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畜禽场微生物除臭技术的研究进展


现代畜牧网 http://www.nongzhong5083.com 2019/1/11 21:19:41 关注:1046 评论: 我要投稿

  【摘 要】畜禽场排放的氨气、硫化氢、挥发性有机物等恶臭污染严重危害人畜健康和周边环境,恶臭污染问题亟待解决。目前,畜禽场除臭方法多样,包括物理法、化学法和生物法。本文论述了微生物除臭技术的原理及在畜禽场以微生物添加剂的形式用于源头除臭、以生物过滤和喷洒的形式用于过程除臭、以发酵液等形式用于末端除臭的应用和研究进展,对微生物除臭技术现状和发展趋势进行简要分析。
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  畜禽场臭气及微生物除臭技术
  畜禽场臭气的排放源主要有畜禽舍、堆肥车间、污水池、粪污处理间等。从形成原理来看,恶臭主要来源于微生物的腐败分解,畜禽粪便中含有大量土著微生物, 是恶臭产生的主要微生物种群。粪便在厌氧发酵或其他处理不当的情况下会产生臭气。此外,皮肤、毛、饲料、垫料等富含蛋白质的废弃物厌氧分解也会产生臭气。
  研究表明,畜禽粪便产生的恶臭由多种臭味化合物组成, 可以分为挥发性含硫化合物、氨(NH3)和挥发性胺类、吲哚类和酚类、挥发性脂肪酸类(VFAs)4 类。恶臭污染物中多数成分含量极低,且难以单独区分并进行测量,国内外对于重要的畜禽粪尿恶臭强度指标物存在争议,NH3、硫化氢(H2S)和VFAs 是国内多数研究的主要测量指标,国外也有以畜禽粪尿的上清液生物化学需氧量(BOD)、VFAs、含硫化合物等作为评价恶臭的主要参数和指示剂,其选择也与测量时的粪便处理状态有关。畜禽恶臭气体收集难,成分复杂,因此治理困难。目前,恶臭治理技术多样,但其原理都是通过物理、化学或生物作用,改变恶臭物质的物相、物质结构或减弱其产生强度,从而去除或减弱臭味。
  生物除臭法于20 世纪50 年代发展起来,该方法的原理是通过微生物将恶臭物质吸收至自身体内,并通过微生物的代谢活动使其降解,目前已成为国内外恶臭防治研究与应用中的主要方法。在腐败环境下,动物肠道、粪便中的土著微生物是恶臭物质产生的主要原因, 而除臭微生物利用微生物之间的拮抗关系,通过抑制土著微生物的生长和活性以达到减臭和除臭的目的。
  除臭微生物多为有益微生物,也称益生菌。日本琉球大学比嘉照夫教授最初研究发现,有益微生物群由乳酸菌、光合菌、酵母菌和放线菌群等10个属80 余种微生物复合培养而成,可用于食品添加、污水治理等。在利用微生物除臭时,通常根据除臭阶段及除臭方式的不同,选择不同种类的有益微生物作为除臭微生物,有时采用单一的有益微生物,有时采用多种有益微生物混合的方式除臭,即复合微生物除臭。当采用复合微生物除臭时,微生物可以共存并因其组合的新陈代谢性能而在除臭过程中相互支持。如何保证复合微生物除臭菌剂接种后能竞争过土著菌,成为优势菌生长,以及分离得到除臭效果较好的菌株,是微生物除臭技术的关键。
  2
  源头除臭技术
  在源头除臭中,微生物法通常以添加剂形式进行使用,包括饮用水添加剂和饲料添加剂,饮用水添加剂较为少见,将有益微生物作为畜禽饲料添加剂以替代抗生素是作为源头除臭的主要方法。近年来,抗生素的大量使用已经引起了环境污染、药物残留、抗药性、内源性感染等一系列负面效应,严重威胁动物健康,因此对能替代抗生素的有机、无公害添加剂的研究和开发不断深入。Papatsiros 等对目前抗生素的有效替代品做了总结,发现益生菌是低成本、无公害的添加剂之一。益生菌通过增加益生菌酶的活性和饲料的可消化性促进消化过程,通过刺激免疫系统和肠黏膜的再生提高动物的免疫力,进而有效地从源头减少臭气的排放。微生物益生菌添加剂具有无残留、绿色安全等优点,得到越来越多的关注、研究和应用。
  将益生菌作为饲料添加剂使用时,一般以单种微生物为原料。乳酸菌是最早应用于微生态制剂的菌种, 绝大多数乳酸菌为厌氧或兼性厌氧的化能异生菌,能使肠道菌群的组成发生有益变化,改善宿主胃肠道功能, 恢复肠道内菌群平衡,形成抗菌生物屏障,维护动物健康。CHang 等发现,直接用乳酸菌喂养肉鸡能有效减少肉鸡舍内的环境NH3 浓度以及降低其排泄物的pH 和水分含量,挥发性有机物(VOCs)含量可降至检测限以下,也可减少恶臭指标(如丁醇等)的含量。AHmed 等研究发现,增加饲料中解淀粉芽孢杆菌益生菌的添加量对粪便的NH3 和H2S 排放量有负线性影响,添加量为20 g/kg 时NH3 的减排率可达90% 以上,添加量为5 g/kg 时H2S 的减排率可达87% 以上。据此,研究者认为该种益生菌可用作肉鸡饲料的添加剂, 在粪便除臭方面也有较好的作用。UpadHaya 等试验表明,芽孢杆菌饲料添加剂通过提高猪的饲料消化率, 减少了粪便量,提高了整体生长性能,并显著降低猪粪便的NH3排放,从而改善猪舍环境。
  此外,也有研究将复合微生物作为饲料添加剂。郑国卫等将由韩国安城猪场提供的恶臭去除系统专用益生菌作为饲料添加剂(饲料中不添加抗生素),发现6 个月及12 个月后,结合室内喷雾技术,有效降低了猪舍内的NH3 浓度。刘婕等通过体外试验发现,啤酒酵母菌、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌在体外可有效抑制大肠杆菌和沙门氏菌的生长,这3 种微生物制剂虽单独除臭效果并不理想,但将它们与单一水基果酸(AHA)、膨润土按一定比例混合制成饲料添加剂,添加量为0.15% 时,可显著降低猪舍内的NH3 浓度。也有研究表明,在饲料中添加一种含芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌等活性益生菌总数≥20 亿个/g 的复合微生态制剂,不仅能降低猪舍的NH3、H2S、CO2 等有害气体浓度,还具有良好的灭蝇效果,能有效改善饲养环境。
  3
  过程除臭技术
  微生物的过程除臭是指对畜禽舍内的恶臭来源物、舍内及舍外的排气等进行除臭,主要有生物过滤法、微生物喷洒等除臭方式。大量研究表明,生物过滤法是消除VOCs 和处理NH3 等臭气的有效方法,该方法具有操作简便、能耗小、用水量少等优势,受到广泛关注。生物过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜,废气流经填料床时,通过扩散把污染成分传递到生物膜,并与膜内的微生物接触而发生生化反应,从而降解污染物。综合目前的相关研究来看,将设计合理的生物过滤器用于农业中进行除臭, H2S 和NH3 的去除率分别可达浓度95% 和65%,可见, 生物过滤器是控制恶臭污染的有效方式。
  国外对生物过滤器的研究起步较早。20 世纪70 年代起,欧美就开始对生物过滤脱臭的原理方法、降解臭气的微生物种群等方面进行研究。Kristiansen等将丁酸-二甲基二硫化物- 同化微生物活性菌群运用到滴流生物过滤器中,有效去除了羧酸(去除率大于70%)和有机硫化物(去除率达50%)。
  我国关于生物过滤器在畜牧业除臭中的研究起步较晚。李琳等研究了一种复合式生物除臭反应器, 将不同的微生物、细菌或真菌分别接种在反应器的2 个生物反应区中,发现通过其协同作用可以有效去除多种污染物,对NH3 和H2S 去除率分别达到96.7% 和92.1%。徐晓军等利用固定化生物滴滤反应器,用海藻酸钠作包埋剂,固定枯草芽孢杆菌、白曲霉菌和葡萄球菌等优势菌种,用于处理NH3和H2S,该方法可将出气口的NH3 和H2S 分别处理至达到国家排放标准中的一级和二级标准。
  在过程除臭中,微生物还可通过喷洒方式进行除臭。将微生物以一定比例稀释,对畜禽舍、畜禽本身或畜禽排泄物进行喷洒,能降低有害气体浓度,但同时也会增加总细菌数。
  Kim 等用生物添加剂在封闭猪舍内喷洒,此种生物添加剂中的微生物来自随机挑选的商业产品,结果发现空气中总细菌含量比喷雾前的初始水平更高,这可能是由于喷洒的微生物添加剂产生的细菌雾化液滴造成。Kim 等利用添加一定浓度解淀粉芽孢杆菌的喷雾对NH3、H2S 和二氧化硫(SO2)进行减排试验,发现以每天1 次喷洒10% 的解淀粉芽孢杆菌喷雾为最佳, 但减排的潜在作用机理还需要通过评估粪便细菌群落结构和粪便pH 来进行进一步探究,目前尚未有更多研究报道。
  4
  末端除臭技术
  微生物的末端除臭即将菌剂直接喷洒到畜禽粪便上,或作为发酵液添加剂添加到畜禽粪便中,利用微生物之间的共生、繁殖及协同作用分解转化粪便中的有机物质,微生物的代谢产物如乳酸、乙酸等形成酸性环境,抑制腐败类微生物和病原菌的繁殖,从而达到减少恶臭气体释放的目的。Kuroda 等将芽孢杆菌菌株TAT105 以直接混合添加的方法进行猪粪便的实验室规模堆肥试验,结果发现该菌剂能有效降低NH3 浓度。但由于单一菌株形成的除臭体系较为单一且并不稳定, 目前对于单一菌株的除臭研究并不多。因此,大多数研究或商业产品都是以复合菌剂为原料,利用有益微生物之间的共生共存原理来分解恶臭物质进行除臭。
  叶芬霞等利用由筛选出的热带假丝酵母、巨大芽孢杆菌和灰色链霉菌3 种优势菌种制成的复合菌剂除臭,对畜禽粪便中NH3的去除率达80% 以上,对H2S的去除率达65%以上,对猪舍内和堆肥场的NH3、H2S 及恶臭浓度的去除率均达60% 以上,除臭效果良好。陈丽园等以减少NH3和H2S为主要依据,从168 株真菌、放线菌和细菌菌株中筛选出11 株有效菌株,对畜禽粪便具有良好的除臭效果,但其具体生理性能及除臭机理有待进一步研究。张生伟等将经筛选和优化后的高效除臭菌和纤维素分解菌群制成复合微生物除臭剂并用于堆肥试验,发现NH3和H2S的去除率在堆肥前20 d高达70%和60%以上,表明复合微生物除臭剂用于堆肥能高效稳定除臭,同时能减少堆肥肥效损失, 促进堆肥腐熟。李光春等对不同微生物进行组合试验,结果表明裂殖酵母菌、副干酪乳杆菌、蜡样芽孢杆菌和不动杆菌4 种微生物组合后接种到猪场养殖废水中后,能有效抑制恶臭气体的产生。
  Choi 等用芽孢杆菌、酵母菌、放线菌等益生菌作为猪粪便发酵液,发现浓度为0.2%的益生菌能降低猪粪便的pH和CO2排放,同时对CH4也有减排作用。另有研究在畜禽粪便除臭发酵液中添加了嗜粪乳杆菌、嗜热乳链球菌、酿酒酵母菌、异常汉逊酵母菌、嫌气纤维素分解菌等多种菌种,利用嫌气纤维素分解菌在高温厌氧条件下,将纤维素转化为有机酸及醇类,而后再转化为CH4CO2,彻底解决畜禽粪便的臭味。
  目前,市场上已出现不少畜禽除臭的微生物菌剂, 大部分既可用于喷洒,又可直接作为粪便或堆肥添加剂使用。Choi等对市场上用于除臭减排的商业微生物添加剂进行验证,发现只有2种添加剂能有效除臭,在80d 的贮存期后,沼液的恶臭指数能降低70%以上, 挥发性脂肪酸能降低50%以上,而另外2种微生物添加剂则对贮存中的沼液臭气减排没有影响。这一研究对于养殖企业选购市场上的微生物添加剂有一定警醒和指导作用。
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  小  结
  比较微生物除臭技术在畜禽场各环节的应用,源头除臭是操作简便、价格低廉的应用方式,同时还能促进动物健康;微生物除臭技术在过程及末端除臭的同时,可能会造成细菌含量增加等不利影响,且除臭效果尚未稳定。总体来看,微生物除臭技术具有对环境适应能力强、应用范围广、除臭效果较持久等优势,不仅可用于畜禽场各阶段的臭气治理控制,同时也已经应用于大气污染治理、垃圾填埋场等多个领域。但该技术在有益微生物间、益生菌及土著微生物间的具体关系、作用原理、代谢产物等方面还有待明确。当利用多种有益微生物进行除臭时,根据检测粪便菌落结构筛选和培养高效的除臭微生物也亟待进一步探究。此外,复合菌剂的安全性、菌株组合方式等都还有待验证(参考文献略)。
文章作者:王艾伦,等 中国畜牧杂志     文章编辑:一米优讯     
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