張 昊，陳 芳，申 杰，皮勁松*

(1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，湖北 武漢 430064；2. 動物胚胎工程與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064)

隨著國內(nèi)規(guī)模化、設(shè)施化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生大量廢棄物，帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題和社會問題。我國現(xiàn)階段，已將“大力推行高效生態(tài)循環(huán)的種養(yǎng)模式，加快畜禽糞便集中處理”列為目前的重點(diǎn)工作。在畜禽糞便處理集中化處理過程中，面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)，其中包括所產(chǎn)氣體的處理，堆肥腐熟的指標(biāo)參數(shù)，以及堆肥濾出物的后續(xù)處理等[1]。畜禽糞便堆肥化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體不但包括臭氣，還含有對環(huán)境造成二次污染的溫室氣體[2]。因此，畜禽糞便處理過程中有害氣體的減排與綜合防控技術(shù)應(yīng)作為糞便集中處理工作中一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)針對畜禽糞便處理過程所產(chǎn)生氣體的組成、排放規(guī)律以及無害化處理技術(shù)等幾個方面已經(jīng)開展了大量相關(guān)工作。本文擬通過對畜禽糞便堆肥中臭氣的主要成分，堆肥系統(tǒng)內(nèi)微生物演替規(guī)律以及堆肥過程微生物除臭措施進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)研究的開展提供參考。

1 堆肥產(chǎn)生臭氣的排放規(guī)律及機(jī)理

堆肥系統(tǒng)微生物代謝過程中除了產(chǎn)生二氧化碳(CO2)和水蒸氣之外，還釋放氨氣(NH3)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、硫化氫(H2S)、氮氧化物(NOx)以及揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)[3-5]。上述氣體中，CH4、NOx則是重要的溫室氣體，而NH3，H2S和VOCs是臭氣的主要組分[6-8]。

1.1 NH3

NH3是堆肥臭氣中的最主要的成分，不但對環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害，還損失降低了堆肥產(chǎn)品的肥效。畜禽糞便堆肥過程發(fā)生33%～60%氮損失，NH3是氮元素最主要的流失形式(約占總氮損失的98%)，以NOx形式流失的氮元素很少[9-11]。大量研究均表明，堆肥過程的NH3主要在升溫期和高溫期釋放[12-13]，腐熟期產(chǎn)生的氨氣產(chǎn)生較少[14]。

1.2 H2S

堆肥過程中堆體局部存在厭氧環(huán)境，厭氧環(huán)境中含硫有機(jī)物被厭氧菌分解，產(chǎn)生有臭雞蛋氣味的H2S[18-19]。硫酸鹽還原菌在堆肥過程H2S產(chǎn)生中發(fā)揮主導(dǎo)作用，其在厭氧條件下與產(chǎn)甲烷古菌競爭結(jié)合碳源物質(zhì)，利用硫酸鹽合成H2S[20-21]。分解產(chǎn)生的H2S一部分溶于水，溶解飽和之外的H2S才被釋放出堆體[22]。在畜禽糞便堆肥H2S產(chǎn)生的相關(guān)研究中，簡保權(quán)等研究發(fā)現(xiàn)，豬糞堆肥產(chǎn)生的H2S主要在升溫期和高溫期釋放，且H2S呈逐漸降低的趨勢[23]。吳銀寶等[24]對豬糞堆肥中的臭氣進(jìn)行檢測，但未檢測到H2S的釋放，可能與采樣的時間點(diǎn)或堆肥時除臭劑的添加有關(guān)。任順榮對豬糞、牛糞和雞糞堆肥H2S的釋放動態(tài)檢測結(jié)果顯示，牛糞堆肥不釋放H2S，雞糞堆肥僅在第4～6天檢測到少量的H2S釋放，豬糞堆肥24 h后 H2S釋放達(dá)到高峰，此后逐漸降低[25]。因此，畜禽糞便堆肥H2S釋放不但受到堆體的通氣量、水分含量的影響，還與堆肥的物料成分有關(guān)。

1.3 VOCs

VOCs 濃度較低但對臭味貢獻(xiàn)很大，且成分復(fù)雜，目前能檢測出的 VOCs 已超過300種[26]。不同堆肥種類產(chǎn)生的VOCs 成分不相同，含硫有機(jī)物、含氮有機(jī)物和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是其中較為穩(wěn)定的臭氣成分[27]。一般認(rèn)為，含硫有機(jī)物是VOCs中最重要的致臭因子，來源于含硫氨基酸的厭氧降解[28]，主要成分包括甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、芐硫醇、甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和苯硫酚等[29]。堆肥產(chǎn)生的含氮有機(jī)物主要由甲胺、三甲胺和糞臭素組成[30]，其臭氣指數(shù)低于含硫有機(jī)物[31-33]。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是指短鏈的有機(jī)脂肪酸，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸及其同分異構(gòu)體。VFA是堆肥厭氧發(fā)酵的重要產(chǎn)物，臭氣指數(shù)更低。有研究表明，肉雞養(yǎng)殖廢棄物堆肥過程中，VOCs釋放主要集中于升溫期和高溫期[34]。由于VOCs成分多樣，參與其合成的微生物種類繁多，且受到堆肥物料、堆體溫度、通風(fēng)量和pH等多種因素的影響，在畜禽糞便堆肥中的系統(tǒng)研究相對較少。

綜合臭氣排放規(guī)律及排放機(jī)制可以發(fā)現(xiàn)，具有氨化作用、硝化作用、硫氧化作用等關(guān)鍵功能微生物菌群在堆肥臭氣產(chǎn)生中發(fā)揮了調(diào)控作用。解析堆肥系統(tǒng)中微生物的演替規(guī)律及微生物間的互作機(jī)理，能夠?yàn)榫鷦┑难邪l(fā)和利用提供理論基礎(chǔ)。

2 堆肥系統(tǒng)中微生物及其演替規(guī)律

堆肥是由群落結(jié)構(gòu)演替較快的微生物群體共同作用而實(shí)現(xiàn)的動態(tài)過程，是微生物與周圍環(huán)境(有機(jī)物、C/N、溫度、水分、pH和通氣量)相互影響與相互作用的結(jié)果[35]。堆肥系統(tǒng)中的微生物演替與臭氣的產(chǎn)生相關(guān)。而脫臭功能微生物或利用臭氣中成分進(jìn)行自身代謝，或通過微生物間互作減少臭氣產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)臭氣脫除。

2.1 堆肥系統(tǒng)中微生物的初步分析

在堆肥系統(tǒng)中，堆體溫度隨堆肥化進(jìn)程不斷發(fā)生變化，一般分為升溫、高溫和降溫三個階段[36-37]。嗜溫、耐熱和嗜熱微生物主導(dǎo)了堆肥系統(tǒng)的變溫過程[38-39]。堆肥初期為升溫期，該階段微生物以嗜溫微生物為主，主要分解堆肥中易降解的可溶性混合物。經(jīng)鑒定發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌、梭菌和放線菌是升溫期的關(guān)鍵功能微生物[40-41]。隨著微生物迅速繁殖并釋放熱能，導(dǎo)致堆肥溫度不斷提高，堆溫達(dá)50 ℃以上，表明堆肥進(jìn)入高溫期。高溫期占主導(dǎo)地位的嗜熱真菌和耐高溫放線菌具有較強(qiáng)的分解多糖、蛋白質(zhì)和脂肪的能力，不斷腐解有機(jī)質(zhì)。堆溫達(dá)到70 ℃后，微生物大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)，死亡的微生物所合成的各種酶可使有機(jī)物質(zhì)的腐解持續(xù)進(jìn)行，但持續(xù)時間較短。溫度隨后降低進(jìn)入腐熟期，嗜溫微生物又占據(jù)主導(dǎo)地位，但其主要作用為堆肥的成熟和堆體降溫[1]。采用稀釋平板法對自然堆肥過程中微生物區(qū)系計數(shù)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)：隨著溫度變化微生物數(shù)量呈現(xiàn)高-低-高的規(guī)律，整個堆肥過程中細(xì)菌始終占優(yōu)勢地位，放線菌次之，霉菌最少[42]。

隨著測序技術(shù)的發(fā)展，宏基因組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用推動了對堆肥系統(tǒng)中微生物群落的多樣性、結(jié)構(gòu)和潛在功能基因等方面的深入研究[43]。宏基因組學(xué)通過對生境中所有微生物的總基因組DNA進(jìn)行研究，避開傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的局限性，提高功能微生物的發(fā)現(xiàn)效率和解析深度[44]。Martins等[45]對公園堆肥樣品的總DNA測序后分析發(fā)現(xiàn)，堆肥60 d后，變形菌門的乳酸桿菌屬成為優(yōu)勢菌屬。此外，與不同堆肥生境比較發(fā)現(xiàn)，盡管在不同生境中的微生物種類和演替規(guī)律不同，但菌群的互作和替代機(jī)制使其實(shí)現(xiàn)了相近的堆肥效果。Gannes等[46]利用焦磷酸測序分析了堆肥系統(tǒng)的主要差異階段的菌落變化，結(jié)果顯示微生物群落演替中，升溫期和腐熟期微生物群落有明顯的差異。腐熟期的主要微生物并不是在高溫期休眠，在腐熟期又被喚醒的升溫期微生物。張麗麗[47]整合宏組學(xué)方法對雞糞秸稈堆肥進(jìn)行了微生物群落組成以及功能微生物的時空動態(tài)變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雞糞堆肥中獨(dú)特的群落結(jié)構(gòu)具有高蛋白質(zhì)利用能力，芽孢肝菌屬組成的優(yōu)勢微生物群落在堆肥中起重要作用。目前，盡管堆肥過程中的微生物演替規(guī)律被逐步揭示，但與堆肥過程中菌落演替與臭氣發(fā)生的關(guān)系研究報道較少，有待進(jìn)一步深入研究。

2.2 脫臭功能微生物

早在20世紀(jì)90年代，比嘉照夫?qū)⑷樗峋?、酵母菌、放線菌等80多種微生物進(jìn)行復(fù)配，制備“有效微生物群(Effective microorganisms,EM)”在畜禽糞便堆肥中使用，應(yīng)用結(jié)果表明，EM添加后可減少50%的NH3排放，并縮短堆肥腐熟周期[49]。張生偉[50]利用高效除臭菌株和纖維素分解菌群去除雞糞、豬糞堆肥中的NH3，在堆肥前20 d氨氣去除率高于70%。劉春梅將畜禽糞便中篩選馴化獲得的假單胞菌和鏈霉菌復(fù)配，并應(yīng)用于牛糞除臭，整個堆肥過程N(yùn)H3脫除效率為50%～70%[51]。王衛(wèi)平[52]利用不同濃度由酵母菌、放線菌和芽孢桿菌組成的復(fù)合菌劑去除豬糞堆肥中NH3，結(jié)果顯示，高濃度(5‰)的菌劑添加除臭效果更好。Pan[53]從堆肥中篩選獲得假單胞菌和枯草芽孢桿菌能有效的參與堆肥系統(tǒng)氮素循環(huán)，發(fā)揮保氮作用。由此可見，微生物法原位脫除畜禽糞便堆肥中含氮臭氣是高效可行的。

2.2.2 脫除含硫臭氣的微生物 含硫臭氣脫除在畜禽糞便處理[54]和礦石原料利用等工業(yè)領(lǐng)域[55]均被廣泛應(yīng)用，異養(yǎng)型和自養(yǎng)型硫氧化細(xì)菌是關(guān)鍵脫臭微生物[56]。揮發(fā)性含硫有機(jī)物大多通過異養(yǎng)型硫氧化細(xì)菌轉(zhuǎn)化成硫化氫[57]，而H2S可被自養(yǎng)型硫氧化細(xì)菌氧化成SO42-[58]，此外，硫代硫酸鹽可被部分異養(yǎng)型硫氧化細(xì)菌氧化成硫酸鹽。

高穎等通過對細(xì)黃鏈霉菌、米根霉和班圖酒香酵母菌復(fù)配制備除臭菌劑，能夠?qū)π笄荻逊仕a(chǎn)生的H2S產(chǎn)生較好的去除效果[59]。劉春梅應(yīng)用篩選所獲得的菌株，使牛糞堆肥過程H2S脫除80%以上[51]。葉芬霞[60]將巨大芽孢桿菌、灰色鏈霉菌和熱帶假絲酵母復(fù)配，制成復(fù)合微生物吸附除臭劑，H2S去除率達(dá)65%以上。Liang等[61]利用微生物法去除H2S，結(jié)合通風(fēng)量控制、溫度調(diào)節(jié)、pH調(diào)整等手段，可實(shí)現(xiàn)H2S的完全去除。以上結(jié)果提示我們，在畜禽糞便堆肥過程中，通過采用合適的除臭方法，優(yōu)化除臭方案，可實(shí)現(xiàn)含硫臭氣的完全去除。

3 畜禽糞便堆肥的生物除臭技術(shù)

生物除臭法是20世紀(jì)后期發(fā)展起來的惡臭處理方法，隨著研究的深入逐步應(yīng)用，在日本、荷蘭、德國等發(fā)達(dá)國家取得了良好的應(yīng)用效果[62]。生物除臭較物料除臭和化學(xué)除臭而言，具有效率高、無二次污染、營運(yùn)成本低及易于維護(hù)等優(yōu)勢[63]。惡臭異位去除和原位去除技術(shù)是生物除臭兩種主要方式。

3.1 原位除臭技術(shù)

原位除臭技術(shù)是指在堆肥中直接添加除臭菌劑，利用某些微生物在代謝過程中可利用臭氣成分，或可抑制產(chǎn)臭的微生物的代謝活動等特點(diǎn)，達(dá)到除臭目的。一般除臭菌劑由多種功能微生物經(jīng)過發(fā)酵復(fù)配制成，由于菌群組成、代謝類型、呼吸類型及作用功能多樣，復(fù)合微生物除臭菌劑具有對環(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)點(diǎn)，是堆肥除臭的發(fā)展方向之一。在含氮臭氣脫除時，原位除臭可兼顧除臭和保氮兩方面要求，簡單易行，是較佳的脫除含氮臭氣的方式。

3.2 異位除臭技術(shù)

異位除臭技術(shù)通過負(fù)壓系統(tǒng)將堆肥所產(chǎn)生的臭氣收集，傳送至除臭濾塔(池)中集中脫除的技術(shù)，除臭過程主要采用生物過濾法、生物滴濾池法和生物洗滌法三種方式。生物過濾法使用具有惡臭物質(zhì)吸附功能并附著功能微生物的填料除臭。臭氣組分吸附于填料后，被微生物降解，達(dá)到除臭目的。生物濾池法可使臭氣物質(zhì)消除80%以上[64-65]。生物滴濾池法與生物過濾法類似，其區(qū)別在于使用的填充物為選用惰性材料，頂部設(shè)有噴淋裝置。除臭時，功能菌液從頂部噴淋下來，并逐步流過滴濾塔填料，實(shí)現(xiàn)臭氣去除。生物洗滌法是一個懸浮活性污泥處理系統(tǒng)，通過生物懸浮液和生化反應(yīng)器兩步對臭氣進(jìn)行降解脫除，對水溶性惡臭物質(zhì)脫除效率高[66]。

4 研究展望

在用生物法脫除臭氣成分的研究與實(shí)踐中，各國科研機(jī)構(gòu)已獲得許多脫臭功能菌株，通過菌株復(fù)配制備的復(fù)合菌劑脫除堆肥所產(chǎn)生的臭氣，但是，復(fù)合菌劑在高溫期的除臭效果還有待提高，菌劑添加時間、添加量和添加條件也需優(yōu)化。同時，由于畜禽糞便的堆肥工藝多樣，翻堆頻率[67]、溫度[68]、C/N比[69]、水分含量[70]、電導(dǎo)率[71]、pH[72]及粒型等[73]多種因素均對堆肥產(chǎn)臭造成影響，此外，不同堆肥原料也會導(dǎo)致堆肥臭氣成分的差異?；诙逊噬持形⑸镅萏嬉?guī)律的解析，結(jié)合篩選獲得的除臭菌劑的應(yīng)用效果，有助于新型高效除臭菌株獲得，闡明除臭菌劑的脫臭機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果不但可為畜禽糞便處理中的臭氣排放問題提供有效解決方案，也為生物工程菌的制備提供基因素材。

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