病死畜禽無害化處理的研究進展

蒲俊華,李尚民,趙華軒,竇新紅,王洪志

(江蘇省家禽科學研究所,江蘇揚州 225125)

隨著國內(nèi)畜牧業(yè)的快速發(fā)展,病死畜禽的無害化處理日益凸顯其重要性。2022年5月11日農(nóng)業(yè)農(nóng)村部3號令《病死畜禽和病害畜禽產(chǎn)品無害化處理管理辦法》發(fā)布,并自2022年7月1日起正式實施,表明病死畜禽無害化處理制度和機制進一步完善,為畜牧業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供保障。目前國內(nèi)病死畜禽的無害化處理經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,取得長足進步,病死畜禽的無害化處理技術不斷發(fā)展、處理水平和規(guī)模日漸提升。病死畜禽無害化處理涉及法律、技術及資源化利用等多方面的因素,在目前的發(fā)展中也存在著一些問題,該研究對此進行論述和分析,以期為推進病死畜禽無害化處理工作提供參考意見。

1 病死畜禽的產(chǎn)生狀況

近年來,我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,2022年全國生豬、肉牛、羊和家禽出欄量分別為6.99億頭、4 840萬頭、3.36億只和161.4億只,分別較上年增長4.3%、2.8%、1.8%和2.5%[1],畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展為保障和提升國民生活水平提供了堅實基礎。然而畜禽在養(yǎng)殖過程中,受疾病、營養(yǎng)、環(huán)境、管理等多方面因素的影響,畜禽的死亡不可避免。據(jù)統(tǒng)計,70%～80%豬場的豬死亡率在0%～15%,疾病引起的生豬死亡率在8%～10%,而養(yǎng)殖家禽的死亡率在12%～20%[2-3]。當遭遇大規(guī)模的流行疾病暴發(fā)時,尤其是高傳染性和高死亡率的疾病如2018年和2019年暴發(fā)的非洲豬瘟,或是具有傳染人風險的一些疾病如禽流感等,若不能及時安全有效的處置死亡和染病的畜禽,則可能擴大疾病的流行范圍,帶來更大的生物安全和公共衛(wèi)生風險。2013年的黃浦江死豬漂浮事件即是一個引發(fā)各方關注的公共衛(wèi)生安全的典型事例[4]。

2 我國病死畜禽無害化處理的相關法規(guī)

我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展從起步到規(guī)模養(yǎng)殖經(jīng)過了幾十年時間,伴隨養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展過程,相關的法律法規(guī)也從無到有不斷完善。1997年頒布《中華人民共和國動物防疫法》(2021年第二次修訂)[5]明確提出“病死動物和病害動物產(chǎn)品的無害化處理”。2005年頒布《中華人民共和國畜牧法》(2022年修正)[6]規(guī)定“從事畜禽養(yǎng)殖不得隨意棄置和處理病死畜禽”,2013年國務院頒布《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》[7]規(guī)定“對病死或死因不明的畜禽尸體等病害畜禽養(yǎng)殖廢棄物,按照有關法律、法規(guī)和國務院農(nóng)牧主管部門的規(guī)定,進行深埋、化制、焚燒等無害化處理,不得隨意處置”。2013年農(nóng)業(yè)部頒布《病死及病害動物無害化處理技術規(guī)范》(2017年修訂,農(nóng)醫(yī)發(fā)〔2017〕25號)[8],明確了無害化處理的技術方法及其適用的處置對象范圍等內(nèi)容。2014年國務院辦公廳出臺《關于建立病死畜禽無害化處理機制的意見》(國辦發(fā)〔2014〕 47號)[9]和2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財政部聯(lián)合發(fā)布《關于進一步加強病死畜禽無害化處理工作的通知》(農(nóng)牧發(fā)〔2020〕6號)[10]強調(diào)了病死畜禽無害化處理工作的重要性。2022年5月11日農(nóng)業(yè)農(nóng)村部3號令《病死畜禽和病害畜禽產(chǎn)品無害化處理管理辦法》[11]則進一步細化了對病死病害畜禽無害化處理過程所涉及的貯存、運輸、人員等方面的規(guī)定。這些相繼出臺的法律法規(guī)為防范病死畜禽疫情的傳播,保護生態(tài)環(huán)境和降低公共衛(wèi)生生物安全風險等提供了法律保障。

3 病死畜禽無害化處理的技術方法

無害化處理是指用物理、化學等方法處理動物尸體及相關動物產(chǎn)品,消滅其所攜帶的病原體,消除動物尸體危害的過程。病死畜禽無害化處理的方法主要有深埋法、焚燒法、化制法、生物發(fā)酵法、微波法、水熱法等。

3.1 深埋法深埋法是指按照相關規(guī)定,將病死及病害動物和相關動物產(chǎn)品投入深埋坑中并覆蓋、消毒,處理病死及病害動物和相關動物產(chǎn)品的方法。因流行疾病或自然災害死亡而產(chǎn)生大量的動物尸體,常采用集體深埋處理,它屬于一種應急處理方法,可以迅速處理大量的動物尸體,有助于快速控制疫情的發(fā)展和傳播。深埋法除了在遭遇大規(guī)模流行疾病或突發(fā)的自然災害出現(xiàn)大量死亡動物時采用外,也適用于邊遠和交通不便地區(qū)零星病死畜禽的處理。深埋法對深埋地點的選址、填埋深度、消毒防疫、人員操作等有嚴格的規(guī)定,要預防其污染土壤和地下水資源的潛在風險。已有研究者提出NH4-N、TOC、Cl和K可以作為區(qū)分動物滲濾液對地下水影響的指標,根據(jù)其監(jiān)測指標結果認為牲畜死亡的廣泛掩埋可能對地下水環(huán)境造成延遲和長期的影響[12-13]。

3.2 焚燒法焚燒法是指在焚燒容器內(nèi),使病死及病害動物和相關動物產(chǎn)品在富氧或無氧條件下進行氧化反應或熱解反應的方法。焚燒處理時要求燃燒室內(nèi)的溫度達到850 ℃,滅絕病原菌徹底,適用于患有炭疽等芽孢桿菌類疫病,以及牛海綿狀腦病、癢病的染疫動物及產(chǎn)品、組織的處理,經(jīng)過焚燒法處理后的爐渣可以進行資源化利用。焚燒法的不利之處在于焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣包括SO2、CO、NOX、VOCs、NH3、多氯二苯并對二噁英(PCDDs)、二苯并呋喃(PCDFs)、微粒物質(zhì)和重金屬鉛、鎘等[14],會污染空氣和土壤等,對環(huán)境造成不良影響,甚至進入人的食物鏈,對人體產(chǎn)生危害[15],需要配套相應的處理設施,使排放物達標后排放。

3.3 化制法化制法是指在密閉的高壓容器內(nèi),通過向容器夾層或容器內(nèi)通入高溫飽和蒸汽,在干熱、壓力或蒸汽、壓力的作用下,處理病死及病害動物和相關動物產(chǎn)品的方法?；品ㄌ幚磉^程中通入的高溫可以有效殺滅病原菌,處理結束后得到肉骨粉和油脂類產(chǎn)品,其中肉骨粉可以用作有機肥,油脂可用在工業(yè)上,實現(xiàn)資源化利用?；品ㄊ悄壳皯幂^多的一種無害化處理方式。

3.4 生物發(fā)酵處理法生物發(fā)酵法是利用微生物對病死畜禽進行發(fā)酵,降解病死畜禽機體組織,使其轉化為無害物質(zhì)。生物發(fā)酵法又分為好氧發(fā)酵和厭氧消化2種方式。好氧發(fā)酵是指在一定的水分、碳氮比和通風條件下,有機廢棄物經(jīng)自然界廣泛存在的微生物或商業(yè)菌株作用,發(fā)生降解并向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)方向轉化的生物化學過程,而厭氧消化是在厭氧條件下,有機體在混合培養(yǎng)細菌生態(tài)系統(tǒng)中被降解,最終得到沼氣(甲烷)、沼液和沼渣肥料產(chǎn)物[16-17]。2種處理方式都可有效殺滅病原菌。譚鶴群等[18]將病死豬與輔料和發(fā)酵菌種混合,在50～70 ℃條件下進行輔熱好氧發(fā)酵處理3 d后,大腸桿菌未檢出?？讉サ萚19]采用121 ℃以上的高壓蒸汽處理病死豬2～3 h,PCR測序檢測偽狂犬、豬瘟、藍耳、豬乙腦等病毒的結果為陰性,隨后在降溫階段加入輔料和生物酶進行好氧發(fā)酵,整個無害化處理過程可在22 h內(nèi)完成。張寧等[20]對病死豬進行高速切碎后加入生物菌種經(jīng)厭氧發(fā)酵和高溫處理2～3 d,病死豬的病原菌如藍耳病、豬流行性腹瀉病毒、鏈球菌等陽性檢出率由處理前的3.5%～18.8%降為無陽性檢出率。通過厭氧消化方式處理病死畜禽不僅能得到可利用的清潔能源——沼氣,同時還能實現(xiàn)對沼液和沼渣的綜合利用,屬能源可再生技術。魏東輝等[21]研究表明,病死豬厭氧發(fā)酵時,接種物比例和發(fā)酵溫度是影響厭氧發(fā)酵的關鍵因素,隨接種物比例增加,揮發(fā)性固體的甲烷產(chǎn)率、降解率增加,綜合甲烷產(chǎn)率、轉化率和發(fā)酵底物用量各指標結果,最佳工藝條件為接種物與底物的揮發(fā)性固體質(zhì)量比5∶5,溫度35 ℃,該條件下厭氧發(fā)酵的揮發(fā)性固體甲烷的產(chǎn)率為271 mL/g,揮發(fā)性固體的降解率為63.4%。He等[22]對比了死豬肉厭氧發(fā)酵產(chǎn)物生物氫氣和生物甲烷的潛能,發(fā)現(xiàn)在pH為8.0時,2.5%和1.0%的豬胰蛋白酶預處理死豬肉,在厭氧發(fā)酵過程中,可得到最大累積生物氫氣和生物甲烷產(chǎn)量,分別為175.84和104.59 mL/L。

3.5 微波處理法微波處理法是指利用頻率范圍在300 MHz～300 GHz內(nèi)的電磁波[23]對畜禽尸體進行處理。在此頻率范圍內(nèi)的電磁波的穿透性強,當有機體介質(zhì)吸收電磁波后自身發(fā)熱,產(chǎn)生熱效應從而殺滅微生物。利用微波殺菌,其加熱均勻迅速,不需要傳熱介質(zhì)傳導熱量,殺菌時間短,有效減少原料養(yǎng)分損耗,且其輸出功率可調(diào)整,可用于病死畜禽的滅菌處理。微波處理常與其他處理方法結合對病死畜禽進行無害化處理與資源化利用。楊昂超等[24]利用微波對病死畜禽進行高溫(80～85 ℃)滅菌30 min以上,再進行生物發(fā)酵24 h,不僅將常見病原體滅活,且得到優(yōu)質(zhì)的有機肥,實現(xiàn)病死畜禽的無害化處理和資源化利用。陳銘澤等[25]以病死畜禽經(jīng)高溫發(fā)酵處理后的肉骨粉為原料,采用微波輔助硫酸水解技術對其進行了工藝技術優(yōu)化,結果表明經(jīng)微波輔助處理的水解液中總氮的轉化率為90.12%,氨基酸態(tài)氮轉化率為82.13%,并縮短水解時間,顯示出其在氨基酸水解液制作中的優(yōu)越性。與應用傳統(tǒng)的病死畜禽處理技術的設備相比,基于微波技術對病死畜禽無害化處理的設備可節(jié)能30%,同時無二次污染[26]。

3.6 水熱處理法水熱處理法是在高溫和高壓條件下,利用水作為反應溶劑和介質(zhì)將濕生物質(zhì)在水熱反應過程中轉化為水熱炭、生物油等高附加值產(chǎn)物[27]。水熱反應過程是一種在超過飽和壓力的高溫下發(fā)生的熱化學過程,引起水的物理化學性質(zhì)(即密度、介電常數(shù)、離子產(chǎn)物)發(fā)生改變,產(chǎn)生亞臨界水或超臨界水,在此狀態(tài)下的水中,水解、解聚/聚合、異構化、脫水、脫羧、芳構化、縮合、甲烷化、加氫/脫氫等多種反應機制可以并行進行,產(chǎn)生能量密集的燃料和有價值的化學物質(zhì)[28]。根據(jù)溫度范圍和所需的產(chǎn)物(生物碳、生物油等),水熱過程可以分為水熱碳化(hydrothermal carbonization,HTC)、水熱液化(hydrothermal liquefaction,HTL)和水熱氣化(hydrothermal gas,HTG)3個基本過程。水熱處理法的高溫和高壓可以有效殺滅病原菌,當水熱碳化的反應溫度為100、150、200 ℃,保溫30、60和240 min,均可完全殺滅病死牛中的病原微生物[29]。經(jīng)過水熱處理的副產(chǎn)品可儲存或運輸以進行后續(xù)處置[30]。

利用水熱液化處理將病死畜禽轉化為生物油在畜禽無害化處理上研究較多。樊晨昕等[31]以豬體為原料,在最佳水熱條件下(278 ℃、64 min、29%固含量),生物油的最大產(chǎn)率為76.94%。水熱液化可有效降低生物油中N、O元素含量,提高生物油品質(zhì)。Xu等[32]研究發(fā)現(xiàn),利用水熱技術預處理死豬肉,有利于后續(xù)產(chǎn)物厭氧消化的快速啟動。在170 ℃條件下豬肉中90%的脂肪和10%的蛋白質(zhì)被分解,蛋白和脂肪的協(xié)同作用使沼氣產(chǎn)量增加。張鑫等[33]利用水熱處理對病死雞進行無害化處理并制取生物油,在240 ℃時生物油的最大產(chǎn)率為61.56%,且其綜合燃燒指數(shù)最大、燃燒性能最佳,實現(xiàn)病死雞的資源化利用。王金澤等[34]研究發(fā)現(xiàn),反應溫度對病死畜禽的水熱產(chǎn)物影響顯著,反應溫度越高,液體產(chǎn)物成分越復雜,且其產(chǎn)物之一的長鏈烷烴具有較高熱值,經(jīng)提純后應用前景廣闊。Yang等[35]利用水熱液化技術處理動物尸體,得到的生物油熱值范圍為39.7～42.5 MJ/kg,認為利用水熱液化生產(chǎn)生物原油是一種很有前途的動物尸體處理方法。

4 我國病死畜禽無害化處理和資源化利用的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 病死畜禽無害化處理率快速提升隨著相關法律法規(guī)的頒布和實施,我國病死畜禽無害化處理的處理率上升。以北京地區(qū)為例,2013年北京地區(qū)僅有33%的養(yǎng)殖場所配備無害化處理設備,病死畜禽的處理方式以深埋法為主,占86.9%,其余為焚燒或化制法[36],而到2017年,北京已建成覆蓋城鄉(xiāng)動物和動物產(chǎn)品的無害化收集處理系統(tǒng)并投入運營,病死動物以干化法實現(xiàn)高溫高壓滅菌無害化處理和生物發(fā)酵生成沼氣來發(fā)電的資源化利用[37]。目前對病死畜禽的處理以建立集中處理場所進行專業(yè)化處理為主要發(fā)展模式和方向,如2017 年山東省累計集中無害化處理病死畜禽28.8 萬t,集中處理率超過85%,同比增長25%[38],江西省2020年基本建成病死畜禽無害化處理體系,日處理能力達400 t[39]。

4.2 病死畜禽無害化處理和資源化利用中存在的問題病死畜禽的無害化處理關系畜禽疫病的防控,重點在于防止疫情的擴散和傳播,保障公共衛(wèi)生安全,目前在提升病死畜禽無害化處理和資源化利用的過程中還存在一些有待解決的實際問題。病死畜禽無害化處理是以集中處理為主要方式,多地已建立集中處理中心。集中處理中心實行政府主導,市場運作的機制,一方面各個無害化集中處理中心受經(jīng)營規(guī)模、地方財政補貼政策和補助資金額度、地方養(yǎng)殖規(guī)模、自身經(jīng)營能力等方面的原因影響,經(jīng)營狀態(tài)存在差異。一些經(jīng)營困難的集中處理場難以維持日常運行,對當?shù)夭∷佬笄轃o害化處理可能帶來不良影響[40];另一方面集中處理中心在運營過程中受廠區(qū)選址設計、工藝設備、技術管理、人員素質(zhì)等方面的影響,存在一些生物安全風險和環(huán)境污染風險,如終端產(chǎn)物可能被病原二次污染或病原微生物隨產(chǎn)物擴散至場外[41];無害化處理過程中產(chǎn)生的廢氣等處理不善會對周圍環(huán)境帶來不良影響等[42]。

5 病死畜禽無害化處理發(fā)展趨勢

病死畜禽的無害化處理與資源化利用相結合是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的途徑。國外畜牧業(yè)發(fā)達的國家如德國早在1972年制定了《廢棄物處理法》,2002年發(fā)布《動物副產(chǎn)品清除法》,前者確立了各類廢棄物無害化處理與循環(huán)利用的基本原則,后者要求對病死畜禽采用生物發(fā)酵等技術進行無害化處理與資源化利用[43],政府通過政策引導加大對病死畜禽廢棄物的資源化利用技術方法的研究利用,提高畜禽廢棄物資源化利用度,減少資源的浪費。目前已有的無害化處理方法中,深埋法和焚燒法因其存在的潛在風險已逐漸降低使用頻率,在一些國家或地區(qū)已禁止或限制采用此2種方法[17]。在能夠實現(xiàn)資源化利用的方法中化制法和生物發(fā)酵法應用范圍較廣。近年有研究發(fā)現(xiàn)將病死豬與濕垃圾按3∶1比例厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量較單獨病死豬肉發(fā)酵產(chǎn)氣量高約35%[44]。通過生物發(fā)酵工藝的優(yōu)化可以提高病死畜禽資源化利用的效率。水熱法是資源化利用率較高的無害化處理方法,具有較好的應用前景。目前國內(nèi)外已有一些研究成果,但還需要加強研究應用。

6 小結

病死畜禽的無害化處理是畜牧業(yè)綠色發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的要求,不論是常規(guī)的處理技術方法還是更能實現(xiàn)資源化利用的新技術方法,病死畜禽處理的基本原則是防范和控制疾病的傳播,保障生物安全。在此基礎上因地制宜選擇科學環(huán)保、經(jīng)濟可行的病死畜禽無害化處理方法,最大化實現(xiàn)資源化利用,是無害化處理和資源化利用技術不斷發(fā)展創(chuàng)新的動力,同時也是今后的發(fā)展趨勢和方向。