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在工業和民用領域，我們經常可以看到利用高壓水霧，來去除工業生產過程中及工程施工作業過程中所產生的粉塵的有效案例。因而，在畜牧養殖業，也大可采取這種方法，來處理畜禽舍排出氣體中的粉塵和臭氣成分，從而解決養殖場周邊因氣味引起的居民投訴問題。由于高壓水霧設備有著投資少、安裝便捷、運行成本低等優點，在近幾年的國內環保壓力下，許多養殖場都采用了這種實惠的除塵除臭方案。但根據現有的反饋，有大量客戶在使用后，感覺這套方案的實際除臭效果有限，或是持續作用時間過短。究其原因，無外乎設備本身的性能問題，以及配套組件選用時的設計問題。有鑒于此，本文將以高壓水霧除塵的機理為出發點，通過分析豬舍廢氣的特點，并結合高壓水霧系統的部分參數指標，來進一步探討如何優化高壓水霧設備在養殖場廢氣凈化中的使用效果，供正在使用和準備采用高壓水霧除臭的朋友參考。
一．           高壓水霧除塵（除臭）的原理
新瑞佳-高壓水霧系統是通過增壓設備（高壓泵），將經過過濾的清水送入高壓管道，并通過霧化噴嘴，噴射出大量的、具有一定沖擊速度的水霧化顆粒。霧化設備根據霧化工藝可分為壓力霧化、氣流霧化及超聲霧化等幾種工藝；根據霧粒的粒徑大小分為干霧、細霧、微霧、水霧等。干霧和細霧多用于消毒和加濕，這些在養殖場也經常使用，霧化消毒時一般在水中會添加一些藥劑及化學制劑；在某些干燥地區或干燥的季節通過噴霧實現加濕或降溫效果。還有在水中添加生物或化學除臭劑，通過噴霧設備形成細霧，在舍內達到去除氨氣和臭味的目的。在霧化除塵領域，通常是采用微霧和水霧。本文討論的內容涉及的就是利用高壓產生的微霧和水霧實現除塵除臭的這一領域。當采用高壓水霧設備產生具有一定初速度的霧化水滴顆粒，進入含有粉塵的氣流中時，便會藉由慣性，撞擊氣體中的固體顆粒物，迅速的捕集、吸附、凝結，最終形成包裹著顆粒物的固液混合顆粒，在重力的作用下沉降到地面，從而實現除塵。畜禽舍排出的廢氣，主要是由粉塵和臭氣物質組成，粉塵中，又以飼料粉塵居多——有數據表明，豬舍空氣中≥7μm的粉塵顆粒，有91%都是來源于飼料①；而臭氣物質的成分則更加復雜，據相關文獻描述，這類臭氣成分多達200~300種。不過在這之中，占比較多的仍是氨氣，硫化氫其次，其余的臭氣物質，則多屬于有機臭氣成分，雖然它們的占比很小，但臭氣閾值卻很低，人們也很容易聞到它所散發出的臭味。好在，這些臭氣物質并不是以氣態獨立存在于廢氣之中，而主要是附著在粉塵之上，以氣溶膠的形態懸浮于空氣中。所以，高壓水霧系統凈化畜禽舍廢氣的本質是通過去除粉塵氣溶膠的機理，達到除臭的目標。關于高壓水霧除塵，國內外的科研人員，已經通過大量的實驗研究，確認水霧顆粒與粉塵氣溶膠在微觀層面上，能夠藉由慣性碰撞、截留、布朗擴散、重力效應、電荷效應等多種作用力的相互影響下，實現除塵。（如圖1所示） （圖1）噴霧降塵機理由于以上幾種作用的相互關系太過復雜，在這里不再展開，從結論上說就是：氣霧顆粒與粉塵氣溶膠的幾種相互作用力并不是同時發生的，而是會根據實際的應用場景、處理物的影響，而發生不同的相互作用。但總的來說，“慣性碰撞”和“截留”在其中起到的作用是最大的，兩者的具體效果，則取決于實際情況下，粉塵氣溶膠顆粒的大小和霧粒的性質（粒徑、運動速度及單位體積內霧粒的密度等）因素。

一．           空氣顆粒物的概念劃分
為了便于理解，在這里我們先把“粉塵”、“總懸浮顆粒物”以及“氣溶膠”這三個概念梳理一下。首先是粉塵：在國際標準化組織的規定中，粒徑＜75μm固體粒子的懸浮體被統稱為“粉塵”。這個概念比較籠統，通常只用于工業通風除塵領域，再加上近些年大眾對大氣污染物的關注，所以我們更常聽見的其實是諸如“懸浮顆粒物（PM）”、“PM10”、“PM2.5”這些空氣動力學和環境氣象學領域的描述。而懸浮顆粒物，就是懸浮在大氣中的固體或液體顆粒狀物質的總稱：粒徑小于100μm的顆粒物被稱為TSP（Total Suspended Particulate），也就是“總懸浮微粒”，又稱“總懸浮顆粒物”；而粒徑小于10μm的則被稱為PM10（Particulate Matter 10），即“可吸入顆粒”；粒徑小于2.5μm的，就是我們所熟知的PM2.5（Particulate Matter 2.5）了。所以說，TSP和PM10在粒徑上存在著包含關系，即“PM10為TSP的一部分”。而氣溶膠，則是指懸浮于氣體中的，粒徑在0.001~100µm的固體或液體微小粒子所形成的膠溶狀態分散體系。因此，氣溶膠也可以看作是總懸浮顆粒物（TSP）中的一部分。說到這里，就有必要強調一下“粒徑”這個概念了。雖然粒徑是用來描述顆粒物的大小的，但上文中的顆粒物“粒徑“，并不是指顆粒物本身的真實直徑，嚴格意義上講，其實是空氣動力學中的當量直徑D_p ，這一點在這里也不再展開，感興趣的可以自行查閱。

二．           豬舍空氣中顆粒物的特點那么測量顆粒物粒徑的主要目的，其實就是為了研究顆粒物的運動特性。大氣中的顆粒物，小的能有0.001μm，大的則可以達到1000μm以上。作為對比，粒徑大于50μm的顆粒物，在自然條件下受重力作用影響，會很快沉降到地面，只能在大氣中滯留幾分鐘~幾小時左右；而粒徑為0.1μm的顆粒，不但會大幅削減自身的重力影響，在大氣中滯留相當長的時間，而且還能漂浮到很遠的地方。所以一般情況下，習慣上把10μm以上的稱作“降塵”，10μm以下的稱作“浮塵”。國內外對豬舍內及其排出氣體的顆粒污染物和氣溶膠顆粒物的研究有很多，比如黃凱、唐倩等著的《冬季不同類型豬舍內顆粒物與微生物氣溶膠濃度分布規律研究》②中，就通過實地測量，記錄了冬季妊娠舍、分娩舍、保育舍這三種豬舍的舍內空氣顆粒物（TSP、PM10、PM4、PM2.5、PM1）的質量濃度（見下表2）。從數據我們可以看出，在豬舍內，不同粒徑的顆粒物中，PM10以下的浮塵約占44%，而大于PM10的降塵則明顯占比更多。此外，許穩、劉學軍等著的《不同階段豬舍氨氣和顆粒物污染特征及其動態》③中也指出，豬舍空氣中的顆粒物以10-100μm的降塵為主，在保育舍和育肥舍中分別占總懸浮顆粒物質量濃度的82%和63%；劉楊等在《育肥舍氣溶膠產生規律和減排方法研究》④論文中也總結道：豬舍空氣中的顆粒物粒徑分布，均以10~100μm所占比例最高，在四個季節中占比均已超過60%，春季甚至超過75%。雖然以上數據中的數值均有所偏差，但已經能夠確定豬舍排出的廢氣中，顆粒物及氣溶膠的粒徑以10-100μm降塵比例最多，其次是PM10（浮塵）。 綜上所述，采用高水噴霧除臭設備凈化豬舍排放廢氣的核心目標應該是通過高壓噴霧產生的霧滴，最大限度的捕集不易沉降的PM10，同時加快粒徑范圍在10-100μm這些可沉降粉塵的沉降速度。

三．           除塵（除臭）效果的影響因素

除塵效率的影響因素除了粉塵氣溶膠顆粒的大小之外，另一重要因素是高壓噴霧產生的霧粒的物理參數，包括霧粒的粒徑、霧粒的運動速度及霧粒的密度。對于高壓水霧除塵的研究結果證明，當粉塵顆粒物粒徑不變時，霧粒的粒徑越小，捕集的效果就越好，這是因為在相同的體積空間，霧滴粒徑越小，霧滴的數量就越多，與粉塵顆粒物撞擊的機率越高；而霧滴粒徑越大，霧滴的數量越少，與粉塵顆粒物的碰撞機率就降低。但當霧粒粒徑小到一定數值后，隨著霧粒粒徑的變小，霧粒的蒸發也會變快，捕集的效果就又會變差了，所以如何確定霧粒的粒徑，就成為了影響除塵效果的核心問題。在這里還需要特別說明一下，霧粒的“總捕集率”和噴霧系統的“總降塵率”其實不是一回事：降塵率是指包含粉塵顆粒的液滴和包含氣霧顆粒的氣流的分離效率，追求的是最終的降塵結果。而當霧粒直徑過小時，雖然從過程上講，霧粒的“總捕集率”會上升，但由于蒸發等因素，從結果上無法對粉塵進行有效捕集，所以實際上的“總降塵率”是不增反降的。此外還有一點要考慮的是，已經被捕集的塵粒，處于飽和狀態時受溫度的影響較大，飽和液滴此時容易破裂蒸發，所以也會導致最終塵粒捕集失敗。由此可見，霧粒過大或過小，都會影響到降塵的效果，對于粒徑大小已經確定的塵粒，我們也需要對癥下藥，選用除塵率最佳的霧滴。由于PM10以下的粉塵會影響人的呼吸道健康，所以此前的研究人員，主要都在研究這一范圍內的顆粒物。從結論上說，針對PM10以下的顆粒物，美國研究人員測得效果最佳的霧滴粒徑是100-200μm；而前蘇聯的學者則認為40-100μm的霧粒更容易和粉塵碰撞，從而達到最佳捕塵的效果。近年來計算流體力學（CFD）技術的應用，使得國內的研究人員也通過模擬和實驗，測得在綜合環境下，粒徑在100μm左右的霧粒捕塵能力最強；而當把環境濕度限定在不容易汽化的前提下時，粒徑在50μm左右的霧粒，對捕獲呼吸性粉塵的效果最佳。參考以上數據之后我們大致可以認定，為了達到理想的捕塵效果，豬舍排氣凈化除臭選用的高壓霧化系統的霧粒粒徑應該在50-100μm之間。霧粒的運動速度，在理論上講提高霧粒的運動速度會加強氣流的渦流運動強度，渦流運動強度與霧粒運動速度的平方成正比，因此渦流運動強度的提升，能夠提高霧粒與粉塵顆粒的碰撞次數，使除塵效率提高。這一點可以簡單理解為霧粒速度提高后，霧粒獲得了更多的動能，所以拉長了在粉塵氣流中運動的距離和時間，提高了粉塵與霧粒的碰撞次數，并最終獲得了更佳的除塵效果。而增加單位體積內霧粒的密度，其實質也是提高霧粒與粉塵顆粒的碰撞次數，提高降塵效率。霧粒的粒徑、速度和密度這幾個參數是相互關聯的，就單個霧化噴嘴來說，當確定了霧粒的粒徑范圍，那么就要選定噴嘴類型和工作壓力，隨之霧滴的初始速度和流量等也就基本確定了。根據高壓噴嘴的特性，高壓霧化系統的壓力越高，霧化顆粒的粒徑就越小，單位體積內霧粒的密度越高，噴嘴的流量就越大；但并不是壓力越高越好，因為壓力的提高到一定數值后，除塵的效率提高的程度有限，但耗水量確實成倍的提高，設備能耗也大幅增加，設備投資和運行成本都不經濟。有關這點前文也有論述。設備的水流量除了需要根據排放廢氣的總量及對除臭效率的設定來計算，但還有另一重要方面，就是用戶對水消耗量的認可范圍，因為高壓水霧消耗的水量是一次性損耗的，不能循環使用。
結論

        以上通過對高壓水霧除塵機理的研究分析，可以認為利用高壓水霧設備凈化畜禽舍廢氣中的臭氣的核心點是控制霧化水滴顆粒的粒徑范圍、運動速度和密度，即霧化水滴的粒徑在50-100μm之間的集中度越高、與廢氣氣流的相對速度越大、單位體積廢氣里霧粒的密度越高，那么除塵除臭的效率就會越高。實際設計和應用中就是要通過這幾個核心參數來配置高壓水霧設備，同時要滿足用戶對除塵效率、水的消耗量及投資利用率的要求。河南新瑞佳實業有限公司專業生產高壓微霧除臭系統功能、養殖場噴淋除臭消毒系統，可為養殖企業定制除臭系統。