利用微生物對畜禽糞便除臭的研究進展

劉 冰，劉麗麗

（天津師范大學生命科學學院，天津 300387）

1 引言

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖發(fā)展迅猛，但畜牧業(yè)產(chǎn)生的排泄廢物已經(jīng)成為重要的環(huán)境污染源，產(chǎn)生的大量惡臭氣體也成為7種典型的環(huán)境公害之一。惡臭氣體不僅污染空氣，對生態(tài)環(huán)境造成影響，而且有毒有害，會導致人畜疾病的傳播，影響周圍居民的生活和畜禽的健康生長。因此，惡臭污染的防治已經(jīng)引起世界各國的普遍重視。惡臭是由多種混合物形成的感官污染物，很難量化和評價，惡臭給人的感覺量(即惡臭強度)是與惡臭物質(zhì)對人嗅覺的刺激量的對數(shù)成正比,即符合Weber-Fecher定律：I=K×logC，式中 I—人對嗅覺的感覺量；K—常數(shù)；C—惡臭物濃度。上式說明,即使把惡臭物質(zhì)去除90%，人的嗅覺所感覺到臭氣濃度卻只減少一半，這就決定了防治惡臭比防治其它大氣污染物更困難。

2 惡臭污染的控制

2．1 主要的惡臭化合物及對人體的危害

畜禽糞便產(chǎn)生的臭氣成分復雜，主要是氨氣、含硫化合物、胺類和一些低級脂肪酸等化學物質(zhì)，按化學組分通?？煞譃槲孱悾阂皇呛蚧衔铮缌蚧瘹?、硫醇類、硫醚類等；二是含氮的化合物，如氨、胺類、吲哚類等；三是鹵素及其衍生物,如氯氣、鹵代烴等；四是烴類，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；五是碳、氫、氧組成的化合物，如低級醇、醛、酚、脂肪酸等。氨氣和硫化氫是臭氣中最主要的成分，國家規(guī)定的惡臭污染物排放標準（GB14554-93）有以下物質(zhì)：氨、三甲胺、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯。

臭氣的物質(zhì)種類繁多，影響范圍大，并且嚴重危害人體健康，它對人體的毒害是多方面的，包括神經(jīng)系統(tǒng)，呼吸系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)，消化系統(tǒng)，內(nèi)分泌系統(tǒng)等。長期受到惡臭的持續(xù)作用會使人煩躁、憂郁、失眠、注意力不集中、記憶減退，從而使學習和工作效率降低。

2.2 惡臭治理的方法及其利弊

2.2.1 物理方法

2.2.1 .1 吸附法

即利用有吸附能力的多孔性物質(zhì)吸附惡臭分子。當污染物濃度很低時又會導致活性炭吸附效率降低，除臭成本增加。

2.2.1 .2 掩蔽法

通過天然的芳香類物質(zhì)或香料掩蔽或抵消異味，沒有達到真正消除有害氣體的目的。

2.2.1 .3 光催化氧化除臭法

利用二氧化鈦作為催化劑的光催化氧化法對臭氣有較好的去除作用。常見的光催化劑多為金屬氧化物和硫化物，實用性較好的有二氧化鈦和氧化鋅,其中二氧化鈦使用最為廣泛。

2.2.1 .4 臭氧氧化法

由于臭氧是極強的氧化劑，可以分解硫化氫等無機化合物及硫醇、乙醛、苯、酚等有機化合物。但是，臭氧也是有臭味的，濃度高時，對人體也有毒性。

2.2.2 化學方法

2.2.2 .1 化學吸收法

通過溶液中的化學試劑與臭氣化合物發(fā)生化學反應，改變臭氣成分在液相中的濃度，降低了臭氣的釋放。例如：臭氣成分H2S可以用堿液吸收，而NH3可以用酸性溶液吸收。

2.2.2 .2 高溫氧化法

具有臭味的碳氫化合物在有氧條件下，加熱到700～1 400℃被轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣。但是，當惡臭濃度很低時，此種方法成本高。

2.2.2 .3 化學清洗法

將清洗劑在反應室中霧化或形成微小的液滴，然后與通過的臭氣化合物反應消除臭氣物質(zhì)?；瘜W清洗法對去除多種臭氣和可溶性化合物都有效果，但是其操作成本高。

2.2.3 生物方法

2.2.3 .1 天然植物提取液噴霧法

天然植物除臭劑是從天然植物中提取而成，含有多個共軛雙肩體系，具有較強的提供電子對的能力，經(jīng)過提取、復配，霧化形成氣態(tài)分布在污染區(qū)空氣中,表面形成極大的表面能，可以吸附空氣中的臭氣分子，與臭氣分子發(fā)生作用，最終生成無害、無臭的分子，如氮氣、水等。

2.2.3 .2 微生物除臭

利用微生物將惡臭有機污染物降解或轉(zhuǎn)化為低害或無害物質(zhì)的過程。惡臭氣體帶有活性基團，被液體吸收后特別容易被生物氧化，惡臭氣味就會消失，從而達到除臭目的。

3 利用微生物除臭

3.1 微生物除臭原理

生物除臭法是利用微生物將惡臭氣體中的有機污染物降解或轉(zhuǎn)化為無害或低害物質(zhì)的過程。已知惡臭氣體的成分大都是胺類、醛類、酮類以及脂肪族的、芳香族的氮或硫化物，帶有活性基團的這些物質(zhì)被液體吸收后，特別容易被生物氧化，當活性基團被氧化后，惡臭氣味就會消失。一般認為這就是生物除臭工藝的基本原理。微生物除臭是多種微生物共同作用的結(jié)果。多種微生物共同作用更有利于吸收、分解產(chǎn)生的SO2、H2S、CH4等具惡臭味的有害氣體。同時,這些微生物又可以產(chǎn)生無機酸,形成不利于腐敗微生物生活的酸性環(huán)境,并從根本上降解分解時產(chǎn)生惡臭氣體的物質(zhì)。臭氣經(jīng)不同種類生物分解后，產(chǎn)物不同，如含氮的臭氣，經(jīng)微生物的氨化作用后，分解為NH3，NH3又經(jīng)亞硝化細菌、硝化細菌的作用,進一步氧化為穩(wěn)定的硝酸態(tài)化合物；而含硫的臭氣首先被轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,經(jīng)微生物分解后產(chǎn)生H2S，H2S經(jīng)硫細菌氧化再轉(zhuǎn)化為硫酸或硫酸鹽類化合物。

3.2 微生物除臭的過程

惡臭氣體的生物處理技術相對復雜，其作用機理也在探索之中。根據(jù)一系列分析以及實驗研究，一般認為生物膜凈化臭氣可以概括為3個步驟：

①將部分臭氣由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟膫髻|(zhì)過程，即臭氣通水接觸并溶于水中；②溶于水中的臭氣在濃度差的推動下進一步擴散至生物膜，進而被其中的微生物捕捉并吸收。不溶于水的臭氣先附著在微生物體外,由微生物分泌的胞外酶分解為可溶性物質(zhì),再滲入細胞；③臭氣進入微生物體內(nèi)后,在其自身代謝的過程中作為營養(yǎng)物質(zhì)和能源被微生物所分解、利用，經(jīng)生物化學反應最終轉(zhuǎn)化為無害化合物，使臭氣得以消除。

3.3 常用的微生物除臭方法

由于微生物除臭法具有物理和化學方法所無法比擬的優(yōu)勢，所以發(fā)展很快，各國對于惡臭氣體也多采用微生物除臭技術進行治理。微生物除臭法原理基本相同，但除臭過程有所不同，主要有活性污泥除臭法、生物過濾除臭法和新型除臭劑。

3.3.1 活性污泥除臭法

活性污泥除臭法包括曝氣除臭法和洗滌法。活性污泥曝氣除臭法的原理是將惡臭氣體通過鋪設在曝氣池底部的空氣擴散裝置以曝氣形式分散到活性污泥的混合液體底部，臭氣溶解于混合液中，通過懸浮的微生物降解惡臭氣體。另一種原理與活性污泥曝氣法十分相近的除臭方法稱為活性污泥洗滌法，原理是讓活性污泥和惡臭氣體充分接觸，通過活性污泥中懸浮生長的微生物的代謝活動降解溶解的惡臭物質(zhì)。所需體積比活性污泥曝氣法更小，活性污泥可以循環(huán)使用，可以長期以較高的除臭效果運轉(zhuǎn)，運行費用低，效果較好。但需要定期加入新鮮污泥和排除剩余污泥。

3.3.2 生物過濾除臭法

生物過濾除臭法處理臭氣是通過附著在固體過濾材料表面的微生物降解惡臭氣體來脫臭的，該方法的主要原理是惡臭氣體經(jīng)過去塵增濕或降溫等預處理工藝后，從填料層底部由下向上穿過填料，惡臭氣體由氣相轉(zhuǎn)移到水和微生物組成的混合物，在通過固著于填料上微生物的代謝作用而被分解掉。生物過濾除臭法包括生物濾池除臭法和生物滴濾池除臭法兩種。①生物濾池除臭法具有較強的惡臭去除能力、裝置簡單、能耗低、不受冬季寒冷氣候的影響、運行和維護費用很低的優(yōu)點。但也有一些缺點：占地面積大、除臭過程不易控制，且填料也需要定期更換。另外對于某些成分復雜和高濃度的惡臭處理有局限性，使其應用受到一定的限制。盡管如此，在實際中仍然得到廣泛應用。②生物滴濾池除臭法的除臭過程和生物濾池除臭法相近，只不過使用的濾料是不能提供營養(yǎng)物質(zhì)的惰性材料。在生物滴濾池中，只有能降解某些惡臭物質(zhì)的微生物附著在填料上，不會像生物池中混合微生物同時消耗濾料是有機質(zhì)，所以池中的微生物數(shù)量很大；同時生物滴濾池的操作條件容易控制。生物滴濾池有比生物濾池更大的污染負荷，同時還有很大的緩沖能力，即使營養(yǎng)物質(zhì)中斷供應幾天后，系統(tǒng)仍然能保持很高的脫臭效率。但由于系統(tǒng)操作復雜，其應用受到一定的限制。

3.3.3 新型除臭劑

新型除臭劑是近幾年開發(fā)的一種可以有效去除臭氣，并且安裝簡單的新技術。微生物新型除臭劑是將篩選到的高效除臭微生物固定在載體上，制成一定的劑型，惡臭氣體通過時達到除臭的效果。張永珍等試驗EM產(chǎn)品除臭效果，EM是有效微生物群（Effective Micro-organisms）的簡稱，它是一種治理環(huán)境污染的生物新產(chǎn)品，是由乳酸菌、酵母菌、放線菌及光合細菌等10個種屬80多種微生物復合培養(yǎng)而成。在試驗中，分為兩部分，一是食用試驗，即把EM制劑加到飼料中喂雞，在雞腹中進行EM的生物效應，使排出的雞糞減輕臭味；二是噴灑試驗，即把EM制劑潑灑到雞糞上，經(jīng)過兼性厭氧消化達到除臭目的。通過對現(xiàn)場及實驗室內(nèi)的官能測定結(jié)果分析得出，向飼料中添加EM及糞便上潑灑EM液，對減少惡臭氣體能夠起到一定的作用，在使用EM后，試驗區(qū)空氣中NH3的濃度下降了75%以上；且通過嗅辨組成員能夠嗅出雞舍內(nèi)的惡臭情況有所改善。同時，除臭劑還可控制堆肥過程中氮類物質(zhì)積累，提高氮養(yǎng)分保留率。因此，除臭菌劑對堆肥養(yǎng)分的增加表現(xiàn)出較強的優(yōu)勢。微生物除臭劑價格低，裝置簡單，效果穩(wěn)定，與其它除臭方法比較，具有投資少、維護管理費用低的特點，在市場上很有潛力。

4 微生物抗菌除臭的應用前景

近年來，惡臭污染會對人體產(chǎn)生不容忽視的危害以及各國對惡臭造成的環(huán)境污染的關注,致使對惡臭的處理研究也日益活躍。雖然微生物脫臭法的歷史尚短、部分工作還停留在實驗階段，但由于其具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢性和安全性，發(fā)展?jié)摿蛻们熬跋喈攺V闊。

4.1 微生物抗菌除臭的意義和優(yōu)勢

微生物除臭技術及微生物除臭劑在研究與應用中的意義及優(yōu)勢如下：綠色環(huán)保，不含任何化學藥品，也不含轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品成份，不會造成二次污染；處理功效高，運用微生物除臭技術大大增強了其處理污染的功效；適應性更廣，微生物除臭技術特別是混菌微生物除臭劑降低微生物生存條件要求，增強適應性，適應多種溫度和pH值范圍，在低氧環(huán)境中也能有效發(fā)揮作用；針對性強，微生物除臭技術可廣泛適用于不同領域、不同用途和不同的污染環(huán)境，并可根據(jù)具體治理對象的具體情況，專門研發(fā)出有針對性的、最具效力的配方；治理成本最低，微生物除臭技術具有標本兼治的特點，不用征地建廠或購買龐大設備，綜合治理成本和動態(tài)投資成本最低，且治理效果顯著；化害為益，使得廢物循環(huán)再用。

4.2 微生物除臭存在的問題及展望

由于受研究和發(fā)展時間的限制，微生物脫臭尚有許多亟待解決的問題，主要有：適合于特定惡臭有機物降解的微生物菌種篩選和馴化的方法；惡臭氣體的去除率與工藝參數(shù)之間的關系還需要定量化；裝置與設備的設計制造和施工還需規(guī)?；?；對高濃度的惡臭廢氣、復雜的混合氣體處理還有待研究；混合菌發(fā)酵工藝有待優(yōu)化。

微生物除臭具有廣闊的應用價值和研究前景，微生物菌劑的安全和有效劑量的研究成為研究熱點，而且研發(fā)高效、經(jīng)濟、環(huán)保的混合菌種的研究意義深遠。微生物除臭技術將對我國畜禽糞便無害化、資源化產(chǎn)生積極地推動作用。

［1］趙晨曦,蘭時樂,禹逸君.雞糞除臭微生物菌群的篩選和應用[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2005,(1):68-70.

［2］石磊,邊炳鑫,趙由才,等.城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場惡臭的防治進展[J].環(huán)境污染治理技術與設備,2005,6(2):6-9.

［3］吳希文,李秀英,黃國強,等.惡臭污染影響評價概論[J].環(huán)境科學動態(tài),2002,2:21-23.

［4］紀樹滿.惡臭污染的防治[J].重慶環(huán)境科學,1999,21(2):27-28.

［5］ 簡保權,朱舒平,鄧昌延,等.豬糞堆肥過程中 NH3和H2S的釋放及除臭微生物的篩選 [J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(2):183-186.

［6］李順義,張紅娟,郭夏麗,等.畜禽糞便堆肥過程中氨揮發(fā)及調(diào)控措施[J].農(nóng)機化研究,2010,1:13-17.

［7］徐曉軍,余光輝,賈佳.固定化優(yōu)勢菌種處理NH3和H2S惡臭氣體[J].化工環(huán)保,2006,26(1):9-11.

［8］周耀明,張恒.生活垃圾降解菌除臭效果比較研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2007,35(26):8312-8313.

［9］袁嶸.植物提取液噴淋除臭法與離子除臭法的適應性分析[C].第五屆處理行業(yè)熱點技術論壇文選等,2010:88-89.

［10］胡和平,羅剛,劉軍,等.生物技術在惡臭氣體處理中的應用研究[J].能源環(huán)境保護,2006,20(5):1-4.

［11］高華,秦清軍,谷潔,等.除臭菌劑在家禽糞便無害化處理中的效果研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版),2004,32(11):61-63.

［12］岑運華.生物脫臭法及其應用分類[J].污染防治技術,1993,(6):8-11.

［13］屈艷芳,葉錦韶,尹華.生物過濾法處理城市污水處理廠臭氣[J].生態(tài)科學,2005,24(1):18-20.

［14］徐桂芹,張杰,姜安璽.工程菌古代化生物濾池除臭效能影響研究[J].黑龍江大學自然科學學報,2007,24(4):427-429.

［15］馬彥博,白東英,鄧雯.EM制劑在蛋雞生產(chǎn)中的應用效果實驗[J].家畜生態(tài),2003,24(4):17-18.

［16］李占華.煉化污水處理場惡臭防治分析[J].河北化工,2006,29(3):61-62.