畜禽場(chǎng)微生物除臭技術(shù)的研究進(jìn)展

王艾倫，金敬崗，汪開(kāi)英*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058；2.浙江省臨海市畜牧獸醫(yī)局，浙江臺(tái)州 317000）

畜禽場(chǎng)惡臭來(lái)源多樣，成分復(fù)雜，危害很大，其最主要的來(lái)源是畜禽糞尿[1]，如豬糞中的蛋白質(zhì)等有機(jī)物在微生物分解下產(chǎn)生臭氣[2]。2017年中央環(huán)保督察期間，浙江省共收到畜禽養(yǎng)殖大氣污染信訪件262件，在畜禽污染信訪件中占比74.2%，可見(jiàn)對(duì)畜禽場(chǎng)臭氣進(jìn)行治理迫在眉睫。控制和減排畜禽場(chǎng)臭氣對(duì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化畜禽場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

畜禽場(chǎng)臭氣的常規(guī)處理主要分為源頭減排、過(guò)程控制和末端治理3個(gè)方面，除臭方法有物理法、化學(xué)法和生物法。其中，微生物除臭技術(shù)是利用一種或多種有益微生物的代謝活動(dòng)來(lái)達(dá)到除臭目的，目前已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)各個(gè)過(guò)程的臭氣控制和減排，如源頭上的微生物飲用水、飼料添加劑等，過(guò)程中的生物過(guò)濾器、畜禽微生物噴灑除臭劑等，末端治理中的復(fù)合微生物除臭劑等。本文主要介紹了微生物除臭法在畜禽場(chǎng)不同環(huán)節(jié)中的除臭研究進(jìn)展、應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)。

1 畜禽場(chǎng)臭氣及微生物除臭技術(shù)

畜禽場(chǎng)臭氣的排放源主要有畜禽舍、堆肥車間、污水池、糞污處理間等。從形成原理來(lái)看，惡臭主要來(lái)源于微生物的腐敗分解，畜禽糞便中含有大量土著微生物，是惡臭產(chǎn)生的主要微生物種群。糞便在厭氧發(fā)酵或其他處理不當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)產(chǎn)生臭氣。此外，皮膚、毛、飼料、墊料等富含蛋白質(zhì)的廢棄物厭氧分解也會(huì)產(chǎn)生臭氣。研究表明，畜禽糞便產(chǎn)生的惡臭由多種臭味化合物組成，可以分為揮發(fā)性含硫化合物、氨（NH3）和揮發(fā)性胺類、吲哚類和酚類、揮發(fā)性脂肪酸類（VFAs）4類[3]。惡臭污染物中多數(shù)成分含量極低，且難以單獨(dú)區(qū)分并進(jìn)行測(cè)量，國(guó)內(nèi)外對(duì)于重要的畜禽糞尿惡臭強(qiáng)度指標(biāo)物存在爭(zhēng)議，NH3、硫化氫（H2S）和VFAs是國(guó)內(nèi)多數(shù)研究的主要測(cè)量指標(biāo)，國(guó)外也有以畜禽糞尿的上清液生物化學(xué)需氧量（BOD）、VFAs、含硫化合物等作為評(píng)價(jià)惡臭的主要參數(shù)和指示劑，其選擇也與測(cè)量時(shí)的糞便處理狀態(tài)有關(guān)[4]。畜禽惡臭氣體收集難，成分復(fù)雜，因此治理困難。目前，惡臭治理技術(shù)多樣，但其原理都是通過(guò)物理、化學(xué)或生物作用，改變惡臭物質(zhì)的物相、物質(zhì)結(jié)構(gòu)或減弱其產(chǎn)生強(qiáng)度，從而去除或減弱臭味。

生物除臭法于20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)[5]，該方法的原理是通過(guò)微生物將惡臭物質(zhì)吸收至自身體內(nèi)，并通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)使其降解，目前已成為國(guó)內(nèi)外惡臭防治研究與應(yīng)用中的主要方法[6]。在腐敗環(huán)境下，動(dòng)物腸道、糞便中的土著微生物是惡臭物質(zhì)產(chǎn)生的主要原因，而除臭微生物利用微生物之間的拮抗關(guān)系，通過(guò)抑制土著微生物的生長(zhǎng)和活性以達(dá)到減臭和除臭的目的。

除臭微生物多為有益微生物，也稱益生菌。日本琉球大學(xué)比嘉照夫教授最初研究發(fā)現(xiàn)，有益微生物群由乳酸菌、光合菌、酵母菌和放線菌群等10個(gè)屬80余種微生物復(fù)合培養(yǎng)而成[7]，可用于食品添加、污水治理等。在利用微生物除臭時(shí)，通常根據(jù)除臭階段及除臭方式的不同，選擇不同種類的有益微生物作為除臭微生物，有時(shí)采用單一的有益微生物，有時(shí)采用多種有益微生物混合的方式除臭，即復(fù)合微生物除臭。當(dāng)采用復(fù)合微生物除臭時(shí)，微生物可以共存并因其組合的新陳代謝性能而在除臭過(guò)程中相互支持。如何保證復(fù)合微生物除臭菌劑接種后能競(jìng)爭(zhēng)過(guò)土著菌，成為優(yōu)勢(shì)菌生長(zhǎng)，以及分離得到除臭效果較好的菌株，是微生物除臭技術(shù)的關(guān)鍵。

2 源頭除臭技術(shù)

在源頭除臭中，微生物法通常以添加劑形式進(jìn)行使用，包括飲用水添加劑和飼料添加劑，飲用水添加劑較為少見(jiàn)，將有益微生物作為畜禽飼料添加劑以替代抗生素是作為源頭除臭的主要方法。近年來(lái)，抗生素的大量使用已經(jīng)引起了環(huán)境污染、藥物殘留、抗藥性、內(nèi)源性感染等一系列負(fù)面效應(yīng)，嚴(yán)重威脅動(dòng)物健康，因此對(duì)能替代抗生素的有機(jī)、無(wú)公害添加劑的研究和開(kāi)發(fā)不斷深入。Papatsiros等[8]對(duì)目前抗生素的有效替代品做了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)益生菌是低成本、無(wú)公害的添加劑之一。益生菌通過(guò)增加益生菌酶的活性和飼料的可消化性促進(jìn)消化過(guò)程，通過(guò)刺激免疫系統(tǒng)和腸黏膜的再生提高動(dòng)物的免疫力，進(jìn)而有效地從源頭減少臭氣的排放[7,9]。微生物益生菌添加劑具有無(wú)殘留、綠色安全等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多的關(guān)注、研究和應(yīng)用。

將益生菌作為飼料添加劑使用時(shí)，一般以單種微生物為原料。乳酸菌是最早應(yīng)用于微生態(tài)制劑的菌種，絕大多數(shù)乳酸菌為厭氧或兼性厭氧的化能異生菌，能使腸道菌群的組成發(fā)生有益變化，改善宿主胃腸道功能，恢復(fù)腸道內(nèi)菌群平衡，形成抗菌生物屏障，維護(hù)動(dòng)物健康。CHang等[10]發(fā)現(xiàn)，直接用乳酸菌喂養(yǎng)肉雞能有效減少肉雞舍內(nèi)的環(huán)境NH3濃度以及降低其排泄物的pH和水分含量，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）含量可降至檢測(cè)限以下，也可減少惡臭指標(biāo)（如丁醇等）的含量。AHmed等[11]研究發(fā)現(xiàn)，增加飼料中解淀粉芽孢桿菌益生菌的添加量對(duì)糞便的NH3和H2S排放量有負(fù)線性影響，添加量為20 g/kg時(shí)NH3的減排率可達(dá)90%以上，添加量為5 g/kg時(shí)H2S的減排率可達(dá)87%以上。據(jù)此，研究者認(rèn)為該種益生菌可用作肉雞飼料的添加劑，在糞便除臭方面也有較好的作用。UpadHaya等[9]試驗(yàn)表明，芽孢桿菌飼料添加劑通過(guò)提高豬的飼料消化率，減少了糞便量，提高了整體生長(zhǎng)性能，并顯著降低豬糞便的NH3排放，從而改善豬舍環(huán)境。

此外，也有研究將復(fù)合微生物作為飼料添加劑。鄭國(guó)衛(wèi)等[12]將由韓國(guó)安城豬場(chǎng)提供的惡臭去除系統(tǒng)專用益生菌作為飼料添加劑（飼料中不添加抗生素），發(fā)現(xiàn)6個(gè)月及12個(gè)月后，結(jié)合室內(nèi)噴霧技術(shù)，有效降低了豬舍內(nèi)的NH3濃度。劉婕等[2]通過(guò)體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，啤酒酵母菌、枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌在體外可有效抑制大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的生長(zhǎng)，這3種微生物制劑雖單獨(dú)除臭效果并不理想，但將它們與單一水基果酸（AHA）、膨潤(rùn)土按一定比例混合制成飼料添加劑，添加量為0.15%時(shí)，可顯著降低豬舍內(nèi)的NH3濃度。也有研究表明，在飼料中添加一種含芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌等活性益生菌總數(shù)≥20億個(gè)/g的復(fù)合微生態(tài)制劑，不僅能降低豬舍的NH3、H2S、CO2等有害氣體濃度，還具有良好的滅蠅效果，能有效改善飼養(yǎng)環(huán)境[13]。

3 過(guò)程除臭技術(shù)

微生物的過(guò)程除臭是指對(duì)畜禽舍內(nèi)的惡臭來(lái)源物、舍內(nèi)及舍外的排氣等進(jìn)行除臭，主要有生物過(guò)濾法、微生物噴灑等除臭方式。

大量研究表明，生物過(guò)濾法是消除VOCs和處理NH3等臭氣的有效方法，該方法具有操作簡(jiǎn)便、能耗小、用水量少等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。生物過(guò)濾器中的多孔填料表面覆蓋有生物膜，廢氣流經(jīng)填料床時(shí)，通過(guò)擴(kuò)散把污染成分傳遞到生物膜，并與膜內(nèi)的微生物接觸而發(fā)生生化反應(yīng)，從而降解污染物[14]。綜合目前的相關(guān)研究來(lái)看，將設(shè)計(jì)合理的生物過(guò)濾器用于農(nóng)業(yè)中進(jìn)行除臭，H2S和NH3的去除率分別可達(dá)濃度95%和65%，可見(jiàn)，生物過(guò)濾器是控制惡臭污染的有效方式[15]。

國(guó)外對(duì)生物過(guò)濾器的研究起步較早。20世紀(jì)70年代起，歐美就開(kāi)始對(duì)生物過(guò)濾脫臭的原理方法、降解臭氣的微生物種群等方面進(jìn)行研究[16]。Kristiansen等[17]將丁酸-二甲基二硫化物-同化微生物活性菌群運(yùn)用到滴流生物過(guò)濾器中，有效去除了羧酸（去除率大于70%）和有機(jī)硫化物（去除率達(dá)50%）。

我國(guó)關(guān)于生物過(guò)濾器在畜牧業(yè)除臭中的研究起步較晚。李琳等[18]研究了一種復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器，將不同的微生物、細(xì)菌或真菌分別接種在反應(yīng)器的2個(gè)生物反應(yīng)區(qū)中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)其協(xié)同作用可以有效去除多種污染物，對(duì)NH3和H2S去除率分別達(dá)到96.7%和92.1%。徐曉軍等[19]利用固定化生物滴濾反應(yīng)器，用海藻酸鈉作包埋劑，固定枯草芽孢桿菌、白曲霉菌和葡萄球菌等優(yōu)勢(shì)菌種，用于處理NH3和H2S，該方法可將出氣口的NH3和H2S分別處理至達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

在過(guò)程除臭中，微生物還可通過(guò)噴灑方式進(jìn)行除臭。將微生物以一定比例稀釋，對(duì)畜禽舍、畜禽本身或畜禽排泄物進(jìn)行噴灑，能降低有害氣體濃度，但同時(shí)也會(huì)增加總細(xì)菌數(shù)。

Kim等[20]用生物添加劑在封閉豬舍內(nèi)噴灑，此種生物添加劑中的微生物來(lái)自隨機(jī)挑選的商業(yè)產(chǎn)品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣中總細(xì)菌含量比噴霧前的初始水平更高，這可能是由于噴灑的微生物添加劑產(chǎn)生的細(xì)菌霧化液滴造成。Kim等[21]利用添加一定濃度解淀粉芽孢桿菌的噴霧對(duì)NH3、H2S和二氧化硫（SO2）進(jìn)行減排試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以每天1次噴灑10%的解淀粉芽孢桿菌噴霧為最佳，但減排的潛在作用機(jī)理還需要通過(guò)評(píng)估糞便細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和糞便pH來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步探究，目前尚未有更多研究報(bào)道。

4 末端除臭技術(shù)

微生物的末端除臭即將菌劑直接噴灑到畜禽糞便上，或作為發(fā)酵液添加劑添加到畜禽糞便中，利用微生物之間的共生、繁殖及協(xié)同作用分解轉(zhuǎn)化糞便中的有機(jī)物質(zhì)，微生物的代謝產(chǎn)物如乳酸、乙酸等形成酸性環(huán)境，抑制腐敗類微生物和病原菌的繁殖，從而達(dá)到減少惡臭氣體釋放的目的。Kuroda等[22]將芽孢桿菌菌株TAT105以直接混合添加的方法進(jìn)行豬糞便的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模堆肥試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該菌劑能有效降低NH3濃度。但由于單一菌株形成的除臭體系較為單一且并不穩(wěn)定，目前對(duì)于單一菌株的除臭研究并不多。因此，大多數(shù)研究或商業(yè)產(chǎn)品都是以復(fù)合菌劑為原料，利用有益微生物之間的共生共存原理來(lái)分解惡臭物質(zhì)進(jìn)行除臭。

葉芬霞等[23]利用由篩選出的熱帶假絲酵母、巨大芽孢桿菌和灰色鏈霉菌3種優(yōu)勢(shì)菌種制成的復(fù)合菌劑除臭，對(duì)畜禽糞便中NH3的去除率達(dá)80%以上，對(duì)H2S的去除率達(dá)65%以上，對(duì)豬舍內(nèi)和堆肥場(chǎng)的NH3、H2S及惡臭濃度的去除率均達(dá)60%以上，除臭效果良好。陳麗園等[24]以減少NH3和H2S為主要依據(jù)，從168株真菌、放線菌和細(xì)菌菌株中篩選出11株有效菌株，對(duì)畜禽糞便具有良好的除臭效果，但其具體生理性能及除臭機(jī)理有待進(jìn)一步研究。張生偉等[25]將經(jīng)篩選和優(yōu)化后的高效除臭菌和纖維素分解菌群制成復(fù)合微生物除臭劑并用于堆肥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NH3和H2S的去除率在堆肥前20 d高達(dá)70%和60%以上，表明復(fù)合微生物除臭劑用于堆肥能高效穩(wěn)定除臭，同時(shí)能減少堆肥肥效損失，促進(jìn)堆肥腐熟。李光春等[26]對(duì)不同微生物進(jìn)行組合試驗(yàn)，結(jié)果表明裂殖酵母菌、副干酪乳桿菌、蠟樣芽孢桿菌和不動(dòng)桿菌4種微生物組合后接種到豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水中后，能有效抑制惡臭氣體的產(chǎn)生。

Choi等[27]用芽孢桿菌、酵母菌、放線菌等益生菌作為豬糞便發(fā)酵液，發(fā)現(xiàn)濃度為0.2%的益生菌能降低豬糞便的pH和CO2排放，同時(shí)對(duì)CH4也有減排作用。另有研究在畜禽糞便除臭發(fā)酵液中添加了嗜糞乳桿菌、嗜熱乳鏈球菌、釀酒酵母菌、異常漢遜酵母菌、嫌氣纖維素分解菌等多種菌種，利用嫌氣纖維素分解菌在高溫厭氧條件下，將纖維素轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸及醇類，而后再轉(zhuǎn)化為CH4CO2，徹底解決畜禽糞便的臭味[28]。

目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)不少畜禽除臭的微生物菌劑，大部分既可用于噴灑，又可直接作為糞便或堆肥添加劑使用。Choi等[29]對(duì)市場(chǎng)上用于除臭減排的商業(yè)微生物添加劑進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)只有2種添加劑能有效除臭，在80 d的貯存期后，沼液的惡臭指數(shù)能降低70%以上，揮發(fā)性脂肪酸能降低50%以上，而另外2種微生物添加劑則對(duì)貯存中的沼液臭氣減排沒(méi)有影響。這一研究對(duì)于養(yǎng)殖企業(yè)選購(gòu)市場(chǎng)上的微生物添加劑有一定警醒和指導(dǎo)作用。

5 小 結(jié)

比較微生物除臭技術(shù)在畜禽場(chǎng)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，源頭除臭是操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉的應(yīng)用方式，同時(shí)還能促進(jìn)動(dòng)物健康；微生物除臭技術(shù)在過(guò)程及末端除臭的同時(shí)，可能會(huì)造成細(xì)菌含量增加等不利影響，且除臭效果尚未穩(wěn)定?？傮w來(lái)看，微生物除臭技術(shù)具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、除臭效果較持久等優(yōu)勢(shì)，不僅可用于畜禽場(chǎng)各階段的臭氣治理控制，同時(shí)也已經(jīng)應(yīng)用于大氣污染治理、垃圾填埋場(chǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。但該技術(shù)在有益微生物間、益生菌及土著微生物間的具體關(guān)系、作用原理、代謝產(chǎn)物等方面還有待明確。當(dāng)利用多種有益微生物進(jìn)行除臭時(shí)，根據(jù)檢測(cè)糞便菌落結(jié)構(gòu)篩選和培養(yǎng)高效的除臭微生物也亟待進(jìn)一步探究。此外，復(fù)合菌劑的安全性、菌株組合方式等都還有待驗(yàn)證。