畜禽规模化养殖场臭气减排调控技术研究进展

唐延天，邓 盾，李贞明，余 苗，陈卫东，马现永

（1.广东省农业科学院动物科学研究所/畜禽育种国家重点实验室/农业部华南动物营养与饲料重点实验室/广东省畜禽育种与营养研究重点实验室/广东畜禽肉品质量安全控制与评定工程技术研究中心，广东 广州 510640；2.江西农业大学生物科学与工程学院，江西 南昌 330045）

随着经济发展水平和人民生活质量的不断提高，畜禽产品的需求不断增大。为了满足消费者对肉产品和奶制品日益增长的需要，我国畜牧业迅速发展，畜禽养殖业逐渐从传统的散养方式向规模化、集约化方式转变。畜禽规模化养殖在农业经济发展中显得尤为重要，为农业经济的发展增添了新的活力。近年来，规模化、集约化养殖场发展迅速，其中规模化养猪场发展最为迅速［1］。随着养殖场规模的发展，饲养密度也随之扩大，畜禽养殖废弃物造成的环境污染越来越严重，不仅对畜禽的生长产生不同程度的影响，同时规模化养殖场产生的恶臭污染还会影响周边的土地、水源和空气，污染人们的生存环境。2015年我国规模化养殖场粪污年产量约38亿t［2-3］。畜禽养殖所带来的污染已成为农业污染的主要来源之一，其中最主要的环境污染之一是养殖场产生的恶臭气体［4］。畜禽养殖场恶臭气体排放主要来源于畜禽舍、粪污贮藏场所、堆肥间、污水池和饲料间等［5］。恶臭气体不仅对周边居民身体健康产生影响，且极易引起纠纷。欧洲国家对畜禽舍和粪污处理场所投诉较多［6］。我国关于恶臭的投诉更多涉及施粪过程、畜禽舍和粪污贮藏、处理场所［7-8］。此外，畜禽养殖场散发的恶臭气体污染还严重制约了畜禽养殖业的可持续发展［9-10］。因此，加强畜禽养殖场恶臭污染的控制处理显得尤为重要，不仅有利于畜禽的规模化生产，提高经济效益，而且有利于实现畜牧业快速发展与环境污染治理相结合，优化畜牧业结构，提高资源利用率，实现畜牧业的可持续发展。本文从畜禽规模化养殖场臭气的来源、主要成分、危害和臭气消减控制技术等方面进行综述。

1 畜禽规模化养殖场恶臭气体的主要成分与危害

1.1 主要成分

畜禽粪便产生的恶臭成分复杂，来源于多种臭味化合物，可分为挥发性含硫化合物、氨和挥发性胺类、吲哚类和酚类以及挥发性脂肪酸类等化合物。其中挥发性含硫化合物包括硫化氢、硫醚类和硫醇类等，氨和挥发性胺类包括氨气、腐氨、尸氨、甲胺和乙胺等，吲哚类和酚类主要由微生物对苯丙氨酸和酪氨酸的分解产生，挥发性脂肪酸类包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸等［4］。

畜禽养殖场恶臭主要是由微生物分解产生，畜禽粪便中富含大量微生物，养殖场产生的废弃物为微生物提供了生长所需的营养成分，有利于微生物的快速繁殖。畜禽粪便在肠道中已开始腐败，新鲜粪便也有臭味，排泄物因尿液的混入量、温度、空气的通风量以及时间等因素所产生的恶臭味道越来越强。畜禽粪尿是畜禽养殖场恶臭物质最主要的来源［11］。在猪养殖过程中，饲料中未完全消化或充分利用的营养物质，可随尿液和粪便排出，并在粪肥储存装置中积累，在粪肥贮存过程中，饲料中蛋白质和碳水化合物在微生物的作用下发酵，形成挥发性脂肪酸、氨、硫化氢、酚和吲哚等［12］，这些发酵产物在很大程度上造成了养殖场的恶臭。Miller等［13］在新鲜猪粪的浆液中添加淀粉、酪蛋白和纤维素，并测定发酵产物的厌氧积累和底物的消耗，结果表明挥发性脂肪酸和醇类是主要发酵产物。Sang等［14］研究发现，牛粪臭气成分比猪粪少，挥发性脂肪酸中以乙酸、丁酸和戊酸为主。O’neill等［15］研究认为，鸡粪中氨气和二甲基二硫的含量较高。

1.2 主要危害

1.2.1 对机体健康的影响 畜禽舍内产生的有害气体能够影响动物的呼吸道黏膜，长时间吸入有害气体还会对呼吸道纤毛造成损伤，一旦动物的呼吸道免疫屏障被破环，就容易产生炎症，导致呼吸道疾病的发生。当畜禽舍内臭气浓度升高，氨气等有害气体会刺激动物的眼结膜，导致泪液分泌过多，眼屎和泪斑明显增多，容易伤害动物的眼结膜。此外，粪污发酵也要消耗一部分氧气，从未导致畜禽舍内氧气含量降低［16］。Farnworth等［17］研究发现，舍内空气中NH3浓度达到50 mg/L时，仔猪增重减少12%；NH3浓度达到100 mg/L时，仔猪增重下降到30%。畜禽养殖过程的恶臭味气体散发到空气中，也会影响人的呼吸道，降低黏膜免疫功能，导致呼吸系统无法维持正常的生理功能［18］。畜禽粪便中含有的很多致病菌是人畜共患病源，人类中很多疾病的传播源头来源于此，如果没有及时有效处理，有可能造成广泛感染，给周边的人群带来潜在威胁，影响人类的健康［19］。

1.2.2 对环境的危害 畜禽规模化养殖场含有多种臭味化合物，这些物质严重影响周边的大气环境。畜禽粪便中产生的硫化氢、甲基胺、氨气等恶臭气体直接散发到空气中，不仅直接影响养殖场畜禽和养殖工人呼吸系统的正常生理功能，还会对周边居民的身体健康产生威胁。未经有效处理的粪便含有的氨气和硫化氢等进入空气中，使得大气氮含量增加，这也是酸雨形成的重要原因，而酸雨会对水体、土壤、森林和建筑等带来严重危害，不仅破坏地球生态环境，还会造成社会经济损失，更危及人类的生存和发展［20］。据统计，全球农业方面最大的温室气体来源于畜牧业。畜禽养殖过程中尤其牛产生的废气如甲烷、二氧化碳等都是温室效应的主要因素［21］。

2 畜禽规模化养殖场臭气减排控制技术

鉴于臭气对机体和环境的危害，发达国家基本都已制订了养殖场恶臭气体排放标准，我国相关恶臭气体排放标准也在制订中。恶臭控制技术原理是改变物质的形态和结构，或者通过减弱恶臭气体的强度，进而达到去除或减弱恶臭的目的。养殖场恶臭控制技术多样，主要分为异位控制和原位控制方式，采用的技术主要有物理除臭、化学除臭、生物除臭或者多种方法综合应用［22］。

2.1 恶臭异位控制技术

恶臭异位控制技术是通过物理、化学、生物等方法对已释放的恶臭物质进行脱除，从而达到控制恶臭的目的。

2.1.1 物理除臭技术 物理型除臭剂是利用除臭剂的物理性质，在不改变畜禽养殖场内恶臭气体的化学性质，只改变其浓度或者相对浓度，通过固、液、气三相之间的转化消除恶臭气味，此法没有从根本上消除恶臭物质，只是降低了嗅觉对臭味的感知程度。物理除臭剂具有操作简单、方便快捷以及见效快的优点，比较适合处理小范围内的恶臭，但其费用较高，存在二次污染的问题，因此其应用推广受到一定程度的限制。吸附法、掩蔽法、稀释法、冷凝法和吸收法等是常用的物理法［23-24］。

2.1.2 化学除臭技术 化学除臭方法包括燃烧法、催化燃烧法、酸碱吸收法、光催化氧化法和化学洗涤法等。通过添加化学试剂与恶臭物质发生化学反应，改变其化学结构，使恶臭物质转化为臭味较低或无臭味的物质。化学除臭剂包括过氧化钙、氯化钙、磷酸氢钙、过氧化氢、氯化亚铁和亚硝酸盐等。利用化学方法除臭效率高，能够将恶臭物质彻底氧化分解，但是成本较高，持续时间短，有可能产生有毒有害的副产物。因此该法主要应用于工业除臭［25］。

2.1.3 生物除臭技术 生物除臭技术的原理是通过添加外源功能菌种或生物酶，对恶臭物质直接降解或对产恶臭微生物进行抑制以脱除恶臭。生物除臭法在20世纪50年代开始发展［26］，比物理法和化学法所需的设备简单，投资少，处理效率更有效，并且没有二次污染，因此目前已成为畜禽养殖场治理恶臭的主要处理方法［27］。生物除臭法按处理方式分为生物过滤法、生物洗涤法、生物滴滤法等。生物过滤法主要用于恶臭和挥发性有机物的处理，是一种相对较新的污染控制技术，通过附着在滤料介质中的微生物利用恶臭物质中的有机物，把恶臭和挥发性有机物等降解为二氧化碳、水和无机盐，同时形成新的微生物的过程［28］。生物洗涤法由喷淋系统、吸收系统和反应器系统组成，在循环过程中，反应器培养微生物，吸收系统填充垫料，然后通过喷淋系统产生的循环液与系统内的臭气进行逆向接触反应，臭气被反应器内或吸收系统填料上的微生物吸附分解，从而达到吸收恶臭的目的［29］。生物滴滤法是介于生物过滤法和生物洗涤法之间的除臭方法。生物滴滤池中的微生物生长条件易调节，适合微生物长期生存，能够承受较大的污染负荷。当畜禽粪便产生的臭气进入生物滴滤池中，气体中的恶臭物质被循环液和附着在填料上的微生物吸附、吸收，从而达到净化气体的目的［30］。

2.2 恶臭原位控制技术

恶臭原位控制技术主要采用体内调控剂和体外除臭剂来实现除臭目的。体内调控剂方式是通过一般性日粮配合、加工及饲喂技术进行调控，以饲料添加剂的形式，改变饲料本身来提高饲料中的营养成分，从而改变畜禽粪尿的理化性质，减少臭气排放，是一种经济有效的方法。体外除臭剂方式是通过在畜禽粪便中添加吸附性材料、喷洒化学和微生物制剂等控制恶臭。

2.2.1 体内调控剂 （1）物理调控剂：常见的物理调控剂有活性炭、沸石粉、某些金属氧化物和大孔高分子材料等。这些调控剂具有吸附性，能够利用分子间的范德华力吸附畜禽舍的恶臭成分，降低恶臭浓度，从而达到除臭目的。活性炭具有发达的孔隙结构，因其来源广、价格低、吸附容量大等特点，对非极性分子和直径较大的恶臭成分吸附力很强，因此广泛应用于环境领域［31］。沸石总表面积大，具有很多细微、排列整齐的晶穴和通道，能吸附氨气和硫化氢等单分子及水分子，具有三维硅氧四面体格架结构［32］。活性炭和沸石都具有多孔结构，静态和动态吸附中沸石对氨氮的吸附能力都高于活性炭，并且经过4 d生物再生后吸附性能均获得一定程度的恢复［33］。张建军［34］研究发现，在规模化肉鸡养殖中，日粮中添加2%复合吸附剂（茶渣∶活性炭 1∶5）能够显著降低肉鸡舍的氨气含量，有利于提高肉鸡的生产性能，是一种经济有效的技术。沸石作为饲料添加剂，能促进动物饲料摄入、体重增长，提高饲料转化率和营养物质利用率，并在动物消化系统中促进有机物和细胞蛋白结合的同化作用，减少氮排放［35］。

（2）生物调控剂：常见的生物调控剂有植物提取物、饲料酸化剂、微生态制剂和饲料酶制剂等。

植物提取物具有多种营养成分和生物活性物质，如糖类、苷类、生物碱、有机酸、挥发油类等，在饲料饲养中能提高动物的营养转化率，改变动物肠道的微生物及其发酵过程，降低恶臭气体的排放，改善肠道环境，刺激动物生长发育，提高畜禽免疫力，提高生产性能，应用前景广阔［36］。赵润生等［37］研究表明，在日粮中添加植物源性调控剂有利于提高动物的平均日增重，降低料重比，提升动物的生产性能。在日粮中添加中草药制剂，能够降低猪的背膘厚度，改善屠宰性能和酮体性状。在饲料中添加中草药复合添加剂，影响猪肉中肌苷酸、谷氨酸和亚油酸含量，能够改善肌肉风味，提高肉品质。但自然植物的活性成分含量低，生长分散，不利于采集。人工种植技术研发投入力度和种植规模都较小，生产和应用成本较高，是制约植物调控剂开发应用的重要因素。

饲料酸化剂能够降低饲料在消化道中的pH值，改善消化道中酸碱环境，减少氨气的释放，为动物肠道提供适宜的消化吸收环境，提高蛋白质的消化率，减少肠道和排泄物中的恶臭气体，在国内外已得到广泛应用，具有无污染、无残留、吸收快等特点，是一种重要的环保型添加剂。有机酸基本上为纯天然食品，而且腐蚀性小，具有良好的适口性和安全性，例如柠檬酸、延胡索酸等。工业中利用黑曲霉发酵生产柠檬酸，柠檬酸能够参加动物体内各种代谢活动，保证机体的正常运作。延胡索酸作为饲料添加剂时，有利于缓解动物的情绪，增强抗应激［38］。无机酸化剂有盐酸、硫酸、磷酸等，无机酸成本低，可以提高经济效益，但强酸酸化剂有刺激性气味，无法保证饲料具有良好的适口性，相关研究还有待进一步开展。复合酸化剂由机酸和无机酸合成，pH值不容易改变。复合酸化剂能为肠道创造有利环境，抑制大肠杆菌繁殖，从而促进有益菌生长。饲料酸化剂发展的方向是优化复合酸化剂，酸化剂有利于提高日粮的酸度值和酶的活性，降低胃肠道碱性离子数量，维持肠道微生态平衡。有利于增强抗应激和免疫功能，参与体内代谢，促进营养成分吸收［39］。

微生态制剂也叫活菌制剂或生菌剂，目前在饲料中广泛应用的有乳酸菌类、杆菌类、酵母菌、光合细菌、复合菌类等。微生态制剂是一种遵循生态环境自然循环法则的无公害制剂，是饲料添加剂行业的一种发展趋势［40］。在畜禽生产中，微生态制剂中有益菌群和致病菌群进行竞争，能够有效抑制动物体内的病菌，促进机体的新陈代谢，减少臭气的排放量。微生态制剂中的有益菌群尤其是乳酸杆菌，能促进免疫器官的发育，增加免疫细胞的数量，形成一层保护膜，阻碍致病菌侵入，从而提高动物的免疫能力，能够起到预防疾病的作用，促进动物健康生长［41］。

饲料酶制剂是能有效改善动物体内代谢效能和动物对饲料消化率的酶类物质。主要作用是补充畜禽消化道内源酶不足，提高内源酶活性；减少或消除饲料中的抗营养因子，促进营养物质的消化吸收，改善肠道微生物菌群，从而减少臭气排放。酶制剂在养殖中能够提高饲料氮、磷的利用率，减少畜禽粪便的排放量，并且粪尿中氮、磷含量也会下降，从而降低了畜禽养殖场内恶臭气体的浓度［42-43］。

2.2.2 体外除臭剂 （1）物理除臭剂：利用活性炭、沸石粉、膨润土、凹凸棒石、麦饭石等物理除臭剂，通过物理性吸附芳香族类化合物，通过氧化作用除去挥发性臭气物质，或者按比例混合几种有香味的气体，利用天然芳香油、香料等物质掩蔽难以去除的臭味［44］。

（2）化学除臭剂：利用过氧化钙、氧化钙、磷酸氢钙、过氧化氢、氯化亚铁和亚硝酸盐等试剂，将化学试剂均匀地撒在地面或粪污上，通过化学反应将臭味物质转化为无臭物质。畜禽养殖场臭气化合物的分子大多含有氮、硫、氧等原子，有不饱和键和化学活性，容易进行氧化、还原、中和、缩合、加成、络合等化学反应。氧化反应除臭采用臭氧、过氧化物、过氧化氢、卤化物、过硫酸化合物和金属过氧化物以及醌类等；缩合反应除臭主要通过醛、酮类物质进行除臭，但是容易产生刺激性和毒性。加成反应除臭采用环氧化合物、不饱和化合物、氨基氰等。在处理畜禽养殖场恶臭时，复合成分的除臭剂比单一成分的除臭剂效果更好，应用更为广泛［45］。

（3）生物除臭剂：主要通过接种微生物菌剂，利用微生物或微生物产生的酶来降解畜禽养殖场的臭气化合物，常用的微生物菌剂有植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌等。光合菌可以分解粪臭素，固氮菌可以减少氮气排放［46］，一些放线菌和霉菌也具有除臭效果［47］，丛枝菌根真菌也能够改善畜禽养殖场环境。在大肠中芽孢杆菌产生的酶可以将吲哚类化合物氧化成无毒无臭、无污染的物质［48］。Siragusa［49］研究发现，牛粪和蚯蚓粪还能降低猪排泄物中粪臭素的浓度。目前，在畜禽生产上复合菌剂使用较多，利用有益微生物之间的共生共存作用来分解转化粪便中的有机物质进行除臭。叶芬霞等［50］利用热带假丝酵母、巨大芽孢杆菌和灰色链霉菌3种菌种制成的复合菌剂对畜禽粪便中的氨气和硫化氢去除率分别达到80%和65%以上，除臭效果较好。Choi等［51］利用芽孢杆菌、酵母菌、放线菌等益生菌制成的复合菌剂能减少二氧化碳和甲烷的排放。

3 问题与展望

目前，我国畜禽规模化养殖场的臭气减排调控技术主要有物理法、化学法和生物法。物理除臭技术和化学除臭技术操作简单，除臭效率较高，但存在治理成本高，容易给养殖场造成二次污染的问题。而近年生物除臭技术迅速发展，成为除臭技术的重点方法。生物除臭法在植物提取物、饲料酸化剂、微生态制剂和饲料酶制剂方面均有报道，而且所需材料较物理和化学除臭技术简单，成本较低且没有二次污染，已成为畜禽养殖场除臭的主要方式。

微生物除臭技术在畜禽生产中优势明显，对环境适应能力强，应用范围广，并且除臭效果持久，益生菌或益生菌产生的酶能够降低粪便中氨和吲哚等恶臭物质的含量，在畜禽舍内的垫料上喷洒进行充分发酵，微生物可以大大降解粪便中产生的氨氮、硫化氢等有害物质，消除养殖场内的臭味。除臭发酵液能有效抑制有害致病菌的繁殖，减少蚊蝇滋生，提高畜禽免疫功能，促进动物健康生长。这不仅在养殖场的恶臭治理方面具有独特优势，还在大气污染治理、土壤污染治理、水污染治理等多个领域应用。但是该技术在益生菌、有益微生物间及土著微生物间的具体关系、作用机制、代谢产物等方面还有待进一步探究，在利用多种有益微生物进行除臭时，筛选和培养出高效的对恶臭物质具有除臭效果的微生物也需要进一步明确。此外，优化复合菌剂的菌株组合方式以及对复合菌剂的安全性还需要进一步验证。

畜禽规模化养殖是畜牧业发展的重要支撑，随着养殖场规模不断扩大，畜禽粪污的排放量不断增加。为了促进我国畜禽规模化养殖场的可持续发展，恶臭问题不能单靠某一种除臭技术。虽然生物除臭法有许多优点，但是对某些高浓度恶臭物质的处理有一定局限性，只有综合利用多种除臭技术才能取得较好的效果。通过科学合理的方法降低粪污中的有害成分，提高饲养管理水平，积极开发新型高效粪便处理技术，将是今后规模化养殖场臭气减排调控研究和发展的重要方向。