養(yǎng)殖場圈舍環(huán)節(jié)糞污酸化氨減排技術(shù)研究與應(yīng)用*

劉 娟, 王 選, 曹玉博, 柏兆海, 馬 林

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3.雄安創(chuàng)新研究院 雄安 071700)

中國是全球最重要氨氣排放國之一, 年排放量可占全球排放量的18%[1]。其中, 畜牧業(yè)產(chǎn)生的氨氣可占全國氨排放量50%以上[2], 是氨排放的主要來源。當(dāng)前, 氨排放已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題, 包括空氣污染、土壤酸化及水體富營養(yǎng)化[3-4]; 同時(shí)對(duì)人類健康也有一定的影響[5]。研究指出, 若將中國農(nóng)業(yè)氨排放減少一半, 其產(chǎn)生的社會(huì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過減排成本[6]。因此, 減少農(nóng)業(yè)氨排放對(duì)于減輕我國的環(huán)境問題及社會(huì)效益都具有重大意義。

動(dòng)物圈舍作為畜禽糞尿產(chǎn)生的第一個(gè)環(huán)節(jié), 是氨揮發(fā)的主要時(shí)期。研究表明圈舍及儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的氨揮發(fā)占整個(gè)養(yǎng)殖場氨揮發(fā)的73%[7-8]。環(huán)境溫度、糞尿表面的通風(fēng)速率及糞尿pH是影響氨揮發(fā)的重要因素。在通風(fēng)或半通風(fēng)圈舍中, 溫度主要受季節(jié)影響, 通風(fēng)速率受自然風(fēng)速影響, 這兩個(gè)因素都難以控制和改變。相比來說, 降低糞尿pH是一種可控性強(qiáng),且效果顯著的氨揮發(fā)減排方法。許多研究已證明糞尿酸化對(duì)圈舍、儲(chǔ)存及堆肥環(huán)節(jié)都有較好的氨揮發(fā)減排效果。如有研究[9]曾指出將儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的奶牛糞尿用硫酸酸化至pH 為5.5, 糞尿的47 d氨累積排放量減少62%; 在丹麥, 針對(duì)圈舍環(huán)節(jié)糞尿的酸化已經(jīng)形成技術(shù), 利用Infarm A/S裝置對(duì)圈舍糞尿酸化后,圈舍氨氣排放可降低70%[10]。以上研究中, 所用糞尿酸化方式均為對(duì)糞尿進(jìn)行整體酸化, 若要把糞尿pH控制在氨揮發(fā)速率較低的5.5左右, 弱酸用量較大,強(qiáng)酸則會(huì)對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕性, 也增加了對(duì)畜禽危害的可能性[11], 這些都極大地限制了酸化減氨措施在我國的推廣與應(yīng)用。青貯液為牛羊飼料玉米青貯制作過程中產(chǎn)生的廢棄物, 其主要成分包括粗蛋白和粗脂肪等常規(guī)成分, 及乳酸、蘋果酸和草酸等大量有機(jī)酸[12-13], 其pH為4～5, 將其用于糞尿酸化, 可作為減少糞尿氨揮發(fā)的一種潛在方法, 但目前相關(guān)研究較少。另外, 我國典型養(yǎng)殖場圈舍環(huán)節(jié)糞尿管理與國外并不相同, 要實(shí)現(xiàn)我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨揮發(fā)減排, 直接應(yīng)用國外的氨揮發(fā)減排技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的,需尋求適宜我國畜禽養(yǎng)殖模式及經(jīng)濟(jì)情況的氨揮發(fā)減排技術(shù)。但目前國內(nèi)僅有的幾項(xiàng)研究都停留在實(shí)驗(yàn)室或模擬階段[14-16], 并沒有轉(zhuǎn)化成一項(xiàng)可在養(yǎng)殖場原位落地和推廣的技術(shù)。

基于以上情況, 本研究針對(duì)典型養(yǎng)殖場中圈舍環(huán)節(jié)氨揮發(fā)量大、缺乏原位減排技術(shù)的問題, 利用模擬圈舍試驗(yàn)探究新型酸化劑、酸化劑量及減氨效果, 旨在研發(fā)適用于養(yǎng)殖場實(shí)際生產(chǎn)的氨揮發(fā)減排技術(shù)。本研究可為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)圈舍環(huán)節(jié)提供氨揮發(fā)減排技術(shù)參數(shù), 并得到一套經(jīng)濟(jì)有效的氨揮發(fā)減排技術(shù)和模式, 為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨揮發(fā)減排提供技術(shù)示范。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為江蘇省鹽城市的一個(gè)集約化典型養(yǎng)殖場, 養(yǎng)殖類型為肉羊, 存欄量約7萬余只, 年產(chǎn)糞量約3.5萬t。養(yǎng)殖場內(nèi)有101棟圈舍, 每個(gè)圈舍長100 m, 寬9.2 m, 高3.3～3.9 m, 圈舍內(nèi)共分為48欄, 每欄寬2.7 m, 長4.0 m, 每欄有12～18只羊。圈舍為自然通風(fēng)圈舍, 利用卷簾控制圈舍溫度。春秋季卷簾日間卷起, 夜晚卷簾半下落, 夏季卷簾全天卷起, 冬季基本處于下落狀態(tài)。每個(gè)圈舍4條糞道, 糞道鋪有竹制漏縫地板, 糞尿在7:00、9:30、14:00和16:30利用刮糞板刮到儲(chǔ)糞池。每個(gè)圈舍配有兩個(gè)2.7 m×0.8 m×1.0 m儲(chǔ)糞池, 儲(chǔ)糞池每天清理, 從儲(chǔ)糞池清理的糞尿直接到養(yǎng)殖場內(nèi)的堆肥廠進(jìn)行條垛式堆肥。飼料由飼料廠統(tǒng)一配料, 利用自動(dòng)上料機(jī)每天在7:00-9:00和13:00-15:00 (冬春季)、 8:00-10:00和14:00-16:00 (夏秋季)進(jìn)行飼喂。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 模擬試驗(yàn)

在模擬圈舍試驗(yàn)中所用模擬圈舍為PVC材質(zhì)收納箱, 箱體尺寸為37 cm×25.5 cm×25.5 cm (圖1)。參考實(shí)際圈舍內(nèi)糞尿厚度, 模擬圈舍中羊糞尿高度設(shè)置為1 cm。模擬試驗(yàn)所用糞尿?yàn)槿ι醿?nèi)新鮮糞便,不做任何預(yù)處理。試驗(yàn)過程中模擬圈舍處于開放環(huán)境中, 蓋子僅在進(jìn)行氨氣測定時(shí)使用。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí),環(huán)境溫度為2～9 ℃。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果, 模擬試驗(yàn)確定了2種添加劑, 分別為硫酸和青貯液, 每種添加劑設(shè)置2種添加劑量, 分別為0.02 g·m-2和0.03 g·m-2。硫酸為98%分析純硫酸, 稀釋至0.02 mol·L-1后使用;青貯液取自養(yǎng)殖場的青貯液儲(chǔ)存池, 試驗(yàn)中直接利用原液, 無預(yù)處理。試驗(yàn)共有5個(gè)處理, 分別為對(duì)照、噴 灑0.02 g·m-2硫 酸(0.20 mol·L-1)、噴 灑0.03 g·m-2硫酸(0.20 mol·L-1)、噴灑0.02 g·m-2青貯液、噴灑0.03 g·m-2青貯液。試驗(yàn)中每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。酸化劑在試驗(yàn)的開始利用高壓噴壺霧化后噴灑在糞尿表面(圖1)。在添加劑噴灑后的0 h、4 h、8 h、12 h、24 h、48 h、72 h進(jìn)行氨氣測定。具體操作方法為:將蓋子與箱子密封, 蓋子上的5個(gè)進(jìn)氣口與外部相通, 5個(gè)出氣口連接硼酸吸收瓶, 抽氣泵抽到的氣體量由流量計(jì)進(jìn)行控制, 保證其流量一致為4 L·min-1(圖1)。氨氣濃度利用硼酸吸收法測定, 將裝有150 mL氨吸收液(2%硼酸+甲基紅溴甲酚綠混合指示劑)的氨吸收瓶與模擬圈舍出氣口連接, 在經(jīng)過15 min的氨吸收后, 對(duì)氨吸收液用標(biāo)準(zhǔn)酸(0.01 mol·L-1硫酸)滴定, 得到氨氣濃度[16]。在試驗(yàn)開始后0 h對(duì)所有模擬圈舍的糞尿取樣, 24 h后對(duì)每個(gè)處理的1個(gè)重復(fù)進(jìn)行破壞性取樣, 72 h后對(duì)所有模擬圈舍進(jìn)行糞尿取樣。3次所取樣品均用于糞尿銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NOx-N)、總氮(TN)、pH和含水率等物理化學(xué)性質(zhì)測定。試驗(yàn)具體操作方法如圖1所示。

圖 1 模擬圈舍酸化試驗(yàn)中噴酸及氨氣測定方法Fig.1 Method of spraying acid and NH3 measurement in the experiment

1.2.2 應(yīng)用試驗(yàn)

在不破壞試驗(yàn)圈舍已有基礎(chǔ)設(shè)施、保證試驗(yàn)圈舍動(dòng)物正常生活的基礎(chǔ)上, 本研究研發(fā)出一套安裝在圈舍漏縫地板下, 可自動(dòng)控制的糞尿表面酸化裝置, 管道鋪設(shè)及噴酸控制系統(tǒng)的安裝情況如圖2所示。試驗(yàn)圈舍有4個(gè)糞道, 每個(gè)糞道鋪裝2根用于輸送酸溶液的管道, 8根長100 m、內(nèi)徑為0.05 m的圓形管道鋪于漏縫地板下(管道的安裝高度大于刮糞板高度)。管道上每隔0.5 m裝有一個(gè)流量為1 L·min-1的噴頭, 用于噴灑酸溶液。8條噴酸管道與裝有2 m3酸性溶液的水箱連接, 由中控系統(tǒng)控制噴酸情況。在中控系統(tǒng)中, 噴酸操作可分為“手動(dòng)模式”和“自動(dòng)模式”, 前者可手動(dòng)控制噴酸時(shí)長, 后者可設(shè)置每次噴酸的時(shí)長及多次噴酸之間的時(shí)間間隔, 使其進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)的噴酸工作。

圈舍內(nèi)氨濃度利用多點(diǎn)采樣器(INNOVA1409)和光聲譜氣體濃度監(jiān)測儀(INNOVA1412i)測定, 其中氣體監(jiān)測儀測定氨氣檢測下限為0.15 mg·m-3, 多點(diǎn)采樣器可同時(shí)監(jiān)測12個(gè)采樣點(diǎn), 采樣點(diǎn)氣體樣品在多點(diǎn)采樣器的作用下以5 m·s-1速度進(jìn)入氣體監(jiān)測儀; 采樣點(diǎn)與多點(diǎn)采樣器間用內(nèi)徑4 mm的特氟龍管連接, 多點(diǎn)采樣器與氣體監(jiān)測儀之間為內(nèi)徑3 mm的特氟龍管連接, 因氣路較長外接氣泵以保障氣體流速。采樣點(diǎn)分布在圈舍內(nèi)0 m和3 m高度, 每個(gè)高度設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)作為重復(fù), 同一高度采樣點(diǎn)距離8 m,同時(shí)測定圈舍5 m處氨氣濃度作為背景值。為減少高濃度氨氣對(duì)低濃度氨氣的影響, 設(shè)置管道沖洗時(shí)間為30 s, 且氨氣測定順序從2個(gè)背景采樣點(diǎn)開始,而后測定3 m采樣點(diǎn)和0 m采樣點(diǎn), 從而使測得的氣體濃度由低到高。另外, 在圈舍內(nèi)放置一個(gè)Onset HOBO自動(dòng)氣象站, 記錄試驗(yàn)期間的溫度、風(fēng)速及濕度。采樣點(diǎn)布設(shè)及氣象站位置如圖2所示。

圖 2 圈舍噴酸系統(tǒng)平面圖、氣體監(jiān)測儀和采樣點(diǎn)位置Fig.2 Floor plan of booth acid spray system, gas monitor and sampling points location

試驗(yàn)先測定未酸化圈舍5 d內(nèi)氨濃度作為對(duì)照組, 而后進(jìn)行噴酸頻率試驗(yàn), 噴酸頻率依次設(shè)置為每天噴酸3次(8:00、16:00和0:00)、2次(8:00和16:00)及1次(8:00)。所用酸溶液為0.01 mol·L-1乳酸, 每次的噴酸量為0.03 g·m-2。其中, 每天噴酸3次的處理共進(jìn)行了8 d。為避免天氣、風(fēng)速、溫度的改變對(duì)氨濃度帶來影響, 在每次試驗(yàn)開始之前, 再次對(duì)未酸化圈舍進(jìn)行了5 d的測定作為背景值。

1.3 樣品采集方法

在模擬試驗(yàn)中, 固體樣品在試驗(yàn)開始后的0 h、24 h、72 h分別取樣, 其中24 h取樣時(shí)對(duì)每個(gè)處理的其中1個(gè)重復(fù)進(jìn)行破壞性取樣。取樣前將物料混合均勻, 確保所取樣品具有代表性。每個(gè)固體樣品分為兩部分: 一部分在-20 ℃下存儲(chǔ); 另一部分進(jìn)行風(fēng)干, 風(fēng)干樣品壓碎并通過1 mm的篩子以測量理化性質(zhì)。試驗(yàn)樣品用1 mol·L-1KCl溶液(1∶6w/v)浸提后, 利用流動(dòng)分析儀(Skalar San++)測量浸提液中和NOx-N; 樣品pH由梅特勒FE20測定; 含水率根據(jù)105 ℃烘干法測定; 總氮根據(jù)凱氏定氮法測定。以上所有分析均進(jìn)行3次重復(fù)。

1.4 氨氣排放計(jì)算方法

氨氣排放計(jì)算方法參考公式(1)和公式(2)[16]:

式中:v代表氨氣排放速率, g·h-1·m-2;V初、V末分別代表滴定前后滴定管中的標(biāo)準(zhǔn)酸量, mL;CH為標(biāo)準(zhǔn)酸濃度, 0.01 mol·L-1;V測為用來滴定的氨吸收液量, mL;M代表氨氣分子量;V總代表在氨吸收瓶中所量得的氨吸收液的總量, mL;t為氨吸收時(shí)間, h;s代表糞尿表面積, m2。

根據(jù)計(jì)算公式(2)可由氨氣排放速率得到氨氣累積損失量(w):

式中:h′、h″代表試驗(yàn)進(jìn)行的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn);v′、v″分別代表h′、h″時(shí)氨氣排放速率, g·h-1·m-2;w代表h′、h″時(shí)間段內(nèi)氨氣累積損失量, g·m-2。

1.5 經(jīng)濟(jì)效益核算方法

研究中的酸化技術(shù)成本核算主要包括3個(gè)方面:設(shè)備投入成本、固定運(yùn)行成本和可變運(yùn)行成本。設(shè)備投入主要指噴酸管路和設(shè)備等一次投入, 并根據(jù)設(shè)備的服務(wù)年限計(jì)算每年的設(shè)備投入(服務(wù)年限為2年)[14]; 固定運(yùn)行成本指設(shè)備的安裝與維護(hù), 按基礎(chǔ)設(shè)備投入的4%計(jì)算[14]; 可變運(yùn)行成本指酸化技術(shù)運(yùn)行過程中的投入, 如電力、人工和酸化劑等費(fèi)用, 本研究中一年的運(yùn)行成本由試驗(yàn)期間每天運(yùn)行成本計(jì)算得到。另外, 設(shè)備投入的成本需要與養(yǎng)殖場規(guī)模相匹配, 本研究中的酸化技術(shù)設(shè)備投入與試驗(yàn)養(yǎng)殖場在一年內(nèi)的運(yùn)行狀況相匹配。酸化技術(shù)的氨減排成本計(jì)算公式如下:

式中: AC指氨減排成本, 元·kg-1(NH3);C酸化指酸化技術(shù)實(shí)施一年的成本, 元·a-1;E對(duì)照和E酸化指對(duì)照和酸化技術(shù)過程中排放的氨氣, kg·t-1。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

模擬試驗(yàn)中每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù), 所得固體及氣體樣品值均取其平均值; 光聲譜氣體檢測儀(INNOVA1412i)每分鐘可得到一個(gè)采樣點(diǎn)氨氣濃度, 某高度氨氣濃度為同一高度5個(gè)采樣點(diǎn)的平均值; 氣象站每秒可產(chǎn)生一組氣象數(shù)據(jù), 取氣象數(shù)據(jù)的每分鐘平均值與氨濃度相互對(duì)應(yīng)。本研究中所有數(shù)據(jù)均用Excel 2010進(jìn)行整理, 利用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 通過單因素方差分析(ANOVA)分析數(shù)據(jù)以評(píng)估處理之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸化劑及添加量對(duì)糞尿氨揮發(fā)的影響

圖3a展示了羊糞表面噴灑不同劑量硫酸、青貯液后不同時(shí)間點(diǎn)的氨氣排放速率。結(jié)果表明, 羊糞表面噴灑硫酸后, 與對(duì)照相比, 糞尿氨排放速率降低39.8% (P＜0.01, 0.02 g·m-2)和47.2% (P＜0.01, 0.03 g·m-2), 噴酸4 h后, 氨減排速率分別為14.5% (P＜0.01,0.02 g·m-2)和48.5% (P＜0.01, 0.03 g·m-2), 在第8 h測定時(shí)減氨效果不穩(wěn)定性增加; 青貯液的氨減排效果與硫酸相似, 糞尿表面噴灑青貯液8 h內(nèi)有減氨效果(0.03 g·m-2), 0 h、4 h、8 h的氨減排效率分別為67.3%(P＜0.01)、32.7% (P＜0.01)和37.5% (P＜0.01)。同時(shí),結(jié)果顯示前期被抑制的氨排放在后期會(huì)釋放, 具體表現(xiàn)在8～24 h內(nèi)酸化處理均出現(xiàn)促進(jìn)氨排放的趨勢。噴酸24 h后, 氨揮發(fā)速率處于較低水平。

圖 3 不同酸化劑及添加量對(duì)羊糞表面氨氣排放速率和累積排放量的影響Fig.3 Effect of different acidifiers and addition amounts on ammonia emission rate and cumulative of sheep manure compost

圖3b 為羊糞表面噴灑不同酸化劑后0～72 h內(nèi)氨氣累計(jì)排放量。在0～24 h內(nèi), 不同添加量的硫酸和青貯液都可減少氨揮發(fā), 其中0.03 g·m-2的硫酸和青貯液可顯著減少0～8 h氨揮發(fā)39.1% (P＜0.05)和42.7% (P＜0.05) (圖3c)。但由于12～24 h內(nèi)酸化處理的氨排放增加, 酸化對(duì)0～24 h氨氣累積排放量影響不顯著。

2.2 不同酸化劑及添加量對(duì)糞尿理化性質(zhì)的影響

試驗(yàn)樣品理化性質(zhì)結(jié)果表明(表1), 酸化提高了24 h后樣品的NH4+-N含量, 其中噴灑0.02 g·m-2硫酸的樣品中NH4+-N最高, 為1.38 g·kg-1。酸化后72 h,酸化處理的NH4+-N含量顯著低于對(duì)照, 這可能與酸化處理的氨氣后期較高有關(guān)。由表1可知, 酸化處理24 h樣品的NOx-N含量均低于對(duì)照組, 而72 h NOx-N含量則高于對(duì)照, 與NH4+-N的變化一致, 但其變化不顯著。試驗(yàn)樣品的總氮含量在24～72 h內(nèi)均無顯著變化, 氨揮發(fā)對(duì)糞尿總氮含量無顯著影響。試驗(yàn)糞尿的pH為8.46～8.70, 總體變化較小, 主要是由于酸化劑使用量小且只噴灑在糞尿表面。其中,青貯液對(duì)糞尿pH的影響較大, 由最初的8.59降低到8.46, 在72 h時(shí)pH會(huì)再次上升到8.70。

2.3 不同酸化次數(shù)對(duì)圈舍原位氨氣日排放的影響

Table 1 Effects o表f d 1 if f e r不en同t a添dd加itiv化es劑o對(duì)n糞尿, NOx-、N N, O tox t-aN l n、i總tro氮gen(T, N pH)、ap nH d和mo含ist水ur率e c的on影ten響t in manure samples樣品 Sample NH4+-N (g·kg-1) NOx-N (g·kg-1) pH 總氮 Total nitrogen (g·kg-1) 含水率 Moisture (%)24 h 72 h 24 h 72 h 24 h 72 h 24 h 72 h 24 h 72 h對(duì)照 Control 0.81 1.12±0.12a 0.45 0.24±0.01a 8.59 8.59±0.04a 22.45 20.96±0.47a 68.74 70.16±0.02a硫酸A Sulfuric acid A 1.38 0.68±0.10b 0.23 0.28±0.09a 8.54 8.59±0.07a 22.17 21.79±0.38a 69.99 65.82±0.01a硫酸B Sulfuric acid B 1.09 0.65±0.12b 0.22 0.22±0.01a 8.68 8.62±0.06a 21.48 21.71±0.27a 71.07 67.00±0.00a青貯液A Silage leachate A 1.15 0.70±0.10b 0.23 0.37±0.11a 8.46 8.70±0.086a 21.45 21.65±0.61a 71.09 64.60±0.02a青貯液B Silage leachate B 1.34 0.85±0.16a 0.24 0.30±0.11a 8.46 8.70±0.08a 22.81 22.41±0.48a 71.36 65.07±0.04a A表示添加量為0.02 g·m-2, B表示添加量為0.03 g·m-2。原始樣品的NH4+-N、NOx-N、pH、總氮和含水率分別為(1.70±0.13) g·kg-1、(0.23±0.00)g·kg-1、8.59±0.01、(21.10±0.21) g·kg-1和73.4%。平均值中相同小寫字母表示在95%置信水平上無顯著性差異?！癆” means that the additive amount is 0.02 g·m-2, “B” means that the additive amount is 0.03 g·m-2.The content of NH4+-N, NOx-N, total nitrogen and water of original samples are (1.70±0.13) g·kg-1,(0.23±0.00) g·kg-1, (21.10±0.21) g·kg-1 and 73.4%, respectively, with pH of 8.59±0.01.Means followed by the same lowercase letter in each column are not significantly different at a 95% confidence level.

在未酸化時(shí), 圈舍內(nèi)氨氣背景濃度在夜間(18:00-6:00)較為平穩(wěn), 3 m高度和0 m高度的氨濃度分別為2.6～3.7 mg·m-3(圖4a, c)和2.5～3.5 mg·m-3(圖4b, d); 日間氨濃度高于夜間, 且變化起伏大, 3 m和0 m的氨濃度變化為1.9～6.5 mg·m-3(圖4a, c)和1.8～4.6 mg·m-3(圖4b, d)。8:00噴酸后, 日間氨濃度顯著降低, 為0.5～3.6 mg·m-3(圖4a), 且除17:00測得的氨濃度較高(3.6 mg·m-3)外, 其他時(shí)間點(diǎn)平均氨濃度為1.7 mg·m-3; 0 m高度的氨濃度變化與3 m高度相似,由于0 m處距離糞尿較近, 整體氨濃度略高于3 m濃度(圖4b)。每天8:00酸化1次顯著降低日間氨濃度67.9% (P＜0.01) (圖4a)和53.4% (P＜0.01) (圖4b), 但對(duì)夜間氨濃度沒有降低效果。

每天8:00和16:00噴酸兩次的氨濃度變化及氨濃度降低程度與每天噴酸1次相似, 16:00增加的噴酸操作使夜間氨濃度也有一定的降低, 3 m和0 m高度處夜間氨濃度分別降低32.1% (P＜0.01)和25.8%(P＜0.01), 日間氨濃度分別 降低72.0% (P＜0.01)和56.5% (P＜0.01)。

每天酸化3次處理(8:00、16:00和0:00)的背景氨濃度日變化主要受圈舍卷簾升降影響。試驗(yàn)期間,圈舍卷簾晚上18:00下落, 圈舍處于封閉狀態(tài), 空氣流通性低, 溫度上升, 圈舍內(nèi)氨濃度升高, 18:00-0:00卷簾降落期間, 3 m處氨濃度由2.5 mg·m-3上升到5.4 mg·m-3(圖4e)。早上8:00卷簾打開后, 試驗(yàn)圈舍變?yōu)樽匀煌L(fēng)圈舍, 氨氣濃度逐漸下降。3次的噴酸處理對(duì)圈舍全天都有減氨效果, 平均減氨效果為55.6% (P＜0.01), 其中3 m和0 m高度氨減排效果分別為58.1% (P＜0.01) (圖4e)和42.8% (P＜0.01) (圖4f)。由于日間通風(fēng)較好, 其減氨效果低于夜間, 且16:00噴酸后的減氨效果不明顯。卷簾關(guān)閉后, 氨濃度逐漸升高, 0:00噴酸后的減氨效果可達(dá)64.8% (P＜0.01)(圖4e)和45.0% (P＜0.01) (圖4f)。

圖4g展示了羊糞表面噴灑不同次數(shù)乳酸后0 m和3 m高度的平均氨濃度。結(jié)果表明, 當(dāng)噴酸次數(shù)為每天1次時(shí), 0 m高度的氨氣日平均濃度為2.2 mg·m-3,顯著高于每天噴酸2次和3次時(shí)氨氣日平均濃度17.9% (P＜0.05)和33.6% (P＜0.05)。3 m高度的平均氨濃度與0 m高度無顯著差異, 但氨濃度變化范圍增大; 與0 m高度結(jié)果相似, 增加噴酸次數(shù)可顯著降低氨濃度, 當(dāng)噴酸次數(shù)增加到2次時(shí), 日平均氨濃度降低25.8% (P＜0.05), 但當(dāng)噴酸次數(shù)增加到3次時(shí), 日平均氨濃度與2次相比無顯著降低。

2.4 養(yǎng)殖場圈舍環(huán)境對(duì)氨濃度的影響

圖5為原位圈舍酸化試驗(yàn)中圈舍溫度、濕度、風(fēng)速與氨濃度(0 m和3 m)的相關(guān)性。結(jié)果表明, 圈舍空氣濕度與氨濃度呈顯著正相關(guān)(P＜0.01), 風(fēng)速與氨濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(R0m=0.18, P＜0.01; R3m=0.18,P＜0.01), 圈舍溫度僅與0 m處氨濃度顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。另外, 環(huán)境因子之間也存在一定的相關(guān)性,如濕度與溫度、風(fēng)速都有顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01), 溫度與風(fēng)速之間為顯著正相關(guān)(P＜0.01)。因此在自然通風(fēng)圈舍中, 環(huán)境因子對(duì)氨濃度有顯著影響。

圖 4 每天不同酸化次數(shù)對(duì)圈舍氨濃度的影響Fig.4 Effect of daily acidification times on ammonia concentration in the test housing

圖 5 氨濃度與圈舍環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation of NH3 concentration with environmental factors

2.5 圈舍表面酸化氨氣減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

表2展示了圈舍表面酸化氨減排技術(shù)在3種噴酸情景下的年運(yùn)行成本和氨減排成本。每天噴酸3次的氨減排技術(shù)年實(shí)施成本最高, 為3.7×106元, 分別高于每天噴酸1次和2次3.1×105元和2.3×105元。其中, 酸化設(shè)備是主要的投入(2.9×106元·a-1), 占總成本的85.6% (1次·天-1)、83.6% (2次·天-1)和78.4% (3次·天-1)。但每天噴酸2次的氨減排成本最低, 為147元·kg-1(NH3), 每天噴酸1次和3次的氨減排成本分別為211元·kg-1(NH3)和165元·kg-1(NH3)。

3 討論

3.1 不同酸化劑對(duì)糞尿氨減排的效果分析

糞尿酸化的酸化劑主要有外源酸化(強(qiáng)酸、弱酸)、外源弱酸性鹽類酸化和微生物自酸化, 其共同原理為降低糞尿的pH。在很多研究中, 硫酸都是減少氨排放的首選酸化劑, 較高的溶解度使其減氨效果穩(wěn)定。很多研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫酸的添加量使糞尿pH保持在5.5及以下時(shí), 減氨效果能達(dá)到90%以上[17-20]。在本研究中硫酸對(duì)羊糞也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的減氨效果,硫酸噴灑到糞尿表面后氨揮發(fā)速率快速下降47.2%(P＜0.01), 且對(duì)噴酸8 h內(nèi)氨揮發(fā)都有抑制作用。本研究結(jié)果表明, 糞尿硫酸酸化是羊舍氨減排的有效措施。盡管硫酸的氨減排效果已獲得國際廣泛認(rèn)可,且該技術(shù)在丹麥等國已得到商業(yè)化應(yīng)用, 但由于硫酸尚難以在我國市場流通, 因此應(yīng)該結(jié)合我國國情因地制宜地探究酸化減氨技術(shù)。有機(jī)酸是酸化氨減排另一常用的酸化劑, 可減少42%氨揮發(fā)[21]。青貯液在養(yǎng)殖場廣泛存在, 其資源化利用是困擾養(yǎng)殖戶的一大難題。研究表明, 青貯液含有大量乳酸、蘋果酸等有機(jī)酸, 青貯液中的總酸占2.56%, 平均pH為3.38[22]。因此, 可探究青貯液酸化減氨技術(shù)。本研究結(jié)果表明(圖2), 青貯液氨減排效果優(yōu)于硫酸。

表 2 圈舍表面酸化氨減排技術(shù)成本投入Table 2 Cost of ammonia reduction technology of manure surface acidification in housing

研究表明, 青貯液可快速降低氨排放, 且效果顯著, 可替代硫酸作為圈舍環(huán)節(jié)酸化劑。但在后期原位圈舍試驗(yàn)的調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)青貯液霧化會(huì)產(chǎn)生大量泡沫, 不適用于圈舍霧化噴施; 鑒于乳酸是青貯液的主要成分[22], 也有前期研究證明雖然乳酸酸性較弱,減氨效果與硫酸相比略為緩慢, 但仍可顯著降低豬糞24 h內(nèi)氨排放43%[16], 且乳酸不屬于管制酸, 在國內(nèi)市場較易購買, 故原位圈舍環(huán)節(jié)采用了乳酸作為酸化劑。

3.2 圈舍糞尿表面酸化氨減排技術(shù)應(yīng)用前景

本研究所研發(fā)應(yīng)用的氨減排技術(shù)按0.03 g·m-2劑量將0.01 mol·L-1乳酸噴灑在糞尿表面, 研究結(jié)果表明, 噴酸后可顯著降低圈舍氨濃度, 但有效時(shí)間有限,日間噴酸1次僅可降低日間濃度(圖4a-b)。雖增加噴酸次數(shù)可全天降低圈舍氨濃度, 但該技術(shù)的應(yīng)用還應(yīng)考慮氨減排成本。從農(nóng)民的角度來看, 優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的可接受性將取決于這些系統(tǒng)對(duì)盈利能力的影響。本研究發(fā)現(xiàn), 每天酸化2次氨減排成本最低;糞尿表面酸化氨減排技術(shù)成本中, 設(shè)備成本最高, 可占總成本80%左右(表2)。延長設(shè)備服務(wù)年限是降低成本的一個(gè)重要方向, 考慮到酸對(duì)噴酸設(shè)備的腐蝕, 研究中所研發(fā)設(shè)備服務(wù)年限僅為2年[14], 故減氨成本較高。再者, 本研究所用酸化劑為實(shí)驗(yàn)室所用的分析純?nèi)樗? 價(jià)格較高, 若將其換成工業(yè)乳酸, 成本將大幅度下降。若可改善該噴酸設(shè)備噴頭, 使青貯液可用于羊舍, 將在解決養(yǎng)殖場廢棄物的同時(shí)降低酸化減氨成本。本研究所得成本僅為本試驗(yàn)養(yǎng)殖場運(yùn)行一年的成本, 有研究利用模型數(shù)據(jù)證明蛋雞養(yǎng)殖場糞尿表面酸化技術(shù)可達(dá)80%減排, 每減少1 kg氨氣成本為4.5歐元[22], 明顯低于本研究。這主要是由于本試驗(yàn)養(yǎng)殖場為自然通風(fēng)圈舍, 氨減排效率明顯低于封閉圈舍; 另外本研究中的氨揮發(fā)排放因子由試驗(yàn)獲得, 有被低估的可能。本研究中的表面酸化氨減排技術(shù)在今后的應(yīng)用及發(fā)展中應(yīng)滿足以下條件: 首先, 噴酸管道的安裝不能影響畜禽生長,噴酸量均勻穩(wěn)定, 盡可能覆蓋所有糞尿, 可根據(jù)具體的圈舍情況對(duì)管道的安裝位置與密度、噴頭的流量控制等進(jìn)行修改。其次, 該裝置所用材料應(yīng)耐腐蝕,酸化劑或氨氣等都有可能對(duì)其進(jìn)行腐蝕。水箱中酸溶液pH 不宜過低, 較濃的酸會(huì)使糞尿產(chǎn)生氣泡。同時(shí), 由于圈舍內(nèi)糞尿不斷被更新, 每天的噴酸次數(shù)決定了圈舍全天的氨揮發(fā)減排效果, 但要注意噴酸操作加大了糞尿含水量, 若噴酸次數(shù)過高, 會(huì)導(dǎo)致糞尿含水率高, 對(duì)糞尿的處理帶來困難。

綜上, 本研究中所使用的圈舍環(huán)節(jié)表面酸化氨減排技術(shù)在操作上還有較多可變性, 在今后工作中可針對(duì)不同畜禽、圈舍類型提出針對(duì)性的操作模式,強(qiáng)化對(duì)表面酸化技術(shù)操作的規(guī)范性研究。

4 結(jié)論

本研究首先通過圈舍模擬試驗(yàn)得到硫酸和青貯液都可降低糞尿氨揮發(fā), 并探究了不同酸化劑用量對(duì)氨氣減排的影響及有效作用時(shí)間, 為原位圈舍酸化提供合理的酸化條件; 自主設(shè)計(jì)和研發(fā)了圈舍酸化裝置, 探究不同噴酸次數(shù)的氨氣減排效率和成本,得到以下結(jié)論:

1)在自然通風(fēng)羊舍中, 溫度、濕度和風(fēng)速等環(huán)境因子與氨濃度都有顯著相關(guān)性, 但糞尿酸化是更容易進(jìn)行控制的氨氣減排有效途徑。硫酸和青貯液酸化可分別減少0～8 h內(nèi)39.1% (P＜0.05)和42.7%(P＜0.05)的氨揮發(fā)。

2)本研究設(shè)計(jì)研發(fā)了圈舍糞尿表面酸化裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)圈舍糞尿酸化的自動(dòng)化和定量化, 以乳酸為酸化劑時(shí), 噴灑次數(shù)(1～3次)越多減排效果越好,每天噴酸3次可減少氨排放55.6%; 每天噴酸2次減排成本最低, 為147元·kg-1(NH3), 其中酸化設(shè)備成本最高, 可占78.4%。