猪舍多级洗涤塔中木屑与纸垫对生物气溶胶的减排效果比较研究

《Environmental Technology》：Bioaerosol reductions: paper pads versus wood chips in a multi-stage scrubber of a pig barn

本研究系统比较了猪舍三级洗涤塔中木屑与纸垫两种生物过滤材料对指示性生物气溶胶（包括嗜温菌、溶血性链球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA、内毒素及霉菌酵母菌）的减排效能。结果表明，三级系统对潜在致病菌和耐药菌的总体去除率超过93%（约1 log10），纸垫可作为木屑的有效替代材料，但木屑层存在霉菌二次排放风险。该研究为畜禽养殖场空气净化技术的优化提供了重要数据支撑。

　　

摘要

本研究针对猪舍商业用三级洗涤塔（主要用于降低氨气、异味和粉尘）对指示性生物气溶胶的减排效果展开调查。重点比较了生物洗涤塔阶段（第三级）中木屑与纸垫两种填充材料的性能差异。通过同步采集未处理空气、酸洗塔下游以及两个生物洗涤塔半区下游的空气样本，分析了嗜温菌、溶血性链球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、内毒素、霉菌和酵母菌的浓度变化。结果显示，所有阶段对指示菌的总减排率至少达到93%，两种生物过滤材料均能显著额外降低生物气溶胶浓度，木屑半区对内毒素的减排效果尤为明显。然而，可培养霉菌和酵母菌数量未显著减少，且在木屑半区下游出现升高现象。研究表明，三级洗涤塔可有效降低约1 log₁₀的潜在致病菌、耐药菌及内毒素浓度，从而减轻有害生物气溶胶排放对周边居民和动物的风险。在微生物减排方面，纸垫可作为生物洗涤塔阶段木屑的可行替代材料。

引言

猪舍空气中含有高浓度的粉尘、生物气溶胶、氨气和异味污染物，这些物质通过排气系统扩散至周边环境，甚至可能传播动物病原体，对邻近农场构成威胁。为降低气体、挥发性有机化合物和颗粒物排放，多种减排技术被应用于猪舍，其中生物过滤器是最简单的处理方式，而多级洗涤塔则具有更高的处理效率。三级洗涤塔通常由水洗段、酸洗段和生物过滤器或生物洗涤塔组成，其减排效果受初始浓度、填充材料、洗涤液成分等多种因素影响。尽管生物气溶胶减排并非法定要求，但有效控制耐药菌和潜在致病菌的排放有助于提升集约化养殖场在居民区附近的接受度。本研究通过对比商业育肥猪舍三级洗涤塔中木屑与纸垫两种材料对特定生物气溶胶指标的减排率，为优化空气净化技术提供科学依据。

材料与方法

实验在配备两个独立栏舍的商业育肥猪场进行，每栏饲养420头育肥猪（丹育×杜洛克）。猪舍采用全漏缝地板设计，通风系统将两栏排气汇集后通入三级洗涤塔（MagixX-P型）。该系统第一级为水洗塔，通过喷淋塑料滤墙（PP150型）机械除尘；第二级为酸洗塔，使用硫酸酸化洗涤液（pH<4）增强氨气去除；第三级生物洗涤塔被分为两个半区，分别填充0.6米厚的新木屑（针叶树根木）和蒸发冷却纸垫（CELdec? 7060-15），并通过顶部喷淋系统保持湿润。

生物气溶胶采样在6个连续育肥周期内每14天进行一次，使用符合VDI 4257标准规范的排放冲击器同步采集未处理空气、酸洗塔下游及两个生物洗涤塔半区下游的样本。微生物分析包括嗜温菌（胰蛋白酶大豆琼脂培养36°C/48小时）、溶血性链球菌（含羊血酸性血琼脂基、5% CO₂环境）、霉菌酵母菌（DG-18琼脂25°C/7天）的培养计数，MRSA通过滤膜法（铬琼脂培养基）结合实时PCR确认，内毒素采用鲎试剂动态显色法（LAL测试）定量。数据经对数转换后，使用Wilcoxon秩和检验进行统计分析，显著性阈值设定为p<0.05。

结果

嗜温菌在未处理空气中浓度最高（中位数2.9×10⁵CFU/m3），前两级洗涤塔实现86%的减排，生物洗涤塔使总减排率提升至96%（纸垫）和95%（木屑）。溶血性链球菌初始浓度较低（中位数1.0×10⁴CFU/m3），但系统总去除率达99%。MRSA浓度（中位数1.7×10²CFU/m3）经全系统处理后降低93%，仅木屑半区显示显著额外减排。内毒素在酸洗塔下游降低75%，生物洗涤塔将总减排率提升至89%（纸垫）和91%（木屑）。霉菌酵母菌浓度未显著降低，木屑半区下游中位数（7.6×10²CFU/m3）甚至高于未处理空气（6.0×10²CFU/m3），表明存在二次排放风险。

讨论

多级洗涤塔主要通过截留携带微生物的颗粒物实现生物气溶胶减排。本研究中较高的细菌初始浓度（5.5 log₁₀）可能与冲击器采样方法（可破坏菌团聚集）有关。生物洗涤塔对细菌的额外减排作用显著，且不同采样位置的浓度差异表明重力沉降对整体效果影响有限。溶血性链球菌和MRSA作为潜在致病菌和耐药菌指标，其log级减排证实了系统对特定风险微生物的控制能力。内毒素减排约1 log₁₀的结果提示该系统可降低非感染性健康风险。然而，霉菌酵母菌的减排失败与真菌孢子疏水性及木屑有机质促进微生物增殖有关，纸垫因经浸渍处理而更具稳定性。

结论

三级洗涤塔可有效降低猪舍排放的指示性细菌和内毒素浓度（减排率89%-99%），纸垫与木屑在微生物减排方面性能相当，但木屑存在真菌二次排放风险。该系统为周边居民和动物提供了针对有害生物气溶胶暴露的保护屏障，未来研究可进一步探讨其对病毒颗粒的去除潜力。