基于双膜理论的奶牛场NH3排放机理模型构建与排放规律研究

畜牧业生产中的NH3排放，危害人、畜健康以及畜禽生长与生产性能，并会造成严重的环境和生态问题。NH3排放通量已成为评价畜禽场空气环境质量和衡量畜牧生产造成环境污染程度的通用指标。本项目以我国典型的运动场体系奶牛场为研究对象，建立一套系统的监测和计算方法，研究自然通风牛舍及其运动场NH3排放与规律，分析环境参数、奶牛行为和日常管理措施对NH3排放的影响；试验模拟奶牛排便后粪便中NH3的释放特性，优化传质系数与脲酶活性参数，以提高模型精度；在深入分析粪便中NH3产生、释放和传递过程的基础上，基于双膜理论构建用以预测奶牛场NH3排放水平和模拟随时间变化规律的排放机理模型。通过对奶牛场NH3排放规律的研究以及奶牛粪便中NH3释放过程系统的分析与模拟，为掌握我国典型奶牛场NH3排放提供基础数据支撑，对发展我国畜禽场NH3排放测试与预测技术、制定减少奶牛场NH3排放的有效措施提供理论依据和指导。

本项目制作了用于畜禽场气体排放监测的多点气体信息采集系统，建立了我国规模化自然通风奶牛场NH3等有害气体排放的系统监测与计算方法。对我国典型的自然通风奶牛舍的NH3、CO2、CH4等气体含量和环境因子进行系统测试；研究比较了SF6示踪气体法和CO2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NH3等气体排放速率进行了计算、对NH3排放规律进行了分析讨论。利用风洞实验装置搭建的模拟试验平台，对NH3挥发特性进行了模拟试验研究，优化了NH3挥发过程中的脲酶活性参数，并研究了不同参数对NH3挥发传质系数的影响；通过对舍内NH3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NH3挥发数值模型，并对模型进行了验证和敏感性分析。主要研究结论如下：（1）CO2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。（2）漏缝地板奶牛舍NH3排放平均速率为20.5 g/（HPU•d），实心地面牛舍NH3排放水平为13.3 g/(HPU•d)，NH3排放随温度升高而增大，并呈现明显的昼夜变化规律。（3）NH3挥发特性模拟试验显示：从试验的第7 d开始，NH3挥发逐渐稳定；NH3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。当脲酶活性为0.25 mol/（m3•min）时，模拟与实测的NH3挥发曲线拟合情况最好。（4）漏缝地板奶牛舍NH3挥发数值模型可以对NH3排放水平和随时间变化规律进行较好的预测和模拟，模拟值与测量值相关性显著。模型敏感性分析表明：粪便pH值对舍内NH3挥发影响的相对敏感度最高。. 本项目共要求国际著名的畜禽环境领域专家来华指导6人次；获批软件著作权1项，发表EI检索论文3篇、另有2篇在投，培养研究生3名。本项目的研究，对开展我国畜禽舍空气质量测试、制定和实施减少奶牛舍NH3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。