畜禽粪污主要污染物处理技术研究进展

付 强，王敬茹，宋海燕，付石军*

（1.山东省滨州畜牧兽医研究院，山东 滨州 256600；2.山东省滨城区农业农村综合服务中心，山东 滨州；3.山东省滨州市畜牧兽医管理服务中心，山东 滨州）

近年来，我国畜牧行业总体稳步和高质量发展，在保供给、保安全、惠民生、促稳定方面的作用日益突出，同时也导致养殖废弃物的产生量日益增加。据农业部统计分析，截至2020年末，中国畜禽粪污年产量达40 亿t 左右[1]，当前我国的畜禽养殖业发展仍存在一些短板，比如各地畜禽粪污资源化利用执行标准不一、养殖业与种植业脱节、环境监管不到位等问题，有大量畜禽粪污不能及时利用，对周边环境造成了巨大威胁。如何解决畜禽粪污带来的污染问题，成为当前国家对农村社会经济发展所关注的重点任务。

1 恶臭气体处理

恶臭气体的产生是微生物分解畜禽粪便中的碳水化合物、蛋白质和其他成分的结果，氨气（NH3）、硫化氢（H2S）和挥发性有机化合物（VOCs）是畜牧业生产排放的主要气味物质，长期接触会降低动物的生产性能。VOCs 中的一些物质，如苯、乙醛等，也具有致癌性和危害性，可通过呼吸道、皮肤等途径直接进入动物体内，严重损害肝脏和神经系统，对喉咙和眼睛造成刺激，上述大气污染物的排放，不仅会造成堆肥肥料营养元素的丢失，还对环境产生严重污染，一定程度上阻碍了堆肥技术的推广应用。

畜禽粪便污染物的产生，归根到底在于动物对饲料的不完全利用，在不影响生产性能的前提下，通过改进饲料配方，提高动物对各类营养的利用率，可有效降低营养物质的排放。此处主要介绍恶臭气体末端治理的三种方法：物理、化学和生物方法。

1.1 物理除臭

物理除臭技术是采用向粪便或舍内投（铺）放吸附剂或除臭物质以减少臭气的散发。吸附剂宜采用沸石、锯末、膨润土以及秸秆、泥炭等含纤维素和木质素较多的材料。除臭物质有沸石、硫酸钙、氯化钙和苯甲酸钙。沸石是天然的除臭剂，猪粪堆肥中添加 15%沸石，NH3减排94%[2]。

1.2 化学除臭

畜禽粪便的化学除臭技术主要是利用化学物质与畜禽粪便中的有机物进行化学反应，主要包括吸收法和燃烧法。吸收法为将排放的气体污染物溶解到液体中，通常加入氧化剂（过氧化氢、次氯酸钠、臭氧）和适当催化剂（如二价铁离子）来提高吸收效率，反应后，有机化合物氧化成二氧化碳，硫化氢氧化成元素硫，硫醇、硫化物氧化成磺酸或砜类。吸收法是去除NH3和H2S的有效解决方案，对氨的减排效率最高达到100%[3]。但去除VOCs（包括挥发性脂肪酸、硫醇）要困难得多。在许多情况下，化学吸收被用作以高浓度气味为特征的排放气体的预处理方法。有研究显示从植物中提取的多酚类物质能够和多种臭味化合物结合形成新的无臭化合物[4-5]，为开发植物型除臭剂提供理论依据。燃烧法通常可分为热燃烧和催化燃烧，存在不完全燃烧、排放有毒化合物和耗能大的缺点，不太推荐。此外采用高能光电除臭设备使恶臭气体转化为低分子化合物、水和CO2等，能够降低畜禽舍中有害气体NH3 含量，提高空气质量[6]。

1.3 生物除臭

生物除臭是利用某些微生物的代谢活性，使臭味有机化合物自然分解成无味无害的最终产物，达到气体净化的方法。相对于物理、化学方法具有经济高效、管理简单、二次污染小的显著优势。近几十年来发展了3 种用于臭气生物净化的技术：生物滤池（Biofilter）、生物洗涤塔（Bioscrubber）和生物滴滤池（Biotrickling filter）[7]，国内以生物滤池为主[8]。

生物滤池为很早使用的方法，可用于去除堆肥过程中产生的臭气。其特点是不使用流动液相，由碎石或塑料制品填料构成的生物处理构筑物，污水与填料表面上生长的微生物膜间隙接触，使污水得到净化。其优点在于成本低，但难以控制反应条件（温湿度和pH 等），占地面积大，处理高浓度污染物时效率低且颗粒物易导致堵床。

生物滴滤池，相对于生物滤池主要区别在于多了流动液相，臭气从底部进入填料床，转为水相后被微生物降解，处理后的气体从上排放，其优点在于反应条件易于控制，具有去除酸性气体的能力，整个过程在一个罐中进行，节省了大量的空间和总成本[9]。

生物洗涤塔与生物滴滤池的区别在于微生物是悬浮生长的，可进行有效的生物学参数控制，能处理大量高浓度臭气，可以根据去除污染物的不同灵活选择微生物，其优点在于不易堵塞、抗负荷冲击能力强，但运行成本较高[9]。

2 抗生素污染处理

近几十年来，兽用抗生素（VAs）污染一直被认为是一个全球性的环境和健康问题。抗生素的过度使用和滥用导致了多重耐药细菌的上升和传播。动物粪便被认为是抗生素抗性基因（ARGs）和携带它们的可移动遗传元件（MGE）的主要宿主之一。

由于施用粪肥作为土壤改良剂，容易造成抗生素耐药性的传播，Shawver 等[10]经过调查分析发现添加含有抗生素残留的粪肥可导致含抗性基因的细菌比例明显提高。各种研究表明，厌氧消化可以降低抗生素耐药性传播的风险，据报道厌氧消化可去除73%的VAs，而粪肥堆肥和人工湿地可去除84.7%和90%的VAs[11]，ARGs 和MGE的平均水平分别显著降低了53%和74%[12]。然而，也有相反的报道，Ren 等[13]将林可霉素菌渣和炉渣一起堆肥后，99%的林可霉素被降解，但ARGs 丰度提高了180 倍，MGE 也有所增加。由于目前还没有单一的堆肥方式可以完全去除VAs、ARGs 和MGE[14]，对此Yang 等[15]提出了堆肥前“高温+氧化剂预处理”和堆肥后“热处理”的综合处理方案，最终产物中泰乐菌素浓度低于检测限（＜1 mg/kg），ARGs 也被完全破坏。目前，许多国家限制使用抗生素作为生长促进剂，鼓励开发抗生素替代品。在食品动物生产中，酸化剂、噬菌体、酶、植物化学物质、益生菌、益生元和抗菌肽作为抗生素的替代品已成为研究热点。

3 病原菌污染

畜禽粪便中还存在着大量的病原微生物：植物病原菌大多为真菌，如灰梨孢菌（引起水稻稻瘟病）[16]和尖孢镰孢黄瓜专化型（引起黄瓜枯萎病）等，少数为细菌，主要有青枯菌[17]等；主要的人畜共患病原菌有：大肠杆菌、沙门氏菌、金黄葡萄球菌、猪链球菌和志贺氏菌等，这些病原菌会给农业生产、人类健康带来巨大威胁。

堆肥过程中产生的高温可以杀死粪便中的病菌、虫卵和杂草种子，达到无害化的目的，其无害化处理与堆肥过程中温度、水分和接种剂等有关[18]。研究发现当堆肥温度达到50～65 ℃ 时，只要5～6 d 即可将虫卵、寄生虫、病原菌和孢子等杀灭[19]。堆肥发酵反应速度的快慢受水分的影响，一般堆肥的起始含水量以50%～60%为适宜，堆肥水分含量过低，不利于杀死病原菌，会影响堆肥过程中有害生物的无害化处理。

另外，蚯蚓、黑水虻堆肥也是实现病原菌无害化处理的一条有效途径。研究表明特定的蚯蚓种类堆肥后粪大肠菌群灭活率达到100%[20]。用黑水虻处理含有大肠杆菌O157:H7（EC）、鼠伤寒沙门氏菌（ST）和金黄色葡萄球菌（SA）的厨余垃圾过程中，EC 在4～6 d 内被灭活，ST 在3～4 d 内被灭活，SA 在6 d 内减少99.99%，且EC、ST 和SA 在黑水虻体内无残留[21]。种养结合方式为循环生态农业提供一种新的发展模式。

4 重金属残留污染处理

高铜高锌日粮对动物，尤其是猪具有显著的促生长和防腹泻等效果，由于畜禽对重金属元素的利用率很低，只有很小部分被吸收，所以绝大部分的重金属随着畜禽粪便排出体外，对生态环境造成潜在的污染。据2017年数据，国内畜禽粪便Zn 和Cu 的浓度以及Zn、Cu、Cd 和As 的超标频率远高于其他重金属，猪粪中重金属含量明显高于鸡粪、鸭粪。山东、天津、河南和上海的粪便和重金属载量较高[22]。因此，生态营养饲料中不提倡添加高铜和高锌，减少饲料中锌和铜的添加是降低其对农业土壤危害的有效措施。

目前主要是通过一些合适的措施和手段将污泥中的有害重金属元素去除或者最大限度降低其浓度，如化学、电化学、微生物、植物修复等方法。针对已经产生的畜禽粪便，通过堆肥和沼气发酵，可以促进重金属钝化，但不会降低重金属总量，其原理是通过调节重金属在不同形态下进行转化，即由生物可利用形态向稳定形态转化，达到生物有效性降低的目的。

通过好氧堆肥有效降低铅的活性，钝化率达21.09%～42.71%[23]。但是仅依靠堆肥降低重金属的生物有效性是有限的，当重金属浓度过高时，堆肥效果不明显。研究显示，添加剂的使用能有效提高重金属的钝化效果，Awasthi 等[24]的研究表明生物炭可有效降低污泥堆肥中重金属Cu、Zn、Pb 和Ni 的生物有效性。其他添加剂包括石灰、沸石、麦饭石、SiO2纳米颗粒[25]和磷岩均被用于堆肥以促进重金属的可移动部分转化为稳定部分。重金属的钝化作用在一定程度上可以减轻重金属危害，但添加钝化剂又会造成二次添加剂污染，且不能从根本上降低重金属含量，对人类健康和环境仍存在潜在风险。

淋洗法是有效分离去除畜禽粪便中重金属的一个途径，采用较多的是化学淋洗和生物淋洗。化学淋洗使畜禽粪便中的重金属由不可溶的化合物向可溶的离子态或络合离子态转化，去除机理主要为酸化、离子交换、溶解、表面活性剂和络合剂等作用，常用的试剂包括盐酸、硫酸、硝酸和一些有机络合剂，如EDTA、柠檬酸等。化学淋洗法对有机肥中的重金属去除率很高，但淋洗过程和中和过程要消耗大量的化学试剂，成本较高。相比其他方法，生物淋洗法运行成本低、营养元素流失少、实用性强，是一种经济有效并具有发展潜力的重金属处理方法。生物淋洗法起源于微生物湿法冶金，是通过微生物的新陈代谢来溶解重金属，以氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌为主，目前已应用于处理畜禽粪污中的重金属。生物淋洗受温度、pH、营养物质浓度、底物种类和浓度、抑制因子等条件因素的影响。Zhou 等[26]研究发现，嗜酸性硫杆菌对猪粪中Cu 和Zn 的去除率分别为87.3%和91.9%。周佳兴等[27]研究多批次生物沥浸对猪粪重金属脱除及养分和脱水性的影响，结果显示，当氧化亚铁硫杆菌菌液与原始猪粪体积比为1:1 时，生物沥浸进程缓慢，而将猪粪离心3 次并用去离子水稀释到与原始猪粪相同含固率时，猪粪生物淋洗进程明显加速，Cu、Zn 与Mn 的脱除率可分别达到100%、97.3%与96.2%。当前更多研究结合高效有机肥研制要求，考虑将化学淋洗与微生物淋洗相结合高效去除粪便中重金属。

5 展望

综上所述，对于畜禽粪污的有效治理不能仅限于单一模式，需要结合多种处理方法。为了实现“减量化、无害化、生态化、资源化”原则。首先从预防入手，研制低蛋白低磷日粮，投喂发酵型饲料提高消化吸收率，以降低污染物的排放量；饲料企业应提倡使用有机微量元素、合理使用抗生素及发展抗生素替代技术。其次养殖企业要在政策支持和市场引导下，发展种养结合、就地就近的“绿色畜牧生产”模式。最后，正如国务院在《关于做好2023年全面推进乡村振兴重点工作的意见》中强调，加快推进畜禽粪污等农业废弃物收集利用处理体系。更需要多方配合，多途径、多举措来谋求解决畜牧业发展带来的环境污染问题，促进农业可持续发展。