张锦瑞，申仲健，吴中红，韩 华，张 颖，庄晏榕，刘继军，王美芝*

（1.中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193；2.新希望六和股份有限公司，北京 100102；3.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；4.农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

现代化集约养猪生产排放的恶臭气体、氨气（NH）、挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）、颗粒物（Particulate Matter，PM）和细菌等气态污染物带来的环境污染问题日益凸显。目前，畜舍采取的减排措施可分为源头减排、过程控制和末端减排三大类。末端减排装置主要包括生物过滤、湿洗涤过滤和二者结合的联合装置，与生物过滤相比，湿洗涤过滤产生的压降较小。目前，新建规模化猪场为保障生物安全，在新风过滤端增设过滤棉装置，该装置运行时产生的压降较大，为减小尾端洗涤器压降对风机性能的损耗，多数猪场采用湿洗涤器作为除臭装置。

国外针对湿洗涤器的研究多集中于评价实际运行效果、探讨影响因素和建立反应模型等。国内在此方面研究较少，集中于湿洗涤器的设计和模型试验。目前，国内外大部分研究仅以短时间内NH的过滤效果作为单一参数评价装置的运行效果，缺乏洗涤器针对不同组分的综合减排效果评价；采用的洗涤剂均为中强性酸溶液（硫酸、柠檬酸等），受运输、驻存和成本等因素影响，中强性酸溶液不适用于国内猪场。次氯酸具有特殊气味，对臭气具有一定掩蔽性，杀菌效果良好；相较于其他洗涤剂，次氯酸可达到同样的除臭效果。因此，探究次氯酸洗涤器针对猪舍不同组分排风污染物的实际应用效果具有重大意义。本试验旨在评价规模化猪场中的次氯酸洗涤器的实际运行效果，监测过滤前后的NH、VOCs、臭气浓度、颗粒物和细菌浓度，核算装置运行成本，以期为畜禽养殖废气湿洗涤器中洗涤剂的合理选择和综合评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 猪舍与洗涤器 2021 年9 月1 日—9 月15 日于北京市新希望某楼房猪场进行试验，该楼房共5 层，每层4 个单元，1 个猪舍单元的建筑尺寸为长52.8 m×宽23.4 m，因试验期间人力物力有限，仅选取底层妊娠猪舍的1 个单元作为试验猪舍，舍内共有4 列群养栏，每列17 个猪栏，每个猪栏尺寸5.4 m×3.0 m；舍内共饲养妊娠猪406 头。试验猪舍夏季采用湿帘-风机系统进行通风降温。每个猪舍单元排风侧有6 台直径为190 cm负压风机，2 台直径为120 cm 负压变频风机；湿帘端有6 台直径为80 cm 正压变频风机。试验期间，开启2台直径为190 cm 负压风机和6 台直径为80 cm 正压风机。猪舍内清粪方式为刮粪板清粪，清粪频率为2 次/d，时间为8:00—10:00 和16:00—17:00。饲喂方式为机械自动饲喂，每日饲喂1 次，饲喂时间为15:00。

洗涤器主要由主控室、气体流量平衡室、蓄液池和喷雾洗涤墙4 个单元组成，位于猪舍末端负压风机组外侧，如图1。气体流量平衡室用于稳定平衡风机端排出废气的流量和浓度；蓄液池位于喷雾洗涤墙下方，便于滤液的循环使用；喷雾洗涤墙包括滤料和安装有喷嘴的喷淋管道，滤料厚度为900 mm，材质为耐酸性的共聚聚丙烯，比表面积为125 m/m，孔隙率为97%；喷嘴为锥形喷嘴，均匀排布于滤墙的上、中、下3 列，每列19 个喷嘴，洗涤液流量为50 m/h，空床停留时间（Empty Bed Resident Time，EBRT）为0.3 s。

1.2 洗涤器运行参数设置 试验过程中，9 月4 日8:00—12:00 排空蓄液池并注清水至高水位线，9 月1 日—9 月3 日和9 月6 日—9 月15 日，每日08:00 和18:00 将洗涤剂（有效氯浓度为30% 的次氯酸）投入主控室内的储液罐，混匀后通过管道输送至蓄液池内，一个储液罐每次投放洗涤剂2 kg（平均每个单元投放500 g/次），设置每天添加洗涤剂时，蓄液池内有效氯浓度不低于30mg/L；9 月4 日—5 日未添加洗涤剂。洗涤器间歇运行，开启4 min，暂停8 min，每12 min 为1 个循环。

1.3 测定指标及方法 试验过程中，连续动态监测过滤前后的NH和气体流量平衡室内温湿度，分时段多次监测过滤前后VOCs、臭气浓度、颗粒物浓度[PM1、PM2.5、PM4、PM10 和总悬浮微粒（Total Suspended Particulate，TSP）]、细菌浓度、墙体内外侧风速和风机断面风速，并记录每日耗水量、耗电量和耗酸量。具体监测方法与所用仪器如表1，测点示意图如图1。

表1 监测指标和方法

图1 洗涤器结构简图及测点示意图

1.3.1 NH共设12 个采样点依次采集分析气体样品；过滤前后端各设6 个测点，为了避免外界风速对气体浓度的稀释干扰作用，过滤后端的6 个采样点周围设置保护性管道（聚四氟乙烯管，长度50 cm，内径88.9 mm，外径90 mm）。使用INNOVA1512 光声气体监测仪（Luma Sense 公司，丹麦）监测NH浓度。为保证数据准确性，测量开始前，制造商对分析仪进行了校准；测量结束后，将仪器送往北京市计量检测科学研究院再次校准分析（证书编号：EA21Z-AC100040）。

1.3.2 VOCs 和臭气浓度 在2021 年9 月3 日—9 月9日的7 个采样日采集分析气味样本，同时采集过滤前后的气体样品，共计4 个采样点，每个采样点距离地面约1.5m。14:00—16:00 进行采样，次日对样品的VOCs和臭气浓度进行分析。每个采样点使用大容量真空箱气体采样仪（2083 型，青岛崂应环境科技有限公司）采集3 L 样品，正式采样前，用被测气体冲洗采样袋3 次，有效避免采样残留对下次采样的影响，取第3 次采样的气体用作分析。

VOCs 的浓度分析按照《固定污染源废气 挥发性有机物的测定 固相吸附-热脱附／气相色谱-质谱法》（HJ 734-2014）进行。臭气采用国标《空气质量恶臭的测定3 点比较式臭袋法》（GBT 14675-1993）测定。

1.3.3 细菌和颗粒物 分别于2021 年9 月3 日、9 月6日和9 月7 日14:00—17:00 采样分析过滤前后的细菌和颗粒物浓度，其中，细菌在墙体内外侧各有3 个采样点，PM 在墙体内外侧各有6 个采样点。测点高度为1.5 m。

细菌由微生物气溶胶采样器（2010 型，青岛崂应环境科技有限公司）采集，连接安德森六级采样头，以流量28.3 L/min 抽取空气，采样时间为1 min。采样后，营养琼脂培养皿由电热恒温培养箱（303-0，尚诚仪器）培养形成肉眼可见的菌落，计数后计算空气中活菌体的浓度。

颗粒物浓度由四通道手持式颗粒物检测仪（831 型，MetOne）测得，测量精度为±10%，量程0～1 000 μg/m，流量为2.83 L/min，取样时间60 s。采样前，使用自净过滤器（P/N：80846）对仪器进行调零校正，试验开始前，制造商对分析仪进行了校准；使用后送往北京市计量检测科学研究院进行校准测试（证书编号为EB21SEF100505）。

1.3.4 温湿度和风速 在气体流量平衡室内（洗涤墙体内侧）、洗涤墙体外侧和舍外空旷处分别均匀布置2 个温湿度自记仪（型号为WSZY-1，北京天建华仪科技发展有限公司，测量范围分别为-40～100℃和0%～100%；不确定度：温度≤±0.3℃、相对湿度≤±3%）自动监测温度和相对湿度，测点高度为1.5 m，设置仪器每隔10 min记录1 次数据。

为确定通过洗涤器的气体流量，即猪舍的通风量，采用13 点风机断面实测法确定总通风量。此外，连续3 d 监测洗涤墙内外侧的平均风速，均匀选取18 个测点，分为上、中、下3 列，每列6 个测点，每个测点监测1 min。风速采用无线万向风速风温记录仪测定（WWFWZY-1 型，北京天建华仪科技发展有限公司，测量范围分别为0.05～30 m/s 和-20～80 ℃、温度≤±0.5℃）。为保证数据准确性，测量开始前，将温湿度自计仪和风速仪送往北京市计量检测科学研究院进行校准测试（证书编号分别为RA21S-GA021032 和EB21Z-EA100366）。

1.3.5 耗水量、耗酸量和耗电量 试验期间，洗涤器每日自动补水，在液体循环泵进水端安装水表，水泵控制单层猪舍洗涤器的用水，故监测单层猪舍的洗涤器每日总用水量，每日08:00 读数1 次。同时每天记录液体循环泵开启时长及开启期间的压力值与实际耗损酸剂量。

1.4 统计分析 采用Microsoft Excel 2021 软件初步处理试验数据，采用SPSS 26.0 软件进行相关性分析与显著性分析，<0.05 为显著差异。

对每种废气污染物去除效率（Removal Efficiency）的计算基于过滤前浓度C（mg/m）和过滤后浓度C（mg/m），具体计算如式（2）。

2 结果与分析

2.1 温湿度和风速 由表2 可知，墙体内侧平均温差较小，范围为18.2～26.4℃。墙外温度受到室外气候变化的影响，日波动幅度较大，范围为13.8～33.8℃。当空气流经洗涤墙时，平均相对湿度呈上升趋势，平均升高4.6%。由于蒸发作用的影响，墙内的相对湿度会影响洗涤墙中的用水量。

表2 墙体内外侧温湿度、风速和风机端排风风速

试验期间测得猪舍2 台190 cm 风机断面的平均风速为7.31 m/s，计算得到猪舍通风量为2.87 m/（h·kg）（猪只体重约为125 kg/头）。高于《规模猪场环境参数及环境管理》（GB/T 17824.3-2008）推荐的0.60 m/（h·kg）和美国MWPS（Midwest Plan Service）中推荐的1.70 m/（h·kg）。猪舍空气经由负压风机统一排出后，到达气体流量平衡室，平衡气体流量和浓度，从而降低洗涤墙的进风风速，即墙体内侧风速；墙体内侧平均风速为0.99 m/s，表明猪舍排出的空气在气体流量平衡室得到了一定程度平衡，但墙体内侧风速分布的均匀性较低，与风机水平相对的区域的最高风速可达4.24 m/s；墙体外侧风速分布较为均匀，平均风速为0.23 m/s，范围为0.14～0.32 m/s。

2.2 空气质量指标浓度和去除效率 如表3 和表4 所示，试验期间，洗涤器对NH、VOCs、臭气浓度、PM10、TSP 和细菌均具有一定的去除效果；对PM1、PM2.5和PM4 的去除效果不理想，去除后的组分浓度稍高于去除前。

表3 过滤前后空气质量指标平均浓度值

表4 过滤后空气质量指标的去除效率 %

2.2.1 NH次氯酸洗涤器对NH的平均去除效率（Average Removal Efficiency，ARE）为39.4%，范围为10.8%～66.0%，过滤前NH的平均浓度为3.2 mg/m，范围为1.4～6.1 mg/m；过滤后NH平均浓度为1.9 mg/m，范围为1.1～2.8 mg/m，NH的水溶性较强，且碱性气体可以较好地与酸性溶液发生酸碱中和反应，进而更好地降低NH的排放。

由图2 可知，相较于9 月3 日，9 月4 日NH的ARE 明显上升，分别为39.2% 和45.3%（<0.05），且9 月3 日和9 月4 日过滤前平均NH浓度无显著性差异。分析原因为9 月4 日排空蓄液池，重新注入清水至高水位线，定期更换畜液池内清水有利于提高NH去除效率。试验过程中，9 月4 日和9 月5 日未在洗涤器中添加洗涤剂，每日ARE 分别为45.3%和47.1%，均高于试验期间NH的ARE，表明在更换畜液池内清水的初期，未添加洗涤剂的洗涤器可对NH达到良好的去除效果。9 月6 日添加洗涤剂后，NH的每日ARE（43.1%）低于9 月5 日（47.1%），添加洗涤剂并未大幅提高NH的ARE，可能原因为畜液池内液体的循环使用导致畜液池内液体污染物的累积，制约了洗涤剂的过滤效果，与Heyden 等的研究结果一致；同时，随着时间的推移，NH的ARE 有明显下降趋势，9 月13 日—14 日，NH的每日ARE 分别为29.8% 和25.4%，均低于仪器运行过程中NH的ARE（39.4%），因此，需定期更换畜液池内液体以提高NH的去除效率，但因试验条件受限，更换频率尚需进一步试验探究。

图2 NH3 过滤前平均浓度和去除效率

由图3 可知，NH的ARE 与过滤前浓度的变化趋势相似，均呈双驼峰变化规律，相关系数为0.95，表明NH的去除效率与底物浓度存在较强的相关性，与Heyden 等的研究结果一致。NH浓度较低时（<10 mg/m），NH去除效率与底物浓度呈正相关；NH浓度较高时（>10 mg/m），去除效率与底物浓度呈负相关。畜禽舍内的NH源主要为动物粪便、尿液和剩余饲料，NH的排放量受到舍内通风量和清粪模式等因素的影响。试验期间，猪舍通风量保持恒定，猪只清粪时间为8:00—10:00 和16:00—17:00，此时，舍内NH排放量均处于波峰。同时，每日08:00和18:00 将洗涤剂（有效氯浓度为30% 的次氯酸）投入主控室内的储液罐中，混匀后通过管道输送至蓄液池内，此时蓄液池中次氯酸浓度的升高，一定程度上促进了NH去除效率的提升。

图3 NH3 过滤前浓度和去除效率日变化

2.2.2 VOCs 和臭气 由图4 和表3 可知，试验期间，VOCs 和臭气浓度的ARE 分别为30.6% 和50.1%。过滤前的VOCs 和臭气的平均浓度分别为6.1 mg/m和97（无量纲），过滤后的VOCs 和臭气的平均浓度分别为4.2 mg/m和42.5。

图4 VOCs 和臭气过滤前后平均浓度

2.2.3 颗粒物（PM） 由图5 和表3 可知，次氯酸洗涤器对PM10 和TSP 的ARE 分别为7.8% 和30.1%。过滤前的PM10 和TSP 的平均浓度分别为112.3、192.3 μg/m，过滤后的PM10 和TSP 的平均浓度分别为97.7、135.2 μg/m，符合《大气污染物综合排放标准》（GB162971996）中规定的二级排放标准（PM10<150 μg/m）。湿洗涤器对PM1、PM2.5 和PM4 并未实现明显的去除效果，均呈过滤后的浓度高于过滤前，ARE 分别为-79.8%、-57.3%和-60.6%，过滤后的PM2.5 浓度符合标准中规定的限值（<75 μg/m）。

图5 颗粒物过滤前后平均浓度

2.2.4 细菌 由表3 和图6 可知，细菌的ARE 为50.1%，范围为22.8%～92.3%；过滤前的细菌浓度范围为（5.4～28.5）×10CFU/m；过滤后的细菌浓度范围为（2.2～8.6）×10CFU/m。次氯酸洗涤器对细菌有一定去除效果，但效果不稳定，与蓄液池内每日有效氯浓度的动态变化相关，也可能由于采样次数较少（n=3）。Li 等试验结果表明，pH 为5.5、有效氯浓度为50 mg/L 的次氯酸对猪场常见病原菌有快速高效的杀灭效果。本试验中细菌的去除效率低于90%（可用于临床消毒的细菌杀灭率），可能由于次氯酸洗涤器中EBRT较小，仅为0.3 s。此外，舍内猪只和人员每日活动的变化，致使进入洗涤器的空气中的细菌浓度存在一定差异。《规模猪场环境参数与环境管理》（GB/T 17824.3-2008）规定，空怀妊娠母猪舍内细菌总数应低于6×10CFU/m，表明舍内环境卫生状况有待改善。

图6 细菌过滤前后平均浓度

2.2.5 耗水量、耗酸量和耗电量 由表5 可知，单层洗涤器的每日耗水量为11.81 m，15 d 排污1 次，排空蓄水池内所有污水，因此每月（30 d）耗水量为11.811×30+38.605×2=431.54 m，每月排污量为77.21 m。洗涤器的额定功率为18.4 kW，每天有效运行时间为8 h，开启时2 个循环水泵的压力值分别为0.227 Mpa 和0.226 Mpa，因此每日耗电量为147.2 kW/h。每日耗酸量为4 kg（有效氯浓度为30%）。因此，综合计算可得，每日运行成本为231.91 元，平均每只猪的过滤除臭成本为0.117 元/（头·d），低于硫酸洗涤器综合运行成本[0.178 元/（头·d）]。

表5 耗水量和排污量

3 讨 论

湿洗涤器是一种充满惰性或无机滤料的反应器，仪器连续或间歇地喷洒液体以保持填料湿润，畜舍排出的空气通过洗涤器排出，使可溶性气体（如NH）从气相转移到液相。本试验中，NH的ARE 低于Zhao 等、Hadlocon 等的研究，可能原因为舍内NH浓度较低，且通风量较高，风量较高会降低气体在洗涤器中的停留时间，减少可用的传质接触时间，从而导致较低的去除效率。Chein 等认为，湿洗涤器针对高风量（>500 m/min）、低浓度的NH（<4 mg/m）的去除效果较为不理想，可使用低浓度的喷雾/滤质表面活性剂对洗涤器进行改进优化，但会大幅度提升运行成本。除此之外，洗涤器中滤液为次氯酸，次氯酸酸性较弱，一定程度上制约了NH的酸碱中和反应。Li 等研究表明，在次氯酸洗涤剂中添加HCl，调节pH 至1.35，对NH的去除效率可达55.8%。

本试验中VOCs 的ARE 稍低。目前尚未有文献记载酸洗涤器中VOCs 的具体去除效果，但生物滤池对低浓度的有机酸、醛类等VOCs 气体有很好的处理效果，ARE 为59%～63%，具体影响因素与填料选取、挂膜微生物种类、进气种类和气体停留时间等因素有关。因此，针对猪舍排出废气的复杂成分和理化性质的不同，需采用复合多级式过滤器，串联酸洗和生物过滤装置，综合提高废气处理的效率；但复合多级式过滤器在增加气体停留时间的同时，产生较大压降，会进一步折损风机的性能，因此在猪舍中选用末端除臭装置时，应综合舍内通风模式与投资成本选取合理配置。

Zhao 等试验结果表明，酸洗涤器对大粒径的颗粒物的去除效果更好，对PM10 的去除效果优于PM2.5。本试验中，湿洗涤器对PM1、PM2.5 和PM4并未实现明显的去除效果，均呈过滤后的浓度高于过滤前，ARE 分别为-79.8%、-57.3%和-60.6%。分析原因可能为喷淋洗涤后会有小颗粒水雾飘出，导致PM1、PM2.5、PM4 读数变大；且试验期间舍外PM2.5 平均浓度（14.7 μg/m）高于过滤前的PM2.5 浓度（7.5 μg/m），舍外的气候条件在一定程度上影响了过滤后的颗粒物浓度。

过滤前PM1、PM2.5、PM4 和PM10 分别占颗粒物总浓度的2.2%、3.9%、10.1% 和58.4%；过滤后PM1、PM2.5、PM4 和PM10 分别占颗粒物总浓度的5.9%、9.5%、22.6%和72.3%。猪舍内颗粒物的浓度和排放与舍内的通风率、相对湿度及猪的活动量、饲养管理、体重及育肥状态有关。本试验猪舍末端排出的颗粒物TSP 浓度较低，低于大部分文献中的数值，可能原因是试验猪舍猪只饲养密度过低、通风量较大等。将过滤前后空气中的细菌浓度按大小范围进一步分类。过滤前，细菌主要附着于Andersen 采样器的前5 个阶段，该采样器的前五级采样头捕获了1.1～7.0 μm 粒径的颗粒。前5 个阶段的细菌总数占洗涤前空气中细菌总数的91.0%，仅有9.0% 的颗粒附着于第六级的采样头上，粒径范围为0.65～1.1 μm，与Zhao 等研究结果一致。根据Andersen 采样器各个阶段采集的细菌数据，1～6级的ARE 分别为57.1%、45.8%、36.7%、34.9%、48.0%和9.6%；洗涤器对粒径超过7.0 μm 的细菌颗粒去除效果最好，对粒径范围为0.65～1.1 μm 的细菌颗粒的去除效果最差，与颗粒物的去除效果呈现相同的趋势，即湿洗涤器对大粒径的颗粒物的去除效果更好。

4 结 论

本试验结果表明，次氯酸洗涤器对猪舍排放NH、臭气和VOCs 的ARE 分别为39.4%、50.1% 和30.6%，对细菌、TSP 和PM10 的ARE 分别为50.1%、30.1% 和7.8%，对PM1、PM2.5 和PM4 的 ARE 分 别为-79.8%、-57.3%和-60.6%。湿洗涤器对大粒径的颗粒物的去除效果更好。臭气的ARE（50.1%）高于NH和VOCs（39.4%和30.6%），表明仅采用单一指标（如NH）的去除效率，来评价次氯酸洗涤器的运行效果，较为不完善。单层猪舍（可饲养2 000 头空怀妊娠猪，饲养密度为2.22m/ 头）的洗涤器平均每日耗水量为11.81 m，每月排污量为77.21 m，猪只平均过滤除臭成本为0.117 元/（头·d）。