規(guī)模豬場的氨氣擴(kuò)散模型及影響評價

周 斌，汪開英

(1.浙江省畜牧技術(shù)推廣總站，浙江杭州310021;2.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，畜禽集約化養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，造成的污染問題日趨嚴(yán)重。氨氣是養(yǎng)豬場排放臭氣中的主要成分，在大氣中可存在1 ～10 d，對周圍環(huán)境可產(chǎn)生嚴(yán)重污染。

筆者根據(jù)我國東南部氣候的主要特點(diǎn)和豬場分布情況，結(jié)合國內(nèi)外空氣擴(kuò)散模型的研究現(xiàn)狀和浙江省嘉興市某規(guī)?；B(yǎng)豬場生產(chǎn)模型的模擬，建立了氨氣排放量模型和應(yīng)用典型高斯分布模型，模擬了豬場氨氣大氣擴(kuò)散狀況。將養(yǎng)豬場內(nèi)的各個排放源簡化為點(diǎn)源處理，該模型根據(jù)常年平均風(fēng)速和風(fēng)向分別進(jìn)行模擬，得出了豬場附近氨氣的長期落地濃度，對畜禽養(yǎng)殖場環(huán)境污染評價具有重要的實(shí)用意義?，F(xiàn)介紹如下，供參考。

1 規(guī)模豬場的氨氣污染

近年來，我國集約化的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模發(fā)展很快，豬肉產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的44%左右，生豬飼養(yǎng)量已接近5 億頭，存欄量100 頭以上的規(guī)?；B(yǎng)豬場已占總出欄數(shù)的20%以上。豬糞的排泄量很大，約為2 kg/頭，排尿量為3.3 kg/頭，一個規(guī)模在100 頭以上的養(yǎng)豬場每天的糞尿排泄量達(dá)到500 kg 以上。據(jù)資料報道，在歐洲，超過90%的氨氣排放來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［1］。

養(yǎng)豬場產(chǎn)生的氨氣及其臭氣不僅可影響周圍的環(huán)境和氣候，同時對人畜健康也會產(chǎn)生很大的危害。豬場排放的氨氣是大氣中含氮物質(zhì)的最主要來源，是引起土壤和地表水酸化的主要原因之一。據(jù)資料介紹，氨氣會明顯影響豬的生產(chǎn)性能，幼豬生活環(huán)境中的空氣中如含NH350 ppm，其增重速度將下降12%，含NH3100 ppm 則可下降30%［2］。

規(guī)模豬場氨氣排放對人畜和環(huán)境的影響與危害已越來越受到人們的認(rèn)同和關(guān)注。因此，極有必要對規(guī)模豬場的氨氣排放進(jìn)行評價和管理。氨氣排放量的精確估算則對豬場的環(huán)境影響評價有著非常重要的意義，所以國內(nèi)外的很多研究人員從氨氣排放量的估算著手，進(jìn)行了大量有關(guān)豬場污染氣體的排放研究。

2 國內(nèi)外規(guī)模豬場的氨氣排放研究現(xiàn)狀

由于規(guī)?；B(yǎng)豬場的集約化生產(chǎn)，可排放出大量氨氣，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以歐美國家對此相當(dāng)重視，政府和相關(guān)科研單位已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對養(yǎng)豬場的新建和擴(kuò)建進(jìn)行嚴(yán)格的評價和限制。

豬場的氨氣排放影響評價是環(huán)境影響評價中的重要內(nèi)容，評價方法多采用現(xiàn)場采樣，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行環(huán)境影響評價。這種方法存在著較多缺點(diǎn)，如評價有滯后性，需要養(yǎng)豬場運(yùn)行后才能進(jìn)行;評價需要耗費(fèi)大量時間和勞力。目前越來越多的研究者開始采用氨氣排放模型來預(yù)先評價養(yǎng)豬場的氨氣排放影響，主要包括豬場氨氣排放總量估算、豬場各生產(chǎn)階段氨氣排放研究及氨氣在豬場周圍環(huán)境中的擴(kuò)散模型。

氨氣排放總量估算，國外采用的數(shù)據(jù)主要依據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將豬場規(guī)模量和單位豬的氨氣排放量相乘以得到氨氣排放總量。如英國環(huán)境保護(hù)部門開發(fā)了國家氨氣減排評估系統(tǒng)(NARSES)。根據(jù)該系統(tǒng)，養(yǎng)豬場氨氮總排放量為:

其中，at為養(yǎng)豬場總氨氮排放量，a 為畜禽數(shù)，Nex為一年的氮排泄物質(zhì)量，0.6 為氨氮排泄物占氮排泄物的比重。

在氨氣排放研究上，根據(jù)含氮物質(zhì)在養(yǎng)豬場各個階段的轉(zhuǎn)化過程，J.Webb(2004)［3］計算各個階段的氨氣排放量，分階段建立氨氣排放模型。Ruihong Zhang 等(2005)［4］在研究氨氣擴(kuò)散模型中提出了將模型分為幾個子模型來估計氨氣的排放量(圖1所示)。包括畜禽排泄物子模型，需要了解畜禽總數(shù)、畜舍數(shù)、每舍畜禽數(shù)、畜禽體重、每天糞尿產(chǎn)量;畜禽舍排放子模型，需了解畜禽舍結(jié)構(gòu)、環(huán)境氣象參數(shù);畜禽糞便貯存子模型，需了解貯存室結(jié)構(gòu)尺寸，糞尿的化學(xué)參數(shù)等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，得出豬舍中每500 kg重量的豬日氨氣排放量約為50 g，高于以往文獻(xiàn)記載6 ～35 g 的記錄。

圖1 畜禽場氨氣排放各個階段子模型

近年來，氨氣在周圍環(huán)境中的擴(kuò)散模型研究逐漸得到了重視，主要方法是引進(jìn)和改進(jìn)工業(yè)上常用的大氣擴(kuò)散模型。Pospisil J 等(2006)［1］比較了CFD 模型和CALPUFF 模型預(yù)測畜禽養(yǎng)殖場污染氣體擴(kuò)散時的精確度，指出了兩種模型的各自適用范圍和預(yù)測效果。X.J.Zhou 等(2005)［5］運(yùn)用大氣擴(kuò)散模型評價集約化養(yǎng)豬場的臭氣影響，選用ISCST3模型。應(yīng)用ISCST3，AUSPLUME 和IN-PUFF2 模型對集約化養(yǎng)豬場的臭氣擴(kuò)散進(jìn)行了預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量值進(jìn)行了對比，指出在下風(fēng)向500 m 到1000 m，三個模型的預(yù)測結(jié)果較好。

綜上所述，國外應(yīng)用的模型主要基于經(jīng)典的高斯煙羽模型，該模型假設(shè)氣體濃度分布在順風(fēng)向和垂直風(fēng)向上是一個高斯分布。只需要知道氣象參數(shù)，例如風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度及污染源的高度等。其他如拉格朗日模型相對比較復(fù)雜，需要考慮水平和垂直方向上的氣象狀況等。

相比較而言，由于國內(nèi)的多數(shù)養(yǎng)殖場還處于粗放式養(yǎng)殖階段，大部分養(yǎng)豬場的設(shè)施比較簡陋，且不同養(yǎng)豬場的養(yǎng)殖設(shè)施差異較大，因此在環(huán)評等研究領(lǐng)域使用的大部分只涉及到養(yǎng)豬場氨氣排放總量估算。主要方法是根據(jù)豬的生長階段，使用不同的排放系數(shù)。國內(nèi)常用的估算數(shù)據(jù)為:仔豬氨氣的排放量為0.6 ～0.8 g/d·頭，保育豬為0.8 ～1.1 g/d·頭，中豬為1.9 ～2.1 g/d·頭，大豬為5.6 ～5.7 g/d·頭。這種估算方法建立在實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，雖然比較簡單和實(shí)用，但存在著估算結(jié)果誤差較大等問題。對于氨氣的分階段排放模型和在周圍環(huán)境中的擴(kuò)散模型，國內(nèi)研究還處于起步階段，相關(guān)報道和成果較少。

本文主要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和國內(nèi)規(guī)模豬場的設(shè)施現(xiàn)狀，建立適用于國內(nèi)規(guī)模豬場的氨氣擴(kuò)散模型。主要研究內(nèi)容包括兩方面:一是探討國內(nèi)外豬舍的不同點(diǎn)，建立基于國內(nèi)規(guī)模豬場的分階段氨氣排放模型;二是在氨氣的大氣擴(kuò)散過程中，應(yīng)用工業(yè)上常用的高斯擴(kuò)散模型，根據(jù)模型模擬結(jié)果對豬場周圍的空氣環(huán)境進(jìn)行評價。

3 研究方法介紹

3.1 氨氣排放量的估算 國內(nèi)豬場養(yǎng)殖設(shè)施各地差異較大，通過調(diào)查考察，氨氣排放主要集中在豬舍飼養(yǎng)階段和糞污施肥階段。在豬舍飼養(yǎng)階段，由于舍內(nèi)地面糞污、飼料等經(jīng)過一系列反應(yīng)就會產(chǎn)生氨氣，通過分析影響氨氣產(chǎn)生的因素，可以建立氨氣在豬舍內(nèi)的排放系數(shù)模型?？紤]到國內(nèi)外豬舍的通風(fēng)方式、清糞方式、地面結(jié)構(gòu)和材料等不同，該模型將豬舍內(nèi)的氨氣排放分為四個步驟進(jìn)行計算，分別為舍內(nèi)糞污排放計算、舍內(nèi)外空氣中氨氣濃度計算、舍內(nèi)外通風(fēng)速率計算和氨氣舍外排放量計算。

3.1.1 舍內(nèi)糞污排放速率計算 計算公式:

3.1.2 建立豬舍內(nèi)地板糞污中的總氮濃度和空氣中氨氣濃度的動態(tài)平衡方程及豬舍內(nèi)外氨氣濃度的動態(tài)平衡方程。

豬舍內(nèi)氨氣與地板糞污的總氮動態(tài)平衡方程:

其中，［TAN］為糞污中的總氮含量，［urea］為糞污中的尿素含量，KT為傳質(zhì)系數(shù)(為0.467)，kf為地板糞污清洗系數(shù)，K 為酶促反應(yīng)動力學(xué)中的米氏常數(shù)，μ 為高濃度尿素下的轉(zhuǎn)化速率，A 為地板揮發(fā)面積，H 為亨利常數(shù)(描述氣體在液體中的溶解度)，f 為糞污中未電離的氨氣分子，［NH3］m為舍內(nèi)氨氣濃度(kg/m3)。

國內(nèi)豬舍地板有實(shí)體地板和漏縫地板，在使用該公式計算過程中，系數(shù)A 的取值有較大不同。白天實(shí)體地板的A 值大約占地板面積50% 以上，下午12時至17 時，A 值最大。另外，f 值和KT值均受舍內(nèi)外通風(fēng)速率的影響，在開窗面積較大的情況下，室內(nèi)風(fēng)速近似為室外的40%。

豬舍內(nèi)外氨氣濃度的動態(tài)平衡方程:

其中，Vi為畜舍容積，qv為通風(fēng)速率，［NH3］out為豬舍外氨氣濃度。

3.1.3 計算豬舍內(nèi)外的通風(fēng)速率 根據(jù)熱平衡方程可計算出豬舍內(nèi)外的通風(fēng)速率。

豬舍內(nèi)外的熱平衡方程:

其中，∑(MaCa)為豬舍的比熱容，Tin為豬舍內(nèi)溫度，Qs為畜禽產(chǎn)生的熱量，Qb為門窗散失熱量，Qv為通風(fēng)散失熱量。

通風(fēng)散失熱量可根據(jù)通風(fēng)速率和內(nèi)外溫差計算獲得:

其中，ρ 為空氣密度，cp為空氣比熱容，qv為通風(fēng)速率。

3.1.4 根據(jù)通風(fēng)速率和舍內(nèi)外氨氣濃度建立氨氣排放模型 根據(jù)通風(fēng)速率和舍內(nèi)外氨氣濃度，計算出豬舍氨氣排放速率。

Chouse即為豬舍氨氣排放速率(kg/s)。

3.2 氨氣的大氣擴(kuò)散模型 考慮到養(yǎng)豬場地處多為偏僻農(nóng)村，周圍多為空曠田野。因此，簡化考慮污染源狀況，可視為一個點(diǎn)源。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用高斯模型在距離達(dá)500 ～1000 m 時有較好結(jié)果。

高斯點(diǎn)源擴(kuò)散模型:

式中:C—下風(fēng)向地面軸線落地濃度(mg/m3);

Q—預(yù)測源強(qiáng)(mg/s);

x—地面軸線預(yù)測點(diǎn)距離(m);

σy—水平擴(kuò)散參數(shù)(m);

σz—鉛直擴(kuò)散參數(shù)(m);

He—煙囪有效高度(m);

u—排氣管出口處平均風(fēng)速(m/s)。

4 模型應(yīng)用與結(jié)果分析

選擇浙江省嘉興市某規(guī)?；B(yǎng)豬場，運(yùn)用氨氣排放模型，估算該養(yǎng)豬場的氨氣排放量。

養(yǎng)豬場周圍均為農(nóng)田，無居民住宅等敏感環(huán)境?；厩闆r如表1所示。

表1 浙江省嘉興市某規(guī)?；B(yǎng)豬場基本情況調(diào)查

通過當(dāng)?shù)貧庀蟛块T查詢歷年氣象資料詳見表2。

表2 浙江省嘉興市氣候特征

豬舍結(jié)構(gòu)是影響氨氣排放的重要因素之一。該豬場共有豬舍35 幢，建筑面積22217 m2，詳細(xì)情況見表3。

表3 浙江嘉興某養(yǎng)豬場設(shè)施數(shù)據(jù)情況

該養(yǎng)豬場年出欄商品豬12000 頭，屬大型養(yǎng)豬場。飼養(yǎng)模式主要采用生態(tài)養(yǎng)豬模式，糞尿等經(jīng)干濕分離后，經(jīng)堆肥發(fā)酵處理后用作有機(jī)肥。因此，根據(jù)含氮物質(zhì)在整個飼養(yǎng)過程的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生氨氣的過程主要在豬舍飼養(yǎng)階段。

應(yīng)用氨氣排放模型，對豬場的三種主要豬舍進(jìn)行估算。估算結(jié)果顯示在秋季(日溫20℃左右，自然通風(fēng))情況下，養(yǎng)豬場的平均每100 kg 體重豬的日氨氣排放量為8.5 g/d，高于環(huán)評中應(yīng)用的5 ～6 g/d 排放量。

利用氨氣排放模型計算模擬白天畜舍內(nèi)的氨氣濃度值，如圖2所示。

圖2 白天豬舍內(nèi)氨氣的濃度值

豬舍內(nèi)100 kg 體重豬的氨氣排放量計算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 白天豬舍內(nèi)氨氣的濃度值

豬舍中排出的氨氣可污染周邊大氣，國外很多學(xué)者曾應(yīng)用擴(kuò)散模型進(jìn)行豬舍氨氣對周邊環(huán)境的影響研究。大氣擴(kuò)散模型在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用廣泛，已取得了較多的研究成果，高斯煙羽模型是其中經(jīng)典的大氣污染物質(zhì)擴(kuò)散模型。本文以典型的高斯煙羽擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，研究了氨氣在養(yǎng)豬場周圍的擴(kuò)散情況，高斯擴(kuò)散模擬圖4所示。

圖4 豬場氨氣下風(fēng)向擴(kuò)散濃度分布圖

根據(jù)當(dāng)?shù)啬昃L(fēng)速達(dá)2.8 m/s，大氣穩(wěn)定度為D類的情況下，因周圍為空曠田野，其粗糙度指數(shù)取0.16。模擬得出在下風(fēng)向200 m 內(nèi)，近地面氨氣濃度超過了國家標(biāo)準(zhǔn)(表4)，不適合居民居住。

表4 中國氨氣污染物濃度國家標(biāo)準(zhǔn)

5 小結(jié)與討論

規(guī)模豬場的氨氣排放模型是一個復(fù)雜的多因素影響模型，應(yīng)用該模型評價養(yǎng)豬場的氨氣排放量對評價豬場的污染現(xiàn)狀和指導(dǎo)豬場的建設(shè)和改造有著重要意義。本文通過對嘉興市某規(guī)?；B(yǎng)豬場的氨氣排放量進(jìn)行模擬和研究，了解和分析了該養(yǎng)豬場的大氣污染現(xiàn)狀。由于國內(nèi)外的養(yǎng)殖設(shè)施差異，模擬結(jié)果與實(shí)際測量值相比略有偏高。

氨氣在大氣中的擴(kuò)散是一個復(fù)雜的過程，受到很多環(huán)境因素的影響。實(shí)驗(yàn)室的研究還處于起步階段，所采用的數(shù)據(jù)和模型都比較簡化，所得出的結(jié)論也只能作為環(huán)境評價中的輔助參考。

規(guī)模養(yǎng)豬場的氨氣污染確實(shí)是一個不可忽視的問題，隨著越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的深入研究，氨氣排放系數(shù)及其大氣擴(kuò)散機(jī)理肯定會有更多的發(fā)現(xiàn)和成果，對于將來控制和改善規(guī)模養(yǎng)豬場的氨氣排放有著重要意義。

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