死畜禽堿解處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

尚斌, 陶秀萍, 董紅敏, 陳永杏, 張萬欽, 尹福斌

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

死畜禽無害化處理是養(yǎng)殖場必須面對和解決的現(xiàn)實(shí)問題。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2017年發(fā)布的《病死及病害動物無害化處理技術(shù)規(guī)范》農(nóng)醫(yī)發(fā)〔2017〕25號文中提出，死畜禽處理方法包括焚燒法、化制法、高溫法、深埋法和硫酸分解法。焚燒法能夠?qū)π笄菔w進(jìn)行徹底無害化處理，有效杜絕病菌傳播[1]，但焚燒過程存在二噁英等有害氣體排放的潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]；化制法和高溫法是利用高溫蒸汽或者干熱降解動物尸體組織，并分離出肉骨粉和油脂等產(chǎn)物[1]，但化制法運(yùn)行成本高，且無法有效殺滅部分高致病性病毒[3]；深埋法操作相對簡單，但需要占用一定的土地，且存在污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)；硫酸分解法利用硫酸在一定條件下將動物尸體進(jìn)行分解，無害化效果好，但需要大量的硫酸，操作困難。2020年2月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和財(cái)政部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)病死畜禽無害化處理工作的通知》農(nóng)牧發(fā)〔2020〕6號文，要求暫時(shí)不具備集中處理?xiàng)l件的地區(qū)自行處理病死動物的養(yǎng)殖場，要配備與養(yǎng)殖規(guī)模相適應(yīng)的無害化處理設(shè)施設(shè)備，并嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行處理，逐步減少深埋、化尸窖、堆肥等處理方式。當(dāng)前，非洲豬瘟等疫情仍在影響我國生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)，豬場生物安全的要求達(dá)到前所未有的高度，我國亟需探索新的死畜禽無害化處理技術(shù)。

相對焚燒、化制等技術(shù)而言，堿解技術(shù)起步和發(fā)展相對較晚，該方法是在一定溫度條件下，利用強(qiáng)堿溶液將動物尸體水解為無微生物的溶液和骨頭殘?jiān)?，堿解產(chǎn)物中含有礦物質(zhì)和氨基酸等成分，可以進(jìn)一步生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品[4-5]，具有很好的應(yīng)用前景。目前該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，缺少關(guān)于堿解溫度、壓力、時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)的研究報(bào)道。但國內(nèi)外現(xiàn)有的研究資料表明，該工藝具有很強(qiáng)的病菌殺滅能力，生物安全性極高，在當(dāng)前國內(nèi)非洲豬瘟疫情影響的背景下，堿解技術(shù)開始受到越來越多的關(guān)注。本文闡述了死畜禽堿解技術(shù)概況、技術(shù)工藝關(guān)鍵參數(shù)研究現(xiàn)狀以及該技術(shù)的特點(diǎn)和存在問題，并對該技術(shù)今后研發(fā)和改進(jìn)的方向進(jìn)行分析和討論，以期為死畜禽堿解技術(shù)及配套設(shè)備進(jìn)一步研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 死畜禽堿解技術(shù)概述

死畜禽堿解處理技術(shù)的原理是利用強(qiáng)堿(多采用NaOH或KOH)等物質(zhì)在一定溫度和壓力條件下，將動物尸體中的有機(jī)物，包括蛋白質(zhì)、脂肪以及碳水化合物水解成肽類、氨基酸、甘油和糖類等物質(zhì)，從而達(dá)到動物尸體降解、病原微生物滅活的目的，最終產(chǎn)物為廢液、固體殘?jiān)蜆O少量有味氣體[5-10]。該技術(shù)操作流程一般為：畜禽尸體被放入特定的堿解設(shè)備(要求耐強(qiáng)堿、耐高溫和高壓材料，可采用不銹鋼或聚乙烯材料)中，加入一定量的固態(tài)堿或堿溶液(堿的量依據(jù)動物尸體量決定)。將設(shè)備密封后，加熱加壓到設(shè)定的溫度和壓力(100～150 ℃)，并保持一定時(shí)間(3～24 h)[4,6-7,11]。堿解過程結(jié)束后，待設(shè)備冷卻，收集堿解殘液和固體殘?jiān)?/p>

2 堿解技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 堿解技術(shù)工藝參數(shù)研究

死畜禽堿解效果受堿添加量(pH)、堿解溫度和壓力、堿解時(shí)間以及處理負(fù)荷等參數(shù)的影響。Kaye等[5]將體重114～136 kg的動物尸體(包括豬、綿羊、兔子、狗、大鼠、小鼠和豚鼠)進(jìn)行堿解處理，按照重量比50(動物)∶1(堿)添加NaOH(純度50%)，然后加入320 L的水，在110～120 ℃、0.1 MPa的溫度和壓力條件下，經(jīng)過18～19 h處理后，動物肌肉組織被完全溶解和降解，僅剩下骨骼和牙齒等礦物成分，同時(shí)所測試的10種細(xì)菌全部被殺滅。Waste Reduction(WR2)公司以NaOH配制成1 mol·L-1的堿溶液開展病死動物堿解試驗(yàn)，在溫度為150 ℃(壓力為0.5 MPa左右)條件下堿解3 h后，動物肌肉組織全部消失，僅剩余少量已經(jīng)被軟化的骨骼和牙齒[12]。WR2公司還開發(fā)了移動式堿化設(shè)備，該設(shè)備每批能夠處理2 t的病死動物，每批需要254 kg的KOH或180 kg的NaOH[13]。Wang等[14]對影響動物組織堿解處理技術(shù)的參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，堿解溫度對處理效果的影響最大，其次是堿液濃度(堿含量)、堿液量與肌肉組織的比例，最后是堿解時(shí)間；其通過試驗(yàn)認(rèn)為，動物組織的最優(yōu)堿解工藝參數(shù)為溫度150 ℃，堿濃度5%，堿液量與動物組織添加比例為3 mL(堿液)：1 g(動物組織)。

2.2 堿解技術(shù)對病原微生物的殺滅效果

極強(qiáng)的病原微生物殺滅能力和極高的生物安全性是堿解技術(shù)最為突出的特點(diǎn)。高溫(一般為150 ℃)條件下，強(qiáng)堿在水解過程能破壞病毒的蛋白衣殼和朊病毒的肽鍵，同時(shí)油脂和核酸都可以被降解，因此堿解技術(shù)對所有病原微生物的殺滅效果幾乎都可以達(dá)到100%。Kaye等[5]指出，細(xì)菌、真菌、病毒和賈第鞭毛蟲生物體是由相同種類的生物大分子組成，即蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)和核酸等，這些組分在堿解過程中能夠被熱堿溶液所溶解并消化，其研究發(fā)現(xiàn)，通過堿解能夠?qū)游锸w中攜帶的金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,S.aureus)、分枝桿菌屬(Mycobacterium)、白色念珠菌(Candidaalbicans)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、煙曲霉菌(Aspergillusfumigatus)、牛分枝桿菌(Mycobacteriumbovis, BCG)、MS-2噬菌體和賈第蟲病(giardiasis)等全部殺滅。歐洲委員會科學(xué)指導(dǎo)委員會(European Commission Scientific Steering Committee, EC SSC，)報(bào)告指出[12]，在150 ℃、6 h堿解條件下幾乎能夠?qū)魅拘院＞d狀腦病(transmissible spongiform encephalopathies, TSEs)全部殺滅。已有研究結(jié)果表明，現(xiàn)有的高溫高壓化制法能夠降低朊病毒的傳染性，但并不能完全滅活病毒，從而可能導(dǎo)致某些疫病的傳播[15]，而堿解法則能將此病毒徹底殺滅[16-17]。Taguchi等[18]和Ernst等[19]研究結(jié)果表明，1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液在121 ℃、60 min條件下能夠?qū)⒖搜攀喜《竞宛W病菌株滅活。Taylor等[17]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，1 mol·L-1NaOH溶液在121 ℃、90 min或者2 mol·L-1NaOH溶液在121 ℃、30 min均能夠使倉鼠身上的瘙癢病菌完全失活。

綜上所述，堿解法處理死畜禽能夠殺滅慢性消耗病病毒(chronic wasting disease, CWD)、TSEs以及癢病病毒(scrapie)、瘋牛病病毒(bovine spongiform encephalopathy, BSE)、口蹄疫病毒(foot and mouth disease virus，F(xiàn)MDV)、高致病性禽流感病毒(highly pathogenic avian influenza, HPAI)，甚至是朊病毒等[20-25]，生物安全性極高。

2.3 堿解產(chǎn)物處理及利用

堿解過程中，蛋白質(zhì)經(jīng)過堿水解處理后會分解成自由的氨基酸鹽或小分子肽；脂肪發(fā)生皂化反應(yīng)而被分解；糖脂和多元不飽和脂肪酸在水解中被破壞；核酸分解為核苷酸、核糖、磷酸等小分子;糖原和淀粉等碳水化合物分解為單糖，并被熱堿溶液迅速破壞；纖維素和礦物質(zhì)不能被堿水解消化分解則保留在堿解液中[4]。因此，死畜禽堿解的主要產(chǎn)物分為2類：一類是無菌的溶液，主要成分為水、多肽、氨基酸、糖類以及皂類物質(zhì)；另一類是固體產(chǎn)物，主要是骨頭和牙齒的礦物成分和纖維成分。

固體骨骼主要成分為磷酸鈣，殘?jiān)呀?jīng)非常酥松，不含有任何膠體，用手完全可以將其壓成粉末[3, 20]，粉碎后可以用作土壤肥料改良劑[24]，或者作為原料生產(chǎn)有機(jī)肥[26-27]。

堿解液為含有多肽、氨基酸、糖和皂類等咖啡色強(qiáng)堿性溶液，動物體中蛋白質(zhì)的降解會使得堿解液中含有大量氮元素，如果使用氫氧化鉀作為堿溶液，又會增加堿解液中鉀含量的濃度。Kang等[28]利用堿解處理死畜禽的同時(shí)生產(chǎn)出了液體肥料，并用液體肥料開展植物種植試驗(yàn)，同時(shí)對液體肥料的肥效進(jìn)行了評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使是染病動物，其尸體經(jīng)堿解后，堿解溶液完全可以用以生產(chǎn)液體肥料，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值。Arias等[6]把動物尸體堿解處理后的溶液與青貯玉米混合，并進(jìn)行厭氧消化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈和動物尸體堿解液混合后，揮發(fā)性固體降解率提高了96%，這為堿解液后續(xù)處理提供了新的技術(shù)選擇。

2.4 堿解處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

堿解處理死畜禽技術(shù)相對較新，但與深埋、焚燒等傳統(tǒng)處理方法相比，能對染疫動物進(jìn)行徹底無害化處理，具有生物安全性高和滅菌能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該技術(shù)在國外得到一定的研究，并在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了一定的應(yīng)用，在病死動物以及屠宰廢棄物的無害化處理方面展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。鑒于此方法對動物產(chǎn)品中病原體和病毒殺滅方面的效果，堿性水解更多應(yīng)用于染病的動物和屠宰廢棄物無害化處理。堿解技術(shù)在美國主要被用于處理感染慢性消耗病以及TSEs的死畜禽，該技術(shù)能夠?qū)U棄物重量和體積降低97%，且能夠完全滅活病原微生物[20]。2002年，美國弗吉尼亞州禽流感暴發(fā)，有關(guān)部門投入12套堿解設(shè)備24 h工作來處理動物尸體[29]。歐美2003年批準(zhǔn)將堿解法用于因TSEs致死動物的無害化處理上。Gwyther等[1]研究認(rèn)為，越來越多歐盟國家將會使用堿性水解來處理病死畜禽。

目前，我國堿解技術(shù)處理病死畜禽領(lǐng)域處于起步階段。王濤等[30]針對因病原微生物感染動物組織無害化處理的實(shí)際需求，研制了小型的堿解處理設(shè)備，專門用來對高級別生物安全實(shí)驗(yàn)過程中動物尸體進(jìn)行無害化處理。上海日泰醫(yī)藥設(shè)備工程有限公司2017年申請了“一種病毒試驗(yàn)動物堿解設(shè)備”；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所2017年申請了“一種病死動物堿解無害化處理系統(tǒng)與工藝”；銳菁源(成都)科技有限公司2019年申請了“用于病死畜禽及其附屬加工產(chǎn)品的無害化堿解處理裝置”。總體而言，國內(nèi)關(guān)于死畜禽堿解技術(shù)的研究及應(yīng)用尚處于初級階段，有必要對堿解處理死畜禽技術(shù)開展更為深入的系統(tǒng)研究，為我國病死畜禽無害化處理提供更多的技術(shù)手段。

3 堿解技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 堿解技術(shù)存在的主要問題

堿解技術(shù)因滅菌能力強(qiáng)、生物安全性高的特點(diǎn)已被國外應(yīng)用于因某些疫情致死的動物無害化處理上，這為我國病死動物無害化處理以及一些生物安全實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)動物的處理提供了新的技術(shù)選擇。但目前該技術(shù)仍然存在工藝不成熟、運(yùn)行成本高、堿解產(chǎn)物處理利用技術(shù)不配套等問題。

技術(shù)工藝不成熟是堿解技術(shù)推廣應(yīng)用的困難之一。當(dāng)前的堿解技術(shù)多注重滅菌效果方面的研究，但對于工藝關(guān)鍵參數(shù)，包括溫度、壓力、堿解時(shí)間、堿液濃度、堿液處理負(fù)荷等對動物尸體處理效果影響的研究還不夠系統(tǒng)和深入。今后應(yīng)深入開展工藝參數(shù)試驗(yàn)研究，優(yōu)化和完善堿解溫度、時(shí)間以及堿液濃度等工藝參數(shù)。

運(yùn)行成本高是堿解技術(shù)規(guī)模推廣應(yīng)用的另一瓶頸。堿化水解的整個(gè)過程都需要在耐溫、耐壓材料容器內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備的投資成本并不高，但設(shè)備的安裝、運(yùn)行、維修和保養(yǎng)等都需要專業(yè)人員來操作，因此設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)相對較高。據(jù)測算，死畜禽的處理成本在2 200元·t-1左右，包括電費(fèi)、化學(xué)試劑(堿)費(fèi)用、廢液處理費(fèi)以及設(shè)備維修和維護(hù)等費(fèi)用。但如果僅僅考慮日常運(yùn)行費(fèi)用，在最為經(jīng)濟(jì)的條件下，動物處理成本為240～360元·t-1[21]。雖然處理成本相對較高，但是對于某些染病動物處理而言，首要原則是完全殺病原微生物，從而徹底切斷病毒的傳播途徑，在此特殊情況下其實(shí)是不能用經(jīng)濟(jì)成本來計(jì)算的；另一方面，這些費(fèi)用只是短期投資。否則的話，如果因病毒傳播而造成其他疫病，甚至是人畜共患病的傳播，其損失可能更加巨大。因此，對于病死動物處理需要從短期成本和長期成本兩個(gè)角度來考慮，不能僅僅考慮一時(shí)的投資費(fèi)用。Gousterova等[1]和Kalambura等[31]研究認(rèn)為，從病原微生物無害化角度來看，綜合各方面因素考慮，堿解技術(shù)甚至優(yōu)于其他處理方法(表1)。

表1 幾種死畜禽處理方式綜合比較Table 1 Summary of comparative analysis

堿解剩余的液體后續(xù)處理是堿解技術(shù)的另一潛在問題。堿解后液體的化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, CODcr)高達(dá)100 g·L-1，五日生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)甚至可能高達(dá)50～75 g·L-1[12]，如果對堿解液進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放，則需要很高的處理成本。已有研究發(fā)現(xiàn)，堿解后的液體可以作為無機(jī)肥料使用，但由于其pH較高，一般為11～13，因此必須進(jìn)行適當(dāng)處理后進(jìn)行利用，但目前還缺少相配套的成熟技術(shù)。堿液液體的處理利用問題還需要進(jìn)一步深入研究，從而完善整個(gè)處理系統(tǒng)工藝。

3.2 堿解處理技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，與此同時(shí)，不可避免地有大量病死畜禽尸體需要得到及時(shí)有效的處理。染疫動物或者死因不明的動物尸體中，很可能攜帶著強(qiáng)毒病原體，如果處理不當(dāng)，存在疫病傳播、威脅食品安全甚至人類健康等潛在風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的焚燒、化制等方法不同程度上達(dá)不到滿意的處理效果。堿水解處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)包含朊病毒在內(nèi)的病原微生物進(jìn)行滅活，為病死動物尤其是染疫動物或者是死因不明動物尸體無害化處理提供了新的無害化處理方式。堿解產(chǎn)物完全無害，可以適當(dāng)處理后作為肥料進(jìn)行農(nóng)田利用或者作為原料進(jìn)行堆肥或厭氧發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的增值利用，有廣闊的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)對此技術(shù)尚未給予足夠重視，相關(guān)研究和應(yīng)用基本處于初級階段，因此有必要對堿解技術(shù)開展全面深入和系統(tǒng)的研究，以提升我國死畜禽無害化處理的水平。首先應(yīng)加強(qiáng)堿解技術(shù)的基礎(chǔ)研究，雖然國外已有不少關(guān)于病死畜禽堿解處理應(yīng)用的案例，但關(guān)于技術(shù)工藝參數(shù)的報(bào)道不多，應(yīng)進(jìn)一步開展堿解溫度、堿濃度等關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)研究，優(yōu)化技術(shù)工藝；其次應(yīng)開展堿解產(chǎn)物的增值利用研究，開發(fā)堿解溶液生產(chǎn)液體肥料精簡技術(shù)，探討堿解固體產(chǎn)物生產(chǎn)高值產(chǎn)品的工藝方法。此外，堿解技術(shù)主要的應(yīng)用對象應(yīng)該是染疫動物或者是死因不明動物，因此應(yīng)加強(qiáng)堿解技術(shù)配套設(shè)備開發(fā)研究，尤其應(yīng)加強(qiáng)從自動化控制的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料、粉碎、堿化、出料自動化控制，減少無害化處理過程中病原微生物傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

死畜禽堿解處理技術(shù)具有生物安全、環(huán)保、資源化利用等特點(diǎn)，在全封閉的條件下，利用強(qiáng)堿殺滅各種病原微生物，能夠就地從源頭上徹底殺滅病毒，具有很好的應(yīng)用潛力。國內(nèi)外關(guān)于堿解技術(shù)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，需要從堿解技術(shù)工藝參數(shù)、堿解產(chǎn)物處理利用以及配套設(shè)備等方面加強(qiáng)研發(fā)，為我國病死畜禽，尤其是染疫或死因不明動物的無害化處理提供技術(shù)選擇，切實(shí)提高畜禽養(yǎng)殖場生物安全水平。