氨氣(NH3)是大氣氮循環(huán)的重要組成部分，其呈堿性，對中和酸性氣體和懸浮微粒的形成至關重要，對維持生態(tài)平衡起著重要作用。但同時氨作為大氣污染源嚴重影響著人類的生存環(huán)境。氨是公認的應激源，是動物圈舍內最有害的氣體之一。氨不僅對家禽家畜、人體有直接的危害，對大自然環(huán)境也有強大的破壞力。近年來，氨作為霧霾的隱性元兇，引起了全社會的高度關注。生態(tài)環(huán)境部在2018年公布的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》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估及其精準溯源，越來越受到人們的重視。
1.1 氨氣對家禽家畜的危害:
氨氣容易誘發(fā)家禽、豬等動物的多種呼吸道疾病，提高肉雞腹水癥的發(fā)病率，導致蛋雞因此減少產蛋量，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)豬生產造成嚴重的經(jīng)濟損失。
1.2 氨氣對人體的危害:
氨氣是工業(yè)常用的制冷劑，也是常見的化工原料及產品，氨水儲罐是重大危險源。氨易溶于水、乙醇和乙醚，在水中溶解度很高，20℃時1體積的水顆溶解700體積的氨，氨的水溶液呈堿性，對呼吸粘膜有刺激性，嚴重時可發(fā)生堿灼傷，可引起眼睛流淚、灼痛，角膜和結膜發(fā)炎，視覺障礙等。氨氣進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 氨氣對環(huán)境的危害:
早在20年前歐洲就已經(jīng)開始研究氨沉積對土壤酸化和超營養(yǎng)的作用。畜牧排泄糞便中含有大量含氮物質是造成畜牧業(yè)污染環(huán)境的重要原因。排出的糞便若不通過處理，直接揮發(fā)出氨，經(jīng)空氣作用產生大量硝酸鹽，滲入地表水、地下水和飲用水中，促使水體“富營養(yǎng)化”并能產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)生化學反應而形成銨鹽，進而增加大氣污染物PM2.5顆粒物的濃度。
1.4 氨氣的重要排放源:
在美國，氨氣的產生和排放約80%來自畜牧業(yè)。歐洲環(huán)境署評估指出，超過80%的氨氣排放就是來自畜牧業(yè)的生產。就全球范圍而言，來自畜牧生產的氨大約占總比的50%。因此保護畜牧業(yè)的經(jīng)濟效益，保護人類健康，保護自然環(huán)境，防治大氣氨的排放迫在眉睫。高精度的檢測大氣中氨本底的濃度是第一步，也是極其重要的一步。高精度測量ppb級氨氣在大氣中本底濃度的儀器產品，目前普遍為進口，而且普遍都是閉路分析。對于氨這種粘性極強的分子，閉路測量無一例外會產生采樣誤差和管路對測量信號的遲滯效應，影響測量精度和響應速度。
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)、超聲風速儀、用戶界面）
圖1(b) 海爾欣HT-8700車載大氣氨移動巡檢觀測系統(tǒng)
海爾欣公司自主研發(fā)的大氣氨激光開路分析儀采用紅外激光吸收光譜技術(LDIR)，結合開路式多次反射氣體池，使得測量有效光程達數(shù)十米，實現(xiàn)了對大氣氨分子進行10Hz，亞ppb精度的高速測量。 此外，該大氣氨開路分析儀采用車輛移動平臺搭載的形式，形成一整套車載巡檢系統(tǒng)，如上圖1所示：車載大氣氨開路車載系統(tǒng)主要包括有：海爾欣大氣氨激光開路分析儀、坎貝爾公司CR3000數(shù)據(jù)采集、GPS模塊、超聲三維風速儀、實時云數(shù)據(jù)運算處理模塊。外場檢測中，激光開路分析儀可通過旅行架搭建在SUV車頂實時采集10Hz高速濃度數(shù)據(jù)，同時GPS實時采集經(jīng)緯度坐標數(shù)據(jù)，超聲風速儀可記錄該區(qū)域瞬時風向、風速，海量數(shù)據(jù)由4G或5G網(wǎng)絡傳回海爾欣數(shù)據(jù)服務中心的超級工作站，進行云端數(shù)據(jù)的提取、運算、分析、存儲，同時將運算結果實時傳回PC端，坎貝爾的CR3000數(shù)據(jù)采集模塊用于實時數(shù)據(jù)備份。海爾欣的整套方案結合創(chuàng)新的紅外激光光譜分析技術，4G或5G網(wǎng)絡傳輸，云端數(shù)據(jù)運算分析，為用戶提供精準的氨排放溯源及監(jiān)控結果。
在分析儀方面，海爾欣具備以下兩點突破性的優(yōu)勢：
1、避開了傳統(tǒng)的閉路氨分析儀器由于采樣管路的傳輸時間和吸附效應，響應速度很慢的缺點，創(chuàng)新性的采用開路測量方案，無需采樣，響應速度非常快，尤其適合車載平臺高速運動中收集到瞬時濃度變化，避免漏檢氨排放源；
2、開路分析儀無需采樣泵，依靠大氣的自然流動經(jīng)過光路分析，大大降低了整機功耗(50W)和質量(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合太陽能電池板可在無電網(wǎng)覆蓋區(qū)域部署，提高了用戶選擇測量點的自由度。
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)，分別對寧波市北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，三個目標地點及周邊進行了大氣氨濃度的車載巡檢測試，測試結果分別見圖2-圖4所示。
圖2 養(yǎng)殖場周圍監(jiān)測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)殖場及周邊的大氣氨濃度測試結果。圖2以Google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標識就是惠民生豬養(yǎng)殖場的所在地，圖中帶顏色標記的為測試路線。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍的顏色標記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標尺所示。測到大氣氨濃度最大為349.3ppb。圖2顯示有2個片區(qū)濃度值都超過了200ppb，一處為養(yǎng)豬場正門口，另一處為豬糞便堆積處，表明養(yǎng)豬場確實有大量的氨氣產生，同時隨著與養(yǎng)豬場的距離增加氨濃度值逐漸下降。
圖3(a) 駱駝馮記家禽養(yǎng)殖場周圍監(jiān)測路徑中氨氣濃度分布
圖3(b)鎮(zhèn)海大道上監(jiān)測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)殖場及周邊的大氣氨濃度測試結果。圖3(a)以Google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標識就是馮記家禽養(yǎng)殖場的所在地，圖中帶顏色標記的為測試路線，車載大氣氨開路分析儀的測試現(xiàn)場見小圖。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍的顏色標記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標尺所示。測到大氣氨濃度最大為137.0ppb，表明養(yǎng)雞廠確實有大量的氨氣產生和排放。圖3(b)顯示的是測試過程中儀器在鎮(zhèn)海大道上來回經(jīng)過養(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處仍能檢測到20-30ppb的大氣氨濃度，表明該儀器具有極低的檢測下限。
圖4(a) 液氨充裝工廠周圍監(jiān)測路徑中氨氣濃度分布
圖4(b) 液氨充裝工廠下風向900m處氨氣濃度分布
圖4(a)所示的是鎮(zhèn)海區(qū)石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)中一家液氨充裝工廠周邊的大氣氨濃度測試結果。同樣以Google地圖為背景，其中紅色圓球標識的為飛翔液氨充裝站工廠。圖中帶顏色標記的為測試路線，獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍的顏色標記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標尺所示。測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，應當引起安監(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到了明顯高于大氣本底濃度的氨，詳細濃度值分布見圖4(b)。由圖4(a)和(b)所示，高濃度所在位置點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氨濃度越低，說明測試過程中大氣氨從液氨充裝站朝新琦新型建材公司擴散，這剛好為當天的風向吻合。此結果再一次證明了海爾欣大氣氨激光分析儀具有探測范圍廣、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路分析儀，分別對寧波市北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，三個目標地點及周邊進行了大氣氨濃度的測試，氨最大濃度值分別為349.3ppb、139.4ppb、760.4ppb，遠高于大氣本底濃度，表明畜牧業(yè)存在著大量氨排放的現(xiàn)象，應當引起有關部門的充分重視。
在鎮(zhèn)海馮記家禽養(yǎng)殖場、石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)分別對距離目標地養(yǎng)雞廠和液氨充裝站直線距離900m處進行了車載巡檢，均有高濃度數(shù)據(jù)顯示，表明分析儀具有探測靈敏度高，檢測下限極低的優(yōu)良特性。經(jīng)過車載一天幾百公里的長途奔波，該分析儀未出現(xiàn)質量問題，表明儀器穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應能力強、抗震能力強。
隨著國人消費升級和生活水平的上升，家禽家畜養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，畜牧業(yè)的氨氣污染問題會越來越突出。氨氣的產生易對圈舍內的雞、豬、牛等造成呼吸道感染，從而對畜牧業(yè)造成經(jīng)濟損失。其次，農業(yè)、林業(yè)等存在大量使用含氮肥料及家禽糞便的現(xiàn)象，也是氨氣產生的重要原因。另外在工業(yè)上，燃煤燃氣鍋爐在SCR或SNCR脫硝過程中；硝酸、尿素等化學肥料及醫(yī)藥和農藥的原料化工廠生產過程中；大型冷庫，機械設備冷凍媒制備過程中，液氨也無處不在，易產生氨泄漏事故。因此，大氣氨的排放及泄漏檢測和方案以畜牧業(yè)應用為主，在農業(yè)種植、工業(yè)煙氣脫硝、含氮肥料和原料生產的化工廠、制冷及冷鏈運輸行業(yè)等領域，都將有很好的應用前景。為工業(yè)農業(yè)的氨氣無組織排放控制及監(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國家重點實驗室鄭循華研究組，2018年國家重點實驗室儀器設備采購項目資金支持。
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