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)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室石家莊 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]; 同時對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)生的社會效益遠遠超過減排成本[6]。因此, 減少農(nóng)業(yè)氨排放對于減輕我國的環(huán)境問題及社會效益都具有重大意義。

動物圈舍作為畜禽糞尿產(chǎn)生的第一個環(huán)節(jié), 是氨揮發(fā)的主要時期。研究表明圈舍及儲存環(huán)節(jié)的氨揮發(fā)占整個養(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,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圈舍、儲存及堆肥環(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糞尿進行整體酸化, 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,強酸則會對設(shè)備有一定的腐蝕性, 也增加了對畜禽危害的可能性[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)實的,需尋求適宜我國畜禽養(yǎng)殖模式及經(jīng)濟情況的氨揮發(fā)減排技術(shù)。但目前國內(nèi)僅有的幾項研究都停留在實驗室或模擬階段[14-16], 并沒有轉(zhuǎn)化成一項可在養(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 試驗點概況

試驗地點為江蘇省鹽城市的一個集約化典型養(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利用刮糞板刮到儲糞池。每個圈舍配有兩個2.7 m×0.8 m×1.0 m儲糞池, 儲糞池每天清理, 從儲糞池清理的糞尿直接到養(yǎng)殖場內(nèi)的堆肥廠進行條垛式堆肥。飼料由飼料廠統(tǒng)一配料, 利用自動上料機每天在7:00-9:00和13:00-15:00 (冬春季)、 8:00-10:00和14:00-16:00 (夏秋季)進行飼喂。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 模擬試驗

在模擬圈舍試驗中所用模擬圈舍為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。模擬試驗所用糞尿為圈舍內(nèi)新鮮糞便,不做任何預(yù)處理。試驗過程中模擬圈舍處于開放環(huán)境中, 蓋子僅在進行氨氣測定時使用。試驗進行時,環(huán)境溫度為2～9 ℃。根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果, 模擬試驗確定了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)殖場的青貯液儲存池, 試驗中直接利用原液, 無預(yù)處理。試驗共有5個處理, 分別為對照、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。試驗中每個處理設(shè)置4個重復(fù)。酸化劑在試驗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個進氣口與外部相通, 5個出氣口連接硼酸吸收瓶, 抽氣泵抽到的氣體量由流量計進行控制, 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]。在試驗開始后0 h對所有模擬圈舍的糞尿取樣, 24 h后對每個處理的1個重復(fù)進行破壞性取樣, 72 h后對所有模擬圈舍進行糞尿取樣。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。試驗具體操作方法如圖1所示。

圖 1 模擬圈舍酸化試驗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

在不破壞試驗圈舍已有基礎(chǔ)設(shè)施、保證試驗圈舍動物正常生活的基礎(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。試驗圈舍有4個糞道, 每個糞道鋪裝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“手動模式”和“自動模式”, 前者可手動控制噴酸時長, 后者可設(shè)置每次噴酸的時長及多次噴酸之間的時間間隔, 使其進行自動循環(huán)的噴酸工作。

圈舍內(nèi)氨濃度利用多點采樣器(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, 多點采樣器可同時監(jiān)測12個采樣點, 采樣點氣體樣品在多點采樣器的作用下以5 m·s-1速度進入氣體監(jiān)測儀; 采樣點與多點采樣器間用內(nèi)徑4 mm的特氟龍管連接, 多點采樣器與氣體監(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。采樣點分布在圈舍內(nèi)0 m和3 m高度, 每個高度設(shè)置5個采樣點作為重復(fù), 同一高度采樣點距離8 m,同時測定圈舍5 m處氨氣濃度作為背景值。為減少高濃度氨氣對低濃度氨氣的影響, 設(shè)置管道沖洗時間為30 s, 且氨氣測定順序從2個背景采樣點開始,而后測定3 m采樣點和0 m采樣點, 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Onset HOBO自動氣象站, 記錄試驗期間的溫度、風(fēng)速及濕度。采樣點布設(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)測儀和采樣點位置Fig.2 Floor plan of booth acid spray system, gas monitor and sampling points location

試驗先測定未酸化圈舍5 d內(nèi)氨濃度作為對照組, 而后進行噴酸頻率試驗, 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次的處理共進行了8 d。為避免天氣、風(fēng)速、溫度的改變對氨濃度帶來影響, 在每次試驗開始之前, 再次對未酸化圈舍進行了5 d的測定作為背景值。

1.3 樣品采集方法

在模擬試驗中, 固體樣品在試驗開始后的0 h、24 h、72 h分別取樣, 其中24 h取樣時對每個處理的其中1個重復(fù)進行破壞性取樣。取樣前將物料混合均勻, 確保所取樣品具有代表性。每個固體樣品分為兩部分: 一部分在-20 ℃下存儲; 另一部分進行風(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)。試驗樣品用1 mol·L-1KCl溶液(1∶6w/v)浸提后, 利用流動分析儀(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。以上所有分析均進行3次重復(fù)。

1.4 氨氣排放計算方法

氨氣排放計算方法參考公式(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為氨吸收時間, h;s代表糞尿表面積, m2。

根據(jù)計算公式(2)可由氨氣排放速率得到氨氣累積損失量(w):

式中:h′、h″代表試驗進行的兩個時間點;v′、v″分別代表h′、h″時氨氣排放速率, g·h-1·m-2;w代表h′、h″時間段內(nèi)氨氣累積損失量, g·m-2。

1.5 經(jīng)濟效益核算方法

研究中的酸化技術(shù)成本核算主要包括3個方面:設(shè)備投入成本、固定運行成本和可變運行成本。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)年限計算每年的設(shè)備投入(服務(wù)年限為2年)[14]; 固定運行成本指設(shè)備的安裝與維護, 按基礎(chǔ)設(shè)備投入的4%計算[14]; 可變運行成本指酸化技術(shù)運行過程中的投入, 如電力、人工和酸化劑等費用, 本研究中一年的運行成本由試驗期間每天運行成本計算得到。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)備投入與試驗養(yǎng)殖場在一年內(nèi)的運行狀況相匹配。酸化技術(shù)的氨減排成本計算公式如下:

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

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

模擬試驗中每個處理設(shè)置4個重復(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)每分鐘可得到一個采樣點氨氣濃度, 某高度氨氣濃度為同一高度5個采樣點的平均值; 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應(yīng)。本研究中所有數(shù)據(jù)均用Excel 2010進行整理, 利用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析, 通過單因素方差分析(ANOVA)分析數(shù)據(jù)以評估處理之間的差異。

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、青貯液后不同時間點的氨氣排放速率。結(jié)果表明, 羊糞表面噴灑硫酸后, 與對照相比, 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,結(jié)果顯示前期被抑制的氨排放在后期會釋放, 具體表現(xiàn)在8～24 h內(nèi)酸化處理均出現(xiàn)促進氨排放的趨勢。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糞尿理化性質(zhì)的影響

試驗樣品理化性質(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含量均低于對照組, 而72 h NOx-N含量則高于對照, 與NH4+-N的變化一致, 但其變化不顯著。試驗樣品的總氮含量在24～72 h內(nèi)均無顯著變化, 氨揮發(fā)對糞尿總氮含量無顯著影響。試驗糞尿的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,青貯液對糞尿pH的影響較大, 由最初的8.59降低到8.46, 在72 h時pH會再次上升到8.70。

2.3 不同酸化次數(shù)對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, 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, 其他時間點平均氨濃度為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, 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, 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, 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)境對氨濃度的影響

圖5為原位圈舍酸化試驗中圈舍溫度、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)境因子對氨濃度有顯著影響。

圖 4 每天不同酸化次數(shù)對圈舍氨濃度的影響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行成本和氨減排成本。每天噴酸3次的氨減排技術(shù)年實施成本最高, 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, 減氨效果能達到90%以上[17-20]。在本研究中硫酸對羊糞也表現(xiàn)出了較強的減氨效果,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的調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)青貯液霧化會產(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重要方向, 考慮到酸對噴酸設(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驗室所用的分析純?nèi)樗? 價格較高, 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)殖場廢棄物的同時降低酸化減氨成本。本研究所得成本僅為本試驗養(yǎng)殖場運行一年的成本, 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)具體的圈舍情況對管道的安裝位置與密度、噴頭的流量控制等進行修改。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其進行腐蝕。水箱中酸溶液pH 不宜過低, 較濃的酸會使糞尿產(chǎn)生氣泡。同時, 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, 會導(dǎo)致糞尿含水率高, 對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不同畜禽、圈舍類型提出針對性的操作模式,強化對表面酸化技術(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氨氣減排的影響及有效作用時間, 為原位圈舍酸化提供合理的酸化條件; 自主設(shè)計和研發(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)計研發(fā)了圈舍糞尿表面酸化裝置,可實現(xiàn)對圈舍糞尿酸化的自動化和定量化, 以乳酸為酸化劑時, 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%。