畜禽規模化養殖場臭氣減排調控技術研究進展

唐延天，鄧 盾，李貞明，余 苗，陳衛東，馬現永

（1.廣東省農業科學院動物科學研究所/畜禽育種國家重點實驗室/農業部華南動物營養與飼料重點實驗室/廣東省畜禽育種與營養研究重點實驗室/廣東畜禽肉品質量安全控制與評定工程技術研究中心，廣東 廣州 510640；2.江西農業大學生物科學與工程學院，江西 南昌 330045）

隨著經濟發展水平和人民生活質量的不斷提高，畜禽產品的需求不斷增大。為了滿足消費者對肉產品和奶制品日益增長的需要，我國畜牧業迅速發展，畜禽養殖業逐漸從傳統的散養方式向規模化、集約化方式轉變。畜禽規模化養殖在農業經濟發展中顯得尤為重要，為農業經濟的發展增添了新的活力。近年來，規模化、集約化養殖場發展迅速，其中規模化養豬場發展最為迅速［1］。隨著養殖場規模的發展，飼養密度也隨之擴大，畜禽養殖廢棄物造成的環境污染越來越嚴重，不僅對畜禽的生長產生不同程度的影響，同時規模化養殖場產生的惡臭污染還會影響周邊的土地、水源和空氣，污染人們的生存環境。2015年我國規模化養殖場糞污年產量約38億t［2-3］。畜禽養殖所帶來的污染已成為農業污染的主要來源之一，其中最主要的環境污染之一是養殖場產生的惡臭氣體［4］。畜禽養殖場惡臭氣體排放主要來源于畜禽舍、糞污貯藏場所、堆肥間、污水池和飼料間等［5］。惡臭氣體不僅對周邊居民身體健康產生影響，且極易引起糾紛。歐洲國家對畜禽舍和糞污處理場所投訴較多［6］。我國關于惡臭的投訴更多涉及施糞過程、畜禽舍和糞污貯藏、處理場所［7-8］。此外，畜禽養殖場散發的惡臭氣體污染還嚴重制約了畜禽養殖業的可持續發展［9-10］。因此，加強畜禽養殖場惡臭污染的控制處理顯得尤為重要，不僅有利于畜禽的規模化生產，提高經濟效益，而且有利于實現畜牧業快速發展與環境污染治理相結合，優化畜牧業結構，提高資源利用率，實現畜牧業的可持續發展。本文從畜禽規模化養殖場臭氣的來源、主要成分、危害和臭氣消減控制技術等方面進行綜述。

1 畜禽規模化養殖場惡臭氣體的主要成分與危害

1.1 主要成分

畜禽糞便產生的惡臭成分復雜，來源于多種臭味化合物，可分為揮發性含硫化合物、氨和揮發性胺類、吲哚類和酚類以及揮發性脂肪酸類等化合物。其中揮發性含硫化合物包括硫化氫、硫醚類和硫醇類等，氨和揮發性胺類包括氨氣、腐氨、尸氨、甲胺和乙胺等，吲哚類和酚類主要由微生物對苯丙氨酸和酪氨酸的分解產生，揮發性脂肪酸類包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸等［4］。

畜禽養殖場惡臭主要是由微生物分解產生，畜禽糞便中富含大量微生物，養殖場產生的廢棄物為微生物提供了生長所需的營養成分，有利于微生物的快速繁殖。畜禽糞便在腸道中已開始腐敗，新鮮糞便也有臭味，排泄物因尿液的混入量、溫度、空氣的通風量以及時間等因素所產生的惡臭味道越來越強。畜禽糞尿是畜禽養殖場惡臭物質最主要的來源［11］。在豬養殖過程中，飼料中未完全消化或充分利用的營養物質，可隨尿液和糞便排出，并在糞肥儲存裝置中積累，在糞肥貯存過程中，飼料中蛋白質和碳水化合物在微生物的作用下發酵，形成揮發性脂肪酸、氨、硫化氫、酚和吲哚等［12］，這些發酵產物在很大程度上造成了養殖場的惡臭。Miller等［13］在新鮮豬糞的漿液中添加淀粉、酪蛋白和纖維素，并測定發酵產物的厭氧積累和底物的消耗，結果表明揮發性脂肪酸和醇類是主要發酵產物。Sang等［14］研究發現，牛糞臭氣成分比豬糞少，揮發性脂肪酸中以乙酸、丁酸和戊酸為主。O’neill等［15］研究認為，雞糞中氨氣和二甲基二硫的含量較高。

1.2 主要危害

1.2.1 對機體健康的影響 畜禽舍內產生的有害氣體能夠影響動物的呼吸道黏膜，長時間吸入有害氣體還會對呼吸道纖毛造成損傷，一旦動物的呼吸道免疫屏障被破環，就容易產生炎癥，導致呼吸道疾病的發生。當畜禽舍內臭氣濃度升高，氨氣等有害氣體會刺激動物的眼結膜，導致淚液分泌過多，眼屎和淚斑明顯增多，容易傷害動物的眼結膜。此外，糞污發酵也要消耗一部分氧氣，從未導致畜禽舍內氧氣含量降低［16］。Farnworth等［17］研究發現，舍內空氣中NH3濃度達到50 mg/L時，仔豬增重減少12%；NH3濃度達到100 mg/L時，仔豬增重下降到30%。畜禽養殖過程的惡臭味氣體散發到空氣中，也會影響人的呼吸道，降低黏膜免疫功能，導致呼吸系統無法維持正常的生理功能［18］。畜禽糞便中含有的很多致病菌是人畜共患病源，人類中很多疾病的傳播源頭來源于此，如果沒有及時有效處理，有可能造成廣泛感染，給周邊的人群帶來潛在威脅，影響人類的健康［19］。

1.2.2 對環境的危害 畜禽規模化養殖場含有多種臭味化合物，這些物質嚴重影響周邊的大氣環境。畜禽糞便中產生的硫化氫、甲基胺、氨氣等惡臭氣體直接散發到空氣中，不僅直接影響養殖場畜禽和養殖工人呼吸系統的正常生理功能，還會對周邊居民的身體健康產生威脅。未經有效處理的糞便含有的氨氣和硫化氫等進入空氣中，使得大氣氮含量增加，這也是酸雨形成的重要原因，而酸雨會對水體、土壤、森林和建筑等帶來嚴重危害，不僅破壞地球生態環境，還會造成社會經濟損失，更危及人類的生存和發展［20］。據統計，全球農業方面最大的溫室氣體來源于畜牧業。畜禽養殖過程中尤其牛產生的廢氣如甲烷、二氧化碳等都是溫室效應的主要因素［21］。

2 畜禽規模化養殖場臭氣減排控制技術

鑒于臭氣對機體和環境的危害，發達國家基本都已制訂了養殖場惡臭氣體排放標準，我國相關惡臭氣體排放標準也在制訂中。惡臭控制技術原理是改變物質的形態和結構，或者通過減弱惡臭氣體的強度，進而達到去除或減弱惡臭的目的。養殖場惡臭控制技術多樣，主要分為異位控制和原位控制方式，采用的技術主要有物理除臭、化學除臭、生物除臭或者多種方法綜合應用［22］。

2.1 惡臭異位控制技術

惡臭異位控制技術是通過物理、化學、生物等方法對已釋放的惡臭物質進行脫除，從而達到控制惡臭的目的。

2.1.1 物理除臭技術 物理型除臭劑是利用除臭劑的物理性質，在不改變畜禽養殖場內惡臭氣體的化學性質，只改變其濃度或者相對濃度，通過固、液、氣三相之間的轉化消除惡臭氣味，此法沒有從根本上消除惡臭物質，只是降低了嗅覺對臭味的感知程度。物理除臭劑具有操作簡單、方便快捷以及見效快的優點，比較適合處理小范圍內的惡臭，但其費用較高，存在二次污染的問題，因此其應用推廣受到一定程度的限制。吸附法、掩蔽法、稀釋法、冷凝法和吸收法等是常用的物理法［23-24］。

2.1.2 化學除臭技術 化學除臭方法包括燃燒法、催化燃燒法、酸堿吸收法、光催化氧化法和化學洗滌法等。通過添加化學試劑與惡臭物質發生化學反應，改變其化學結構，使惡臭物質轉化為臭味較低或無臭味的物質。化學除臭劑包括過氧化鈣、氯化鈣、磷酸氫鈣、過氧化氫、氯化亞鐵和亞硝酸鹽等。利用化學方法除臭效率高，能夠將惡臭物質徹底氧化分解，但是成本較高，持續時間短，有可能產生有毒有害的副產物。因此該法主要應用于工業除臭［25］。

2.1.3 生物除臭技術 生物除臭技術的原理是通過添加外源功能菌種或生物酶，對惡臭物質直接降解或對產惡臭微生物進行抑制以脫除惡臭。生物除臭法在20世紀50年代開始發展［26］，比物理法和化學法所需的設備簡單，投資少，處理效率更有效，并且沒有二次污染，因此目前已成為畜禽養殖場治理惡臭的主要處理方法［27］。生物除臭法按處理方式分為生物過濾法、生物洗滌法、生物滴濾法等。生物過濾法主要用于惡臭和揮發性有機物的處理，是一種相對較新的污染控制技術，通過附著在濾料介質中的微生物利用惡臭物質中的有機物，把惡臭和揮發性有機物等降解為二氧化碳、水和無機鹽，同時形成新的微生物的過程［28］。生物洗滌法由噴淋系統、吸收系統和反應器系統組成，在循環過程中，反應器培養微生物，吸收系統填充墊料，然后通過噴淋系統產生的循環液與系統內的臭氣進行逆向接觸反應，臭氣被反應器內或吸收系統填料上的微生物吸附分解，從而達到吸收惡臭的目的［29］。生物滴濾法是介于生物過濾法和生物洗滌法之間的除臭方法。生物滴濾池中的微生物生長條件易調節，適合微生物長期生存，能夠承受較大的污染負荷。當畜禽糞便產生的臭氣進入生物滴濾池中，氣體中的惡臭物質被循環液和附著在填料上的微生物吸附、吸收，從而達到凈化氣體的目的［30］。

2.2 惡臭原位控制技術

惡臭原位控制技術主要采用體內調控劑和體外除臭劑來實現除臭目的。體內調控劑方式是通過一般性日糧配合、加工及飼喂技術進行調控，以飼料添加劑的形式，改變飼料本身來提高飼料中的營養成分，從而改變畜禽糞尿的理化性質，減少臭氣排放，是一種經濟有效的方法。體外除臭劑方式是通過在畜禽糞便中添加吸附性材料、噴灑化學和微生物制劑等控制惡臭。

2.2.1 體內調控劑 （1）物理調控劑：常見的物理調控劑有活性炭、沸石粉、某些金屬氧化物和大孔高分子材料等。這些調控劑具有吸附性，能夠利用分子間的范德華力吸附畜禽舍的惡臭成分，降低惡臭濃度，從而達到除臭目的。活性炭具有發達的孔隙結構，因其來源廣、價格低、吸附容量大等特點，對非極性分子和直徑較大的惡臭成分吸附力很強，因此廣泛應用于環境領域［31］。沸石總表面積大，具有很多細微、排列整齊的晶穴和通道，能吸附氨氣和硫化氫等單分子及水分子，具有三維硅氧四面體格架結構［32］。活性炭和沸石都具有多孔結構，靜態和動態吸附中沸石對氨氮的吸附能力都高于活性炭，并且經過4 d生物再生后吸附性能均獲得一定程度的恢復［33］。張建軍［34］研究發現，在規模化肉雞養殖中，日糧中添加2%復合吸附劑（茶渣∶活性炭 1∶5）能夠顯著降低肉雞舍的氨氣含量，有利于提高肉雞的生產性能，是一種經濟有效的技術。沸石作為飼料添加劑，能促進動物飼料攝入、體重增長，提高飼料轉化率和營養物質利用率，并在動物消化系統中促進有機物和細胞蛋白結合的同化作用，減少氮排放［35］。

（2）生物調控劑：常見的生物調控劑有植物提取物、飼料酸化劑、微生態制劑和飼料酶制劑等。

植物提取物具有多種營養成分和生物活性物質，如糖類、苷類、生物堿、有機酸、揮發油類等，在飼料飼養中能提高動物的營養轉化率，改變動物腸道的微生物及其發酵過程，降低惡臭氣體的排放，改善腸道環境，刺激動物生長發育，提高畜禽免疫力，提高生產性能，應用前景廣闊［36］。趙潤生等［37］研究表明，在日糧中添加植物源性調控劑有利于提高動物的平均日增重，降低料重比，提升動物的生產性能。在日糧中添加中草藥制劑，能夠降低豬的背膘厚度，改善屠宰性能和酮體性狀。在飼料中添加中草藥復合添加劑，影響豬肉中肌苷酸、谷氨酸和亞油酸含量，能夠改善肌肉風味，提高肉品質。但自然植物的活性成分含量低，生長分散，不利于采集。人工種植技術研發投入力度和種植規模都較小，生產和應用成本較高，是制約植物調控劑開發應用的重要因素。

飼料酸化劑能夠降低飼料在消化道中的pH值，改善消化道中酸堿環境，減少氨氣的釋放，為動物腸道提供適宜的消化吸收環境，提高蛋白質的消化率，減少腸道和排泄物中的惡臭氣體，在國內外已得到廣泛應用，具有無污染、無殘留、吸收快等特點，是一種重要的環保型添加劑。有機酸基本上為純天然食品，而且腐蝕性小，具有良好的適口性和安全性，例如檸檬酸、延胡索酸等。工業中利用黑曲霉發酵生產檸檬酸，檸檬酸能夠參加動物體內各種代謝活動，保證機體的正常運作。延胡索酸作為飼料添加劑時，有利于緩解動物的情緒，增強抗應激［38］。無機酸化劑有鹽酸、硫酸、磷酸等，無機酸成本低，可以提高經濟效益，但強酸酸化劑有刺激性氣味，無法保證飼料具有良好的適口性，相關研究還有待進一步開展。復合酸化劑由機酸和無機酸合成，pH值不容易改變。復合酸化劑能為腸道創造有利環境，抑制大腸桿菌繁殖，從而促進有益菌生長。飼料酸化劑發展的方向是優化復合酸化劑，酸化劑有利于提高日糧的酸度值和酶的活性，降低胃腸道堿性離子數量，維持腸道微生態平衡。有利于增強抗應激和免疫功能，參與體內代謝，促進營養成分吸收［39］。

微生態制劑也叫活菌制劑或生菌劑，目前在飼料中廣泛應用的有乳酸菌類、桿菌類、酵母菌、光合細菌、復合菌類等。微生態制劑是一種遵循生態環境自然循環法則的無公害制劑，是飼料添加劑行業的一種發展趨勢［40］。在畜禽生產中，微生態制劑中有益菌群和致病菌群進行競爭，能夠有效抑制動物體內的病菌，促進機體的新陳代謝，減少臭氣的排放量。微生態制劑中的有益菌群尤其是乳酸桿菌，能促進免疫器官的發育，增加免疫細胞的數量，形成一層保護膜，阻礙致病菌侵入，從而提高動物的免疫能力，能夠起到預防疾病的作用，促進動物健康生長［41］。

飼料酶制劑是能有效改善動物體內代謝效能和動物對飼料消化率的酶類物質。主要作用是補充畜禽消化道內源酶不足，提高內源酶活性；減少或消除飼料中的抗營養因子，促進營養物質的消化吸收，改善腸道微生物菌群，從而減少臭氣排放。酶制劑在養殖中能夠提高飼料氮、磷的利用率，減少畜禽糞便的排放量，并且糞尿中氮、磷含量也會下降，從而降低了畜禽養殖場內惡臭氣體的濃度［42-43］。

2.2.2 體外除臭劑 （1）物理除臭劑：利用活性炭、沸石粉、膨潤土、凹凸棒石、麥飯石等物理除臭劑，通過物理性吸附芳香族類化合物，通過氧化作用除去揮發性臭氣物質，或者按比例混合幾種有香味的氣體，利用天然芳香油、香料等物質掩蔽難以去除的臭味［44］。

（2）化學除臭劑：利用過氧化鈣、氧化鈣、磷酸氫鈣、過氧化氫、氯化亞鐵和亞硝酸鹽等試劑，將化學試劑均勻地撒在地面或糞污上，通過化學反應將臭味物質轉化為無臭物質。畜禽養殖場臭氣化合物的分子大多含有氮、硫、氧等原子，有不飽和鍵和化學活性，容易進行氧化、還原、中和、縮合、加成、絡合等化學反應。氧化反應除臭采用臭氧、過氧化物、過氧化氫、鹵化物、過硫酸化合物和金屬過氧化物以及醌類等；縮合反應除臭主要通過醛、酮類物質進行除臭，但是容易產生刺激性和毒性。加成反應除臭采用環氧化合物、不飽和化合物、氨基氰等。在處理畜禽養殖場惡臭時，復合成分的除臭劑比單一成分的除臭劑效果更好，應用更為廣泛［45］。

（3）生物除臭劑：主要通過接種微生物菌劑，利用微生物或微生物產生的酶來降解畜禽養殖場的臭氣化合物，常用的微生物菌劑有植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌等。光合菌可以分解糞臭素，固氮菌可以減少氮氣排放［46］，一些放線菌和霉菌也具有除臭效果［47］，叢枝菌根真菌也能夠改善畜禽養殖場環境。在大腸中芽孢桿菌產生的酶可以將吲哚類化合物氧化成無毒無臭、無污染的物質［48］。Siragusa［49］研究發現，牛糞和蚯蚓糞還能降低豬排泄物中糞臭素的濃度。目前，在畜禽生產上復合菌劑使用較多，利用有益微生物之間的共生共存作用來分解轉化糞便中的有機物質進行除臭。葉芬霞等［50］利用熱帶假絲酵母、巨大芽孢桿菌和灰色鏈霉菌3種菌種制成的復合菌劑對畜禽糞便中的氨氣和硫化氫去除率分別達到80%和65%以上，除臭效果較好。Choi等［51］利用芽孢桿菌、酵母菌、放線菌等益生菌制成的復合菌劑能減少二氧化碳和甲烷的排放。

3 問題與展望

目前，我國畜禽規模化養殖場的臭氣減排調控技術主要有物理法、化學法和生物法。物理除臭技術和化學除臭技術操作簡單，除臭效率較高，但存在治理成本高，容易給養殖場造成二次污染的問題。而近年生物除臭技術迅速發展，成為除臭技術的重點方法。生物除臭法在植物提取物、飼料酸化劑、微生態制劑和飼料酶制劑方面均有報道，而且所需材料較物理和化學除臭技術簡單，成本較低且沒有二次污染，已成為畜禽養殖場除臭的主要方式。

微生物除臭技術在畜禽生產中優勢明顯，對環境適應能力強，應用范圍廣，并且除臭效果持久，益生菌或益生菌產生的酶能夠降低糞便中氨和吲哚等惡臭物質的含量，在畜禽舍內的墊料上噴灑進行充分發酵，微生物可以大大降解糞便中產生的氨氮、硫化氫等有害物質，消除養殖場內的臭味。除臭發酵液能有效抑制有害致病菌的繁殖，減少蚊蠅滋生，提高畜禽免疫功能，促進動物健康生長。這不僅在養殖場的惡臭治理方面具有獨特優勢，還在大氣污染治理、土壤污染治理、水污染治理等多個領域應用。但是該技術在益生菌、有益微生物間及土著微生物間的具體關系、作用機制、代謝產物等方面還有待進一步探究，在利用多種有益微生物進行除臭時，篩選和培養出高效的對惡臭物質具有除臭效果的微生物也需要進一步明確。此外，優化復合菌劑的菌株組合方式以及對復合菌劑的安全性還需要進一步驗證。

畜禽規模化養殖是畜牧業發展的重要支撐，隨著養殖場規模不斷擴大，畜禽糞污的排放量不斷增加。為了促進我國畜禽規模化養殖場的可持續發展，惡臭問題不能單靠某一種除臭技術。雖然生物除臭法有許多優點，但是對某些高濃度惡臭物質的處理有一定局限性，只有綜合利用多種除臭技術才能取得較好的效果。通過科學合理的方法降低糞污中的有害成分，提高飼養管理水平，積極開發新型高效糞便處理技術，將是今后規模化養殖場臭氣減排調控研究和發展的重要方向。