畜禽养殖污染气体监测技术综述

Monitoringtechnologyofairpollutiongeneratedbyanimalfeedingoperations:AreviewPUShi-hua1,3,LITing-ting2,WANGHao1,3,JIANYue1,3,LIUZuo-hua1,3*,LONGDing-biao1,3*,RUANRong-dan2（1.ChongqingAcademyofAnimalSciences,Chongqing402460,China;2.CollegeofAnimalSciences,SouthwestUniversity,Chongqing402460,China;3.ScientificObservationandExperimentStationofLivestockEquipmentEngineeringinSouthwest,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Chongqing402460,China）Abstract：Concentratedanimalfeedingoperations（CAFOs）havecontributedtoagriculturalincomeandruraleconomydevelopmentinChinabuthavealsobecomemajorcontributorstoairpollutionthatcannotbeneglected.Therefore,airpollutionmonitoringinCAFOsplaysasignificantroleinpreventingandcontrollingairpollutioninChina.However,comparedwiththoseofforeigncountries,China′sairpollutiondetectorsandrelevanttechnologiesinanimalhusbandryarestillintheinitialstageofdevelopment.ToimproveChina′smonitor⁃ingtechnologyofairpollutioninanimalhusbandry,inthispaperwesystematicallysummarizedandcomparedthemethods,technologies,andequipmentsadoptedinthreeimportantmonitoringprocesses：sampling,measurement,andventilation.Thisreviewprovidessomees⁃sentialreferencesforpromotingtheresearchanddevelopmentintheautomationandprecisionofdetectingtechniquesandequipment,tofa⁃cilitateestablishingstandardizedCAFOsinChina.Keywords：animalfeedingoperations;airpollution;gascollection;measurementdevices;monitoringmethod;ventilationrate2019，38（11）:2439-24482019年11月农业环境科学学报JournalofAgro⁃EnvironmentScience蒲施桦，李厅厅，王浩,等.畜禽养殖污染气体监测技术综述[J].农业环境科学学报,2019,38（11）：2439-2448.PUShi-hua,LITing-ting,WANGHao,etal.Monitoringtechnologyofairpollutiongeneratedbyanimalfeedingoperations:Areview[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2019,38（11）:2439-2448.畜禽养殖污染气体监测技术综述蒲施桦1，3，李厅厅2，王浩1，3，简悦1，3，刘作华1，3*，龙定彪1，3*，阮蓉丹2（1.重庆市畜牧科学院，重庆402460；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）收稿日期：2019-06-03录用日期：2019-08-13作者简介：蒲施桦（1986—），女，重庆永川人，硕士，副研究员，从事畜禽养殖环境监测及调控技术研究。E-mail：[e-mail]*通信作者：刘作华E-mail：[e-mail]；龙定彪E-mail：[e-mail]基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFD0800100）；重庆市财政专项资金项目（19502）；现代农业产业技术体系建设专项（CARS-35）Projectsupported：TheNationalKeyR&DProgramofChina（2018YFD0800100）；ChongqingSpecialFinancialFundsProject（19502）；TheEarmarkedFundforModernAgro-industryTechnologyResearchSystem（CARS-35）摘要：为提升我国规模化畜禽空气污染物监测技术水平，就国内外在采样、检测、通风三个重要监测环节中所采用的方法、技术、设备进行系统的总结对比，为我国自动化、精准化养殖空气污染物检测技术及设备的研发，标准化的规模化畜禽养殖场空气质量监测系统的建立提供参考依据。关键词：畜禽养殖；污染气体；气体采集；检测设备；监测方法；通风率中图分类号：X713文献标志码：A文章编号：1672-2043（2019）11-2439-10doi:10.11654/jaes.2019-0623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农业环境科学学报第38卷第11期采样方法封闭式点位式开路式集中式原点式被动式被动、扩散单点采集多点采集图1气体采集方法Figure1Gascollectionmethods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）。1.1封闭式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）。1.2点位式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2440蒲施桦，等：畜禽养殖污染气体监测技术综述2019年11月检测方法光学法紫外荧光法光谱学非分散红外光谱（NDIR）光声光谱（PAS）傅立叶变换光谱（FTIR）差分光吸收光谱学（DOAS）可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）嗅觉法（电子鼻）湿化学法电化学法化学发光法色谱法质谱法色谱-质谱连用法化学法测定及时。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]。1.3开路式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100~750m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500m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0.8km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。2.1气体检测管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表1采样室的规格及用途Table1Specificationandusageofsamplingchamber序列Number12345678名称NameLindvallboxDynamicchamb