随着国内规模化、设施化农业的发展, 畜禽养殖产生大量废弃物, 带来严重的环境问题和社会问题。我国现阶段, 已将“大力推行高效生态循环的种养模式, 加快畜禽粪便集中处理”列为目前的重点工作。在畜禽粪便处理集中化处理过程中, 面临着多项挑战, 其中包括所产气体的处理, 堆肥腐熟的指标参数, 以及堆肥滤出物的后续处理等[1]。畜禽粪便堆肥化生产过程中产生的气体不但包括臭气, 还含有对环境造成二次污染的温室气体[2]。因此, 畜禽粪便处理过程中有害气体的减排与综合防控技术应作为粪便集中处理工作中一项重要内容。目前国内外科研机构针对畜禽粪便处理过程所产生气体的组成、排放规律以及无害化处理技术等几个方面已经开展了大量相关工作。本文拟通过对畜禽粪便堆肥中臭气的主要成分, 堆肥系统内微生物演替规律以及堆肥过程微生物除臭措施进行综述, 以期为相关研究的开展提供参考。

堆肥系统微生物代谢过程中除了产生二氧化碳 (CO2) 和水蒸气之外, 还释放氨气 (NH3) 、一氧化碳 (CO) 、甲烷 (CH4) 、硫化氢 (H2S) 、氮氧化物 (NOx) 以及挥发性有机物 (VOCs) [3,4,5]。上述气体中, CH4、NOx则是重要的温室气体, 而NH3, H2S和VOCs是臭气的主要组分[6,7,8]。

NH3是堆肥臭气中的最主要的成分, 不但对环境造成了严重的危害, 还损失降低了堆肥产品的肥效。畜禽粪便堆肥过程发生33%~60%氮损失, NH3是氮元素最主要的流失形式 (约占总氮损失的98%) , 以NOx形式流失的氮元素很少[9,10,11]。大量研究均表明, 堆肥过程的NH3主要在升温期和高温期释放[12,13], 腐熟期产生的氨气产生较少[14]。

畜禽粪便堆肥NH3排放存在上述规律, 主要由于在堆肥升温期微生物通过氨化作用产生NH3, NH3溶于水形成铵态氮 (NH4+-N) 并快速积累于堆体中[15]。随着堆温上升, 非挥发性NH4+-N向挥发性的NH3的转化, NH3排放增加, 该阶段的氨气挥发量占总氨气挥发量的50%~70%[16]。堆肥进入降温腐熟阶段后, 温度持续下降, 嗜温的硝化细菌通过硝化反应, 将NH4+-N固定为硝态氮 (NO3--N) , NH4+-N不断减少, NO3--N浓度升高, NH3排放减少[17]。

堆肥过程中堆体局部存在厌氧环境, 厌氧环境中含硫有机物被厌氧菌分解, 产生有臭鸡蛋气味的H2S[18,19]。硫酸盐还原菌在堆肥过程H2S产生中发挥主导作用, 其在厌氧条件下与产甲烷古菌竞争结合碳源物质, 利用硫酸盐合成H2S[20,21]。分解产生的H2S一部分溶于水, 溶解饱和之外的H2S才被释放出堆体[22]。在畜禽粪便堆肥H2S产生的相关研究中, 简保权等研究发现, 猪粪堆肥产生的H2S主要在升温期和高温期释放, 且H2S呈逐渐降低的趋势[23]。吴银宝等[24]对猪粪堆肥中的臭气进行检测, 但未检测到H2S的释放, 可能与采样的时间点或堆肥时除臭剂的添加有关。任顺荣对猪粪、牛粪和鸡粪堆肥H2S的释放动态检测结果显示, 牛粪堆肥不释放H2S, 鸡粪堆肥仅在第4~6天检测到少量的H2S释放, 猪粪堆肥24h后H2S释放达到高峰, 此后逐渐降低[25]。因此, 畜禽粪便堆肥H2S释放不但受到堆体的通气量、水分含量的影响, 还与堆肥的物料成分有关。

VOCs浓度较低但对臭味贡献很大, 且成分复杂, 目前能检测出的VOCs已超过300种[26]。不同堆肥种类产生的VOCs成分不相同, 含硫有机物、含氮有机物和挥发性脂肪酸 (VFA) 是其中较为稳定的臭气成分[27]。一般认为, 含硫有机物是VOCs中最重要的致臭因子, 来源于含硫氨基酸的厌氧降解[28], 主要成分包括甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、苄硫醇、甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和苯硫酚等[29]。堆肥产生的含氮有机物主要由甲胺、三甲胺和粪臭素组成[30], 其臭气指数低于含硫有机物[31,32,33]。挥发性脂肪酸 (VFA) 是指短链的有机脂肪酸, 主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸及其同分异构体。VFA是堆肥厌氧发酵的重要产物, 臭气指数更低。有研究表明, 肉鸡养殖废弃物堆肥过程中, VOCs释放主要集中于升温期和高温期[34]。由于VOCs成分多样, 参与其合成的微生物种类繁多, 且受到堆肥物料、堆体温度、通风量和pH等多种因素的影响, 在畜禽粪便堆肥中的系统研究相对较少。

综合臭气排放规律及排放机制可以发现, 具有氨化作用、硝化作用、硫氧化作用等关键功能微生物菌群在堆肥臭气产生中发挥了调控作用。解析堆肥系统中微生物的演替规律及微生物间的互作机理, 能够为菌剂的研发和利用提供理论基础。

堆肥是由群落结构演替较快的微生物群体共同作用而实现的动态过程, 是微生物与周围环境 (有机物、C/N、温度、水分、pH和通气量) 相互影响与相互作用的结果[35]。堆肥系统中的微生物演替与臭气的产生相关。而脱臭功能微生物或利用臭气中成分进行自身代谢, 或通过微生物间互作减少臭气产生, 从而实现臭气脱除。

在堆肥系统中, 堆体温度随堆肥化进程不断发生变化, 一般分为升温、高温和降温三个阶段[36,37]。嗜温、耐热和嗜热微生物主导了堆肥系统的变温过程[38,39]。堆肥初期为升温期, 该阶段微生物以嗜温微生物为主, 主要分解堆肥中易降解的可溶性混合物。经鉴定发现, 芽孢杆菌、梭菌和放线菌是升温期的关键功能微生物[40,41]。随着微生物迅速繁殖并释放热能, 导致堆肥温度不断提高, 堆温达50℃以上, 表明堆肥进入高温期。高温期占主导地位的嗜热真菌和耐高温放线菌具有较强的分解多糖、蛋白质和脂肪的能力, 不断腐解有机质。堆温达到70℃后, 微生物大量死亡或进入休眠状态, 死亡的微生物所合成的各种酶可使有机物质的腐解持续进行, 但持续时间较短。温度随后降低进入腐熟期, 嗜温微生物又占据主导地位, 但其主要作用为堆肥的成熟和堆体降温[1]。采用稀释平板法对自然堆肥过程中微生物区系计数培养发现:随着温度变化微生物数量呈现高-低-高的规律, 整个堆肥过程中细菌始终占优势地位, 放线菌次之, 霉菌最少[42]。

随着测序技术的发展, 宏基因组学技术的百富策略白菜网推动了对堆肥系统中微生物群落的多样性、结构和潜在功能基因等方面的深入研究[43]。宏基因组学通过对生境中所有微生物的总基因组DNA进行研究, 避开传统培养方法的局限性, 提高功能微生物的发现效率和解析深度[44]。Martins等[45]对公园堆肥样品的总DNA测序后分析发现, 堆肥60d后, 变形菌门的乳酸杆菌属成为优势菌属。此外, 与不同堆肥生境比较发现, 尽管在不同生境中的微生物种类和演替规律不同, 但菌群的互作和替代机制使其实现了相近的堆肥效果。Gannes等[46]利用焦磷酸测序分析了堆肥系统的主要差异阶段的菌落变化, 结果显示微生物群落演替中, 升温期和腐熟期微生物群落有明显的差异。腐熟期的主要微生物并不是在高温期休眠, 在腐熟期又被唤醒的升温期微生物。张丽丽[47]整合宏组学方法对鸡粪秸秆堆肥进行了微生物群落组成以及功能微生物的时空动态变化进行了研究, 发现鸡粪堆肥中独特的群落结构具有高蛋白质利用能力, 芽孢肝菌属组成的优势微生物群落在堆肥中起重要作用。目前, 尽管堆肥过程中的微生物演替规律被逐步揭示, 但与堆肥过程中菌落演替与臭气发生的关系研究报道较少, 有待进一步深入研究。

NH3、氮氧化物和含氮有机物是畜禽粪便堆肥臭气中的主要成分, 也是影响堆肥肥效的重要因素。微生物吸收溶解到水中的含氮臭气, 并将其作为营养物质分解利用, 是实现脱臭的主要方式。参与脱除功能微生物包括亚硝化细菌、硝化细菌和硝酸盐还原细菌等, 其中亚硝化细菌可通过氨氧化作用将NH3转化成NO-, 而硝化细菌将NO-进一步氧化成NO3-。此外, 兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气[48]。

早在20世纪90年代, 比嘉照夫将乳酸菌、酵母菌、放线菌等80多种微生物进行复配, 制备“有效微生物群 (Effective microorganisms, EM) ”在畜禽粪便堆肥中使用, 百富策略白菜网结果表明, EM添加后可减少50%的NH3排放, 并缩短堆肥腐熟周期[49]。张生伟[50]利用高效除臭菌株和纤维素分解菌群去除鸡粪、猪粪堆肥中的NH3, 在堆肥前20d氨气去除率高于70%。刘春梅将畜禽粪便中筛选驯化获得的假单胞菌和链霉菌复配, 并百富策略白菜网于牛粪除臭, 整个堆肥过程NH3脱除效率为50%~70%[51]。王卫平[52]利用不同浓度由酵母菌、放线菌和芽孢杆菌组成的复合菌剂去除猪粪堆肥中NH3, 结果显示, 高浓度 (5‰) 的菌剂添加除臭效果更好。Pan[53]从堆肥中筛选获得假单胞菌和枯草芽孢杆菌能有效的参与堆肥系统氮素循环, 发挥保氮作用。由此可见, 微生物法原位脱除畜禽粪便堆肥中含氮臭气是高效可行的。

含硫臭气脱除在畜禽粪便处理[54]和矿石原料利用等工业领域[55]均被广泛百富策略白菜网, 异养型和自养型硫氧化细菌是关键脱臭微生物[56]。挥发性含硫有机物大多通过异养型硫氧化细菌转化成硫化氢[57], 而H2S可被自养型硫氧化细菌氧化成SO4[58], 此外, 硫代硫酸盐可被部分异养型硫氧化细菌氧化成硫酸盐。

高颖等通过对细黄链霉菌、米根霉和班图酒香酵母菌复配制备除臭菌剂, 能够对畜禽堆肥所产生的H2S产生较好的去除效果[59]。刘春梅百富策略白菜网筛选所获得的菌株, 使牛粪堆肥过程H2S脱除80%以上[51]。叶芬霞[60]将巨大芽孢杆菌、灰色链霉菌和热带假丝酵母复配, 制成复合微生物吸附除臭剂, H2S去除率达65%以上。Liang等[61]利用微生物法去除H2S, 结合通风量控制、温度调节、pH调整等手段, 可实现H2S的完全去除。以上结果提示我们, 在畜禽粪便堆肥过程中, 通过采用合适的除臭方法, 优化除臭方案, 可实现含硫臭气的完全去除。

生物除臭法是20世纪后期发展起来的恶臭处理方法, 随着研究的深入逐步百富策略白菜网, 在日本、荷兰、德国等发达国家取得了良好的百富策略白菜网效果[62]。生物除臭较物料除臭和化学除臭而言, 具有效率高、无二次污染、营运成本低及易于维护等优势[63]。恶臭异位去除和原位去除技术是生物除臭两种主要方式。

原位除臭技术是指在堆肥中直接添加除臭菌剂, 利用某些微生物在代谢过程中可利用臭气成分, 或可抑制产臭的微生物的代谢活动等特点, 达到除臭目的。一般除臭菌剂由多种功能微生物经过发酵复配制成, 由于菌群组成、代谢类型、呼吸类型及作用功能多样, 复合微生物除臭菌剂具有对环境适应能力强, 百富策略白菜网范围广, 除臭效果较持久等优点, 是堆肥除臭的发展方向之一。在含氮臭气脱除时, 原位除臭可兼顾除臭和保氮两方面要求, 简单易行, 是较佳的脱除含氮臭气的方式。

异位除臭技术通过负压系统将堆肥所产生的臭气收集, 传送至除臭滤塔 (池) 中集中脱除的技术, 除臭过程主要采用生物过滤法、生物滴滤池法和生物洗涤法三种方式。生物过滤法使用具有恶臭物质吸附功能并附着功能微生物的填料除臭。臭气组分吸附于填料后, 被微生物降解, 达到除臭目的。生物滤池法可使臭气物质消除80%以上[64,65]。生物滴滤池法与生物过滤法类似, 其区别在于使用的填充物为选用惰性材料, 顶部设有喷淋装置。除臭时, 功能菌液从顶部喷淋下来, 并逐步流过滴滤塔填料, 实现臭气去除。生物洗涤法是一个悬浮活性污泥处理系统, 通过生物悬浮液和生化反应器两步对臭气进行降解脱除, 对水溶性恶臭物质脱除效率高[66]。

在用生物法脱除臭气成分的研究与实践中, 各国科研机构已获得许多脱臭功能菌株, 通过菌株复配制备的复合菌剂脱除堆肥所产生的臭气, 但是, 复合菌剂在高温期的除臭效果还有待提高, 菌剂添加时间、添加量和添加条件也需优化。同时, 由于畜禽粪便的堆肥工艺多样, 翻堆频率[67]、温度[68]、C/N比[69]、水分含量[70]、电导率[71]、pH[72]及粒型等[73]多种因素均对堆肥产臭造成影响, 此外, 不同堆肥原料也会导致堆肥臭气成分的差异。基于堆肥生境中微生物演替规律的解析, 结合筛选获得的除臭菌剂的百富策略白菜网效果, 有助于新型高效除臭菌株获得, 阐明除臭菌剂的脱臭机制。相关研究结果不但可为畜禽粪便处理中的臭气排放问题提供有效解决方案, 也为生物工程菌的制备提供基因素材。