（农业生物环境与能源工程专业论文）舍饲散养自然通风奶牛舍氨气排放规律与模拟研究.pdf

摘要 畜禽舍内较高浓度的n h 3 对人畜健康及畜禽生产性能产生不利影响，n h 3 排放则是造成空气 污染等问题的重要原因之一。本文的研究，对开展我国畜禽舍空气质量测试、制定和实施减少奶 牛舍n h 3 产生和排放的措施、发展奶牛舍工程工艺等具有重要的理论意义和实用价值。 本文测试分析了丹麦9 个典型舍饲散养自然通风奶牛舍的c 0 2 、n h 3 、c h 4 等气体含量和环 境因子及其相关关系，研究比较了s f 6 示踪气体法和c 0 2 辅助模型质量平衡法在测试自然通风奶 牛舍通风换气率方面的效果，并对舍内n h 3 等气体排放速率进行了计算、对n h 3 排放规律进行 了分析讨论。论文利用风洞实验装置搭建的模拟试验平台，对n h 3 挥发特性进行了模拟试验研究； 通过对舍内n h 3 的产生、挥发和排放过程的系统分析，首次建立了自然通风奶牛舍内n h 3 挥发 数值模型，并对模型进行了验证和敏感性分析。最后，采用统计模型和神经网络模型方法对牛舍 内n h 3 排放水平进行了预测。主要研究结论如下： 1 c 0 2 辅助模型质量平衡法是计算自然通风畜禽舍通风换气率的有效手段。奶牛舍内c 0 2 、 n h 3 和c i - h 平均含量分别为1 0 8 1 、1 8 和1 4 7m g m 并显著高于舍外，夜晚舍内气体的浓度平均 比白天高2 0 2 生右，换气次数是舍内气体浓度的决定因素。 2 奶牛舍n h 3 排放平均速率为1 9 5g ( h p u d ) ，n h 3 排放随温度升高而增大，并呈现明显 的昼夜变化规律。n h 3 排放水平受舍内地面类型和清粪方式影响，减小地面粗糙度、采用刮板和 设置排尿沟可以显著地降低舍内n h ，排放水平。 3 n h 3 挥发特性模拟试验显示：喷洒粪、尿后，n h 3 挥发速率增长较快，而后达到一天中 排放速率的峰值，随后慢慢下降到比较低的水平并维持相对稳定；从试验的第7d 开始，n h 3 挥 发逐渐稳定in h 3 挥发速率随温度的升高而增大，并且与风速成指数函数关系。 4 漏缝地板奶牛舍n h 3 挥发数值模型可以对n h 3 排放水平和随时间变化规律进行较好的预 测和模拟，模拟的n h 3 排放速率变化范围为1 9 - 1 0 7 9 ( c o w d ) ，测量值为1 1 - - 8 8 ( c o w d ) ，模 拟值与测量值相关性显著。模型敏感性分析表明：粪便p h 值对舍内n h 3 挥发影响的相对敏感度 最高。 5 在回归分析基础上建立的统计和神经网络模型可以较准确地预测自然通风奶牛舍n h 3 排 放水平，神经网络模型的模拟值与测量值之间具有更高的相关性 关键词：自然通风，奶牛舍，氨气，排放，模拟 i f ! a b s t r a c t h i g hc o n c e n t r a t i o no f n h 3i n s i d et h el i v e s t o c kb u i l d i n g sr e p r e s e n t sp o t e n t i a lr i s k st ot h eh e a l t ha n d w e l l - b e i n go f b o t hw o r k e r sa n da n i m a l s , a n da l s oh a sa d v e r s ee f f e c to nt h ep r o d u c t i o np e r f o r m a n c e so f t h ea n i m a l s n h 3e m i s s i o nf r o ml i v e s t o c kf a r m i n gi sam a i ns o u r e a o f a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n t h i sp a p e w h i c hf o c u s e so nt h ep a t t e r n sa n dm o d e l i n go f a m m o n i am i s s i o nf r o mn a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r yc a t t l e b u i l d i n g s ，i ss i g n i f i c a t i v ei nt h ea s p e c t so fc o n d u c t i n gt h er e s e a r c h e so ni n d o o ra i rq u a l i t yo fa n i m a l b u i l d i n g s ，d e v e l o p i n g a n d i m p l e m e n t i n g t e c h n i c a l s o l u t i o n s a i m i n g a tr e d u c i n g n h 3 e m i s s i o n f r o md a i r y h o u s i n g , a n dd e v e l o p i n gt h ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i e sf o rd a i r yb a r n s , a t e n i n en a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r yc a t t l eb u i l d i n g sw i t hf r e e s t a l lh o u s i n gs y s t e m si nd e n m a r kw e r e s e l e c t o d t h ec o n c e n t r a t i o n so fc 0 2 ，n h 3 ，c h 4a n do t h e rc o n t a i n m e n tg a s e sa n dt h ee n v i r o n m e n t a l f a c t o r si n s i d et h e s eb u i l d i n g sw mm e a s u r e d a n dt h ec o r r e l a t i v i t i e sb e t w e e nt h e s eg a s e se n df a c t o r s w e r ea n a l y z e d i nt h e s en a t u r a l l yv e n t i l a t e db u i l d i n g s ，m a s sb a l a n c em e t h o dw i t hc 0 2a i d e d - m o d e lw a s u s e dt od e t e r m i n et h ea i re x c h a n g er a t e a n dt h er e s u l tw a sv a l i d a t e db yt h et r a t ：e rg a sm e t h o du s i n gs f 6 n h 3 e m i s s i o nr a t e sf r o mt h eb u i l d i n g sw e r ee s t i m a t e db yt h em e a s u r e dc o n c e n t r a t i o n sa n dc a l c u l a t e da i r e x c h a n g er a t e s , a n dt h ep a t t e r n so fn h 3m i s s i o n sw c ma n a l y z e d l a b o r a t o r i a le x p e r i m e n t s _ e 伸 c o n d u c t e dt os t u d yt h ec h a m c t e f i s t i c so fn i l 3v o l a t i l i z a t i o np r o c e s sb yu s i n gaw i n dt u n n e l ，a n dt h e r e s u l t sw a su s e dt ou p d a t et h ed y n a m i cm o d e ld e v e l o p e dt h r o u g ht h i sw o r k b ya n a l y z i n gt h ep r o c e s so f n h 3f o r m a t i o n , v o l a t i l i z a t i o na n de m i s s i o nf r o mt h el i q u i dm a n u r et ot h ef r e ea i r - s t r e a m ，ad y n a m i c m o d e lw a sf i r s t l yd e v e l o p e dt oe s t i m a t en h 3e m i s s i o nl e v e la n dp a r e mf r o mn a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r y c a a l eb u i l d i n g sw i t hs l a t t e df l o o rd e s i g n s f i n a l l y , o nt h eb a s i so fr e g r e s s i o na n a l y s i s , s t a t i s t i c a lm o d e l w a sd e v e l o p e da n dc o m p a r e dw i t ht h ep r e d i c t i o n so fam u l t i l a y e rf e e d f o r w u r dn e u r a ln e t w o r km o d e l i np r e d i c t i n gn h 3e m i s s i o n n 蛇m a i nc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r e - 1 t h em a s sb a l a n c em e t h o dw i t hc 0 2a l d e d - m o d e li s e f f e c t i v ew a yi nc a l c u l a t i n gt h e v e n t i l a t i o nr a t eo f t h en a t u r a l l yv e n t i l a t e da n i m a lb u i l d i n g s t h eo v e r a l la v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so f c 0 2 ， n h 3a n dc h 4i n s i d et h en a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r yc a t t l eb u i l d i n g sw e r e1 0 8 1 1 8a n d1 4 7m g m r e s p e c t i v e l y , w h i c h w e r e s i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h a nt h eo u t d o o rc o n c e n t r a t i o n s t h e a v e r a g e c o n c e n t r a t i o n so f c 0 2 ，n h 3 a n dc h 4i n s i d et h eb u i l d i n g sa tn i g h t t i m ew f f r ea p p r o x i m a t e l y2 0 h i g h e r t h a nt h o s ei nd a y t i m e t h ec o n c e n t r a t i o n so ft h ei n d o o rg a s e sw e r es t a t i s t i c a l l yd e p e n d i n go i lt h ea i r e x c h a n g er a t e 2 t h eo v e r a l la v e r a g ee m i s s i o nr a t eo fn h 3f r o mt h en i n es u r v e y e dn a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r y c a t t l eb u i l d i n g sw a s1 9 5 ( h p u d ) d u r i n gt h em e a s u r e m e n t n h 3e m i s s i o nl e v e l si n c r e a s e da st h e i n c r e a s eo ft h ea i rt e m p e r a t u r e s ，v a r i e dc o n s i d e r a b l yt h r o u g ht h em e a s u r e m e n t s a no b v i o u sd i u r n a l p a t t e r no fn h 3m i s s i o nw a sf o u n df r o ma l lt h ed a i r yc a t t l eb u i l d i n g s n h 3e m i s s i o nr a t ef r o mt h e n a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r yc a t t l eb u i l d i n g sw a sa f f e c t e db yt h ef l o o rt y p ea n dm a n u l _ eh a n d l i n gs y s t e m n h 3e m i s s i o ni se x p e c t e dt ob es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e db yr e d u c i n gr o u g h n e s so f t h ef l o o rs u r f a c e ，u s i n g s c r a p e ra n dd r a i n a g es y s t e mi nt h eb u i l d i n g 3 i nt h em o d e le x p e r i m e n t sf o rs i m u l a t i n gt h ep r o c e s so fv o l a t i l i z a t i o n ，n h 3m i s s i o ni n c r e a s e d r a p i d l ya f t e rs p r e a d i n gf e c e sa n ds p r i n k l i n gu r i n eo v e rt h es l a t t e df l o o ro f ap i tm o d e l ，a n dt h e nr e a c h e d a 肚a f t e r w a r d s ，t h em i s s i o nd e c l i n e dg r a d u a l l ya n dh a dat e n d e n c yo fs t a b i l i z a t i o n 砒l o wl e v e l a f t e ra b o u t7d ，t h en h 3e m i s s i o nc u r v ew a sb e c o m i n gs i m i l a rt ot h a to ft h ep e r v i o u sd a ya n dt h e s i t u a t i o nw a sb e c o m i n gs t a b i l i z e d t h ef a c t st h a tn h 3e m i s s i o nr a t e si n c r e a s ea st h et e m p e r a t u r e sa n di t i sa ne x p o n e n t i a lf u n c t i o no f a i rv e l o c i t yw f r ea l s of o u n di nt h e s ee x p e r i m e n t s 4 ad y n a m i cm o d e lw a sd e v e l o p e dt op r e d i c tn h 3e m i s s i o nl e v e la n dp a t t e r nf r o mn a t u r a l l y v e n t i l a t e dd a i r yc a t t l eb u i l d i n g sw i t hs l a t t e df l o o rd e s i g n s t h eo v e r a l ln h 3e m i s s i o nr a t e sp r e d i c t e db y t h em o d e lw e r ci nt h er a n g eo f1 9 - - 1 0 7 ( c o w d ) ，w h i l et h em e a s u r e dv a l u e sr a n g e df r o ml lt o8 8 ( c o w d ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e d i c t i o n sa n dm e a s u r e m e n t sw a ss i g n i f i c a n t t h es e n s i t i v i t y a n a l y s i so f t h em o d e ls h o w st h a tn h 3e m i s s i o ni sh i 【g h l ys e n s i t i v et ot h ep hv a l u eo f t b em a n u r ei nt h e s l u r r yp i ta n du r i n eo i lt h es u r f a c eo f t h es l a t t e df l o o r 5 b a s eo nr e g r e s s i o na n a l y s i s ，s t a t i s t i c a la n dn e u r a ln e t w o r km o d e l sw e r ed e v e l o p e dt op r e d i c t n h 3e m i s s i o nf r o mt h en a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r ye a r l eb u i l d i n g s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en e u r a l n e t w o r km o d e lh a sah i g l l e rv a l u eo fc o r r e l m i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ep m d i e t i o n sa n dt h e m e a s u r e m e n t s k e yw o r d s ：n a u l r a | v e n t i l a t i o n ，d a i r yc a t t l eb u i l d i n g , n i l 3 ，e m i s s i o n ，m o d e l i n g v 主要符号表 面积，m 2 每小时换气次数，l h a c h 倒数，h 气体含量，m g m 3 气相溶质浓度，m g l 液相溶质浓度，m g l 摔放速率，g ( c o w d ) 或g ( h p u d ) 气体浓度，p p m 气体产生( 释放) 速率，m 弧 产热量单位，h p u 总h p u 数量 亨利常数 总产热量，w 奶牛产热量，w 氨气液相传质系数，m s 氨气气相传质系数，m s 分解常数 总传质系数，m s 米式常数，m s 奶牛数量 p h 值 通风量，m 3 h 或m 3 ，sp e ra n i m a lp l a c e 普适常数，( m p a m 3 ) ( t 0 0 1 k ) 或( a n n m 3 ) ，( m o l k ) 相对湿度， 脲酶活性，m o ( m 3 s ) 相对敏感度， 温度， 温度，k 总氨氦浓度，m o f l 或k g n m 3 尿素浓度，m o l m 3 风速，m s 体积，m 珞 通风换气率，m 3 s x 奶牛活体重，l 【g m奶牛日均产奶量，l d d天数 办气体密度，g m 3 占犊牛周龄系数 舍内 舍外 甲烷 二氧化碳 水汽 氨气 一氧化二二氮 六氟化硫 模拟值 测量值 黼二啦m即哪叩趿触一 枷脚cq f g嘭删蛳届埘缸蛞杨鼠秭坛缈r肼品研，r删u，y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：寥寿眨 时间：2 功占年，月2 f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研槛名：易杠 帆2 争砧钏剧日 导师签名： 丽( 铆 i i 时间：川年f f 月纠日 中国农业大学博t 学位论文 第一章绪论 1 i 研究目的和意义 第一章绪论 随着世界畜牧业的持续发展和生产规模的不断扩大，畜禽饲养过程中产生了大量的排泄物和 废弃物，对人类、其他生物以及畜禽自身生活环境的污染愈来愈突出，形成了严重的“畜产公害” 问题。畜牧生产中的废气，如硫化氢、氨气( a m m o n i a , n h ，) 、酚类、吲哚类、甲烷( m e t h a n e , c h d 和硫氧化物等，是引起环境恶臭和污染的重要来源i l j 。其中，n i t 3 是对环境影响最为严重的有害 气体之一，畜禽粪尿中的n i l 3 挥发极易引起环境污染，不但影响畜禽的生长发育，还危害人类健 康。在1 9 5 0 至1 9 8 0 年间，畜牧业中仅n h 3 的排放就增长了5 0 i z j 。近年来，动物生产系统中的n i - 1 3 排放更是成为了重要的大气污染源，造成一系列的生态问题，引起了世界各国的普遍关注。 在欧洲，畜禽生产和农田化肥施用等农业生产活动造成的n h 3 排放量占人为因素造成n h 3 排 放的比例已经超过t 9 0 p j 。一些畜牧业发达国家，特别是西、北欧，这个比例甚至更高，例如 荷兰就高达9 4 1 4 1 。在多数亚洲国家，农业生产造成的n h 3 排放约为总量为7 7 ，而其中畜牧业产 生的n h 3 排放约为总量的3 0 p j 。 养牛业在世界畜牧业中的地位举足轻重，但同时也是n h 3 的一个重要排放源i o j 。荷兰养牛业 发达，1 9 9 0 年养牛业的n h 3 排放量约占总量的6 0 t 7 j ；而英国养牛业每年的n h 3 排放量为9 9 0 0 0 t ( n h 4 i _ n ) ，占农业生产系统中n h 3 排放量的5 0 i s i 。世界范围内，奶牛业每年的n h 3 排放量 约占农业生产n h 3 排放总量的1 2 ，达5 5t gn y e a r l 9 1 。我国奶牛业发展迅速，截止2 0 0 6 年6 月底，全国奶牛存栏量已达1 4 1 8 万头i j w ，但目前尚未对奶牛生产中的n h 3 排放开展比较系统的 研究，甚至缺乏n h 3 排放量的基本数据。 目前，我国已经制定了一系列与畜禽生产过程中的n h 3 排放及其控制有关的标准和规定，包 括：恶臭污染物排放标准( g b l 4 5 5 4 - 9 3 ) 、畜禽场环境质量标准( n y f r 3 8 8 - 1 9 9 9 ) 、畜禽养 殖业污染物排放标准( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 、畜禽养殖业污染防治技术规范( 厂r 8 1 - 2 0 0 1 ) 等。 为了贯彻和执行这些标准和规定，首先就需要对畜禽舍n h 3 浓度和排放量进行测定和估算；同时， 为了制定有效的减排和控制措旖，需要掌握n i l 3 产生、挥发、排放特性及其变化规律等。 奶牛生产中的n h 3 排放已经成为了一个世界性问题，对环境的污染日益严重，且牛舍内气体 挥发和排放过程复杂，需进一步深入研究。因此，开展自然通风奶牛舍n i l 3 挥发特性以及n i l 3 排放量模拟与预测的研究，可为制定和执行减少奶牛舍内n h 3 产生和排放量的措施以及相关规程 提供理论依据，对减轻n h ，对人畜健康及生态系统( e c o s y s t e m ) 的影响和破坏具有十分重要的 理论意义和实用价值，并为开展我国畜禽舍空气质量测试、发展我国奶牛工程工艺、奶牛舍设计 与改造等提供指导和参考。 1 2 奶牛生产中氨气产生影响因子及氨气流动途径分析 奶牛生产中的n h 3 产生过程复杂，影响因子多。奶牛生产中n h 3 产生、挥发和排放过程中 的影响因子见图1 1 ，影响n h ，挥发的重要因子有：奶牛饲养阶段、饲养方式、牛舍建筑、粪污 中国农业大学博十学位论文 第一章绪论 管理与处理方式以及粪污还田技术等。其中，牛舍建筑类型、粪便管理和处理措施对n h 3 产生和 排放的作用尤为明显。另外，环境因子对n i l 3 产生、挥发以及排放速率也具有直接影响。牛舍是 奶牛生产过程中主要的n h 3 产生源之一，除环境因素外，影响奶牛舍n i l 3 产生和挥发的主要因 素包括：房舍建筑形式、地面类型、清粪方式以及牛舍通风方式。除牛舍外，研究还表明日常管 理措施，特别是清粪以及挤奶等，会对舍内n h 3 排放产生较大影响，但目前还缺乏相关的量化研 究。 日粮水平 饲养阶段 饲养方式 a 咿 牛舍状况 审 粪污管理 v 粪污还田 泌乳牛 干奶牛 青年牛 犊牛 散放广一拴 系 舍饲r 舍饲散养 放养结合舍饲散栏 广一人工清粪 r 一刮板清粪 清粪方式卜一深粪坑 一水冲粪 厂一实心地面 地面类型r 漏缝地板 l - 厚垫草 厂一手工挤奶 挤奶方式r 一机械挤奶 l _ 机器人 r 一机械通风 通风方式 一自然通风 l 二者结合 氧化塘 储粪池 储粪罐 堆粪 堆肥 灌溉 注入式 表面喷洒 图i - ! 奶牛生产系统中的n b 产生、挥发和排放影响因子 f i g u r ei - if a c t o r sa f f e d i n gn h 3f o r m a t i o n , v o l a t i l i z a t i o na n de m i s s i o nf r o md a i l yp r o d u c t i o ns y s t e m 设有漏缝地板和集粪坑的典型自然通风奶牛舍及其周边环境中n h 3 的产生和流动途径见示 意图l - 2 。n i l 3 产生后。与其上方空气存在一定的浓度梯度( c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t ) ，便会引起 2 乇 乇 中国农业大学博 学位论文 第一章绪论 h h l 向空气中的流动，形成n h 3 的挥发或排放。本文中n h 3 的“挥发”( v o l a t i l i z a t i o n ) 定义为： n h ，从溶液表面向其上方空气发散的过程( 见图1 - 2 ) ；有的文献在描述此过程时采用的是“释放” ( r e l e a s e ) 。对于没有遮蔽物的大田，n i l 3 发散进入的“空气”指的是大气；而对于畜禽舍，“空 气”指的是舍内气流。畜禽舍内地孟( 或粪坑等) 与舍内气流之间存在的n h 3 浓度梯度，会导致 n h 3 的挥发；而舍内外的浓度梯度会引起n h 3 的“排放”( e m i s s i o n ) 。本文中n h 3 的“排放” ( e m i s s i o n ) 指的是：舍内n i l 3 向舍外扩散的过程。 施粪便或化学肥料 集粪坑集粪坑 图i - 2 自然通风奶牛舍内n h 3 挥发与排放途径示意囤 f i g u r el 一2s c h c m , m i cr e p r e s e n t a t i o n so f n h ；v o c a l i z a t i o na n de m i s s i o n f r o man a t u r a l l yv e n t i l a t e dd a i r yc a t t l eb u i l d i n g 1 3 氨气对奶牛生产及生态系统的影响 近年来，集约化畜禽生产设施在提高生产效率和经济效益的同时，也产生了大量的n i t 3 排放， 从而对人畜健康和生产性能以及生态系统造成不利影响甚至破坏作用口“”。 奶牛生产系统中的n h 3 浓度以不超过2 0p p m 为宜，较高的n h 3 浓度则会刺激奶牛嗅觉神经和 三叉神经，并对呼吸中枢产生毒害作用，危害奶牛健康，引起呼吸道疾病等，最终导致生长速度 和产奶性能下降。n h 3 同样也会影响人类健康，研究表明，畜禽饲养员和集约化养殖场附近的居 民会表现出明显的沮丧、易怒、易疲劳、紧张以及精力缺乏等症状。 n h 3 是畜禽生产中氮元素( n ) 流失的主要途径。虽然n 是微生物、动物和植物生存必不可少 的营养元素，但如果超过了可以吸纳的上限就将对机体产生危害“”i 。生态系统中过高的n 浓 度可能造成的危害有：呼吸道疾病，饮用水中硝酸盐污染，引起水体富营养化从而导致大量水藻 繁殖而降低水质改变植被和生态系统，改变全球气候以及造成土壤酸化等。 n h 3 是大气中普遍存在的碱性气体，可以跟酸性物质反应而在空气中产生悬浮微粒( 如： n h 4 h s 0 4 ) 。这些微粒消弱了太阳光线的穿透作用，从而降低了大气的能见度口q 。n h ，还可以中 和酸性物质，形成酸性浮质，因此在环境酸化过程中起重要作用；另外，酸性浮质还可能对 人体健康产生一定的危害口“。 研究表明，畜禽生产设施周围环境中的n h 3 浓度明显偏高1 2 。”，正是由于较高的n i l 3 浓度 和其广泛的分布，对周围的生态系统产生直接影响甚至破坏作用【1 2 1 8 2 0 2 2 , 2 3 】。 3 中国农业大学博卜学位论文第一章绪论 1 4 国内外研究进展 1 4 1 粪便中氨气形成和挥发过程及影响因素研究 对于粪便中氨气的产生和挥发过程的研究主要集中在以下方面： ( 1 ) 粪便中的氮捧放 据t a m m i n g a ( 1 9 9 2 ) 估算 2 5 1 ，荷斯坦( h o l s t e i n ) 奶牛对摄入总氮的利用情况为：通过牛粪、 尿排出体外的比例分别为2 9 和5 0 ，通过牛奶流出体外的为1 9 ，丽只有剩下的2 被机体 吸收。奶牛舍中的n h 3 主要由牛尿中的尿素水解产生脚j ，而尿素氮与牛尿中总氮的比例取决于饲 料成分和奶牛生产水平等因素，对于饲喂草料和青贮玉米料的奶牛来说，约为5 9 8 9 p 7 1 ：且增 加奶牛日粮中可降解蛋白质的含量，会导致牛尿中氮元素排放率升高i 冽；另外，氮、钾和钠的摄 入量还会影响到奶牛的排尿量和排尿频次，从而影响n h 3 的排放量。根据统计，每头奶牛每天的 排尿量、排尿次数，牛尿中尿素氮浓度以及氮的排放量分别为l o 4 0k g ，d 、鼽心次、2 , , - 2 0 叽和 8 0 3 2 0 9 ，d ，影响这些差异的主要因素有日粮水平、生产水平、牛种以及管理水平。 每头牛每天排放的氮约为5 0 - - 2 0 0g ，在舍温条件下，牛粪中的有机氮无机化速率低，因而 n h 3 从牛粪中的挥发相对较少i 冽；但如果将奶牛粪便在舍内( 外) 长时间储存，特别是在高温下， 牛粪中有机氮的无机化率就会加快，从而对n i l 3 挥发产生较大影响1 3 0 】。 ( 2 ) 尿素水解过程 在脲酶的催化作用下，牛尿中的尿素发生水解产生n h 3 和二氧化碳( c a r b o n d i o x i d e ，c 0 2 ) 。 下式描述了液体环境下( 例如地板和垫草床上的牛尿、集粪坑中的粪便等) 尿素在脲酶作用下的 水解过程： c o ( h 2 ) 2 + 日2 0 j 盟，2 埘3 + c 0 2 ( 1 1 ) 尿素的水解速率与粪便中n h 3 的产生速率取决于尿素浓度和脲酶活性，而脲酶活性与温度相 关，因此温度对牛尿中尿素的分解具有一定的作用，从而影响n h 3 的产生和挥发速率。e l z i n g 等 ( 1 9 9 7 ) 研究表明，洒在漏缝地板模型上的尿液在1 0 或更高的温度条件下，2h 左右尿素可以 较为完全的水解川。 ( 3 ) 电高过程 在溶液中，电离( 彤) 和未电离的( n i l 3 ) 氮存在动态平衡： n h ：+ o h 一凸n h 3 + - 2 0 ( 1 - 2 ) 溶液的游离氨( n h 3 ) 和总氨氮( n h 3 与n h ；总和) 的比值取决于温度、n i t 3 的分解常 数( k d ) 和溶液p h 值。研究发现，2 0 条件下，氨水的分解常数为3 9 8 2 x 1 0 。o ；与氨水相比， 粪便溶液中的n h 3 分解常数就要小很多，例如鸡粪溶液中的n f l 3 分解常数为0 8 1 x l f f ”，固体含 量为1 的猪粪水中的n i l 3 分解常数为0 9 1 x l f f l o 等i ”。到目前为止，还没有人对奶牛粪便中 的n h 3 分解常数进行详细的研究和分析。溶液中游离氨与空气中的n h 3 浓度梯度直接影响n i l 3 4 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 的挥发速率。 ( 4 ) 氨气挥发过程 n l i 3 挥发是尿或粪便表面的边界层与边界层上方空气之间的质量传递过程。可以挥发的游离 n h 3 浓度取决于边界气态层与液态层氨的动态平衡，此动态平衡可以用亨利定律描述( h e n r y s l a w ) n h 3 ( 0 + 与n h 3 ( g ) ( 1 - 3 ) 这个过程严格受温度控制，温度越高挥发量越大 另外，n i l 3 的挥发速率取决于传质系数以及边界层与空气层的n h 3 浓度差。 n h 3 ( g ，6 d m 出砂) + _ 坐_ 删3 ( g ，a i r ) ( i - 4 ) n h 3 挥发过程中，传质系数取决于边界层的温度和风速。粪便溶液中n 1 4 3 挥发的过程见图 1 - 3 。其中，肠，岛r 和& 分别为分解常数、亨利常数以及总传质系数，详见第四章叙述。 图卜3 畜禽粪便中的n 1 - 1 3 挥发过程示意图 f i g u r ei - 3s c h e m a t i cr e p r e s a n t a t i o n s o f t h e p r o c e s s o f n i - i j p r e d u c i n g a n d v o l a t i l i z i n g f r o ma a a i m a l m a n u r e 1 4 2 奶牛生产系统中氨气挥发和排放过程研究 关于奶牛生产系统中的n h 3 挥发问题，已开展过大量的研究。主要的研究内容包括：n h 3 排放总量预测、n h 3 排放因子、牛舍n h 3 挥发与排放水平及排放特性、环境因子对牛舍n h 3 挥发 ( 排放) 的影响、饲料营养对n h 3 排放的影响以及减少n h 3 排放的措施等。 d e n t e n e r 等人( 1 9 9 4 ) 研究表明，世界养牛业每年的n i l 3 排放量占畜牧业n h 3 排放总量的 3 2 ，达到了1 4 2 t 童n y e a r ，而其中奶牛业的排放量为5 5 t g n y e a r ，占1 2 p j 。p a i n 等人( 1 9 9 8 ) 研究了英国农业，特别是畜牧业中的n h 3 排放情况，结果显示养牛业年n h 3 排放总量为9 9 0 0 0t ( n h 4 + - n ) ，而牛舍排放的n h 3 为2 7 0 0 0t ，约为总量的四分之一p 】。s u t t o n 等( 1 9 9 5 ) 也对英国 畜牧业的n h 3 排放量进行过估算与预测p ”。 在牛舍n h 3 排放方面，g r o o t k o e r k a m p 等( 1 9 9 8 ) 对欧洲北部四国( 英国、丹麦、德国、荷 兰) 畜禽舍内的n h 3 浓度和捧放情况进行了调查研究”，结果表明牛舍内的n l - 1 3 浓度通常小于8 5 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 p p m ，而每头牛的n h 3 排放速率为8 0 2 0 0 lm g h ( 以5 0 0k g 活体重计算的排放速率为3 1 5 1 7 9 8 m g ，1 1 ) ；此外，对这些国家奶牛舍内的n h 3 捧放情况还有一些具体的研究【”。z h u 等( 1 9 9 9 ) 对牛舍中的n i l 3 排放速率的日变化做过研究1 3 8 1 。s w i e r s t r a 等( 1 9 9 5 ) 曾对实心地板和漏缝地板散 栏饲养牛合的n i l 3 捧放量进行过对比，发现前者的排放量约为后者的5 0 1 3 ”。b u s s i n ka n d o e n e r n a ( 1 9 9 8 ) 研究表明，每头奶牛每年的n i l 3 排放量受排便量、清粪工艺，粪便管理和环境条件的影 响从1 7 到4 6 瑶n 不等【蚰l 。对不同类型奶牛舍的研究结果表明，舍内n h 3 排放率( 以每5 0 0 k g 活 体重计算) 为0 1 4 1 7 7g n h 3 h 1 1 5 , 4 1 - 4 3 1 。 与养猪不同，在气候允许的条件下，奶牛一般都饲养在自然通风牛舍中，这给测定牛舍内的 n i l 3 浓度和计算排放速率带来了更大的难度。p h i l l i p s 等( 2 0 0 1 ) 总结了畜禽舍和粪便存贮设施中 n h 3 挥发和排放的测试方法l “l ，对如何测量n h 3 流量、舍内外n h 3 浓度以及通风换气率进行了 综述。p o l l e t 等( 1 9 9 8 ) 采用氮平衡法，通过实验对自然通风奶牛舍内的n i l 3 排放进行了估算h “。 除了奶牛品种和饲料营养之外，影响牛舍内n h 3 排放的重要因素还有垫料类型、地板类型、 清粪工艺、空气温度、风速、集粪坑内粪便表面温度与风速以及p h 值、奶牛的排便频率、粪尿 量等1 2 9 , 3 4 3 5 “。b r a a m 等( 1 9 9 7 ) 研究了双坡实心地板散栏饲养牛舍内的t , n - f 3 排放情况以及地 面洒水措施对减少n i l 3 排放的作用”。p h i l l i p s 等人( 1 9 9 9 ) 对可能减少畜禽舍和粪便存贮设施 内n i l 3 捧放措施进行了总结，并对不同处理方法的效果进行了对比和排序”。 牛尿中尿素分解产生c 0 2 和n h 3 ，因此尿液中尿素浓度是决定牛舍n h 3 挥发的重要因素1 2 9 1 ， 研究者对饲料中氮含量与牛尿中尿素初始浓度的关系以及尿素浓度对n h 3 挥发的影响等方面作 过深入的探讨和研究1 2 5 ，”t “5 “。 1 4 3 氨气排放量确定方法研究 评价畜禽生产过程中n h 3 排放对生态环境的不利影响程度，需要确定其排放量。确定畜牧生 产n i l 3 排放量常用的方法包括：现场测试法( f i e l d m e a s u r e m e n t ) 、氮平衡法( n i t r o g e n m a s s b a l a n c e m e t h o d ) 、微气候学技术( m i c r o m e t e o r o l o g i c a lt e c h n i q u e ) 、小型风洞测定( s m a l ls c a l ec h m n b e r m e a s u r e m e n t ) 以及模型模拟( m o d e l l i n g ) 等”蚓。 ( 1 ) 现场测量法 为了获取畜禽舍浓度和排放速率的基本信息，一般需要在现场对舍内n h 3 浓度进行测定。然 后根据所得到的n h 3 浓度和通风换气率对n i l 3 排放速率进行计算。测量法是最直接，同时也是 确定现场n i l 3 浓度最可靠和准确的方法。因此，目前很多的研究都通过直接测量，确定舍内n i - 1 3 的排放速率 现场测量的缺点是；耗时、费力、花费高、劳动强度大并存在一定的技术难度。 ( 2 ) 氮平衡法 利用