高溫生物降解法在病死畜禽無害化處理上的應(yīng)用

朱紅軍，匡佑華

（1.灌云縣南崗鄉(xiāng)動物防疫檢疫站，江蘇 連云港 222200；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高，國內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模和畜禽養(yǎng)殖量不斷擴(kuò)大、增加。張緒美等[1]曾經(jīng)預(yù)測過，到2020 年畜禽存欄量將達(dá)到家禽57 億羽、牛1.8 億頭、羊4.78 億只、豬7 億頭。然而，每年因疾病引起的動物死亡率：家禽約12%～20 %、牛約2%～5 %、羊7% ～9 %、豬 約8% ～12 %，其他家畜死亡率在2 %以上[2]，根據(jù)以上報道可預(yù)測在2020 年我國僅豬只的死亡數(shù)量將達(dá)到7 000 萬頭左右。2018 年我國非洲豬瘟首發(fā)，此病目前無藥可治，致死率百分百，且傳染性極強(qiáng)，一旦確診只能進(jìn)行大量撲殺，自非洲豬瘟發(fā)生到2019 年1 月中旬時，已累計撲殺生豬91.6 萬頭。目前疫情雖有所控制，可一旦發(fā)生此疫病，撲殺數(shù)量仍是相當(dāng)大，數(shù)量不可小覷。另外，撲殺后的無害化處理也十分重要，如處理不當(dāng)會導(dǎo)致土壤、水源等污染，并且還會造成疫病進(jìn)一步的傳播。目前，在病死畜禽無害化處理方面仍有不當(dāng)之處，如地點(diǎn)不統(tǒng)一、成本高及技術(shù)差，違法所得致病死畜禽流入市場，亂扔亂丟等現(xiàn)象[3-4]時有發(fā)生。常見的無害化處理病死畜禽方法主要有焚燒、深埋、堆肥、化尸窖、化制和高溫生物降解法（High Temperature Biodegradation Method，HTBM）等六種方法[5-6]，而采用HTBM 存在的弊端報道甚少。因此，文章旨在介紹HTBM 在病死畜禽上的作用機(jī)理、工藝流程以及技術(shù)應(yīng)用，為推廣HTBM 在處理病死畜禽上提供參考。

1 無害化處理病死畜禽的方法

焚燒法常用于小型養(yǎng)殖場，在處理過程中還需大量燃料，可能會對空氣造成污染，不適用于大型養(yǎng)殖場[2,7]；深埋法是目前最常見的病死畜禽處理方法，但對地下水和土壤的污染嚴(yán)重，此方法正在逐漸淘汰[8-9]；堆肥法在處理動物尸體時需大量碳原料，全程的科學(xué)管理和監(jiān)控，如管控不嚴(yán)易造成疫病傳播[10]；化尸窖法易受季節(jié)和區(qū)域溫度的影響，且不能循環(huán)利用，若密封不好也易造成疫病傳播[11]；化制法在處理過程中易產(chǎn)生惡臭和血水，會滋生病原微生物，不僅污染地下水源，還能通過空氣傳播病原體發(fā)生疾病[12]；而HTBM 是將生物降解法與化尸窖法兩者結(jié)合優(yōu)化所得的方法，在處理過程中全程實(shí)行自動化，操作簡單，設(shè)備占地面積小，不產(chǎn)廢水和廢氣，無異味，不污染環(huán)境，不需高壓和鍋爐，無安全隱患，不影響居民的生活，同時該技術(shù)運(yùn)行成本低，可有效地減少因處理費(fèi)用過高或操作復(fù)雜等因素導(dǎo)致的尸體亂扔現(xiàn)象，達(dá)到無害化處理成本低、病死畜體積減量化目的[13]。目前，HTBM 在部分縣市已經(jīng)在推廣使用，并取得了不錯的生態(tài)效應(yīng)和應(yīng)用效果。

2 HTBM 的作用機(jī)理

2.1 尸體自溶

機(jī)體死后，在其本身所釋放酶的作用下，組織細(xì)胞發(fā)生分解，各器官組織發(fā)生變軟或液化等情況，此情況稱為自溶[14]。在自溶過程中，溫度的高低及何原因?qū)е碌乃劳觯瑑蓚€因素均對自溶的速度有很大的影響。一般來說，高溫可促進(jìn)尸體的自溶，低溫可延緩尸體的自溶。例如在夏天死亡的畜禽，其尸身腐敗的速度比在冬天死亡的要快；此外在動物死后，將尸體放置冷藏室的目的就是為了延長尸體保存時間，其作用機(jī)理就通過降低周圍環(huán)境和尸體自身的溫度，讓自溶速度變慢或停止。另外，由于機(jī)械性導(dǎo)致的損傷性和窒息性死亡、中毒和電擊導(dǎo)致的死亡以及應(yīng)激性死亡的動物，當(dāng)其急性死亡時，體內(nèi)仍有大量活性酶，體溫緩慢冷卻，導(dǎo)致快速自溶；而死于慢性消耗性疾病的動物，由于體內(nèi)的長期消耗，導(dǎo)致體內(nèi)缺乏活性酶，體溫低，冷卻速度快，自溶速度就慢下來了[15]。

2.2 尸體腐敗

動物死后，存在其體內(nèi)的細(xì)菌會迅速發(fā)揮作用，尸體自溶速度加快，尸體開始腐敗分解。此時在其皮膚表面會出現(xiàn)腐敗的綠斑和水泡，并在尸身多處產(chǎn)生靜脈血管網(wǎng)[16]。肌肉和皮下組織的表面因腐敗細(xì)菌產(chǎn)生的大量腐敗氣體而呈氣腫狀，隨著腐敗氣體的繼續(xù)產(chǎn)生，尸體開始膨脹和變形，尸體還會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：鼻子和嘴巴流出腐敗的血水、眼球突出、嘴唇外翻、胃內(nèi)容物被壓出等，然后尸體的完整性被摧毀，直至僅剩不能分解的骨頭。此外，尸體周圍環(huán)境的溫度也是影響尸體腐敗的主要因素。有報道，當(dāng)環(huán)境處于25 ～35 ℃溫度時是最適宜腐敗發(fā)展的條件；當(dāng)環(huán)境處于0 ～1 ℃的低溫或45 ～55 ℃的高溫時，均會發(fā)生腐敗變慢或停止的情況[17]。

2.3 外源性微生物

通常HTBM 在高溫下對尸體進(jìn)行滅菌后會在尸體周圍混合一定量輔料如鋸末、稻草、稻殼和生物酶，利用輔料中多種外源性微生物對尸體進(jìn)行“三化”：礦質(zhì)化、腐殖化和無害化，將復(fù)雜的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性的營養(yǎng)物質(zhì)和腐殖質(zhì)。同時，堆積時所產(chǎn)生的溫度高達(dá)50 ～70 ℃，其溫度能夠殺死尸體中的病原體，從而達(dá)到無害化的目的[15]。在微生物作用下分解尸體有機(jī)物的過程中，尸體主要給外源性微生物的活動提供氮源，輔料中的含碳物質(zhì)則提供碳源，從而分解生成微生物、二氧化碳和水等，同時釋放出能量[18]。

3 影響HTBM 的因素

3.1 溫度和氧氣

溫度是影響微生物活動、分解速度和滅菌效果的關(guān)鍵因素。有研究發(fā)現(xiàn)，在冬季降解罐內(nèi)溫度維持在22 ℃時，其降解速度比溫度維持在6 ℃時更快[19]。杜少甫等[20]研究發(fā)現(xiàn)，使用生物降解酶（含枯草芽孢桿菌、絲狀菌等）處理粉碎后的病死豬時，75 ～85 ℃試驗(yàn)組比常規(guī)自然發(fā)酵的對照組和60 ～70 ℃試驗(yàn)組的降解速度更快，重金屬含量較低，干物質(zhì)、氮、鈣、磷含量較高，生物降解效果較好。由此可見，降解時溫度對生物降解速度有一定的影響。另外，在好氧生物降解中，溫度一般通過氧氣量調(diào)節(jié)。供應(yīng)充足氧氣才能保證微生物的活性，加快堆體溫度上升；而氧氣不足則導(dǎo)致微生物處于厭氧狀態(tài)，降解速度緩慢，堆體溫度下降，還會產(chǎn)生有毒氣體[21]。由于HTBM 的降解菌多數(shù)是通過好氧呼吸獲得能量的好氧菌，因此，在HTBM 過程中，缺乏氧氣會影響微生物的分解活動，還會產(chǎn)生硫化氫等有害氣體。一般認(rèn)為氧含量在5%～15 %之間較適宜，可通過增加通風(fēng)量和翻動動物尸體來增加降解罐內(nèi)的氧氣。

3.2 水分和pH

水分是生物降解過程必不可少的物質(zhì)。據(jù)報道：當(dāng)水分低于20 %時，微生物的代謝活動基本停止；水分在40%～50%時微生物活性開始下降，導(dǎo)致堆體溫度降低；水分在50%～60%時則最有利于微生物分解；水分高于70 %時易造成厭氧環(huán)境，不利好氧菌生長，還會產(chǎn)生硫化氫等有毒氣體[22]。因此，水分保持在45%～50 %較好，最適宜持水量為50%～60 %。另外，多數(shù)微生物在中性或弱堿性的條件下活性最高。有研究報道，當(dāng)堆體中的pH ＜4.5 或pH ＞10.5 時，會降低微生物活性，使堆體的溫度和堆肥的分解速率降低，甚至還會產(chǎn)生有害的中間產(chǎn)物[23]。一般情況下，通常采用翻動堆體或增加通風(fēng)量去調(diào)節(jié)堆體的pH，使其pH 在正常范圍內(nèi)。

3.3 碳氮比（C/N）

C 是微生物生長和能量代謝的基礎(chǔ)物質(zhì)，N 是構(gòu)成蛋白質(zhì)和核酸類物質(zhì)的基本元素，因此C 和N 是培養(yǎng)和發(fā)酵微生物時最重要的營養(yǎng)物質(zhì)，而堆體中適當(dāng)?shù)腃/N 值，對微生物的生長趨勢和有機(jī)物的分解也有著十分重要的影響。若C/N 值過高則表明堆體中缺N，會導(dǎo)致微生物生長受阻礙，有機(jī)物的分解速度降低；若C/N 值過低則表明堆體中缺C，會抑制微生物的生長。其中最適微生物的C/N 為25 ∶1[22]。因?yàn)楫?dāng)微生物分解有機(jī)物時，同化5 份C 需同化1 份N 構(gòu)成自身細(xì)胞體，微生物自身C/N 約為5 ∶1，而同化（吸收利用）1 份C 需消耗4 份有機(jī)碳來取得能量，所以微生物吸收利用1 份N 時需消耗利用25份有機(jī)碳[24]。

3.4 微生物的菌群結(jié)構(gòu)

使用發(fā)酵菌種不同，其降解特性也不同，對病死畜禽降解效果和速度也不一樣。有研究發(fā)現(xiàn)，100 g 酵 母 菌、5 000 g 沼 氣 渣 和80 g 枯草芽孢桿菌的復(fù)合菌群，比100 g 酵母菌和80 g 枯草芽孢桿菌的復(fù)合菌群分解速度要更快[9]。前者分解完成需9 d，比后者提前5 d分解完成。其原因可能與前者依靠發(fā)酵菌種和沼氣渣內(nèi)含有分解菌的共同作用有關(guān)。

4 HTBM 的工藝流程

4.1 處理設(shè)備

為了滿足不同規(guī)模畜禽場或無害化處理中心的需要，生產(chǎn)了一系列處理設(shè)備，其設(shè)備主要含有密閉罐體、攪拌破碎、加熱、循環(huán)、冷凝、自動控制、升降和氣體過濾等一系列系統(tǒng)。其中罐體設(shè)計為立式倒錐形降解罐結(jié)構(gòu)，底部設(shè)計有攪拌碾磨刀，外壁設(shè)有加熱和保溫系統(tǒng)，罐蓋可自動升降。在處理過程中產(chǎn)生的蒸汽，可通過多重過濾后進(jìn)行排放或回收利用。

4.2 技術(shù)流程

其設(shè)備具有操作便捷，自動化程度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

1）將冷藏堆積的病死畜禽集中處理并計重，通過智能運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸置于罐體內(nèi)。

2） 啟動加熱系統(tǒng)溫度升高 至160 ～190 ℃， 進(jìn) 行 持 續(xù)90 ～360 min 的高溫高壓滅菌處理。

3）高壓滅菌后，啟動攪拌破碎系統(tǒng)，溫度降至60 ℃左右時，添加10 ～25 %秸稈等輔料和酵母菌等降解菌，開始對處理物進(jìn)行降解。

4）降解6 ～8 h 后，將處理后的產(chǎn)物卸出。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，也需要注意以下問題：

①為了節(jié)省耗能、延長設(shè)備的使用壽命，冷凍堆放的動物進(jìn)行降解前需徹底解凍；

②輔料性能從大到小依次為鋸末、秸稈、米糠和干糞，成本從高到低依次為米糠、鋸末、秸稈和干糞[25]；

③小動物輔料添加比例一般為處理量的15 %，大動物添加比例為處理量的25 %[18]；

④降解菌使用前先活化，能夠有效縮短降解時間；

⑤首先對于疑似烈性傳染病的處理物，優(yōu)先考慮生物安全問題，先進(jìn)行高溫滅菌再添加降解菌進(jìn)行生物降解；一般處理量＜1 t 時直接生物降解；處理養(yǎng)殖場常規(guī)病死的尸體直接加入降解菌和輔料，設(shè)定溫度運(yùn)行8 h 即可[3]。

5 HTBM 在病死畜禽無害化處理上的應(yīng)用

5.1 降低無害化處理的成本

HTBM 是在一個密封的降解罐里完成，利用外部破碎加熱和生物發(fā)酵的方法，使病死畜禽無害化降解。其中，添加的分解菌如酵母菌、枯草芽孢桿菌等也可得到重復(fù)利用。其處理的成本費(fèi)用主要是輔料、降解菌劑、電費(fèi)和人工費(fèi)。一般處理1 t 動物尸體，輔料成本約60 元左右，生物降解酶150 元左右，電費(fèi)180 元左右，人工費(fèi)用80 元，總計470 元左右。有研究報道稱將HTBM 與焚燒、深埋、化制等傳統(tǒng)無害化處理的成本相比，HTBM 可節(jié)約70 %以上[26]。焦?jié)嶆玫萚27]研究發(fā)現(xiàn)，處理2.772 t 的病死畜禽，焚燒深埋法處理成本是5 712 元，HTBM 處理成本為1 279 元，兩者相比后者節(jié)約了4 433 元，相當(dāng)于處理1 t 病死畜禽可以節(jié)約1 599 元的成本?？梢?，HTBM 比其他處理方法更能節(jié)省無害化處理的成本。另外，HTBM 全程電腦自動化控制，且需處理的動物無需人員進(jìn)行手動肢解和搬運(yùn)。綜上所述，與傳統(tǒng)的無害化處理技術(shù)相比，HTBM 處理在成本和人力方面更節(jié)省，值得大力推廣。

5.2 徹底消滅病原微生物

HTBM 是一種可以處理因重大動物疫病或人畜共患病死亡的動物尸體和相關(guān)動物產(chǎn)品的方法，此方法需動物尸體在罐體中經(jīng)過160 ℃高溫滅菌，再經(jīng)過生物發(fā)酵所產(chǎn)生的高溫進(jìn)行第二次滅菌，徹底消除原尸體體內(nèi)含有的病原微生物。有研究表明，經(jīng)過HTBM 后，含有豬瘟病毒的淋巴結(jié)、豬藍(lán)耳病毒的腎臟組織以及含有豬鏈球菌的脾臟經(jīng)檢測均呈陰性[28]。杜少甫等[20]研究發(fā)現(xiàn)，采用HTBM 處理后的動物尸體，檢測其體內(nèi)的放線菌等細(xì)菌和病毒均呈陰性。此外，Xu等[29]也研究發(fā)現(xiàn)，在動物尸體內(nèi)接種大腸桿菌和新城疫病毒，使用生物降解法降解7 d 后，檢測均呈陰性。綜上所述，采用HTBM 處理病死畜禽，具有徹底清除尸體內(nèi)病原微生物，降低病死畜禽疫病傳播的幾率和風(fēng)險的作用，可考慮將其大規(guī)模使用在病死畜禽無害化處理中心或大規(guī)模豬場中。

5.3 生產(chǎn)有機(jī)肥料

HTBM 能夠?qū)⒉∷镭i通過機(jī)械絞碎、高溫滅菌、添加輔料、發(fā)酵降解、除濕干燥等一系列的操作，對環(huán)境污染小，且經(jīng)過24 h能使其成為一種可貯藏的、可利用的有機(jī)肥料。有研究發(fā)現(xiàn)，與自然發(fā)酵組相比，在使用HTBM處理粉碎的病死豬第5 天時，細(xì)菌、病毒等微生物檢測均呈陰性，重金屬含量降低，氮、鈣、磷等含量均提高[20]。吳志堅(jiān)等[30]將堆積發(fā)酵法與HTBM 處理病死豬兩種方法進(jìn)行各方面的分析，研究結(jié)果表明：使用HTBM 對病死豬的處理效果良好，處理過程中溫度設(shè)定為140 ℃，保持3 ～4 h 可將病原微生物徹底殺滅，且HTBM 處理后的產(chǎn)物經(jīng)檢測內(nèi)含有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量高于有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012?？梢?，HTBM 能徹底殺滅病原微生物、降低重金屬殘留以及提高殘?jiān)械?、鈣、磷等元素含量，降解后產(chǎn)物可作為有機(jī)肥料作用于果園、農(nóng)田等養(yǎng)殖業(yè)，無安全隱患。因此，利用HTBM 不僅能降解病死畜禽，還能將其轉(zhuǎn)化生產(chǎn)為有機(jī)肥料，變廢為寶，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。

6 小結(jié)和展望

病死畜禽無害化處理是影響民生的大事，是畜牧業(yè)發(fā)展中存在的普遍性、長遠(yuǎn)性問題。隨著我國畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級以及人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，無害化處理必然從分散轉(zhuǎn)向集中，技術(shù)含量從低轉(zhuǎn)向高，從只注重“無害化”轉(zhuǎn)向“無害化、資源化”并重，從處理終端轉(zhuǎn)向收集、運(yùn)輸、處理“一條龍”[31]。且非洲豬瘟病毒不耐高溫，經(jīng)過60 ℃ 20 min 處理就被殺死，由此可見，使用HTBM 處理病死畜禽是目前較為理想的無害化處理技術(shù)。各地應(yīng)以及時處理、清潔環(huán)保、合理利用為目標(biāo)，因地制宜、立足發(fā)展需要，有效解決病死畜禽流向餐桌的食品安全問題，保護(hù)土地、水源等自然環(huán)境免受污染。

下一步希望盡快制定和完善相關(guān)的推廣方案；建成覆蓋各環(huán)節(jié)的無害化處理體系，構(gòu)建科學(xué)完備、運(yùn)轉(zhuǎn)高效的無害化處理機(jī)制，建立有效的監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)；建立健全補(bǔ)償機(jī)制，綜合考慮各種成本因素，制定合理的財政補(bǔ)助等，確保無害化處理場正常運(yùn)營；加大技術(shù)推廣力度，通過舉辦專業(yè)技術(shù)講座、養(yǎng)殖戶座談會、資料宣傳或組織現(xiàn)場觀摩、操作等方式大力推廣安全環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)行成本低、操作簡單的HTBM。