0.8 km处的NH3浓度进行测定, 用以评估密苏里州集约化养殖场的NH3排放对下风向居民的影响。
2 污染气体浓度现场检测技术及设备早期养殖场气体检测主要是采用湿化学法和嗅觉法等传统方法[29], 随着气体传感器和分析技术的提升, 许多高精度的气体技术被引入到畜禽空气质量测量中。目前, 关于畜禽养殖领域的气体检测方法主要分为嗅觉法、化学法和光学法三大类, 根据设备检测原理的不同又分为11种(图 4)。其中, 气体检测管、电化学传感器、光学气体分析仪被广泛用于养殖场现场气体检测。
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图 4 气体浓度检测方法的分类 Figure 4 Classification of gas concentration detection methods |
气体检测管基于目标气体吸附固体表面显色反应而设计, 不同气体会根据反应产物的不同显示出不同颜色, 其检测气体种类可达300种。气体检测管根据气体采集类型, 分为主动型气管和被动型气管。由于其操作简单、功能单一, 早期被用于畜禽养殖场内NH3和H2S的检测。Meyer等[30]首次采用气体检测管测量了200个产仔猪舍的NH3浓度; Worley等[31]也采用气体探测管对猪舍内的NH3和H2S进行检测。气体检测管的成本相对较低, 美国RAE、德国德尔格等气体检测管的价格大约在50~70元, 配套的气管泵在1000~1500元。不同类型、不同厂家的检测管的检测精度和范围会存在差异性。Skewes等[32]发现被动型气管(Gastec Passive Dosimeter Tube No.3)与主动型气管(Gastec Low Range Ammonia Detector Tube No.3)在对畜禽舍内的NH3浓度进行测定时, 被动型气管的检测限更低, 精准度更高; Kroodsma等[33]对比了德国德尔格与日本光明理化两家公司的气体检测管, 发现在测定低浓度NH3时, 德尔格气管的精准率在10%左右, 误差率在15%左右, 而日本光明理化的气管的精准率和误差率均在2%以下。可见, 气体检测管无法满足畜禽舍内低浓度气体的检测要求, 且精准度和误差率也不稳定, 但因其使用方便、性价比高, 目前依然被广泛应用。
2.2 电化学传感法接触式传感法是基于气体的电化学性质, 通过目标气体与传感器接触发生化学反应, 以传感器的电流变化或电阻变化来判断气体的成分和浓度。常用的接触式传感器有半导体传感器、电化学传感器和电子鼻。早在20世纪60年代, 半导体传感器就因其灵敏度高、稳定性好、制作简单而被广泛用于农业领域的气体检测, Li等[34]采用半导体传感器对畜禽舍内NH3和H2S进行测定; 半导体材料决定了传感器的灵敏度, 常用的材料有WO3、Fe2O3、Sn2O3等。Ahsan等[35]对WO3半导体膜进行改进, 显著提高了传感器的灵敏度, 能检测小于10 μL·L-1的NH3; Kawashinma等[36]对NH3传感器的半导体材料Sn2O3进行加热处理, 发现其可现场检测小于10 nL·L-1的NH3浓度变化。虽然半导体传感器的应用简单、成本低, 但其检测气体单一, 难以适应复杂气体环境的检测要求, 而电化学传感器具有良好的气体选择性, 能在复杂气体环境下测定多种气体成分。常见的电化学传感器有德国德尔格生产的X-am 7000、美国华瑞生产的MultiRAE 2等, 这些都被用于畜禽舍内的NH3、CH4、H2S等气体的检测, 其检测精度至少达到1 μL·L-1。电化学传感器在长时间使用过程中容易出现漂移, 需要定期进行气体标定校准; 其电极与气体接触时间过长, 会出现永久性中毒, 影响设备的额定使用寿命, 寿命一般在12~ 18个月。
2.3 光学气体分析仪光学法分析基于气体对光吸收的特质, 通过获取气体的光谱信息进行气体浓度测定。由于其灵敏度高、响应时间短、能实现自动化连续检测, 而被逐渐用于畜禽场空气污染浓度变化及排放规律的相关研究。如Dekock等[37]采用Binos4b型非分散红外光谱(NDIR)分析仪对3栋育肥猪舍NH3浓度进行周期性监测, 所建立的NH3排放模型的最大误差小于10%; Hensen等[38]采用美国TDLAS检测仪研究了奶牛养殖场N2O和CH4的排放规律, N2O和CH4分辨率分别为20 nL·L-1和10 nL·L-1。相比于气体检测管、电化学法检测对象的局限性, 光谱原理的检测设备能进行多气体的实时定量, 其选择性强, 能有效避免多气体检测的干扰性。具有代表性的检测设备是丹麦LUMA- SENSE公司的INNOVA红外光声谱气体检测仪, 它能测定NH3、N2O、CH4、CO2、C2H5OH五种气体, 测定精度能达到10-9级。该仪器在检测分析过程中, 能有效补偿测量温度, 消除水汽和气体的干扰, 确保数据的稳定性、可靠性、准确性。Childers等[39-40]采用INNOVA测定猪舍内的NH3、CH4、CO等有害气体浓度, 检测限小于3 nL·L-1, 且各种气体的平均误差小于3%。
就市场上应用比较广泛的气体测定设备进行归纳发现(表 2), 这些设备在检测范围、测定精度、运行成本等方面都各具优点和缺点。然而, 到目前为止, 尚不能确定哪种检测技术或设备的数据更接近"真实"畜禽养殖污染气体浓度。主要是因为养殖场气体检测技术标准尚未建立, 从而导致无法对现有的测定设备进行比较和评估。
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表 2 有害气体浓度现场检测设备比较 Table 2 The comparison of on-site harmful gas detection equipments |
通风状况是影响畜禽舍空气污染物浓度及排放的主要因素之一。因此, 通风量作为气体浓度监测的一项重要指标, 被用来计算养殖场有害气体浓度排放率[41](公式1)。由于养殖场通风模式及通风设备的多样性, 造成畜禽舍通风量测定的误差较大, 这成为畜禽环境监测领域的一个技术难题。
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(1) |
式中:E为排放速率, mg∙min-1; Q为通风量, m3∙min-1; C1、C2分别为空气交换空间进出口空气污染物浓度, mg∙m-3。
通风量的测量主要有直接和间接两种方式。直接测量即通过测定风机排风口的风速、风机的表面积、风机运行时间等参数计算得到通风量。间接测量即基于测量其他变量来计算, 如示踪剂气体法[42]。
3.1 直接测量法直接测量法只能用于机械通风的密闭畜禽舍, 其通风量一般通过测定风机排风口的风速和风机表面积来计算, 或通过测量舍内舍外的静压差、风机的运行时间来计算。风机运行时间可以通过风帆开关、风机转速法以及风扇振动传感器的监测来获取[43]。风速和静压可以通过传感器测定[44]。常规的风速传感器只能用于直径小于80 cm的风机的测定, 为测定大直径风机的风速, 美国设计出一种适用于直径140 cm及以下的风机现场通风测定系统(FANS)[45]。由于需要在畜禽舍内每个风机的排放口安装相应的检测设备, 这对于规模化养殖场来说, 不仅工作量大, 而且成本高。因此, 该方法在规模化养殖场的通风测定中适用性不强。
通风量在测算过程中, 由于单点位的风速测量难以代表整个风机的实际通风量, 因此造成计算结果误差大, 或是忽略了风机传送带松动、粉尘阻碍停止运转等情况, 导致测算结果与实际值有20%~25%的偏差[46]。为了提高测算的精准度, 不少学者会根据试验现场环境对通风量计算公式进行修正(表 3)。Ni等[47]通过对猪舍风机运行时间和室内静压的监测, 建立了风机通风量与静压的线性模型; 王文林等[48]在规模化猪场夏季NH3日排放特征的研究中, 由于考虑到气象条件对通风率的影响, 于是将温度、气压参数加入测算公式进行修正。Chai等[49]对风机风扇进行了工业标准测试, 建立了风机通风量与静压差的三阶多项式模型。Calvet等[50]对一个商业肉鸡场不同规格的风机通风量进行监测, 最终舍内总通风量通过各个风机通风量与运行时间进行求和得到。
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表 3 直接法测通风量的相关方程式 Table 3 Correlation equations for direct measurement of ventilation volume |
对于开放式和半开半闭式的畜禽养殖场, 通风量的测量常采用间接测量法。间接测量包括示踪法、二氧化碳平衡法和其他方法(热量平衡法、湿度平衡法以及热压、风压测量法), 其具体计算公式见表 4。实际中运用较多的方法是示踪法和二氧化碳平衡法, 而其他方法由于参数难以确定, 且误差较大等原因一般只作为理论计算。
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表 4 间接法测通风量的相关方程式 Table 4 Correlation equations for measuring ventilation volume by indirect method |
示踪法是根据质量守恒原理, 在通风建筑物或者通风空间中释放一定量的示踪剂, 通过检测示踪气体的浓度变化来间接计算通风量[51-52]。示踪法测定效果取决于示踪气体是否能与空气均匀混合, 所以示踪气体的选择极其重要。只有具备安全性(不易燃烧、无毒、无刺激性)、惰性(不与测算空间气体发生反应)、唯一性和易测量性才是理性示踪气体[53]。目前, 试验常用的示踪气体有六氟化硫(SF6)、一氧化碳(CO)、氦气(He)、氢气(H2)等[54-55]。1998年, Demmers等[56]首次在英国采用一氧化碳示踪剂对自然通风的牛场的通风量进行了监测, 认为测量的精确度与风速成反比。Samer等[57]采用水平衡法、二氧化碳平衡法、热平衡法和放射性示踪气体法对一个自然通风的奶牛舍中的气体交换率进行测定, 其中放射性示踪测定的结果更为可靠。
3.2.2 二氧化碳平衡法二氧化碳平衡法即在知道动物产热量与新陈代谢关系的前提下, 由不同动物在不同饲养情况下的呼吸熵得出二氧化碳的产生量, 再通过舍内舍外的二氧化碳浓度计算出实际通风量[58-59]。二氧化碳平衡法的有效性取决于动物代谢率数据的可靠性[60], 而方法中的呼吸熵和产热量主要是通过参考推荐得出, 这使得通风量的计算值与实际值存在一定的偏差。Blanes等[61]对比二氧化碳平衡法、湿度平衡法和热量平衡法三种方法计算的猪舍通风量数据, 结果显示二氧化碳平衡法较实测通风量低8%, 湿度、热量平衡法较实测通风量均低9%。Samer等[62]采用二氧化碳平衡法、示踪法和湿度法对自然通风的奶牛场冬季和夏季的通风量进行测定, 结果表明二氧化碳平衡法在冬季的效果更好。
4 畜禽养殖场气体监测误差养殖场气体监测过程中的采集、布点、通风量估算、人为操作等环节, 都会对检测结果造成误差。为了确保监测结果的代表性、完整性、准确性、可比性、重复性, 需要对养殖场空气监测过程的气体采集、仪器检测等过程实施质量管控措施。对现有畜禽养殖气体研究中的监测和质控措施进行总结归纳发现(表 5)[64-66], 大部分误差来源于校准、采样、检测三个环节。
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表 5 畜禽舍内气体浓度监测误差及控制措施 Table 5 Problems and control measures in monitoring gas concentration in livestock houses |
校准是采用标准气体对测量装置或基准面, 如响应、漂移、线性、稳定性和精度等性能系数的校正。产生校准误差的因素主要有三个:一是校准气体, Albert等[67]对同一厂家同批次的55.3、33.2 μL·L-1和9.33 μL·L-1标准NH3进行测试, 发现测试结果存在10%~20%的误差, 选择具有资质的供气商并进行标气自检是较为有效的质控措施; 二是校准频率, 过高的校准频率不仅昂贵, 而且造成正常测量时间的损失, 而过少的校准将会增加检测结果的不确定性, 通过自动校准设备和软件可减少这一误差产生; 三是干扰气体, 校准气体通常不含有干扰物质, 这与实际测量空气存在一定差异, 而这种差异会在设备被标气校准后引起测量数据的误差, 这在实际中不可避免, 除非已知干扰成分的浓度, 才可消除这种误差。
4.2 采样误差采样误差主要来源于采样方法和采样设备。养殖场气体浓度日变化和季节变化明显, 是气体采样的一个重要误差源。Lefcourt[68]提出增加采集点位、提高采集频率并扩大测试样本量可避免这种误差性。而大部分采样设备的采样速率、工作时间以及采样气管都无法满足这种采集要求, 而且长时间、高频率的采集, 会引起采样气管堵塞、系统负压泄露。因此只能通过设备性能升级和人为正常维护, 从而提高这种采集需求的实施性。
4.3 检测误差养殖场气体浓度低、瞬间变化不明显, 使得气体测定的响应频率低于检测设备的响应时间, 从而产生"实时"浓度测定误差, 加之养殖场温湿度差异、粉尘、颗粒物质等干扰因素较多, 进而增加了测定数据的误差性。而现今研究所用气体检测设备性能, 如响应时间、测定精度及其对气体干扰物质消除和补充等, 都不是针对养殖场环境及气体而研发的。因此, 需要监测工作开始前, 评估检测设备的现场测定性能, 选取满足监测需求的设备, 提高养殖气体监测数据的有效性和准确性。
5 展望 5.1 养殖场气体采样的代表性、全面性、连续性仍是一项技术难题养殖场区域结构复杂, 气体污染源多且分散, 而现有的采样技术只适用于短时间的点位、路径, 对于场区气体长期性、空间性变化的多点式采集, 尚无相关的采样技术方法和设备, 加之养殖环境中粉尘、饲料粉尘等干扰物质多, 从而造成养殖场气体采集成为难点问题。
5.2 广谱实用型畜禽气体污染物快速检测装备有待研发我国现阶段采用的畜禽污染气体监测仪器和传感器均为国外进口, 尤其是一些灵敏度高、响应时间短的设备, 因为价格昂贵, 大部分设备只集中在科研院校研究使用, 缺乏一款具有自主产权、适用于我国畜禽养殖环境的广谱实用型畜禽气体污染物快速检测装备, 以为我国养殖优势产区商业型养殖场实地应用、养殖场环境信息长期稳定获取提供技术手段。
5.3 规模化畜禽污染气体监测技术标准亟待开展国内外对于畜禽气体污染物监测技术标准尚不完善, 导致一些畜禽养殖场空气污染物监测数据不具备可比性和代表性。因此, 需要联合科研院校、仪器企业、环境监管部门及标准管理部门, 制定畜禽污染气体采样、检测、校准、数据处理等相关的技术标准, 构建一套完整、有效的畜禽养殖场污染气体监测技术方案, 为摸清主要气体污染物排放、迁移及转化特征和规律提供技术支撑。
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