李佳明,付瑩瑩,王中一,郭振東,趙宗正,張春茂,劉靜波,錢 軍,張加力*,劉林娜*
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,吉林長春 130118;2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院軍事獸醫(yī)研究所,吉林長春 130122;3.西南科技大學(xué)生命與工程學(xué)院,四川綿陽 621010)
顆粒物(PM)是指懸浮在氣體介質(zhì)中的固體或液體顆粒,也適用于對(duì)氣溶膠的定義,在大氣科學(xué)中更為常用[1]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,來源于養(yǎng)殖場(chǎng)的PM是影響人類健康和動(dòng)物生產(chǎn)性能的主要室內(nèi)污染源[2]。吸入的粒子可以進(jìn)入呼吸道深部,危害人類和動(dòng)物的呼吸系統(tǒng),增加養(yǎng)殖戶及周邊人群患慢性咳嗽/痰、慢性支氣管炎、過敏反應(yīng)、哮喘等疾病的發(fā)生率[3]。研究表明,PM不僅影響畜禽舍內(nèi)空氣質(zhì)量,對(duì)外部環(huán)境同樣有影響。通過排風(fēng)系統(tǒng),養(yǎng)殖場(chǎng)PM外排到環(huán)境中,對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量造成很大影響[4]。盡管目前養(yǎng)殖場(chǎng)來源的PM排放量僅占PM10總量的8%、PM2.5的4%,但根據(jù)現(xiàn)行的政策來看,在其他來源的PM排放量受控而占比下降的情況下,未來農(nóng)業(yè),尤其畜牧業(yè)將是PM的重要來源[5]。在荷蘭,農(nóng)業(yè)排放對(duì)PM的貢獻(xiàn)率已高達(dá)25%[6]。在養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)中,集約化家禽和豬舍又是主要的PM排放源,約占?xì)W洲農(nóng)業(yè)總排放量的50%(家禽)和30%(豬)。筆者分析了養(yǎng)殖場(chǎng)顆粒物(PM)來源、濃度、粒徑大小及分布、化學(xué)組成,并提出了養(yǎng)殖場(chǎng)PM的減排措施。
來源分析是研究PM屬性的關(guān)鍵部分,但在畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中顆粒物根源調(diào)查數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏。目前對(duì)養(yǎng)殖舍內(nèi)PM來源的研究主要集中在發(fā)生源上,其中豬和家禽舍中主要的PM來源已經(jīng)得到確認(rèn)。豬舍中,PM主要來源于飼料[7],且更傾向于粗顆粒[8]。糞便也是豬舍內(nèi)PM的重要來源,且大多數(shù)屬于可吸收粒子,對(duì)肺組織有更強(qiáng)的危害作用[8]。對(duì)豬舍內(nèi)PM粒徑分化源分析表明,5%~10%的總顆粒物是皮毛顆粒物,占7~9 μm粒徑范圍內(nèi)總粒子數(shù)的50%[9]。Aarnink等[10]認(rèn)為飼料和皮毛是豬舍PM的最主要來源,而Nilsson[11]認(rèn)為動(dòng)物本身也是重要來源之一。
在禽舍中,羽毛、尿液中的礦物晶體和垃圾是PM的主要來源[10]。Qi 等[12]認(rèn)為皮膚、羽毛、糞便、尿液、飼料和垃圾是畜禽舍內(nèi)PM的重要來源。在育肥豬舍,以秸稈作為墊料比混凝土地面的豬舍PM濃度增加了1倍。育肥期結(jié)束時(shí),秸稈墊料變得更加“多塵”,也更容易分解,從而產(chǎn)生更多的顆粒物[13]。此外,垃圾的類型和含水量也會(huì)影響PM濃度[14]。在兔舍中,毛皮、糞便、尿液、飼料、墊料和消毒劑是PM的主要來源[15]。
由于畜禽舍中PM形態(tài)相似、化學(xué)成分復(fù)雜、有機(jī)物質(zhì)含量高,所以不能像普通空氣顆粒物源分析那樣通過無機(jī)元素進(jìn)行區(qū)分和歸類[16-17]。 畜禽舍PM來源(主要是飼料和糞便)中絕大多數(shù)有機(jī)顆粒形態(tài)非常相似,所以區(qū)分是飼料顆粒物還是糞便顆粒物,或者是未消化的飼料顆粒物非常困難。Honey等[9]報(bào)道,在許多研究中都高估了飼料顆粒物對(duì)PM的貢獻(xiàn)率,因?yàn)槲茨苡行^(qū)分飼料和糞便來源顆粒物。 Donham 等[8]認(rèn)為使用染色劑可能會(huì)對(duì)這種區(qū)分有幫助,可以用碘來染色飼料顆粒中的淀粉,用硫酸耐爾藍(lán)來染色糞便顆粒。
養(yǎng)殖場(chǎng)中PM的形成、濃度和排放量與諸多物理因素和生物因素有關(guān)。已有關(guān)于這些特定顆粒物的濃度和排放數(shù)據(jù)信息主要集中在家禽舍和豬舍。肉雞舍和豬舍內(nèi)可吸入和可吸收顆粒物濃度見表1、2。其中可吸入顆粒物相當(dāng)于總懸浮微粒,可吸收顆粒物相當(dāng)于PM4或PM5(根據(jù)EN ISO 481:1993、ISO7708:1995)。禽舍內(nèi)PM濃度高于豬舍,其中肉雞舍(架養(yǎng))內(nèi)PM濃度又高于蛋雞舍(籠養(yǎng))?;痣u舍內(nèi)總懸浮微粒的濃度與肉雞舍的可吸入顆粒物濃度相當(dāng)(表2)?;痣u舍中總懸浮微粒濃度為1.3~7.5 mg/m3[18]。奶牛舍內(nèi)氣溶膠粒子濃度較低,總懸浮微粒濃度在1 mg/m3以下[19]。
表1肉雞舍內(nèi)可吸入和可吸收顆粒物濃度分析
Table1TheconcentrationsofinhalableandrespirablePMinbroilerhouses
類型Type濃度Concentration∥mg/m3平均值Mean范圍Range國家Country可吸入顆粒物10.10—英國InhalablePM—9.2~11.1蘇格蘭—1~14德國7.153.83~10.36英國、荷蘭、丹麥、德國3.21—荷蘭—8.2~9.0荷蘭—0.73~11.39美國—1.77~4.41蘇格蘭4.322.27~8.58澳大利亞—2.0~4.9克羅地亞可吸收顆粒物5.43美國RespirablePM9.710.10—英國0.810.42~1.14英國、荷蘭、丹麥、德國—1.4~1.9荷蘭0.840.30~1.80澳大利亞
表2豬舍內(nèi)可吸入和可吸收顆粒物濃度分析
Table2TheconcentrationsofinhalableandrespirablePMinpighouses
類型Type濃度Concentration∥mg/m3平均值Mean范圍Range國家Country動(dòng)物類型Animalkinds可吸入顆粒物6.253.2~15.3美國豬(多種)InhalablePM7.803.1~14.5美國育成豬0.720.12~2.14美國育肥豬—1~5德國育肥豬2.191.87~2.76英國、荷蘭、丹麥、德國母豬/斷奶仔豬/育肥豬0.43—荷蘭斷奶仔豬—0.79~1.91瑞典育肥豬/育成豬—0.42~6.86美國育成豬—2.08~5.67荷蘭育肥豬/育成豬—0.05~5.6美國育成豬—0.4~3.7德國育肥豬可吸收顆粒物RespirablePM0.230.18~0.26英國、荷蘭、丹麥、德國母豬/斷奶仔豬/育肥豬—0.09~0.30瑞典育肥豬/育成豬—0.04~0.44美國育成豬—0.16~0.71荷蘭育肥豬/育成豬—0.00~0.85德國育成豬
養(yǎng)殖場(chǎng)PM包括粗顆粒和細(xì)顆粒。大多數(shù)畜禽舍內(nèi)粗顆粒在總顆粒物中的占比超過85%[20]。Roumeliotis等[21]研究表明,PM2.5在PM10中的占比約為75%,PM1中的亞微米顆粒一般很難被檢測(cè)到,但它們?cè)陴B(yǎng)殖場(chǎng)中對(duì)PM濃度的貢獻(xiàn)率不容忽視。最小粒徑范圍內(nèi)的粒子數(shù)量非常多,與所使用的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)限有關(guān)。肉雞舍內(nèi)可吸收PM在1~2 μm范圍的粒子數(shù)量最多[22]。蛋雞舍內(nèi)99%的粒子粒徑小于10 μm,且97%的的粒子粒徑小于5 μm[23],40%以上的粒子粒徑在0.3~0.5 μm范圍內(nèi)[23]。
不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粒子分布不同。在豬舍和家禽舍內(nèi)的粒子中值粒徑在11~17 μm[24]。在肉雞舍中粒子中值粒徑在24~27 μm[19]。與肉雞舍相比,豬舍內(nèi)小粒子的濃度更高[10]。豬舍中小于5.8 μm的粒子占總懸浮微粒的29%,而在肉雞舍中占比僅為18%左右[10]?;痣u舍中粒徑超過53 μm的粒子占總懸浮微粒的50%[25]。
養(yǎng)殖舍內(nèi)90%以上PM由有機(jī)物組成[10,26],主要是生物起源的顆粒物,含微生物(真菌、細(xì)菌、病毒、毒素和過敏原)和其他物質(zhì),如飼料、皮毛和糞便等[8]。PM的組成與動(dòng)物種類有關(guān),與舍內(nèi)設(shè)施條件及垃圾廢物的處理等也存在直接關(guān)系[10]。例如,與牛舍PM相比,家禽和豬舍PM中氮含量和干物質(zhì)含量較高,而牛舍環(huán)境一般濕度大,礦物質(zhì)或灰分含量高[27]。豬舍和雞舍空氣中PM的典型化學(xué)成分,干物質(zhì)和氮含量高,磷和鉀的濃度也較高。肉雞舍中氮濃度(169 g/kg PM)高于豬舍(67 g/kg PM)。
有機(jī)顆粒物通常用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析。電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡具有更高的放大率,可形成三維形狀分辨的圖像,能更好地識(shí)別和表征單個(gè)顆粒。掃描電鏡聯(lián)合X射線單顆粒分析提高了實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子物理特性、化學(xué)特性和元素分析的可能性。目前這種技術(shù)已被廣泛用于PM分析,但需要針對(duì)大量的顆粒物進(jìn)行分析,因此較耗費(fèi)時(shí)間和勞動(dòng)力[28]。Aarnink等[13]采用掃描電鏡聯(lián)合X射線技術(shù)分析了不同豬舍的PM組成,對(duì)固定點(diǎn)進(jìn)行整體面積測(cè)量,而不是單顆粒分析,結(jié)果表明樣品中富含鈉、鎂鋁、磷、硫、氯、鉀和鈣。Schneider等[29]發(fā)現(xiàn)豬場(chǎng)中富含磷、氮、鉀和鈣的PM粒徑不同。這是一個(gè)相對(duì)較新穎的觀點(diǎn),對(duì)PM化學(xué)組成的研究,很少從粒子粒徑的角度去分析。一般小顆粒(直徑約0.65 μm)富含硫、氧、碳以及對(duì)應(yīng)的二級(jí)SO42-粒子,其余的為生物起源的粒子。同時(shí),排泄物顆粒呈典型的碳質(zhì)成分,磷含量高,有機(jī)磷和焦磷酸鹽信號(hào)高。
養(yǎng)殖舍PM排放在很大程度上取決于養(yǎng)殖方式、動(dòng)物種類以及環(huán)境因素,因此PM的減排措施也需因地制宜。相關(guān)研究已經(jīng)為制定PM減排戰(zhàn)略奠定了基礎(chǔ):“低塵”飼養(yǎng)[30]、除塵墊料、使用飼料添加劑[31]、水或者油霧噴灑[32]、調(diào)整通風(fēng)率和風(fēng)量分布[33]、真空除塵[11]、end-of-pipe技術(shù)[34]以及靜電吸塵和離子化[35]。
這些策略可大致被分為3類:源頭控制技術(shù)、風(fēng)量分配、空氣凈化技術(shù)[36]。這些技術(shù)在某一特定養(yǎng)殖舍內(nèi)的應(yīng)用及其減排效能還需進(jìn)行詳細(xì)論證。它們對(duì)不同來源、不同粒徑大小和分布的PM減排效能尚不清楚。目前,要建立最有效、最可行、最經(jīng)濟(jì)的減排策略,并適用于特定畜禽舍、動(dòng)物種類和地理區(qū)域,還有很長的路要走。未來的研究應(yīng)聚焦于如何改善養(yǎng)殖舍內(nèi)外的空氣質(zhì)量,并結(jié)合多種技術(shù)或方法,在減排PM的同時(shí),消除其他污染物,如氨和異味等。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)工具(Computational Fluid Dynamics tools)可以通過改變養(yǎng)殖舍內(nèi)氣流模式,提高舍內(nèi)空氣質(zhì)量,有效減少PM的排放[37]。
在目前的污染物和顆粒物排放評(píng)估中,畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)是被嚴(yán)重忽視的源頭之一。因此,需要大力發(fā)展針對(duì)PM形態(tài)及組成分析的方法學(xué)。畜禽舍內(nèi)PM有其獨(dú)特性:高有機(jī)物含量、吸附復(fù)合物以及高微生物含量。由于PM富含有機(jī)成分以及來源于食物、皮膚和排泄物的C、H、O、N、P、S、Na、Ca、Cl、Mg、K等,因此區(qū)分各種無機(jī)元素在每個(gè)來源中的占比非常重要,這將有助于開展PM來源識(shí)別和源頭貢獻(xiàn)率定量分析,進(jìn)而從源頭上做到減排。對(duì)養(yǎng)殖舍PM濃度和排放量的分析也要包括對(duì)粒子粒徑和分布的監(jiān)測(cè),尤其是針對(duì)不同類型飼養(yǎng)環(huán)境和動(dòng)物種類的畜禽舍。同時(shí),也要關(guān)注粒子粒度分級(jí)分析,粒度分級(jí)與PM來源相關(guān),因此在PM來源解析中要注意分離不同粒徑大小的顆粒物樣本。
目前對(duì)PM排放物,尤其是源頭附近排放物形態(tài)和化學(xué)屬性的分析十分匱乏。迄今為止,大多數(shù)研究都聚焦于畜禽舍內(nèi)PM形態(tài)學(xué)和化學(xué)性質(zhì)的分析,缺乏對(duì)這些顆粒物特性、粒徑分布和在環(huán)境中存活規(guī)律的研究。此外,對(duì)養(yǎng)殖舍PM排放物形態(tài)和化學(xué)組成的深入探討,對(duì)于明確環(huán)境中二級(jí)無機(jī)顆粒物形成過程以及其對(duì)當(dāng)?shù)鼗騾^(qū)域性空氣質(zhì)量的影響具有重要意義。這些發(fā)現(xiàn)將有助于了解養(yǎng)殖舍PM排放物對(duì)大氣化學(xué)的影響,同時(shí)為建立更有效的、實(shí)踐性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)模型奠定了基礎(chǔ)?,F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明,養(yǎng)殖舍附近的PM10并沒有超過日限值(50 μg/m3)[38]。Visser等[39]對(duì)肉雞舍外進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè),卻發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度在5.4~55.1 μg/m3。
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