畜禽養殖廢棄物堆肥過程中微生物除臭研究進展

魏啟航，任艷芳，何俊瑜，李兆君

畜禽養殖廢棄物堆肥過程中微生物除臭研究進展

魏啟航1,2，任艷芳1，何俊瑜1，李兆君2

（1常州大學環境與安全工程學院，江蘇常州 213164；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室， 北京 100081）

隨著世界各國的畜禽養殖業向著集約化、產業化方向發展，養殖廢棄物大量產生，嚴重影響到生態環境并威脅到人畜健康。目前，畜禽養殖廢棄物的資源化利用受到人們的廣泛關注，其中好氧堆肥技術是當前最有效的處理方法。然而，堆肥過程中產生的異味氣體使好氧堆肥技術的推廣面臨極大挑戰。在堆肥過程中，這些異味氣體威脅人類健康的同時，還會帶來一系列環境問題。因此，充分、有效的去除堆肥過程中異味氣體顯得十分重要。本文重點闡述了堆肥過程中異味氣體排放特征及其源物質轉化特征，分析堆肥過程中影響異味氣體產生的因素，并從原位除臭技術和異位除臭技術兩個方面對異味氣體生物處理技術以及微生物控制機理進行討論。主要結論：異味氣體（NH3、H2S和揮發性有機物）主要在堆肥的升溫期和高溫期產生；控制最佳堆肥溫度為55—60℃、水分為50%—60%、pH為7.5—8.5、C/N為25—30、氧氣濃度為10%—18%、有機質含量為50%—80%，結合適宜的堆肥方式、翻堆頻率以及添加外源微生物，可使異味氣體產生量降至最低；一種除臭微生物菌株一般只對一種異味氣體具有較高的去除效率，難以同時去除多種成分的異味氣體，而復合微生物除臭劑可以同時去除多種異味氣體成分，但去除效率相對較低。建議進一步研究有機質轉化、微生物群落變化與異味氣體產生的規律，從而在堆肥升溫期和高溫期盡可能地減少異味氣體的產生；重點研發復合除臭菌劑，在提高除臭效果的同時探明微生物作用機理。

畜禽廢棄物；好氧堆肥；異味氣體；影響因素；微生物技術

近年來，隨著畜禽養殖業集約化、產業化的發展，畜禽養殖過程中產生了大量廢棄物。據報道，我國每年產生的養殖廢棄物可達38億噸，綜合利用率不到60%，不僅嚴重污染環境，而且在一定程度上危害到人畜健康[1]。因此，如何提高畜禽養殖廢棄物的綜合利用率已成為生產中亟待解決的關鍵問題。在畜禽廢棄物資源化利用中，堆肥是最有效的處理方法，卻面臨著異味氣體帶來的一系列污染和健康安全問題[2]。畜禽養殖業所產生的異味氣體成分較為復雜，一般分為：氨和揮發性胺類、揮發性低級脂肪酸類、揮發性含硫化合物、酚類和吲哚類[3-4]。這些異味氣體被人體吸入后會刺激黏膜，引起咳嗽等健康問題，而高濃度的異味氣體會導致呼吸困難，甚至引起癌癥和中樞神經系統的損害[5-6]。目前，國內外研究人員主要采用生物處理技術控制異味氣體，并已取得大量成果，但通過堆肥微生物減少異味氣體產生的研究相對較少。

本文從堆肥過程中異味氣體排放特征及其源物質轉化特征、影響因素、異味氣體生物處理技術以及微生物控制機理等方面進行綜述，旨在為解決專業化畜禽廢棄物堆肥過程中異味氣體問題提供參考。

1 堆肥中異味氣體排放特征及其源物質轉化特征

好氧堆肥是指在有氧條件下微生物將易降解的有機物分解后吸收轉化成自身細胞物質，并將不易降解的有機物分解為無機物的過程[7]。在這個過程中，有機質在滿足微生物繁殖生長的同時，被分解為大量的溫室氣體和一些異味氣體。其中，異味氣體成分較為復雜，NH3、H2S和揮發性有機化合物（VOCs）是異味氣體中最主要的成分[8-9]。

1.1 NH3

NH3由好氧堆肥產生，是堆肥過程中最主要的異味氣體。簡保權[10]在研究豬糞堆肥時發現，NH3主要在堆肥的升溫期和高溫期產生，特別是在高溫期大量揮發。這是因為堆肥初期微生物的數量較少，依靠分解有機質不斷繁殖生長，由于此時溫度較低，升溫期產生的NH3大多溶于水形成NH4+-N。隨著溫度升高，堆肥進入高溫期，此時微生物的數量最多，能夠快速分解有機質產生NH3；而NH4+-N受高溫揮發也會形成NH3。

堆肥中NH3的產生主要來源于含氮有機物的氨化作用。在堆肥過程中，含氮有機物首先在氨化微生物作用下形成NH3，由于此時溫度較低，大量NH3發生溶解作用形成NH4+-N。一部分NH4+-N被微生物同化利用或者高溫期受熱揮發成NH3釋放，另一部分則被硝化為NO3--N。而NO3--N在缺氧條件下會進行反硝化作用，從而形成分子態氮和N2、N2O等氣體。其中，分子態氮在固氮微生物的作用下被還原為少量的NH3和含氮無機物[11-12]。其氮素轉化過程如圖1所示。

1.2 H2S

在好氧堆肥過程中，存在局部缺氧環境，這時有機質可經厭氧細菌降解產生H2S等刺激性氣體[13]。于海嬌[14]發現豬糞在靜態高溫好氧堆肥過程中，H2S的揮發集中在升溫期和高溫期，且以高溫期釋放的H2S最多，這與高溫期好氧微生物數量最多，氧氣消耗速度最快，更易形成缺氧環境有關。

圖1 含氮有機物的轉化過程

在有氧條件下，H2S在硫細菌的作用下氧化成硫酸，并和堆肥中的鹽基作用形成硫酸鹽；但是在缺氧條件下，厭氧細菌會將有機物分解為不徹底的氧化產物，含硫有機物經微生物的反硫化作用轉變為H2S，硫酸鹽還原菌在H2S產生中發揮主導作用[15-16]。

1.3 VOCS

除了NH3和H2S，堆肥過程還會釋放出大量VOCs[17-18]。這主要由微生物降解有機質所致，產生的VOCs濃度雖低但對臭味貢獻很大[19]。VOCs成分十分復雜，尚斌等[20]在研究死豬堆肥過程中共檢測出37種VOCs，主要的致臭物質為三甲胺、二甲基硫、二甲基二硫和二甲基三硫。到目前為止，能檢測出的VOCs已超過300種。表1中列出了堆肥過程中部分異味VOCs的環境最高允許濃度和氣味特征[21]。

大量研究發現，大多數VOCs主要在堆肥初期產生[22-25]。KUMAR等[26]在垃圾堆肥研究中發現，VOCs在前期的釋放量約為后期的5倍。EITZER[27]發現在堆肥初期VOCs最大釋放量可達100 mg·m-3，是后期的1.5—2倍。這是由于高溫階段一些VOCs被蠟樣芽孢桿菌分解，從而造成高溫期VOCs濃度不高[28]。

表1 堆肥過程中部分VOCs允許濃度和氣味特征[21]

2 堆肥中異味氣體產生的影響因素

2.1 溫度

溫度是堆肥進行的前提條件，不僅影響堆肥成敗，也是導致堆肥中異味氣體產生的重要因素。在堆肥初期，以嗜溫菌起主導作用進行有機質的分解并產生熱量，從而使堆肥進入高溫期。隨后嗜溫菌大量死亡，而嗜熱菌開始加速分解有機質形成持續高溫，進而滅殺蟲卵、病原菌、寄生蟲等有害生物[29]。然而若此時溫度過高，微生物會過度消耗有機質，在降低堆肥肥效的同時，導致大量異味氣體排放[30]。LIU等[31]研究發現，接種微生物可以提高牛糞堆肥的升溫速率，有利于減少異味氣體的排放時間。KOYAMA等[32]對污泥進行嗜熱堆肥發現，10 d后60℃處理和70℃處理的氮轉化率分別為14.7%和15.6%，都明顯高于50℃的處理。

2.2 水分

水分作為堆肥中微生物活性的決定性因素，主要參與堆肥過程中有機物的溶解、微生物的新陳代謝以及調節堆體溫度[33-34]。然而李群嶺等[35]發現，堆肥中水分過高，不僅會引起堆體溫度下降，而且過高的水分會阻礙堆料中氧氣的擴散，使局部處于缺氧環境，引起厭氧發酵，從而導致大量H2S的產生。

2.3 pH

在堆肥過程中，pH是評估堆料環境至關重要的參數，是反映堆肥發酵過程的標志，適宜的pH不僅能提高微生物活性[36]，縮短堆肥的時間，還有助于減少異味氣體的產生。SUN等[37]研究發現，pH與氨氧化細菌群落多樣性呈負相關性。黃丹丹[38]研究表明NH3的產生與pH存在正相關性，而H2S的產生與pH則存在負相關性。LIU等[39]研究發現濃縮谷氨酸鈉廢水可以用于調節pH并提高微生物活性，減少氮元素的損失和NH3排放。

2.4 C/N

碳素為微生物的活動提供能量，而氮素是微生物合成自身細胞的主要營養物質。堆肥原料的C/N過高，會降低微生物的活性，使堆肥時間變長，從而使異味氣體的散發時間變長；堆肥原料的C/N過低，會使過量的氮轉化為NH3，導致異味氣體產生量增加[40]。張鶴等[41]研究認為，C/N在25—30時養分損失量最少，異味氣體排放量也最少。ZHANG等[42]和田野等[43]研究表明，通過調節物料配比，加速堆肥中有機質的降解，可以減少了NH3的產生。

2.5 通風量

通風量是堆肥過程中不可或缺的因素，可以決定其為好氧堆肥或厭氧堆肥。適量的通風為微生物提供所需的氧氣，最佳的氧氣濃度為10%—18%[44]。若通風量過小，微生物處于厭氧環境，有機質進行厭氧發酵就會產生惡臭。ZHANG等[45]研究發現提高通氣量可以減少廚房垃圾堆肥過程中揮發性含硫化合物的排放。沈玉君等[46]對豬糞堆肥中VOCs進行研究時發現，通風速率會影響二甲二硫和二甲三硫的產生，最佳通風速率為0.1 m3·m-3·min-1。

2.6 有機質含量

堆料中的有機質是微生物賴以生存和生長繁殖的重要物質條件。研究證明，堆料中有機質含量應該控制在50%—80%[47]。若堆料中的有機質含量過低，微生物難以達到堆肥所需的活性，無法維持持續高溫過程；若堆料中的有機質含量過高時，由于在堆肥過程中高含量的有機質需氧量增加，會造成厭氧發酵產生大量的H2S等異味氣體[48]。KOYAMA等[49]研究污泥堆肥發現，有機質含量與NH3的排放量呈正相關。

2.7 其他因素

研究表明，除了溫度、水分、pH、C/N、通風量和有機質含量以外，不同的堆肥方式、翻堆頻率以及堆肥原料等也會影響堆肥過程中異味氣體的產生。朱新夢等[50]研究發現牛糞在不同堆肥方式下NH3的產生存在明顯差異。 YANG等[51]發現混合堆肥方式明顯降低廚余垃圾堆肥過程中NH3的釋放。XU等[52]研究發現，與槽式堆肥相比，條垛式堆肥排放的NH3增加了13%，而H2S減少了28%。ONWOSI等[53]指出合適的翻堆頻率雖然有助于微生物的降解作用，但翻堆頻率過高會導致NH3大量揮發。王亞飛等[54]用不同畜禽糞便進行堆肥，發現堆肥效率、產品品質及異味氣體的產生量都不同。

綜上可知，堆肥過程中溫度、水分、pH、C/N、通風量和有機質含量的改變會引起異味氣體排放量的變化，控制異味氣體排放的最佳參數見表2。另外，選擇合適的堆肥方式、最優的翻堆頻率，也可降低異味氣體的排放量。

表2 堆肥過程中影響因素的最佳參數

3 堆肥中異味氣體的生物處理方法

生物處理法在異味氣體的處理過程中具有效果好、二次污染少以及投資費用低等優點，已成為研究的熱點，在大型養殖場的異味氣體處理中占據了不可或缺的位置。由于處理方式的不同，生物處理技術可分為原位除臭技術和異位除臭技術[57]。

3.1 原位除臭技術

原位除臭技術指在堆肥中直接添加微生物菌劑，利用微生物在代謝過程中吸收分解異味氣體，或抑制產生異味氣體的微生物代謝活動，從而達到除臭目的。WANG等[58]通過加入高濃度的嗜熱脂肪芽孢桿菌發現，NH4+-N和NO3--N濃度顯著提高，從而降低NH3的產生。劉標等[59]研究發現，接種8%的除臭菌株YX-3對NH3的去除效率可達56.9%。然而，單一的微生物菌株一般只對一種異味氣體的去除效率較高，難以同時去除多種異味氣體，所以復合微生物菌劑的研究成為當前的重點。在復合微生物除臭劑應用于堆肥的研究中，于洪久等[60]通過添加復合微生物菌劑發現，NH3的揮發時間縮短了6 d，從而大幅度的減少了NH3的產生。張生偉等[61]利用所篩選的除臭微生物菌株和纖維素分解菌群制成復合除臭劑應用于堆肥，發現在堆肥的前20 d，NH3和H2S分別減少了70%和60%。范建華等[62]將篩選出的3種除臭菌株（Y1、F1和J2）按體積1﹕1﹕1的比例復合時除臭效果最佳。由此可見，將復合除臭菌劑應用于堆肥中異味氣體的去除具有可行性。

3.2 異位除臭技術

異位除臭技術是通過集氣系統將堆肥過程中所產生的異味氣體收集，傳送至除臭設備集中處理，主要包括生物過濾、生物滴濾和生物洗滌等處理技術。

3.2.1 生物過濾技術 生物過濾技術的主體設備為三相生物反應器，主要由調節系統和反應系統組成，其中調節系統具有增濕、除塵的作用。生物過濾池填料上方的噴淋循環液會間接性補充，堆肥中產生的異味氣體通過調節系統使其增濕后，從設備底部進入生物濾池，而后異味氣體接觸到填料上的微生物而被降解為無害物質與少量有害物質。RENE等[63]研究發現在不同入口加樣速率下，氣相甲苯和二甲苯的去除效率不同。DAS等[64]研究表明，將生物炭作為生物過濾器填料能夠提高生物過濾器的性能。

3.2.2 生物滴濾技術 生物滴濾技術的主體設備為生物滴濾池，主要組成部分與生物過濾技術相同。生物滴濾池可以連續性補充噴淋循環液，異味氣體由底部進入生物滴濾池，被微生物降解為無害物質與少量有害物質。FERDOWSI等[65]對生物滴濾器進料方法進行改善發現，分流進料可以克服動力學的限制。

3.2.3 生物洗滌技術 生物洗滌技術主體設備為生物洗滌塔，主要由氣體吸收塔和活性污泥反應池組成。其原理為異味氣體被氣體吸收塔吸入液相中，隨液相進入活性污泥反應池后，被微生物降解為無害物質與少量有害物質。LIU等[66]研究發現雙串聯式的生物洗滌器可以實現NH3的完全去除。SAN-VALERO等[67]研究發現，生物洗滌技術對H2S的去除率在85%—94%之間。

生物過濾技術、生物滴濾技術和生物洗滌技術在生物處理法中應用較多，其特點、優缺點及其適用范圍如表3所示。

4 異味氣體的微生物控制機理

堆肥過程中產生的異味氣體成分復雜，其中NH3和H2S是最主要的兩種異味氣體。因此，在進行除臭菌株的篩選中，主要以這兩種氣體作為判定指標，這些除臭菌株通過硝化作用、硫化作用以及其他作用轉化異味氣體。

NH3的去除主要是通過自養硝化作用，指NH3在自養硝化細菌的作用下轉化為NO3--N的過程。在有氧條件下，NH3溶于水形成的NH4+-N在亞硝酸細菌的作用下形成NO2--N，然后硝酸細菌再將NO2--N氧化為NO3--N[72]。NAGHDI等[73]在尾菜中添加硝化細菌后，減少NH3排放的同時提高了肥效。CHO等[74]對硝化細菌群落研究時發現，控制合適的溫度和pH可以加強微生物群落的硝化作用。

H2S的轉化主要通過硫桿菌的硫化作用。在硫化過程中，氧化硫硫桿菌是起主導作用的微生物，在有氧條件下可將H2S氧化成硫酸鹽，并獲得一些能量[75]。已有研究表明，將氧化硫硫桿菌應用于異位除臭技術時，通過控制pH、H2S濃度、流速以及其他因素，可使H2S的去除率達99%[76-77]。

目前，自然界中已知的除臭微生物約有50多個屬，主要包括芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、動膠菌屬、不動桿菌屬、硫桿菌屬、酵母屬、曲霉屬、青霉屬、根霉屬、產堿菌屬[72, 78]，部分除臭菌株、除臭效果和優化條件如表4所示。

表3 生物過濾、生物滴濾和生物洗滌處理技術對比[68-71]

5 研究展望

堆肥過程中產生的異味氣體不僅使堆肥過程面臨巨大的空氣污染問題，還嚴重影響環境質量、危害人畜健康。近年來，堆肥過程中異味氣體的生物處理法主要從原位和異位兩個方面進行控制。從原位除臭的角度分析，通過控制堆肥溫度、水分、pH、C/N、通風量等減少異味氣體產生方面已有大量研究，但關于有機質轉化、微生物群落變化與異味氣體產生規律的研究相對較少；雖然篩選出不少除臭微生物菌株，但一種微生物菌株難以同時去除多種異味氣體，而復合微生物菌劑對異味氣體去除效率卻相對較低。從異位除臭的角度分析，現如今堆肥過程中異味氣體成分復雜，不同異位除臭技術均存在其優缺點，有其適用條件。因此，未來堆肥中異味氣體研究方向應該包含：

（1）進一步研究有機質轉化、微生物群落變化與異味氣體產生的規律，從而在堆肥升溫期和高溫期盡可能地降低異味氣體的產生量；

表4 除臭菌株的篩選、鑒定和優化條件

（2）篩選出與各種臭氣成分相對應的除臭菌，并探明其除臭機理；

（3）重點研發復合除臭菌劑，并優化添加條件與復合比例，以達到最優的除臭效果。

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Research Progress of Microbial Deodorization in Livestock and Poultry Wastes Composting

WEI QiHang1, 2, REN YanFang1, HE JunYu1, LI ZhaoJun2

(1School of Environmental and Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, Jiangsu;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081)

With the intensive and industrialized development of livestock and poultry breeding industry in the world, a large number of breeding wastes are generated, which seriously affect the ecological environment and threaten the health of human and livestock. Now, the resource utilization of livestock and poultry breeding waste has been widely concerned. Aerobic composting technology is the most favorable treatment method at present. However, the odor produced by composting makes the popularization of aerobic composting technology face huge problems. In the process of composting, the odor gases not only threaten human health, but also bring a series of environmental problems. Therefore, it is very important to remove odor gases adequately and effectively in composting process. The paper summarized the emission characteristics of odor gases and the transformation characteristics of source materials, and analyzed the influencing factors of odor gases during composting in detail. Moreover, the biological treatment technology and the mechanism of microbial control of odor gases were discussed from two aspects: in-situ removal technology and ectopic removal technology. The following conclusions were drawn: odor gases (NH3, H2S and volatile organic compounds) were mainly generated in the heating period and high temperature period of the composting process; the optimum temperature was 55-60℃, with the moisture of 50%-60%, pH of 7.5 to 8.5, C/N for 25-30, oxygen concentration of 10%-18%, and organic matter content of 50%-80%; at the same time, it could choose the right means of compost, optimal frequency of turning heaps and adding exogenous microorganisms to make odor gases minimize; a deodorizing microbial strain usually only had high removal efficiency of one odor gas component, and it was difficult to remove a variety of odor gases at the same time; compound deodorizing microbial agents could remove a variety of odor gas components at the same time, but the removal efficiency was relatively low. It was suggested that the transformation of organic matter, the change of microbial community and the rule of odor gases production should be further studied, so as to reduce the production of odor gases as much as possible during the heating period and high temperature period of compost. Research should focus on development of composite deodorizing microbial agents, and explore the effect and mechanism of microbial deodorization.

livestock and poultry wastes; aerobic composting; odor; influence factors; microbial technology

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.15.013

2019-09-20；

2020-05-11

國家重點研發計劃項目（2018YFD0500206）、常州大學人才引進項目（201709和201710）

魏啟航，Tel：15996166142；E-mail：15996166142@163.com。通信作者任艷芳，E-mail：yanfangren@126.com。通信作者李兆君，E-mail： lizhaojun@caas.cn

（責任編輯 李云霞）