利用微生物对畜禽粪便除臭的研究进展

刘 冰，刘丽丽

（天津师范大学生命科学学院，天津 300387）

1 引言

近年来，我国畜禽养殖发展迅猛，但畜牧业产生的排泄废物已经成为重要的环境污染源，产生的大量恶臭气体也成为7种典型的环境公害之一。恶臭气体不仅污染空气，对生态环境造成影响，而且有毒有害，会导致人畜疾病的传播，影响周围居民的生活和畜禽的健康生长。因此，恶臭污染的防治已经引起世界各国的普遍重视。恶臭是由多种混合物形成的感官污染物，很难量化和评价，恶臭给人的感觉量(即恶臭强度)是与恶臭物质对人嗅觉的刺激量的对数成正比,即符合Weber-Fecher定律：I=K×logC，式中 I—人对嗅觉的感觉量；K—常数；C—恶臭物浓度。上式说明,即使把恶臭物质去除90%，人的嗅觉所感觉到臭气浓度却只减少一半，这就决定了防治恶臭比防治其它大气污染物更困难。

2 恶臭污染的控制

2．1 主要的恶臭化合物及对人体的危害

畜禽粪便产生的臭气成分复杂，主要是氨气、含硫化合物、胺类和一些低级脂肪酸等化学物质，按化学组分通常可分为五类：一是含硫化合物，如硫化氢、硫醇类、硫醚类等；二是含氮的化合物，如氨、胺类、吲哚类等；三是卤素及其衍生物,如氯气、卤代烃等；四是烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等；五是碳、氢、氧组成的化合物，如低级醇、醛、酚、脂肪酸等。氨气和硫化氢是臭气中最主要的成分，国家规定的恶臭污染物排放标准（GB14554-93）有以下物质：氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯。

臭气的物质种类繁多，影响范围大，并且严重危害人体健康，它对人体的毒害是多方面的，包括神经系统，呼吸系统，循环系统，消化系统，内分泌系统等。长期受到恶臭的持续作用会使人烦躁、忧郁、失眠、注意力不集中、记忆减退，从而使学习和工作效率降低。

2.2 恶臭治理的方法及其利弊

2.2.1 物理方法

2.2.1 .1 吸附法

即利用有吸附能力的多孔性物质吸附恶臭分子。当污染物浓度很低时又会导致活性炭吸附效率降低，除臭成本增加。

2.2.1 .2 掩蔽法

通过天然的芳香类物质或香料掩蔽或抵消异味，没有达到真正消除有害气体的目的。

2.2.1 .3 光催化氧化除臭法

利用二氧化钛作为催化剂的光催化氧化法对臭气有较好的去除作用。常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，实用性较好的有二氧化钛和氧化锌,其中二氧化钛使用最为广泛。

2.2.1 .4 臭氧氧化法

由于臭氧是极强的氧化剂，可以分解硫化氢等无机化合物及硫醇、乙醛、苯、酚等有机化合物。但是，臭氧也是有臭味的，浓度高时，对人体也有毒性。

2.2.2 化学方法

2.2.2 .1 化学吸收法

通过溶液中的化学试剂与臭气化合物发生化学反应，改变臭气成分在液相中的浓度，降低了臭气的释放。例如：臭气成分H2S可以用碱液吸收，而NH3可以用酸性溶液吸收。

2.2.2 .2 高温氧化法

具有臭味的碳氢化合物在有氧条件下，加热到700～1 400℃被转化为二氧化碳和水蒸气。但是，当恶臭浓度很低时，此种方法成本高。

2.2.2 .3 化学清洗法

将清洗剂在反应室中雾化或形成微小的液滴，然后与通过的臭气化合物反应消除臭气物质。化学清洗法对去除多种臭气和可溶性化合物都有效果，但是其操作成本高。

2.2.3 生物方法

2.2.3 .1 天然植物提取液喷雾法

天然植物除臭剂是从天然植物中提取而成，含有多个共轭双肩体系，具有较强的提供电子对的能力，经过提取、复配，雾化形成气态分布在污染区空气中,表面形成极大的表面能，可以吸附空气中的臭气分子，与臭气分子发生作用，最终生成无害、无臭的分子，如氮气、水等。

2.2.3 .2 微生物除臭

利用微生物将恶臭有机污染物降解或转化为低害或无害物质的过程。恶臭气体带有活性基团，被液体吸收后特别容易被生物氧化，恶臭气味就会消失，从而达到除臭目的。

3 利用微生物除臭

3.1 微生物除臭原理

生物除臭法是利用微生物将恶臭气体中的有机污染物降解或转化为无害或低害物质的过程。已知恶臭气体的成分大都是胺类、醛类、酮类以及脂肪族的、芳香族的氮或硫化物，带有活性基团的这些物质被液体吸收后，特别容易被生物氧化，当活性基团被氧化后，恶臭气味就会消失。一般认为这就是生物除臭工艺的基本原理。微生物除臭是多种微生物共同作用的结果。多种微生物共同作用更有利于吸收、分解产生的SO2、H2S、CH4等具恶臭味的有害气体。同时,这些微生物又可以产生无机酸,形成不利于腐败微生物生活的酸性环境,并从根本上降解分解时产生恶臭气体的物质。臭气经不同种类生物分解后，产物不同，如含氮的臭气，经微生物的氨化作用后，分解为NH3，NH3又经亚硝化细菌、硝化细菌的作用,进一步氧化为稳定的硝酸态化合物；而含硫的臭气首先被转化为单质硫,经微生物分解后产生H2S，H2S经硫细菌氧化再转化为硫酸或硫酸盐类化合物。

3.2 微生物除臭的过程

恶臭气体的生物处理技术相对复杂，其作用机理也在探索之中。根据一系列分析以及实验研究，一般认为生物膜净化臭气可以概括为3个步骤：

①将部分臭气由气相转变为液相的传质过程，即臭气通水接触并溶于水中；②溶于水中的臭气在浓度差的推动下进一步扩散至生物膜，进而被其中的微生物捕捉并吸收。不溶于水的臭气先附着在微生物体外,由微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质,再渗入细胞；③臭气进入微生物体内后,在其自身代谢的过程中作为营养物质和能源被微生物所分解、利用，经生物化学反应最终转化为无害化合物，使臭气得以消除。

3.3 常用的微生物除臭方法

由于微生物除臭法具有物理和化学方法所无法比拟的优势，所以发展很快，各国对于恶臭气体也多采用微生物除臭技术进行治理。微生物除臭法原理基本相同，但除臭过程有所不同，主要有活性污泥除臭法、生物过滤除臭法和新型除臭剂。

3.3.1 活性污泥除臭法

活性污泥除臭法包括曝气除臭法和洗涤法。活性污泥曝气除臭法的原理是将恶臭气体通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置以曝气形式分散到活性污泥的混合液体底部，臭气溶解于混合液中，通过悬浮的微生物降解恶臭气体。另一种原理与活性污泥曝气法十分相近的除臭方法称为活性污泥洗涤法，原理是让活性污泥和恶臭气体充分接触，通过活性污泥中悬浮生长的微生物的代谢活动降解溶解的恶臭物质。所需体积比活性污泥曝气法更小，活性污泥可以循环使用，可以长期以较高的除臭效果运转，运行费用低，效果较好。但需要定期加入新鲜污泥和排除剩余污泥。

3.3.2 生物过滤除臭法

生物过滤除臭法处理臭气是通过附着在固体过滤材料表面的微生物降解恶臭气体来脱臭的，该方法的主要原理是恶臭气体经过去尘增湿或降温等预处理工艺后，从填料层底部由下向上穿过填料，恶臭气体由气相转移到水和微生物组成的混合物，在通过固着于填料上微生物的代谢作用而被分解掉。生物过滤除臭法包括生物滤池除臭法和生物滴滤池除臭法两种。①生物滤池除臭法具有较强的恶臭去除能力、装置简单、能耗低、不受冬季寒冷气候的影响、运行和维护费用很低的优点。但也有一些缺点：占地面积大、除臭过程不易控制，且填料也需要定期更换。另外对于某些成分复杂和高浓度的恶臭处理有局限性，使其应用受到一定的限制。尽管如此，在实际中仍然得到广泛应用。②生物滴滤池除臭法的除臭过程和生物滤池除臭法相近，只不过使用的滤料是不能提供营养物质的惰性材料。在生物滴滤池中，只有能降解某些恶臭物质的微生物附着在填料上，不会像生物池中混合微生物同时消耗滤料是有机质，所以池中的微生物数量很大；同时生物滴滤池的操作条件容易控制。生物滴滤池有比生物滤池更大的污染负荷，同时还有很大的缓冲能力，即使营养物质中断供应几天后，系统仍然能保持很高的脱臭效率。但由于系统操作复杂，其应用受到一定的限制。

3.3.3 新型除臭剂

新型除臭剂是近几年开发的一种可以有效去除臭气，并且安装简单的新技术。微生物新型除臭剂是将筛选到的高效除臭微生物固定在载体上，制成一定的剂型，恶臭气体通过时达到除臭的效果。张永珍等试验EM产品除臭效果，EM是有效微生物群（Effective Micro-organisms）的简称，它是一种治理环境污染的生物新产品，是由乳酸菌、酵母菌、放线菌及光合细菌等10个种属80多种微生物复合培养而成。在试验中，分为两部分，一是食用试验，即把EM制剂加到饲料中喂鸡，在鸡腹中进行EM的生物效应，使排出的鸡粪减轻臭味；二是喷洒试验，即把EM制剂泼洒到鸡粪上，经过兼性厌氧消化达到除臭目的。通过对现场及实验室内的官能测定结果分析得出，向饲料中添加EM及粪便上泼洒EM液，对减少恶臭气体能够起到一定的作用，在使用EM后，试验区空气中NH3的浓度下降了75%以上；且通过嗅辨组成员能够嗅出鸡舍内的恶臭情况有所改善。同时，除臭剂还可控制堆肥过程中氮类物质积累，提高氮养分保留率。因此，除臭菌剂对堆肥养分的增加表现出较强的优势。微生物除臭剂价格低，装置简单，效果稳定，与其它除臭方法比较，具有投资少、维护管理费用低的特点，在市场上很有潜力。

4 微生物抗菌除臭的应用前景

近年来，恶臭污染会对人体产生不容忽视的危害以及各国对恶臭造成的环境污染的关注,致使对恶臭的处理研究也日益活跃。虽然微生物脱臭法的历史尚短、部分工作还停留在实验阶段，但由于其具有传统方法不可比拟的优势性和安全性，发展潜力和应用前景相当广阔。

4.1 微生物抗菌除臭的意义和优势

微生物除臭技术及微生物除臭剂在研究与应用中的意义及优势如下：绿色环保，不含任何化学药品，也不含转基因产品成份，不会造成二次污染；处理功效高，运用微生物除臭技术大大增强了其处理污染的功效；适应性更广，微生物除臭技术特别是混菌微生物除臭剂降低微生物生存条件要求，增强适应性，适应多种温度和pH值范围，在低氧环境中也能有效发挥作用；针对性强，微生物除臭技术可广泛适用于不同领域、不同用途和不同的污染环境，并可根据具体治理对象的具体情况，专门研发出有针对性的、最具效力的配方；治理成本最低，微生物除臭技术具有标本兼治的特点，不用征地建厂或购买庞大设备，综合治理成本和动态投资成本最低，且治理效果显著；化害为益，使得废物循环再用。

4.2 微生物除臭存在的问题及展望

由于受研究和发展时间的限制，微生物脱臭尚有许多亟待解决的问题，主要有：适合于特定恶臭有机物降解的微生物菌种筛选和驯化的方法；恶臭气体的去除率与工艺参数之间的关系还需要定量化；装置与设备的设计制造和施工还需规模化；对高浓度的恶臭废气、复杂的混合气体处理还有待研究；混合菌发酵工艺有待优化。

微生物除臭具有广阔的应用价值和研究前景，微生物菌剂的安全和有效剂量的研究成为研究热点，而且研发高效、经济、环保的混合菌种的研究意义深远。微生物除臭技术将对我国畜禽粪便无害化、资源化产生积极地推动作用。

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