氨气检测的重要性-猪粪释放的氨气和异味有多大影响?

时间:2018-5-31 分享到:

不同猪粪在地里施肥,释放的氨气以及异味也不通,产生的影响和效果也不尽相同。

近年来,畜牧场越来越重视异味控制。历史上,在这方面北卡罗莱纳州的畜牧企业一直不受限制,在畜牧粪污处理系统许可当中也没有针对异味排放的相关规定。但是,在粪污利用计划(WUP)和总体畜牧粪污管理认证方案(CAWMP)中,有一个关于异味的“备查清单”,需要填写、提交。在清单列出的全部十七项异味源当中,只有三项和田间施用有关,这三项当中有两项是关于粪浆和粪渣的。尽管在畜牧企业许可证审批过程中没有涉及异味,但通过其它的机制可对畜场异味实施监控,人们可对畜场异味进行投诉,相关部门可对投诉情况进行核查、评估,然后空气质量厅可以给出处理意见。也就是说,空气质量厅是根据投诉的情况来执法的??掌柿刻嵋笮竽恋ノ惶峤挥胪端咔榭鱿喙氐男畔?,还会要求畜牧单位制定最好的管理方案来控制异味。如果畜牧单位不能提交方案,或未能执行方案,空气质量厅就会要求畜场提交“控制技术”许可申请。只有在这种情况下,畜牧生产许可才会直接和异味排放挂钩。在联邦的层次上,根据最近的“同意判决书”,美国国家环保署已开始对若干个畜场进行监控,以便获得氨气排放的基准数据。然而,这项监控之后制定的任何法规都不会涉及田间施用引起氨气排放的情况。联邦政府施压降低氨气与异味排放量的同时,北卡罗莱纳的人口统计也在发生变化,民居和其它建筑与农业设施之间的距离越来越近。这些方面的因素都促使畜牧单位需要进一步降低氨气和异味的排放量。

液体粪污的特征

猪场厌氧泄粪池干物质含量低(大约0.5%),总氮含量为565mg/L(Barker,1994)。这些指标在不同的猪场、不同季节以及其它条件之间又存在很大的变化。猪场粪污当中,80%的总氮是氨态氮,其余20%以有机氮的形式存在,硝态氮的含量很低或根本不含。除氨之外,粪污中还含有其它许许多多有异味化合物。在猪场粪污中发现的有异味的化合物有300多种,包括氨气、硫化氢和挥发性有机化合物(VOC)(Schiffman等人,2001)。多种异味化合物同时存在还会使异味的刺激性进一步加强。

氨态氮包括氨气(NH3),- 有时称为游离氨, - 和铵根(NH4+),二者的比例取决于pH值。真正产生异味的氨态氮形式是氨气,可以挥发到空气中。pH值越高,氨气在氨态氮中占的比例就越大。pH值为9的时候,氨气和氨根的浓度相等。在pH为7的时候,氨气在氨态氮总量中所占的比例仅有0.57%。猪场厌氧泄粪池的平均pH值范围为6.5至8.5,平均为7.8(Barker,1994)。pH为7.8时,氨气占氨态氮总量的比例为3%。

控制氨气和异味排放的机制

施撒粪肥的过程中,有许多因素会影响氨气和异味的挥发量。包括施肥设备类型、作物、天气、土壤特性,以及粪肥的特征。在北卡罗莱纳州,泄粪池粪肥大部分是通过灌溉型设备或水龙抽灌的方式施撒的。也有用罐车将液体粪肥注入或撒入土壤的,不过这种方式用来施撒粪浆更普遍一些。天气不仅会影响设备当中以及施肥过程中的氨气、异味排放,而且还会影响施肥过后氨气和异味在田见的排放。干燥、有风的天气会促进氨气的挥发,然而,在潮湿的天气里氨气的刺激性显得更明显。作物的情况也会影响氨气的损失。植株越繁密,如果在“植株上方”施撒,氨气、异味挥发量就会越大;而如果在植株下方施撒(通过水管灌施或土壤注射),这种情况反而会降低氨气、异味的挥发。土壤的因素,包括pH值、阳离子交换能力(CEC)、渗透率以及水分含量均会影响氨气和异味的排放。土壤pH值越低(越酸),氨气挥发损失越低;阳离子交换能力越高,由于氨气被交换位点绑定,因此挥发损失就会越低;渗透率低、水分含量高会抑制肥料渗入土壤,从而促进氨气的挥发损失。泄粪池粪肥的营养成分含量和pH值同样会影响氨气排放,养分含量越高(尤其是N),pH越高,氨气排放也会越高。

可选的设备

灌溉型设备

北卡罗莱纳州泄粪池粪肥大部分是通过灌溉型设备或水龙抽灌的方式施撒的。这种类型的灌溉设备包括固定式喷灌机、卷盘式喷灌机和滚移式喷灌机、中心旋转喷灌,以及悬臂式喷灌机。在这些系统当中,有两个基本的机制会影响氨损失:蒸发和漂移。影响蒸发和漂移的因素很多,包括喷嘴口径与类型、作业(喷嘴)压强,以及喷嘴高度。

水从液相转为气相需要能量,喷灌中蒸发的过程受可吸收能量的影响。蒸发部分的比例估计在1%至2%之间(Christiansen,1937;Thompson等人,1997)。田间施撒时,悬挂式喷头的蒸发比例为1%至10%((Schneider,200),摇臂式喷头,包括大型水枪,蒸发比例可达20%。后者的比例为总损失比例,也包括漂移。水接触到植株或地面之后仍会产生蒸发,这部分的比例就很难量化了。

喷嘴的口径和类型以及工作压强决定施肥时液滴的大小。液滴越小,蒸发和漂移的比例就越大。喷嘴口径越小、工作压强越大,液滴就越小。Kohl(1974)发现,对于3.9mm口径的喷嘴,在296KPa的压强下液滴的平均直径是1.75mm,在400KPa压强下液滴的平均尺寸是1.5mm;对于4.0mm口径的喷嘴,296KPa和400KPa情形下液滴的平均直径分别为2.1mm和1.7mm。Kincaid等人(1996)研究了一套公式来计算喷嘴口径、压强与液滴大小的关系。根据他们的公式,12.7mm口径(“大型水枪”的最小口径)的喷头在345KPa压强下的平均液滴直径为4.8mm,在690KPa压强下的液滴直径为3.1mm。因为液滴下落的速度和直径的平方成正比,因此直径1mm的液滴平移的距离大约是直径4mm液滴的4倍?!按笮退埂钡呐缱炖嘈鸵灿跋煲旱蔚拇笮?。与锥环形喷嘴和锥孔形喷嘴相比,环形喷嘴的喷射角度宽,因此氨气与异味散失比例也更大。目前已经开发出一种悬挂式中央旋转喷灌机,这种喷灌机的工作压力(69-207KPa)比摇臂式喷灌机(241-483KPa)和大型水枪(345-690KPa)低,靠一个逆水流方向安装的防溅档板来驱散液滴。有专门用来施撒粪水的喷头,可容许固体通过。

喷嘴高度会显著影响异味和氨气排放量。喷嘴离地面越高,蒸发量和飘移距离就越大。喷嘴高度实际上对比较大的液滴影响较大,因为小液滴受风的影响较多。中央旋转式喷灌机可采用安装在支架顶端的摇臂式喷灌机,也可将喷嘴挂在悬臂下方。不论中央旋转式喷灌机还是悬臂式喷灌机,降低喷嘴高度、降低工作压力之后都可以起到减少漂移距离的作用。Shaffer和Aldrige在北卡罗来那的Raleigh进行的研究中(2003)发现,卷盘式喷灌机的漂移距离最长,而采用悬挂式喷嘴的中央旋转式喷灌机的漂移距离最短。

自卷式喷灌设备

最近,高压自卷式喷灌设备在北卡罗莱纳越来越普及。这种系统是用拖拉机拖带,可连接硬质水龙,也可连接软质水龙。粪水是用泵从泄粪池中抽出,通过地下主管道连至田间的消防用水龙头,与卷盘式喷灌系统类似。用这种系统施肥时氨气和异味排放的情况比采用喷灌型设备要好,主要有两个原因,一是出水端压力低(只有几十KPa),二是出水端离地近。而且这种系统多数还装有松地齿,可划开土壤,促进渗透,这又进一步降低了氨气和异味的排放。不管是出水口加罩还是采用防溅挡板,粪水喷洒时都是形成水皮,而不是以液滴形式喷出。

这类设备中还有悬臂型设备,工作压力稍高,施撒宽度更宽。这种系统当中喷嘴口径多在50-76mm之间。

管理措施

通过许多管理措施可以降低氨气和异味的排放。夏天和秋天泄粪池和土壤里的生化过程活跃,此时施肥异味排放较轻。与清晨和傍晚相比,日间施肥的情况下异味较轻。这是因为清晨的空气比较“稳定”,此时空气混合的速度慢。日间阳光照热土地,空气流动活跃,有助于消散异味。然而,在有风的天气,风会把异味带到更远的地方去。如果采用灌溉设备进行施肥,就需要特别注意,不要在有风的天气进行。一般说来,如果风速大于8km/小时,建议就不要进行施肥作业了。

还有一些“常识性”的方面,比如不要在周末、假日以及附近有社区活动的情况下施肥。施肥前也最好和邻居打好招呼,这样比较稳妥。

北卡罗莱纳州的相关研究

过去

过去30年当中北卡一直在进行农田粪肥施用过程中氨气损失的研究。这些研究主要考察两种机制造成的氨气损失,一是蒸发和漂移造成的肥水体积损失,一是肥水从泄粪池到田间过程中氨浓度的降低。Westerman等人(1983)研究了通过固定灌溉系统给海岸狗牙根草地施肥的过程,发现氨浓度损失为19%。这个数据是对泄粪池中粪水和田间施肥时采样得到的粪水的氨气浓度进行比较估算得出的。同时期(1977-79)Safley等人(1993)发现,用固定灌溉系统给海岸狗牙根草地施肥过程中氨气损失为30%。但这项试验中考察的是氨的总量,而非浓度,试验中既计算了氨的浓度,也计算了肥水体积的变化。另一项研究中发现,采用大型水枪给裸土地施肥时氨气损失比例为3%(Safley等人,1992),这项研究中计算的是浓度差。同等条件下对中央旋转摇臂式灌溉机进行的研究显示,氨浓度在施肥过程中损失5%,而氨的总量损失(浓度损失乘以体积损失)为26%。后来的另一项研究显示,大型水枪给海岸狗牙根施肥时氨浓度损失为6%。这项研究中测得的蒸发比例为2%至8%之间(Westerman,1995)。

最近

最近完成了一项研究,是关于大型水枪灌溉系统与自卷式灌溉系统之间的对比的。这次不象过去研究那样,仅测定泄粪池到田间过程中的氨损失。这次在猪粪施肥地块周围安置了设备,在施肥过后几天当中采集空气样本。监测结果,尽管大型水枪灌溉过程中的氨气排放比以往研究得出的数据低得多,但总损失氨量的数据比较接近。大部分损失发生在灌溉后4小时之内。大型水枪喷出的粪水与采样罐采集的粪水相比,氨含量差异很小或没有差异。四个大型水枪系统的平均氨损失比例为22%,而三个自卷式灌溉系统的氨损失比例平均为6%。这说明与大型水枪相比,采用自卷式灌溉系统施肥确实能够降低氨气和异味排放。

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