全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
农业有机废弃物中挥发性成分的过程控制
陈书安 1, 2 赵兵 2
( 1中国生物技术发展中心,北京 100081;
2中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室,北京 100080 )
摘 要: 随着养殖业的发展禽畜废弃物已经成为有机废弃物的主要来源之一,并产生了很多恶臭气体, 对
环境造成了严重污染。论述了恶臭气体的发生、危害及国内外物理、化学、生化和生物法过程控制的研究进展, 并
在此基础上提出了微生物在禽畜废弃物恶臭气体控制中的问题和研究展望。
关键词: 禽畜有机废弃物 微生物 生物修复 恶臭气体 过程控制
Process ControlAdvance in the Odor of Livestock OrganicW aste
Chen Shuan
1, 2 Zhao B ing2
( 1The China national cen ter for biotechnology developmen t, B eij ing 100081;
2The state key laboratory of biochem ical engineer ing, institute of p ro cess eng ineering, Beijing 100080)
Abstrac:t As livestock husbandry has m oved to large r and intense produc tion units, it is increasing rega rded as a
m a in source o f organ ic so lid waste, wh ich are aggravating and eco log ica lly ha rm fu.l Agronom ic utilization of m anure repre-
sents a means to recyc le nutrients for p lant grow th a t low cost, and the env ironm enta lly acceptable d isposa l route lies in
turning thosew astes into o rganic fertilizers v ia com posting after de-odo r bym icroorgan ism s. The harm o f the organ ic w aste
odor form ation m echanism and the outline of phy sica ,l chem ica,l bio log ica l odo r- contro l pro cessing research w ere rev iew ed,
and som e problem s and research prospect in th is field w as proposed in this paper.
Key words: L ivesto ck org an ic w aste M icroo rganism B io rem ed iation Odo r-contro l processing
作者简介:陈书安,男,生化工程专业博士; 研究方向:生物技术在农业、医药和环境等领域中的应用
通讯作者:赵兵, Te:l 010-82627059, E-m ai:l bzhao@ hom e. ipe. ac. cn
无论在发达国家,还是在发展中国家,禽畜废弃
物已成为固体有机废弃物的主要来源,处理不当,则
对环境造成严重污染 [ 1 ~ 3]。在生态农业的背景下,
如何简便、有效、快速地将其转化为无公害的有机肥
料是现代农业亟需要解决的课题。
1 禽畜废弃物的危害及有机肥转化
在发达国家如美国农业有机固体废弃物已经成
为废弃物的主要来源。 1978年美国农业部将有机
废弃物分为七种类型 [ 2, 3] : 畜禽废弃物, 作物残留物
(副产品 ),食品生产废弃物, 工业有机废弃物, 原木
加工和木材加工废弃物, 生活垃圾, 生活污泥等,其
中畜禽废弃物占有机废弃物总产量的 21. 8%。
随着我国畜牧业的发展 [ 1, 2] , 2000年全国畜禽
粪便年产生量已达到约 17. 3亿吨, 是工业废弃物的
2. 7倍, 禽畜废弃物已成为固体有机废弃物的主要
来源,对大气、水源与土壤造成了严重污染, 危害着
人类生活和健康。同时我国畜禽废弃物蕴藏着丰富
的 N、P、K等元素, 是去除有机肥的巨大宝库, 其 N、
P、K总贮量为 0. 633亿吨,相当于 0. 493亿吨的尿
素, 1. 194亿吨过磷酸钙和 0. 338亿吨的氯化钾 [ 4]。
因此将大量的农业有机废弃物经除臭等无公害处
理,转化为生态农业亟需的有机肥具有良好的经济
和社会效益 [ 4, 5]。
2 禽畜废弃物中的恶臭气体及危害
目前世界存在的 200多万种化合物中 1 / 5具
有气味,约有一万种为重要的恶臭物质。禽畜废弃
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
物散发出的恶臭气体多达 168种 [ 6] , 臭味阈值等于
或小于 0. 001mg /m3就有 30种。
恶臭气体严重地危害着人类和家畜的健康, 如
氨气能使兔子呼吸频率减慢; 当氨气浓度为 50m l/ l
会对猪的增重产生不良影响; 20m l/ l的氨气即可引
起鸡角膜结膜炎, 并使鸡的新城疫发病率大大提
高; 50m l/ l氨气能使鸡的呼吸频率下降、产蛋减
少; 50m l/ l氨气就会使人产生流泪和鼻塞。再如,
当硫化氢在空气中的浓度达到 43% ~ 455% ( v /
v) 时, 可发生爆炸。低浓度的硫化氢, 可以引起
植物神经功能紊乱、与氧化型细胞色素氧化酶中三
价铁离子结合, 造成组织缺氧。浓度过高时, 会使
呼吸中枢麻痹, 动物窒息死亡。氨气和硫化氢还能
被空气中的氧化物氧化成氮氧化合物等, 造成水体
的富营养化和酸雨的形成, 严重地危害着植物的多
样性 [ 7]。
人们对恶臭气体的投诉日益增多, 关心人类环
境和可持续发展的人士也不断呼吁 要加强养殖场
环境保护和综合防治 [ 8 ]。发达国家在禽畜污染防
治方面的法律已相当完善,鉴于此,有必要借鉴发达
国家和地区的法律、法规, 然后根据我国的实际情况
进行有效的立法工作。发达国家最早立法的是芬
兰;立法最多的是日本,先后制定了七个有关法律。
德、英、美、前苏联、丹麦荷兰、挪威、比利时、前捷克、
新加坡等都有这方面的法律和规章 [ 9 ]。
由于禽畜废弃物散发出的恶臭气体的种种危
害,降低其释放量已经成为各国的共识和亟需研究
的课题 [ 10, 11 ]。
3 禽畜废弃物中恶臭气体的产生机理
恶臭气体产生的实质是微生物在一定的温度、
湿度、通气条件下分解有机物产生的,这一过程因在
合适的温度、湿度、通气等条件,氨气、硫化氢、甲胺、
三甲胺等恶臭物质则加速产生, 其中氨气是主要恶
臭成份 [ 12, 13 ]。.氨气的产生原因一是由于畜禽废弃
物中 C /N值较低,二是由于含氮有机化合物的分解
速度大于有机碳水化合物的分解速度。低的 C /N
值和含碳、氮有机化合物的分解速度不同步,使得有
机氮降解为 NH 4-N时,大部分 NH4-N无法被微生物
同化而逸出,这不仅产生恶臭, 又损失大量可以作为
植物营养的养分。
4 恶臭气体的过程控制的研究概况
4. 1 生化法
国外研究者把一种生长在美洲西南沙漠的丝兰
属植物的提取液添加到禽畜废弃物中,发现氮气的
释放量明显减少。早期的研究者认为丝兰属植物的
提取液可能抑制脲酶的活性 [ 14] , 尽管丝兰属植物的
提取液可以降低氨气的释放量, 但是其应用方面有
诸多限制:其除臭机理需要进一步研究;丝兰属植物
生长在美洲,有其分布的局限性及其提取液难以大
规模推广及成本高等缺点。
4. 2 物理、化学法
国内外也有用其它物理化学方法进行恶臭气体
控制如吸收法、吸附法、氧化法、掩蔽法等 [ 15, 16]。物
理、化学或生化方法具有成本高,恶臭气体控制专一
性强,牺牲部分肥力或难以大规模应用等缺点,因此
国内外很多研究学者将恶臭气体控制方法转向生物
法。生物法具有效果好、投资及运行成本低、安全性
好、无二次污染、易于管理等优点,尤其是处理低浓
度或生物可降解有机废气时, 更显示了其优越
性 [ 17]。
4. 3 生物法
最早利用微生物恶臭气体控制的报道见于
1957年的美国专利。20世纪 70年代各国在这一领
域开展广泛研究,其中日本和德国取得的成就最为
显著,其主要研究内容包括:脱臭的原理和方法、脱
臭装置及操作工艺。 80年代以来各类微生物的脱
臭装置和设备运用于冶金、石油、化工、畜牧业和污
水处理厂,并取得明显的效果。我国的微生物脱臭
研究工作起步较晚,到 80年代末、90年代初吴玉祥
等才开始这方面的试验室研究工作 [ 18]。
关于微生物法恶臭气体控制研究的报道很多,
如生物塔法、生物滤池法、生物滴滤池法、微生物细
胞固定化法等 [ 19 ~ 21] ,但这些研究对象是有机合成工
业和石油化工工业中已产生的有机废气, 而对于从
控制有机废气产生的角度来减少其污染研究很少,
针对禽畜废弃物恶臭气体控制的研究更少。国内研
究主要集中在应用混合微生物对禽畜废弃物恶臭气
体控制上,如上海农科院研制的猪乐菌能够迅速分
解某些禽畜废弃物并控制恶臭产生 [ 22] , 欧洲国家研
究工作集中在筛选产酸菌方面 [ 23] , 其目的是利用产
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2006年增刊 陈书安等:农业有机废弃物中挥发性成分的过程控制
酸菌进行发酵,降低废弃物的 pH,减少氨气的挥发。
5 过程控制中的问题及研究展望
微生物在恶臭气体控制等生物修复系统中有良
好的应用前景,但以下问题须做进一步地研究。
5. 1 气味科学的理论研究
关于气味的本质有四种假说, 振动学说、化学学
说、酶学学说和立体结构学说,如立体结构学说认为
气味之间的差别是由气味分子的构象和大小决定的,
并按气味分子的构象和电荷不同分为七种:樟脑臭、
醚臭、薄荷臭、麝香、刺激臭、腐败臭 [ 24]。无论在哪种
假说下,臭味和香味是辨证的,如吲哚在高浓度时具
有不愉快的臭粪味,而在极微量时反而有茉莉花香
味,因此气味科学的研究无论对食品香料科学的应用
还是环境污染的控制都具有重要指导性意义。
5. 2 除臭微生物的分离和筛选
为了提高恶臭生物处理效率, 需开展高效脱臭
微生物的筛选和培养研究工作 [ 25, 26]。可从菌种的
分离方法、快速检测、筛选方法及微生物恶臭气体控
制机理等方面加大对除臭微生物的科研力度。如:
为了简化分离过程和提高分离除臭微生物的效率,
采用电子鼻或人造鼻技术;设计、应用氨气和硫化氢
灵敏电极;深入研究物理的、生化的、微生物的恶臭
气体控制机理以及微生物生理生化和生态之间的关
系,为除臭微生物的定向分离与筛选打下坚实的理
论基础。
5. 3 混菌法控制与过程工艺
与单菌控制恶臭气体相比, 多株微生物的复合
处理可能具有较好的效果,但多株微生物配伍后,微
生物之间生态关系比较复杂,需要详细研究微生物
组成、配伍比例; 还要研究有没有必要用 3种乃至
10种以上微生物配伍等问题; 多菌发酵工艺复杂,
研发成本高,也不利于除臭微生物的商品化和标准
化。同时,国过程工艺发面的研究需要进一步加强。
5. 4 除臭微生物标准化和商品化
微生物要达到标准化和商品化的要求, 必须研
究菌株的鉴定、发酵工艺、设备和安全性等, 这些问
题得不到有效解决, 会限制除臭微生物的应用和商
品化。
5. 5 除臭微生物的安全性
除臭微生物对人及高等动物的安全性方面需要
有权威部门的验证,如急性毒性、慢性毒性试验、三
致试验 (致突、致畸、致癌 )等, 这是生产、推广之前,
必须要明确的问题。还要考虑对作物的致病性、对
生物多样性的影响等生态学需作进一步确定 [ 27]。
在采用混菌法时,除了考虑各个菌株还要考虑菌株
配伍后的安全性问题。
5. 6 过程控制定位
恶臭气体等环境问题可从:源、流、场、效应四个
方面进行过程控制 [ 28 ] ,但从污染的源头进行过程控
制是最好的战略方案, 如利用日粮营养调控可减少
氮和磷的排泄量、减少微量矿物元素的排泄量和降
低恶臭的排放量 [ 29]。因此除臭微生物的最佳应用
定位不是将除臭微生物直接应用于废弃物堆肥, 而
是将除臭微生物作为饲料添加剂或臭气清洁剂应用
在养殖场,既可从根源上减少恶臭气体的产生和对
环境的危害,又有利于禽畜的生长,可获得良好的经
济效益。
6 结论
针对禽畜废弃物的危害, 在气味科学研究的基
础上,加强除臭微生物分离、筛选、标准化、商品化和
安全性研究,选择合适的过程控制定位,微生物将在
恶臭气体的过程控制中发挥更大的作用。
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