死畜禽碱解处理技术研究现状及展望

尚斌, 陶秀萍, 董红敏, 陈永杏, 张万钦, 尹福斌

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

死畜禽无害化处理是养殖场必须面对和解决的现实问题。农业农村部2017年发布的《病死及病害动物无害化处理技术规范》农医发〔2017〕25号文中提出，死畜禽处理方法包括焚烧法、化制法、高温法、深埋法和硫酸分解法。焚烧法能够对畜禽尸体进行彻底无害化处理，有效杜绝病菌传播[1]，但焚烧过程存在二噁英等有害气体排放的潜在风险[2]；化制法和高温法是利用高温蒸汽或者干热降解动物尸体组织，并分离出肉骨粉和油脂等产物[1]，但化制法运行成本高，且无法有效杀灭部分高致病性病毒[3]；深埋法操作相对简单，但需要占用一定的土地，且存在污染地下水的风险；硫酸分解法利用硫酸在一定条件下将动物尸体进行分解，无害化效果好，但需要大量的硫酸，操作困难。2020年2月，农业农村部和财政部联合下发《关于进一步加强病死畜禽无害化处理工作的通知》农牧发〔2020〕6号文，要求暂时不具备集中处理条件的地区自行处理病死动物的养殖场，要配备与养殖规模相适应的无害化处理设施设备，并严格按照相关技术规范进行处理，逐步减少深埋、化尸窖、堆肥等处理方式。当前，非洲猪瘟等疫情仍在影响我国生猪养殖生产，猪场生物安全的要求达到前所未有的高度，我国亟需探索新的死畜禽无害化处理技术。

相对焚烧、化制等技术而言，碱解技术起步和发展相对较晚，该方法是在一定温度条件下，利用强碱溶液将动物尸体水解为无微生物的溶液和骨头残渣，碱解产物中含有矿物质和氨基酸等成分，可以进一步生产高价值产品[4-5]，具有很好的应用前景。目前该技术仍处于实验室阶段，缺少关于碱解温度、压力、时间等关键参数的研究报道。但国内外现有的研究资料表明，该工艺具有很强的病菌杀灭能力，生物安全性极高，在当前国内非洲猪瘟疫情影响的背景下，碱解技术开始受到越来越多的关注。本文阐述了死畜禽碱解技术概况、技术工艺关键参数研究现状以及该技术的特点和存在问题，并对该技术今后研发和改进的方向进行分析和讨论，以期为死畜禽碱解技术及配套设备进一步研发提供指导。

1 死畜禽碱解技术概述

死畜禽碱解处理技术的原理是利用强碱(多采用NaOH或KOH)等物质在一定温度和压力条件下，将动物尸体中的有机物，包括蛋白质、脂肪以及碳水化合物水解成肽类、氨基酸、甘油和糖类等物质，从而达到动物尸体降解、病原微生物灭活的目的，最终产物为废液、固体残渣和极少量有味气体[5-10]。该技术操作流程一般为：畜禽尸体被放入特定的碱解设备(要求耐强碱、耐高温和高压材料，可采用不锈钢或聚乙烯材料)中，加入一定量的固态碱或碱溶液(碱的量依据动物尸体量决定)。将设备密封后，加热加压到设定的温度和压力(100～150 ℃)，并保持一定时间(3～24 h)[4,6-7,11]。碱解过程结束后，待设备冷却，收集碱解残液和固体残渣。

2 碱解技术国内外研究现状

2.1 碱解技术工艺参数研究

死畜禽碱解效果受碱添加量(pH)、碱解温度和压力、碱解时间以及处理负荷等参数的影响。Kaye等[5]将体重114～136 kg的动物尸体(包括猪、绵羊、兔子、狗、大鼠、小鼠和豚鼠)进行碱解处理，按照重量比50(动物)∶1(碱)添加NaOH(纯度50%)，然后加入320 L的水，在110～120 ℃、0.1 MPa的温度和压力条件下，经过18～19 h处理后，动物肌肉组织被完全溶解和降解，仅剩下骨骼和牙齿等矿物成分，同时所测试的10种细菌全部被杀灭。Waste Reduction(WR2)公司以NaOH配制成1 mol·L-1的碱溶液开展病死动物碱解试验，在温度为150 ℃(压力为0.5 MPa左右)条件下碱解3 h后，动物肌肉组织全部消失，仅剩余少量已经被软化的骨骼和牙齿[12]。WR2公司还开发了移动式碱化设备，该设备每批能够处理2 t的病死动物，每批需要254 kg的KOH或180 kg的NaOH[13]。Wang等[14]对影响动物组织碱解处理技术的参数进行了研究，结果显示，碱解温度对处理效果的影响最大，其次是碱液浓度(碱含量)、碱液量与肌肉组织的比例，最后是碱解时间；其通过试验认为，动物组织的最优碱解工艺参数为温度150 ℃，碱浓度5%，碱液量与动物组织添加比例为3 mL(碱液)：1 g(动物组织)。

2.2 碱解技术对病原微生物的杀灭效果

极强的病原微生物杀灭能力和极高的生物安全性是碱解技术最为突出的特点。高温(一般为150 ℃)条件下，强碱在水解过程能破坏病毒的蛋白衣壳和朊病毒的肽键，同时油脂和核酸都可以被降解，因此碱解技术对所有病原微生物的杀灭效果几乎都可以达到100%。Kaye等[5]指出，细菌、真菌、病毒和贾第鞭毛虫生物体是由相同种类的生物大分子组成，即蛋白质、多糖、脂质和核酸等，这些组分在碱解过程中能够被热碱溶液所溶解并消化，其研究发现，通过碱解能够将动物尸体中携带的金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,S.aureus)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、白色念珠菌(Candidaalbicans)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、烟曲霉菌(Aspergillusfumigatus)、牛分枝杆菌(Mycobacteriumbovis, BCG)、MS-2噬菌体和贾第虫病(giardiasis)等全部杀灭。欧洲委员会科学指导委员会(European Commission Scientific Steering Committee, EC SSC，)报告指出[12]，在150 ℃、6 h碱解条件下几乎能够将传染性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathies, TSEs)全部杀灭。已有研究结果表明，现有的高温高压化制法能够降低朊病毒的传染性，但并不能完全灭活病毒，从而可能导致某些疫病的传播[15]，而碱解法则能将此病毒彻底杀灭[16-17]。Taguchi等[18]和Ernst等[19]研究结果表明，1 mol·L-1的氢氧化钠溶液在121 ℃、60 min条件下能够将克雅氏病毒和瘙痒病菌株灭活。Taylor等[17]的试验结果显示，1 mol·L-1NaOH溶液在121 ℃、90 min或者2 mol·L-1NaOH溶液在121 ℃、30 min均能够使仓鼠身上的瘙痒病菌完全失活。

综上所述，碱解法处理死畜禽能够杀灭慢性消耗病病毒(chronic wasting disease, CWD)、TSEs以及痒病病毒(scrapie)、疯牛病病毒(bovine spongiform encephalopathy, BSE)、口蹄疫病毒(foot and mouth disease virus，FMDV)、高致病性禽流感病毒(highly pathogenic avian influenza, HPAI)，甚至是朊病毒等[20-25]，生物安全性极高。

2.3 碱解产物处理及利用

碱解过程中，蛋白质经过碱水解处理后会分解成自由的氨基酸盐或小分子肽；脂肪发生皂化反应而被分解；糖脂和多元不饱和脂肪酸在水解中被破坏；核酸分解为核苷酸、核糖、磷酸等小分子;糖原和淀粉等碳水化合物分解为单糖，并被热碱溶液迅速破坏；纤维素和矿物质不能被碱水解消化分解则保留在碱解液中[4]。因此，死畜禽碱解的主要产物分为2类：一类是无菌的溶液，主要成分为水、多肽、氨基酸、糖类以及皂类物质；另一类是固体产物，主要是骨头和牙齿的矿物成分和纤维成分。

固体骨骼主要成分为磷酸钙，残渣已经非常酥松，不含有任何胶体，用手完全可以将其压成粉末[3, 20]，粉碎后可以用作土壤肥料改良剂[24]，或者作为原料生产有机肥[26-27]。

碱解液为含有多肽、氨基酸、糖和皂类等咖啡色强碱性溶液，动物体中蛋白质的降解会使得碱解液中含有大量氮元素，如果使用氢氧化钾作为碱溶液，又会增加碱解液中钾含量的浓度。Kang等[28]利用碱解处理死畜禽的同时生产出了液体肥料，并用液体肥料开展植物种植试验，同时对液体肥料的肥效进行了评估，结果发现，即使是染病动物，其尸体经碱解后，碱解溶液完全可以用以生产液体肥料，具有很高的营养价值。Arias等[6]把动物尸体碱解处理后的溶液与青贮玉米混合，并进行厌氧消化，结果发现，秸秆和动物尸体碱解液混合后，挥发性固体降解率提高了96%，这为碱解液后续处理提供了新的技术选择。

2.4 碱解处理技术应用现状

碱解处理死畜禽技术相对较新，但与深埋、焚烧等传统处理方法相比，能对染疫动物进行彻底无害化处理，具有生物安全性高和灭菌能力强等特点。该技术在国外得到一定的研究，并在欧美等发达国家得到了一定的应用，在病死动物以及屠宰废弃物的无害化处理方面展现出巨大的发展潜力。鉴于此方法对动物产品中病原体和病毒杀灭方面的效果，碱性水解更多应用于染病的动物和屠宰废弃物无害化处理。碱解技术在美国主要被用于处理感染慢性消耗病以及TSEs的死畜禽，该技术能够将废弃物重量和体积降低97%，且能够完全灭活病原微生物[20]。2002年，美国弗吉尼亚州禽流感暴发，有关部门投入12套碱解设备24 h工作来处理动物尸体[29]。欧美2003年批准将碱解法用于因TSEs致死动物的无害化处理上。Gwyther等[1]研究认为，越来越多欧盟国家将会使用碱性水解来处理病死畜禽。

目前，我国碱解技术处理病死畜禽领域处于起步阶段。王涛等[30]针对因病原微生物感染动物组织无害化处理的实际需求，研制了小型的碱解处理设备，专门用来对高级别生物安全实验过程中动物尸体进行无害化处理。上海日泰医药设备工程有限公司2017年申请了“一种病毒试验动物碱解设备”；中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所2017年申请了“一种病死动物碱解无害化处理系统与工艺”；锐菁源(成都)科技有限公司2019年申请了“用于病死畜禽及其附属加工产品的无害化碱解处理装置”。总体而言，国内关于死畜禽碱解技术的研究及应用尚处于初级阶段，有必要对碱解处理死畜禽技术开展更为深入的系统研究，为我国病死畜禽无害化处理提供更多的技术手段。

3 碱解技术存在的问题及发展趋势

3.1 碱解技术存在的主要问题

碱解技术因灭菌能力强、生物安全性高的特点已被国外应用于因某些疫情致死的动物无害化处理上，这为我国病死动物无害化处理以及一些生物安全实验室实验动物的处理提供了新的技术选择。但目前该技术仍然存在工艺不成熟、运行成本高、碱解产物处理利用技术不配套等问题。

技术工艺不成熟是碱解技术推广应用的困难之一。当前的碱解技术多注重灭菌效果方面的研究，但对于工艺关键参数，包括温度、压力、碱解时间、碱液浓度、碱液处理负荷等对动物尸体处理效果影响的研究还不够系统和深入。今后应深入开展工艺参数试验研究，优化和完善碱解温度、时间以及碱液浓度等工艺参数。

运行成本高是碱解技术规模推广应用的另一瓶颈。碱化水解的整个过程都需要在耐温、耐压材料容器内进行，设备的投资成本并不高，但设备的安装、运行、维修和保养等都需要专业人员来操作，因此设备维护和保养费相对较高。据测算，死畜禽的处理成本在2 200元·t-1左右，包括电费、化学试剂(碱)费用、废液处理费以及设备维修和维护等费用。但如果仅仅考虑日常运行费用，在最为经济的条件下，动物处理成本为240～360元·t-1[21]。虽然处理成本相对较高，但是对于某些染病动物处理而言，首要原则是完全杀病原微生物，从而彻底切断病毒的传播途径，在此特殊情况下其实是不能用经济成本来计算的；另一方面，这些费用只是短期投资。否则的话，如果因病毒传播而造成其他疫病，甚至是人畜共患病的传播，其损失可能更加巨大。因此，对于病死动物处理需要从短期成本和长期成本两个角度来考虑，不能仅仅考虑一时的投资费用。Gousterova等[1]和Kalambura等[31]研究认为，从病原微生物无害化角度来看，综合各方面因素考虑，碱解技术甚至优于其他处理方法(表1)。

表1 几种死畜禽处理方式综合比较Table 1 Summary of comparative analysis

碱解剩余的液体后续处理是碱解技术的另一潜在问题。碱解后液体的化学需氧量(chemical oxygen demand, CODcr)高达100 g·L-1，五日生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)甚至可能高达50～75 g·L-1[12]，如果对碱解液进行处理后达标排放，则需要很高的处理成本。已有研究发现，碱解后的液体可以作为无机肥料使用，但由于其pH较高，一般为11～13，因此必须进行适当处理后进行利用，但目前还缺少相配套的成熟技术。碱液液体的处理利用问题还需要进一步深入研究，从而完善整个处理系统工艺。

3.2 碱解处理技术发展趋势

近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，与此同时，不可避免地有大量病死畜禽尸体需要得到及时有效的处理。染疫动物或者死因不明的动物尸体中，很可能携带着强毒病原体，如果处理不当，存在疫病传播、威胁食品安全甚至人类健康等潜在风险。传统的焚烧、化制等方法不同程度上达不到满意的处理效果。碱水解处理技术能够实现包含朊病毒在内的病原微生物进行灭活，为病死动物尤其是染疫动物或者是死因不明动物尸体无害化处理提供了新的无害化处理方式。碱解产物完全无害，可以适当处理后作为肥料进行农田利用或者作为原料进行堆肥或厌氧发酵，实现产品的增值利用，有广阔的应用前景。

目前国内对此技术尚未给予足够重视，相关研究和应用基本处于初级阶段，因此有必要对碱解技术开展全面深入和系统的研究，以提升我国死畜禽无害化处理的水平。首先应加强碱解技术的基础研究，虽然国外已有不少关于病死畜禽碱解处理应用的案例，但关于技术工艺参数的报道不多，应进一步开展碱解温度、碱浓度等关键参数试验研究，优化技术工艺；其次应开展碱解产物的增值利用研究，开发碱解溶液生产液体肥料精简技术，探讨碱解固体产物生产高值产品的工艺方法。此外，碱解技术主要的应用对象应该是染疫动物或者是死因不明动物，因此应加强碱解技术配套设备开发研究，尤其应加强从自动化控制的角度出发，实现进料、粉碎、碱化、出料自动化控制，减少无害化处理过程中病原微生物传播的风险。

4 结语

死畜禽碱解处理技术具有生物安全、环保、资源化利用等特点，在全封闭的条件下，利用强碱杀灭各种病原微生物，能够就地从源头上彻底杀灭病毒，具有很好的应用潜力。国内外关于碱解技术的研究仍处于实验室阶段，需要从碱解技术工艺参数、碱解产物处理利用以及配套设备等方面加强研发，为我国病死畜禽，尤其是染疫或死因不明动物的无害化处理提供技术选择，切实提高畜禽养殖场生物安全水平。