高温生物降解法在病死畜禽无害化处理上的应用

朱红军，匡佑华

（1.灌云县南岗乡动物防疫检疫站，江苏 连云港 222200；2.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

随着经济发展、人民生活水平提高，国内养殖业的规模和畜禽养殖量不断扩大、增加。张绪美等[1]曾经预测过，到2020 年畜禽存栏量将达到家禽57 亿羽、牛1.8 亿头、羊4.78 亿只、猪7 亿头。然而，每年因疾病引起的动物死亡率：家禽约12%～20 %、牛约2%～5 %、羊7% ～9 %、猪 约8% ～12 %，其他家畜死亡率在2 %以上[2]，根据以上报道可预测在2020 年我国仅猪只的死亡数量将达到7 000 万头左右。2018 年我国非洲猪瘟首发，此病目前无药可治，致死率百分百，且传染性极强，一旦确诊只能进行大量扑杀，自非洲猪瘟发生到2019 年1 月中旬时，已累计扑杀生猪91.6 万头。目前疫情虽有所控制，可一旦发生此疫病，扑杀数量仍是相当大，数量不可小觑。另外，扑杀后的无害化处理也十分重要，如处理不当会导致土壤、水源等污染，并且还会造成疫病进一步的传播。目前，在病死畜禽无害化处理方面仍有不当之处，如地点不统一、成本高及技术差，违法所得致病死畜禽流入市场，乱扔乱丢等现象[3-4]时有发生。常见的无害化处理病死畜禽方法主要有焚烧、深埋、堆肥、化尸窖、化制和高温生物降解法（High Temperature Biodegradation Method，HTBM）等六种方法[5-6]，而采用HTBM 存在的弊端报道甚少。因此，文章旨在介绍HTBM 在病死畜禽上的作用机理、工艺流程以及技术应用，为推广HTBM 在处理病死畜禽上提供参考。

1 无害化处理病死畜禽的方法

焚烧法常用于小型养殖场，在处理过程中还需大量燃料，可能会对空气造成污染，不适用于大型养殖场[2,7]；深埋法是目前最常见的病死畜禽处理方法，但对地下水和土壤的污染严重，此方法正在逐渐淘汰[8-9]；堆肥法在处理动物尸体时需大量碳原料，全程的科学管理和监控，如管控不严易造成疫病传播[10]；化尸窖法易受季节和区域温度的影响，且不能循环利用，若密封不好也易造成疫病传播[11]；化制法在处理过程中易产生恶臭和血水，会滋生病原微生物，不仅污染地下水源，还能通过空气传播病原体发生疾病[12]；而HTBM 是将生物降解法与化尸窖法两者结合优化所得的方法，在处理过程中全程实行自动化，操作简单，设备占地面积小，不产废水和废气，无异味，不污染环境，不需高压和锅炉，无安全隐患，不影响居民的生活，同时该技术运行成本低，可有效地减少因处理费用过高或操作复杂等因素导致的尸体乱扔现象，达到无害化处理成本低、病死畜体积减量化目的[13]。目前，HTBM 在部分县市已经在推广使用，并取得了不错的生态效应和应用效果。

2 HTBM 的作用机理

2.1 尸体自溶

机体死后，在其本身所释放酶的作用下，组织细胞发生分解，各器官组织发生变软或液化等情况，此情况称为自溶[14]。在自溶过程中，温度的高低及何原因导致的死亡，两个因素均对自溶的速度有很大的影响。一般来说，高温可促进尸体的自溶，低温可延缓尸体的自溶。例如在夏天死亡的畜禽，其尸身腐败的速度比在冬天死亡的要快；此外在动物死后，将尸体放置冷藏室的目的就是为了延长尸体保存时间，其作用机理就通过降低周围环境和尸体自身的温度，让自溶速度变慢或停止。另外，由于机械性导致的损伤性和窒息性死亡、中毒和电击导致的死亡以及应激性死亡的动物，当其急性死亡时，体内仍有大量活性酶，体温缓慢冷却，导致快速自溶；而死于慢性消耗性疾病的动物，由于体内的长期消耗，导致体内缺乏活性酶，体温低，冷却速度快，自溶速度就慢下来了[15]。

2.2 尸体腐败

动物死后，存在其体内的细菌会迅速发挥作用，尸体自溶速度加快，尸体开始腐败分解。此时在其皮肤表面会出现腐败的绿斑和水泡，并在尸身多处产生静脉血管网[16]。肌肉和皮下组织的表面因腐败细菌产生的大量腐败气体而呈气肿状，随着腐败气体的继续产生，尸体开始膨胀和变形，尸体还会出现以下现象：鼻子和嘴巴流出腐败的血水、眼球突出、嘴唇外翻、胃内容物被压出等，然后尸体的完整性被摧毁，直至仅剩不能分解的骨头。此外，尸体周围环境的温度也是影响尸体腐败的主要因素。有报道，当环境处于25 ～35 ℃温度时是最适宜腐败发展的条件；当环境处于0 ～1 ℃的低温或45 ～55 ℃的高温时，均会发生腐败变慢或停止的情况[17]。

2.3 外源性微生物

通常HTBM 在高温下对尸体进行灭菌后会在尸体周围混合一定量辅料如锯末、稻草、稻壳和生物酶，利用辅料中多种外源性微生物对尸体进行“三化”：矿质化、腐殖化和无害化，将复杂的有机营养物质转化为可溶性的营养物质和腐殖质。同时，堆积时所产生的温度高达50 ～70 ℃，其温度能够杀死尸体中的病原体，从而达到无害化的目的[15]。在微生物作用下分解尸体有机物的过程中，尸体主要给外源性微生物的活动提供氮源，辅料中的含碳物质则提供碳源，从而分解生成微生物、二氧化碳和水等，同时释放出能量[18]。

3 影响HTBM 的因素

3.1 温度和氧气

温度是影响微生物活动、分解速度和灭菌效果的关键因素。有研究发现，在冬季降解罐内温度维持在22 ℃时，其降解速度比温度维持在6 ℃时更快[19]。杜少甫等[20]研究发现，使用生物降解酶（含枯草芽孢杆菌、丝状菌等）处理粉碎后的病死猪时，75 ～85 ℃试验组比常规自然发酵的对照组和60 ～70 ℃试验组的降解速度更快，重金属含量较低，干物质、氮、钙、磷含量较高，生物降解效果较好。由此可见，降解时温度对生物降解速度有一定的影响。另外，在好氧生物降解中，温度一般通过氧气量调节。供应充足氧气才能保证微生物的活性，加快堆体温度上升；而氧气不足则导致微生物处于厌氧状态，降解速度缓慢，堆体温度下降，还会产生有毒气体[21]。由于HTBM 的降解菌多数是通过好氧呼吸获得能量的好氧菌，因此，在HTBM 过程中，缺乏氧气会影响微生物的分解活动，还会产生硫化氢等有害气体。一般认为氧含量在5%～15 %之间较适宜，可通过增加通风量和翻动动物尸体来增加降解罐内的氧气。

3.2 水分和pH

水分是生物降解过程必不可少的物质。据报道：当水分低于20 %时，微生物的代谢活动基本停止；水分在40%～50%时微生物活性开始下降，导致堆体温度降低；水分在50%～60%时则最有利于微生物分解；水分高于70 %时易造成厌氧环境，不利好氧菌生长，还会产生硫化氢等有毒气体[22]。因此，水分保持在45%～50 %较好，最适宜持水量为50%～60 %。另外，多数微生物在中性或弱碱性的条件下活性最高。有研究报道，当堆体中的pH ＜4.5 或pH ＞10.5 时，会降低微生物活性，使堆体的温度和堆肥的分解速率降低，甚至还会产生有害的中间产物[23]。一般情况下，通常采用翻动堆体或增加通风量去调节堆体的pH，使其pH 在正常范围内。

3.3 碳氮比（C/N）

C 是微生物生长和能量代谢的基础物质，N 是构成蛋白质和核酸类物质的基本元素，因此C 和N 是培养和发酵微生物时最重要的营养物质，而堆体中适当的C/N 值，对微生物的生长趋势和有机物的分解也有着十分重要的影响。若C/N 值过高则表明堆体中缺N，会导致微生物生长受阻碍，有机物的分解速度降低；若C/N 值过低则表明堆体中缺C，会抑制微生物的生长。其中最适微生物的C/N 为25 ∶1[22]。因为当微生物分解有机物时，同化5 份C 需同化1 份N 构成自身细胞体，微生物自身C/N 约为5 ∶1，而同化（吸收利用）1 份C 需消耗4 份有机碳来取得能量，所以微生物吸收利用1 份N 时需消耗利用25份有机碳[24]。

3.4 微生物的菌群结构

使用发酵菌种不同，其降解特性也不同，对病死畜禽降解效果和速度也不一样。有研究发现，100 g 酵 母 菌、5 000 g 沼 气 渣 和80 g 枯草芽孢杆菌的复合菌群，比100 g 酵母菌和80 g 枯草芽孢杆菌的复合菌群分解速度要更快[9]。前者分解完成需9 d，比后者提前5 d分解完成。其原因可能与前者依靠发酵菌种和沼气渣内含有分解菌的共同作用有关。

4 HTBM 的工艺流程

4.1 处理设备

为了满足不同规模畜禽场或无害化处理中心的需要，生产了一系列处理设备，其设备主要含有密闭罐体、搅拌破碎、加热、循环、冷凝、自动控制、升降和气体过滤等一系列系统。其中罐体设计为立式倒锥形降解罐结构，底部设计有搅拌碾磨刀，外壁设有加热和保温系统，罐盖可自动升降。在处理过程中产生的蒸汽，可通过多重过滤后进行排放或回收利用。

4.2 技术流程

其设备具有操作便捷，自动化程度高等特点。系统运行流程如下：

1）将冷藏堆积的病死畜禽集中处理并计重，通过智能运输系统运输置于罐体内。

2） 启动加热系统温度升高 至160 ～190 ℃， 进 行 持 续90 ～360 min 的高温高压灭菌处理。

3）高压灭菌后，启动搅拌破碎系统，温度降至60 ℃左右时，添加10 ～25 %秸秆等辅料和酵母菌等降解菌，开始对处理物进行降解。

4）降解6 ～8 h 后，将处理后的产物卸出。

在系统运行过程中，也需要注意以下问题：

①为了节省耗能、延长设备的使用寿命，冷冻堆放的动物进行降解前需彻底解冻；

②辅料性能从大到小依次为锯末、秸秆、米糠和干粪，成本从高到低依次为米糠、锯末、秸秆和干粪[25]；

③小动物辅料添加比例一般为处理量的15 %，大动物添加比例为处理量的25 %[18]；

④降解菌使用前先活化，能够有效缩短降解时间；

⑤首先对于疑似烈性传染病的处理物，优先考虑生物安全问题，先进行高温灭菌再添加降解菌进行生物降解；一般处理量＜1 t 时直接生物降解；处理养殖场常规病死的尸体直接加入降解菌和辅料，设定温度运行8 h 即可[3]。

5 HTBM 在病死畜禽无害化处理上的应用

5.1 降低无害化处理的成本

HTBM 是在一个密封的降解罐里完成，利用外部破碎加热和生物发酵的方法，使病死畜禽无害化降解。其中，添加的分解菌如酵母菌、枯草芽孢杆菌等也可得到重复利用。其处理的成本费用主要是辅料、降解菌剂、电费和人工费。一般处理1 t 动物尸体，辅料成本约60 元左右，生物降解酶150 元左右，电费180 元左右，人工费用80 元，总计470 元左右。有研究报道称将HTBM 与焚烧、深埋、化制等传统无害化处理的成本相比，HTBM 可节约70 %以上[26]。焦洁婷等[27]研究发现，处理2.772 t 的病死畜禽，焚烧深埋法处理成本是5 712 元，HTBM 处理成本为1 279 元，两者相比后者节约了4 433 元，相当于处理1 t 病死畜禽可以节约1 599 元的成本。可见，HTBM 比其他处理方法更能节省无害化处理的成本。另外，HTBM 全程电脑自动化控制，且需处理的动物无需人员进行手动肢解和搬运。综上所述，与传统的无害化处理技术相比，HTBM 处理在成本和人力方面更节省，值得大力推广。

5.2 彻底消灭病原微生物

HTBM 是一种可以处理因重大动物疫病或人畜共患病死亡的动物尸体和相关动物产品的方法，此方法需动物尸体在罐体中经过160 ℃高温灭菌，再经过生物发酵所产生的高温进行第二次灭菌，彻底消除原尸体体内含有的病原微生物。有研究表明，经过HTBM 后，含有猪瘟病毒的淋巴结、猪蓝耳病毒的肾脏组织以及含有猪链球菌的脾脏经检测均呈阴性[28]。杜少甫等[20]研究发现，采用HTBM 处理后的动物尸体，检测其体内的放线菌等细菌和病毒均呈阴性。此外，Xu等[29]也研究发现，在动物尸体内接种大肠杆菌和新城疫病毒，使用生物降解法降解7 d 后，检测均呈阴性。综上所述，采用HTBM 处理病死畜禽，具有彻底清除尸体内病原微生物，降低病死畜禽疫病传播的几率和风险的作用，可考虑将其大规模使用在病死畜禽无害化处理中心或大规模猪场中。

5.3 生产有机肥料

HTBM 能够将病死猪通过机械绞碎、高温灭菌、添加辅料、发酵降解、除湿干燥等一系列的操作，对环境污染小，且经过24 h能使其成为一种可贮藏的、可利用的有机肥料。有研究发现，与自然发酵组相比，在使用HTBM处理粉碎的病死猪第5 天时，细菌、病毒等微生物检测均呈阴性，重金属含量降低，氮、钙、磷等含量均提高[20]。吴志坚等[30]将堆积发酵法与HTBM 处理病死猪两种方法进行各方面的分析，研究结果表明：使用HTBM 对病死猪的处理效果良好，处理过程中温度设定为140 ℃，保持3 ～4 h 可将病原微生物彻底杀灭，且HTBM 处理后的产物经检测内含有机质、总养分含量高于有机肥标准NY525-2012。可见，HTBM 能彻底杀灭病原微生物、降低重金属残留以及提高残渣中氮、钙、磷等元素含量，降解后产物可作为有机肥料作用于果园、农田等养殖业，无安全隐患。因此，利用HTBM 不仅能降解病死畜禽，还能将其转化生产为有机肥料，变废为宝，提高企业的生产效益。

6 小结和展望

病死畜禽无害化处理是影响民生的大事，是畜牧业发展中存在的普遍性、长远性问题。随着我国畜牧业转型升级以及人们对环境保护的日益重视，无害化处理必然从分散转向集中，技术含量从低转向高，从只注重“无害化”转向“无害化、资源化”并重，从处理终端转向收集、运输、处理“一条龙”[31]。且非洲猪瘟病毒不耐高温，经过60 ℃ 20 min 处理就被杀死，由此可见，使用HTBM 处理病死畜禽是目前较为理想的无害化处理技术。各地应以及时处理、清洁环保、合理利用为目标，因地制宜、立足发展需要，有效解决病死畜禽流向餐桌的食品安全问题，保护土地、水源等自然环境免受污染。

下一步希望尽快制定和完善相关的推广方案；建成覆盖各环节的无害化处理体系，构建科学完备、运转高效的无害化处理机制，建立有效的监管网络；建立健全补偿机制，综合考虑各种成本因素，制定合理的财政补助等，确保无害化处理场正常运营；加大技术推广力度，通过举办专业技术讲座、养殖户座谈会、资料宣传或组织现场观摩、操作等方式大力推广安全环保、节能、运行成本低、操作简单的HTBM。