氨氣(NH3)是大氣氮循環(huán)的重要組成部分，其呈堿性，對(duì)中和酸性氣體和懸浮微粒的形成至關(guān)重要，對(duì)維持生態(tài)平衡起著重要作用。但同時(shí)氨作為大氣污染源嚴(yán)重影響著人類的生存環(huán)境。氨是公認(rèn)的應(yīng)激源，是動(dòng)物圈舍內(nèi)最有害的氣體之一。氨不僅對(duì)家禽家畜、人體有直接的危害，對(duì)大自然環(huán)境也有強(qiáng)大的破壞力。近年來(lái)，氨作為霧霾的隱性元兇，引起了全社會(huì)的高度關(guān)注。生態(tài)環(huán)境部在2018年公布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》中，明確提出了控制氨排放的要求，以減少種植和畜牧養(yǎng)殖業(yè)氨的揮發(fā)排放。因此，大氣中氨排放的定量評(píng)估及其精準(zhǔn)溯源，越來(lái)越受到人們的重視。
1.1 氨氣對(duì)家禽家畜的危害:
氨氣容易誘發(fā)家禽、豬等動(dòng)物的多種呼吸道疾病，提高肉雞腹水癥的發(fā)病率，導(dǎo)致蛋雞因此減少產(chǎn)蛋量，引起雛雞和幼豬增重和飼料利用率的下降，從而給養(yǎng)雞養(yǎng)豬生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
1.2 氨氣對(duì)人體的危害:
氨氣是工業(yè)常用的制冷劑，也是常見(jiàn)的化工原料及產(chǎn)品，氨水儲(chǔ)罐是重大危險(xiǎn)源。氨易溶于水、乙醇和乙醚，在水中溶解度很高，20℃時(shí)1體積的水顆溶解700體積的氨，氨的水溶液呈堿性，對(duì)呼吸粘膜有刺激性，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生堿灼傷，可引起眼睛流淚、灼痛，角膜和結(jié)膜發(fā)炎，視覺(jué)障礙等。氨氣進(jìn)入呼吸道可引起咳嗽、氣管炎和支氣管炎、肺水腫出血。呼吸困難、窒息等。
1.3 氨氣對(duì)環(huán)境的危害:
早在20年前歐洲就已經(jīng)開(kāi)始研究氨沉積對(duì)土壤酸化和超營(yíng)養(yǎng)的作用。畜牧排泄糞便中含有大量含氮物質(zhì)是造成畜牧業(yè)污染環(huán)境的重要原因。排出的糞便若不通過(guò)處理，直接揮發(fā)出氨，經(jīng)空氣作用產(chǎn)生大量硝酸鹽，滲入地表水、地下水和飲用水中，促使水體“富營(yíng)養(yǎng)化”并能產(chǎn)生大氣重要污染源之一的臭氣。另外，氣態(tài)的氨可以與硫酸、硝酸和鹽酸等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成銨鹽，進(jìn)而增加大氣污染物PM2.5顆粒物的濃度。
1.4 氨氣的重要排放源:
在美國(guó)，氨氣的產(chǎn)生和排放約80%來(lái)自畜牧業(yè)。歐洲環(huán)境署評(píng)估指出，超過(guò)80%的氨氣排放就是來(lái)自畜牧業(yè)的生產(chǎn)。就全球范圍而言，來(lái)自畜牧生產(chǎn)的氨大約占總比的50%。因此保護(hù)畜牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保護(hù)人類健康，保護(hù)自然環(huán)境，防治大氣氨的排放迫在眉睫。高精度的檢測(cè)大氣中氨本底的濃度是第一步，也是極其重要的一步。高精度測(cè)量ppb級(jí)氨氣在大氣中本底濃度的儀器產(chǎn)品，目前普遍為進(jìn)口，而且普遍都是閉路分析。對(duì)于氨這種粘性極強(qiáng)的分子，閉路測(cè)量無(wú)一例外會(huì)產(chǎn)生采樣誤差和管路對(duì)測(cè)量信號(hào)的遲滯效應(yīng)，影響測(cè)量精度和響應(yīng)速度。
圖1（a）大氣氨車載巡檢系統(tǒng)組成（氣體分析儀、數(shù)據(jù)采集器、定位系統(tǒng)、超聲風(fēng)速儀、用戶界面）
圖1(b) 海爾欣HT-8700車載大氣氨移動(dòng)巡檢觀測(cè)系統(tǒng)
海爾欣公司自主研發(fā)的大氣氨激光開(kāi)路分析儀采用紅外激光吸收光譜技術(shù)(LDIR)，結(jié)合開(kāi)路式多次反射氣體池，使得測(cè)量有效光程達(dá)數(shù)十米，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣氨分子進(jìn)行10Hz，亞ppb精度的高速測(cè)量。 此外，該大氣氨開(kāi)路分析儀采用車輛移動(dòng)平臺(tái)搭載的形式，形成一整套車載巡檢系統(tǒng)，如上圖1所示：車載大氣氨開(kāi)路車載系統(tǒng)主要包括有：海爾欣大氣氨激光開(kāi)路分析儀、坎貝爾公司CR3000數(shù)據(jù)采集、GPS模塊、超聲三維風(fēng)速儀、實(shí)時(shí)云數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊。外場(chǎng)檢測(cè)中，激光開(kāi)路分析儀可通過(guò)旅行架搭建在SUV車頂實(shí)時(shí)采集10Hz高速濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)GPS實(shí)時(shí)采集經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，超聲風(fēng)速儀可記錄該區(qū)域瞬時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速，海量數(shù)據(jù)由4G或5G網(wǎng)絡(luò)傳回海爾欣數(shù)據(jù)服務(wù)中心的超級(jí)工作站，進(jìn)行云端數(shù)據(jù)的提取、運(yùn)算、分析、存儲(chǔ)，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)傳回PC端，坎貝爾的CR3000數(shù)據(jù)采集模塊用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份。海爾欣的整套方案結(jié)合創(chuàng)新的紅外激光光譜分析技術(shù)，4G或5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，云端數(shù)據(jù)運(yùn)算分析，為用戶提供精準(zhǔn)的氨排放溯源及監(jiān)控結(jié)果。
在分析儀方面，海爾欣具備以下兩點(diǎn)突破性的優(yōu)勢(shì)：
1、避開(kāi)了傳統(tǒng)的閉路氨分析儀器由于采樣管路的傳輸時(shí)間和吸附效應(yīng)，響應(yīng)速度很慢的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性的采用開(kāi)路測(cè)量方案，無(wú)需采樣，響應(yīng)速度非?？?，尤其適合車載平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)中收集到瞬時(shí)濃度變化，避免漏檢氨排放源；
2、開(kāi)路分析儀無(wú)需采樣泵，依靠大氣的自然流動(dòng)經(jīng)過(guò)光路分析，大大降低了整機(jī)功耗(50W)和質(zhì)量(5kg)，因此可使用小型車載電源或電池供電，適合多種巡檢車型。海爾欣的分析儀甚至結(jié)合太陽(yáng)能電池板可在無(wú)電網(wǎng)覆蓋區(qū)域部署，提高了用戶選擇測(cè)量點(diǎn)的自由度。
2019年5月24日，海爾欣工程師們利用自主研發(fā)的車載巡檢系統(tǒng)，分別對(duì)寧波市北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場(chǎng)、鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場(chǎng)、鎮(zhèn)海石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，三個(gè)目標(biāo)地點(diǎn)及周邊進(jìn)行了大氣氨濃度的車載巡檢測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖2-圖4所示。
圖2 養(yǎng)殖場(chǎng)周圍監(jiān)測(cè)路徑中氨氣濃度分布
如圖2所示，顯示的是北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場(chǎng)及周邊的大氣氨濃度測(cè)試結(jié)果。圖2以Google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標(biāo)識(shí)就是惠民生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的所在地，圖中帶顏色標(biāo)記的為測(cè)試路線。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍(lán)的顏色標(biāo)記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標(biāo)尺所示。測(cè)到大氣氨濃度最大為349.3ppb。圖2顯示有2個(gè)片區(qū)濃度值都超過(guò)了200ppb，一處為養(yǎng)豬場(chǎng)正門口，另一處為豬糞便堆積處，表明養(yǎng)豬場(chǎng)確實(shí)有大量的氨氣產(chǎn)生，同時(shí)隨著與養(yǎng)豬場(chǎng)的距離增加氨濃度值逐漸下降。
圖3(a) 駱駝馮記家禽養(yǎng)殖場(chǎng)周圍監(jiān)測(cè)路徑中氨氣濃度分布
圖3(b)鎮(zhèn)海大道上監(jiān)測(cè)路徑中氨氣濃度分布
如圖3(a)所示，顯示的是鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場(chǎng)及周邊的大氣氨濃度測(cè)試結(jié)果。圖3(a)以Google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標(biāo)識(shí)就是馮記家禽養(yǎng)殖場(chǎng)的所在地，圖中帶顏色標(biāo)記的為測(cè)試路線，車載大氣氨開(kāi)路分析儀的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)小圖。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍(lán)的顏色標(biāo)記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標(biāo)尺所示。測(cè)到大氣氨濃度最大為137.0ppb，表明養(yǎng)雞廠確實(shí)有大量的氨氣產(chǎn)生和排放。圖3(b)顯示的是測(cè)試過(guò)程中儀器在鎮(zhèn)海大道上來(lái)回經(jīng)過(guò)養(yǎng)雞廠4次的濃度數(shù)據(jù)。圖3(b)顯示，該儀器在距離養(yǎng)雞廠直線距離約為900m處仍能檢測(cè)到20-30ppb的大氣氨濃度，表明該儀器具有極低的檢測(cè)下限。
圖4(a) 液氨充裝工廠周圍監(jiān)測(cè)路徑中氨氣濃度分布
圖4(b) 液氨充裝工廠下風(fēng)向900m處氨氣濃度分布
圖4(a)所示的是鎮(zhèn)海區(qū)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)中一家液氨充裝工廠周邊的大氣氨濃度測(cè)試結(jié)果。同樣以Google地圖為背景，其中紅色圓球標(biāo)識(shí)的為飛翔液氨充裝站工廠。圖中帶顏色標(biāo)記的為測(cè)試路線，獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍(lán)的顏色標(biāo)記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標(biāo)尺所示。測(cè)到大氣氨濃度最高值為760.4ppb，表明液氨充裝站可能存在一定程度的氨氣泄漏，應(yīng)當(dāng)引起安監(jiān)部門的重視。如圖4(a)所示，該儀器在離液氨充裝站直線距離約為900m的新琦新型建材公司附近也檢測(cè)到了明顯高于大氣本底濃度的氨，詳細(xì)濃度值分布見(jiàn)圖4(b)。由圖4(a)和(b)所示，高濃度所在位置點(diǎn)與液氨充裝站基本處于一條直線上，而且距離液氨充裝站直線距離越遠(yuǎn)氨濃度越低，說(shuō)明測(cè)試過(guò)程中大氣氨從液氨充裝站朝新琦新型建材公司擴(kuò)散，這剛好為當(dāng)天的風(fēng)向吻合。此結(jié)果再一次證明了海爾欣大氣氨激光分析儀具有探測(cè)范圍廣、靈敏度高的優(yōu)異性能。
采用海爾欣自主研發(fā)的車載式大氣氨激光開(kāi)路分析儀，分別對(duì)寧波市北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場(chǎng)、鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場(chǎng)、鎮(zhèn)海石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，三個(gè)目標(biāo)地點(diǎn)及周邊進(jìn)行了大氣氨濃度的測(cè)試，氨最大濃度值分別為349.3ppb、139.4ppb、760.4ppb，遠(yuǎn)高于大氣本底濃度，表明畜牧業(yè)存在著大量氨排放的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)引起有關(guān)部門的充分重視。
在鎮(zhèn)海馮記家禽養(yǎng)殖場(chǎng)、石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)分別對(duì)距離目標(biāo)地養(yǎng)雞廠和液氨充裝站直線距離900m處進(jìn)行了車載巡檢，均有高濃度數(shù)據(jù)顯示，表明分析儀具有探測(cè)靈敏度高，檢測(cè)下限極低的優(yōu)良特性。經(jīng)過(guò)車載一天幾百公里的長(zhǎng)途奔波，該分析儀未出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，表明儀器穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、抗震能力強(qiáng)。
隨著國(guó)人消費(fèi)升級(jí)和生活水平的上升，家禽家畜養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，畜牧業(yè)的氨氣污染問(wèn)題會(huì)越來(lái)越突出。氨氣的產(chǎn)生易對(duì)圈舍內(nèi)的雞、豬、牛等造成呼吸道感染，從而對(duì)畜牧業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。其次，農(nóng)業(yè)、林業(yè)等存在大量使用含氮肥料及家禽糞便的現(xiàn)象，也是氨氣產(chǎn)生的重要原因。另外在工業(yè)上，燃煤燃?xì)忮仩t在SCR或SNCR脫硝過(guò)程中；硝酸、尿素等化學(xué)肥料及醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料化工廠生產(chǎn)過(guò)程中；大型冷庫(kù)，機(jī)械設(shè)備冷凍媒制備過(guò)程中，液氨也無(wú)處不在，易產(chǎn)生氨泄漏事故。因此，大氣氨的排放及泄漏檢測(cè)和方案以畜牧業(yè)應(yīng)用為主，在農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)煙氣脫硝、含氮肥料和原料生產(chǎn)的化工廠、制冷及冷鏈運(yùn)輸行業(yè)等領(lǐng)域，都將有很好的應(yīng)用前景。為工業(yè)農(nóng)業(yè)的氨氣無(wú)組織排放控制及監(jiān)管，提供了一種全新的解決方案。
本公司特別鳴謝：中科院大氣物理研究所，大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭循華研究組，2018年國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備采購(gòu)項(xiàng)目資金支持。
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