规模化畜禽养殖场除臭研究进展

易诚，邓景衡，龙九妹，王晶，罗远来，黄斌艳

(衡阳师范学院 生命科学与环境学院，湖南 衡阳 421002)

恶臭气体不仅对生态环境造成严重影响，而且对人体健康具有很大的危害，国外早在20世纪50年代末便开始了恶臭气体污染治理的研究，并积累了丰富的理论知识和实践经验.我国20世纪80年代才开展恶臭气体污染的调查、测试和标准方面的研究，而对脱臭技术的研究则是从20世纪90年代才开始进行.

我国已发展成为生猪生产第一大国，生猪也成为人民生活的必需品，据国家统计局公告数据，2018年全国生猪存栏42 817万头，比上年下降3.0%；生猪出栏69 382万头，下降1.2%.

随着我国养殖业发展，畜禽废弃物污染越来越严重，2010年第一次全国污染源普查公报表明，畜禽养殖业废弃污染物中COD的排放量达1 268万t，占全国总排放量的41.9%、占农业源排放量的96%，总氮达到106万t占全国总排放量的21.7%、占农业源排放量的38%，总磷16万t占全国总排放量的37.7%、占农业源排放量的65%.规模养殖场臭气的排放日益受到公众关注，如环保督查中某省的养殖场投诉中污水占87.5%，臭气占62.5%，某区75宗养殖场污染投诉中，臭气占49宗，污水占26宗.畜禽养殖场畜禽粪污及臭气的产生，一是严重地影响养殖场的环境质量，对周围居民和大气环境造成危害，引起环境和生态问题[1].二是畜禽场内高浓度臭气，对畜禽的健康生长和生产性能产生严重的不利影响，同时，这些臭气扩散进入大气后，是重要的温室气体排放源.2014年1月1日起施行的《畜禽规模养殖污染防治条例》关注的主要畜禽养殖的粪尿，畜禽养殖业污染物排放标准(GB18596-2001)污染物排放限值较为宽松，随着畜禽养殖场扰民现象增多，尤其在臭气排放方面厂群矛盾突出，国内广东省、浙江省、山东省等地均根据当地情况制定了相应的地方标准.目前，对畜禽养殖场臭气、温室气体、粉尘以及病原微生物浓度和排放量的监测与计算、传播模拟与控制的研究已全面展开.

1 养殖场畜禽养殖臭气的产生

恶臭是指大气、水、土壤、废弃物等物质中的异味物质，通过空气介质作用于人的嗅觉器官感知而引起不愉快并有害于人类健康的一类公害气态污染物质.通常所指的臭气，是指在物理、化学反应过程中产生出来的带有恶臭的气体.畜禽养殖恶臭主要是畜禽养殖废弃物恶臭：一是畜禽粪便恶臭，为饲料中蛋白质在畜禽体经过代谢的终产物，为新鲜粪便的恶臭，与饲料及畜禽体内肠道微生物菌群有重要的关系；二是粪便中代谢产物和残留养分在细菌作用下再次进行分解产生的恶臭物质，同样与饲料营养及作用菌群有关；三是废弃的饲料，包括配合饲料和青饲料等，本身具有的腥臭味及在微生物的作用下被分解而产生的恶臭；四是牲畜的尿骚味及其分解的产物；五是家畜呼吸、畜禽体臭及饲料等产生的臭味.

目前，人体的嗅觉器官能感知的恶臭物质有4 000多种，牛粪恶臭成分有94种，猪粪有230种，鸡粪有150种[2-4].经对畜禽粪便恶臭成分进行了鉴定发现，臭气主要包括三类：含硫的化合物，如硫化氢(H2S)、甲硫醇、甲基硫醚等，含氮化合物如氨(NH3)、三甲胺等，碳、氢、氧化合物，如低级醇、醛、脂肪酸等.H2S和NH3是畜禽粪便恶臭的主要成分.

根据全球氨排放检测结果，我国氨排放总量约1 200万t/a，美国和欧盟总计约716万t/a[5，6]，全球畜禽粪便的NH3排放量约占大气中总排放量的39%，欧洲畜禽养殖NH3排放量占总排放量的74%以上，北欧和西欧是畜牧行业较为发达的地区，在英国、荷兰、丹麦和德国，畜牧业排放的NH3分别占该国总排放量的75%、85%、82%和76%[7-9].美国畜禽养殖NH3排放量占总排放量的56%，我国畜禽养殖NH3排放量占总排放量的54.06%，日本畜禽养殖NH3排放量占人为源NH3排放量的64.3%[10-12].畜禽养殖舍内的NH3主要来自于动物肠道微生物对饲料中蛋白质的消化降解所产生NH3，以及微生物对新鲜粪尿、饲料残渣及垫料中含氮有机物进行厌氧降解而产生的NH3[13].据测定，年产10万头的猪场，NH3排放量可达159 kg/h、H2S排放量可达14.5 kg/h的；存栏量为3万只的蛋鸡场，NH3排放量达1.8 kg/d[14-16].一个万头猪场排放的鲜猪粪中氮(N)排放量达105 kg/d，磷(P)排放量达70 kg/d，一个万只蛋鸡场排放的鲜鸡粪中N排放量为24.45 kg/d，P排放量达23.1 kg/d.国内常用的估算数据为：仔猪NH3的排放量为0.6 g/(d·头)～0.8 g/(d·头)，保育猪为0.8 g/(d·头)～1.1 g/(d·头)，中猪为1.9 g/(d·头)～2.1 g/(d·头)，大猪为5.6 g/(d·头)～5.7(g/d·头)[17].

研究表明，NH3是畜禽臭气的主要成分，NH3质量浓度是科学家衡量NH3对空气以及PM2.5影响的方法之一，PM2.5成因复杂，既包括燃烧烟尘等直接排放的一次颗粒物，也包括污染物在大气中进行化学反应后生成的二次颗粒物.二次颗粒物在PM2.5中所占比例随季节变化而不同，冬季约占30%～40%，夏季约60%～70%，NH3与大气中的二氧化硫、氮氧化物结合生成硝酸铵、硫酸铵等二次颗粒物[18]，是二次颗粒物的最主要组成部分.此外，具有强烈的刺激气味的NH3，会刺激动物的黏膜，引发多种炎症，从而降低动物的免疫力，甚至引发疾病，影响畜禽的生长发育和生产性能，危害畜禽产品安全[19，20].有研究表明幼猪生活在NH3浓度达到50 ppm的环境中，增重率会下降12%，达到100 ppm～500 ppm时，则生长率将会下降30%[21].

H2S低浓度时有臭鸡蛋气味，在臭气中占的比例不大，但臭味呈现力更强.是强烈的神经毒素，易溶于水，具有弱酸性，易被人体及畜禽呼吸道黏膜吸收，与Na+结合而形成硫化钠(Na2S)，对粘膜有强烈刺激作用，可以麻痹嗅觉神经，引起人体或畜禽眼炎和呼吸道炎症、稍长时间接触引起肺水肿，甚至导致细胞不能正常呼吸，缺氧死亡.通常畜禽养殖舍内H2S含量不宜超过10 mg/kg，如果长期在低浓度的H2S环境下，家畜可能会发生植物性神经功能紊乱，出现偶发或多发性神经炎，体质变弱，体重减轻，抗病力下降，并发生胃肠炎、心力衰竭等，使生产能力大幅下降[22-24].

畜禽养殖场的恶臭物质不仅可能引起畜禽的免疫能力、代谢能力和生产性能的下降，还会因为恶臭物质的扩散，对长期生活在周边环境中的人群产生重要影响，能刺激人的嗅觉神经和三叉神经，对呼吸中枢产生毒害，可能引发患支气管炎、肺炎等呼吸系统疾病[25]，严重威胁人类的健康.同时，恶臭气体进入大气后还会增加大气中氮和二氧化碳的负荷，导致大气污染，因此畜牧场臭气污染愈来愈引起人们的重视.

2 规模养殖臭气处理技术

2.1 臭气源头减排技术

从理论上说，臭气控制的研究应从防止臭气的产生和控制臭气的扩散两方面来进行，显然，防止臭气产生显得更加重要.有资料表明，养殖场臭气排放中，粪污贮存与施用过程中占65%，畜禽舍内占25%，饲料生产和贮藏占10%.实施源头减臭：一是降低新鲜猪粪的臭气，以降低畜禽舍内的臭气，二是降低粪污贮存过程中的臭气.近年来，为降低新鲜猪粪及猪肠道臭气的产生，养殖企业在饲料中添加了益生素、酶制剂、酸化剂、沸石等常用添加剂，还在饲料中添加可发酵碳水化合物和特殊的微生物菌群，通过改变肠道和粪便中的优势微生物种群及其发酵过程，来改变粪尿的理化特性，减少氨的挥发及臭气的产生，并取得较好效果[4，26].而目前，更多的研究重点放在了植物型添加剂的开发上，如丝兰属植物提取物、茶叶提取物、菊芋等，越来越多的植物型添加剂用于养殖舍的除臭[4，27]，甚至在肉鸡日粮中添加具有健胃消食、杀菌防腐等作用的中草药制剂，达到提高鸡对饲料的消化，减少粪污的排泄量，降低排泄物臭气的目的[28].研究表明，粪污贮存过程中臭气的产生主要是由于粪污中剩余的蛋白质等营养成分在厌氧微生物的发酵作用下所引起的，因此，实现粪污贮存过程中臭气的源头控制主要是降低饲料中的蛋白含量及进行日粮调控.

2.2 臭气过程控制技术

粪污贮存过程中粪污中剩余的蛋白质等营养成分在厌氧微生物的发酵作用产生的臭气是主要的臭气源，厌氧微生物及厌氧条件是臭气产的主要原因.微生菌种对臭气的产生有重要的影响，添加到肠道中的优势菌群不仅可以减少新鲜猪粪污的臭气，一定程度上可以降低粪污贮存过程中的臭气[4，27]，为减少臭气的产生，也有在粪污贮存池中施用微生菌群以降低臭气的目的，如日本琉球大学培养的有效菌群(Effective Microorganism，EM)，在污水及粪污除臭处理中广泛应用，EM作为一种多种细菌共存的生物体，菌群中同时含分解性细菌和合成性细菌，有好氧菌，也有厌氧菌和兼性菌，加入到污水或粪污中，被激活后迅速生长繁殖，依靠菌种相互间共生增殖及协同作用，快速消化及分解有机物，形成稳定的微生物生态系统，抑制产硫、氮等微生物的生长繁殖，减少恶臭物质的产生.中科院地理所研究表明：粪污臭气物质随收集时间延长释放增加，收集前喷洒复合微生物菌剂，可以减少臭味物质释放2～50倍，运输时间超长粪污释放臭味越多，运输前喷洒复合微生物菌剂，可以显著减少臭味物质释放.因此，为了降低臭气的产生，应该尽可能早地施用复合微生物菌剂.在没有施用复合微生物菌剂的情况下，也可以通过创造不利于厌氧发酵的条件，如通过降低粪便含水量、降低温度、改变pH值、施用杀菌剂等措施，降低可减缓厌氧微生物的活动，可以较好地控制臭气产生[29-31].

2.3 臭气末端控制技术

实现恶臭气体末端控制，采用的方法一般分为物理方法、化学方法、生物方法(见表1).

(1)物理除臭法.是指处理过程中以物理方式为主的处理方法，主要有吸附、稀释扩散、过滤等方法：吸附是当流体(液体和气体)与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄的现象，多孔性固体吸附剂使流体中的一种或几种组分，在分子引力或化学键力的作用下，被吸附在固体表面，从而达到分离的目的.生产中使用最广的除臭剂的活性炭、泥炭等，熟化的堆肥和土壤同样具有良好的多孔性，因此也具有较好的吸附能力.稀释扩散主要是指将有臭味地气体用无臭空气稀释，降低恶臭物质浓度以减少臭味方法，虽然臭气排放浓度下降，但臭气排放量没有减少.

(2)化学除臭法.即是添加某些化学药剂，使之与具有臭味的物质发生反应，从而达到除臭的目的.主要有吸收、氧化、等离子体法等方法.吸收法是指利用液体吸收剂进行脱臭的方法，是溶质从气相转移到液相的过程，使可溶性臭气成分溶解于液体之中，再通过化学吸收或物理吸收达到除臭的目的，生产中一般采用水与化学氧化剂相结合的式，即可溶于水的中的臭气物质与氧化剂等发生氧化而达到除臭的目的，如NH3、H2S等有机物能在水体中有效地被吸收并除去.氧化法是指利用化学氧化剂将污染物转化为稳定、低毒性或无毒性的物质的过程，常用的氧化剂有臭氧、过氧化氢、次氯酸盐、氯气、二氧化氯、高锰酸钾和芬顿试剂等，有机物一般可以氧化生成二氧化碳和水，或被部分氧化.近年来使用的光催化氧化技术是运用高能UV紫外线光束及臭氧对恶臭气体进行协同分解氧化反应，使恶臭气体物质其降解化成低分子化合物、水和二氧化碳.低温等离子体技术除臭，低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体，这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的.

(3)生物除臭法.是通过微生物的生理代谢将具有臭味的物质加以转化，达到除臭的目的.生物除臭一般通过反应器完成，反应器中通常含有驯化和活性填料，其中的驯化填料对微生物的生长、增殖产生诱导和促进作用，增殖强化微生物；活性填料给微生物菌提供栖息空间，增强微生物的活性，臭气进入反应器后，吸附到活性填料中，再向微生物表面扩散、被微生物吸附，转移到微生物体内，通过微生物的代谢活动而被降解.生物除臭其实包含了微生物的生物氧化，同时也包括活性基质的吸附及基质内的化学氧化.一种复合式生物除臭反应器，将不同的微生物、细菌或真菌分别接种在反应器的2个生物反应区中，发现通过其协同作用可以有效去除多种污染物，对NH3和H2S去除率分别达到96.7%和92.1%[32，33].

表1 臭气末端控制技术处理效果

除处理技术以外，养殖的管理方式与技术对臭气的产生也有重要影响，有研究结果表明，畜禽养殖场清粪方式对养殖舍内臭气成分及浓度有显著影响[34]，机械清粪通过干湿分离系统实现自动清粪，极大地降低了工人的劳动强度和场舍的污水产生量，可显著降低NH3等臭气的产生量，有利于改善场舍空气质量，被养殖场逐步接受并应用[35].

3 规模养殖臭气处理发展趋势

目前，在我国的规模化养殖大多采用尿泡粪、水泡粪、干清粪等工艺，粪尿的收集都采用漏粪地板，猪舍与粪尿收集池连通，在微生物的作用下臭气浓度显著增加，为了减少臭气尤其是NH3对养殖的影响，绝大多数养殖场是通过对养殖场栏舍及集粪空间进行大功率的抽气进行无组织的排放，对周边的环境产生严重的影响.同时大功率抽气设施的投入，增加投资及运行成本，根据某养殖公司提供的数据，其采用尿泡粪工艺收集猪尿粪，抽气设备高达35万元，运行成本高达20万/a，还不包括设备检修与更换.此外，养殖场实验数据表明，饲喂丁酸钠等源头减排的微生态制剂等制剂，将增加成0.15元/kg～0.3元/kg，对本来就是靠规模的微利养殖业来说，将是难以接受的.

目前尚未有猪场臭气集中收集工程处理的相关报道，在规模化养殖场内进行关键部位的臭气进行收集，收集后实现臭气的收集与集中处置，从工程上解决养殖场臭气处理问题，是今后彻底解决臭气污染的重要手段.