微生物处理技术在畜禽粪便处理中的研究进展

微生物处理技术在畜禽粪便处理中的研究进展

随着养殖业的快速发展，畜禽粪便的排放量显著增加，这对环境和资源利用造成了一定影响。微生物处理技术通过发酵分解畜禽粪便，产生农作物所需的营养物质，不仅能够减少环境污染，还能生成肥料和能源等产品。本文综述了微生物处理技术在畜禽粪便处理中的研究进展，进一步推动微生物处理技术在畜禽粪便处理中的发展与优化，以实现环境保护和资源高效利用的目标。

近年来，畜禽粪便的排放量显著增加，主要来自猪、鸡和牛等养殖动物[1-2]。针对畜禽粪便排放量问题，采取了一系列措施，包括推广畜禽粪便堆肥化和发展沼气工程等。这些措施在一定程度上缓解了环境压力，并提升了粪便资源化利用的效果。然而随着养殖业的快速发展，仍有部分粪便未能得到有效处理，这对环境和资源利用造成了一定影响[3-4]。相关研究人员对畜禽粪便排放的影响及其处理技术进行了探讨。曾金樱等[5]分析了堆肥化技术在鹅粪便中的应用研究，发现添加微生物菌剂能够提高鹅粪堆肥效果。矫云学等[6]研究表明，畜禽粪污高浓度沼气发酵系统具有沼气产率高、冬季运行稳定、耗能低、畜禽粪污处理效果好、处理过程环保、无臭味外排、无固体和液体污染等优点。何思洋等[7]从粪便管理的政策层面，对畜禽粪便管理现状和前景进行了述评。微生物通过发酵分解畜禽在养殖过程中产生的粪便，从而产生农作物所需的营养物质，提高农作物产量，促进农业快速发展。因此，农民—牲畜—排泄物—微生物—农作物形成良性循环（图1）。本文综述了微生物处理技术在畜禽粪便处理中的研究进展，进一步推动微生物处理技术在畜禽粪便处理中的发展与优化，以实现环境保护和资源高效利用的目标。

畜禽粪便的常见处理方法

堆肥化

堆肥化是一种将畜禽粪便与其他有机物料（如秸秆和树叶）混合，通过微生物的作用将畜禽粪便转化为稳定有机肥料的处理方法。该方法不仅能有效减少粪便体积，减少病原体和臭气的释放，还能提升其肥料的营养价值。常见的堆肥化技术包括静态堆肥和翻堆堆肥。静态堆肥化能够有效减轻粪便处理中的臭味问题，并提高肥料价值[8]。翻堆堆肥化则更适用于大规模的处理设施，能加速分解过程，并确保更均匀的堆肥质量[9]。然而，堆肥化过程通常需要较长时间，可能需要几周到几个月，同时也需要一定的操作和管理技术，以确保该过程的顺利进行[10]。

厌氧消化

厌氧消化是利用厌氧微生物在无氧环境下分解畜禽粪便中的有机物，产生沼气（主要是甲烷）和液体肥料的过程。厌氧消化不仅能够有效减少粪便的体积，还能回收能源，用于发电或供热。Shi等[11]研究发现，采用厌氧消化方法处理动物粪便，消化后的肥料用于农田生产，可显著提高农作物的产量。然而，厌氧消化需要专门的设施和设备，且操作和维护成本较高，需要精确的操作管理，以确保效果[12]。

堆肥化与厌氧消化联合处理

结合堆肥化和厌氧消化方法，通过先厌氧消化后堆肥化，能够充分利用粪便中的有机物质，最大限度地减少对环境的负面影响。厌氧消化可以减少粪便的体积并回收能源，而后续的堆肥化可以进一步处理剩余物质，生成高质量的堆肥。Qi等[13]研究发现，固态厌氧消化和堆肥混合工艺，显著提高了甲烷产量、净能量，发挥了堆肥腐殖化作用，同时提高碳流量，实现了碳的有效利用。

肥料化

肥料化是指通过物理、化学或生物等方法将畜禽粪便转化成颗粒肥料或粉末肥料，用于改良土壤和促进植物生长。肥料化方法包括干燥、造粒和粉碎等，能够将粪便转化为易于运输和使用的肥料产品[14]。Pradhan等[15]研究发现，粪便污泥中含有大量的植物所需养分和有机物，经过适当消毒后可用作玉米肥料，从而提高玉米产量。肥料化处理需配备额外的设备和技术，如干燥机和造粒机，处理能耗和成本较高。

焚烧与生物炭化

焚烧处理畜禽粪便是通过高温燃烧将其转化为灰烬的过程，能够有效减少粪便的体积，消除病原体和杂质。Cempa等[16]研究发现，家禽粪便焚烧的灰烬含有大量磷和钾元素，可作为生物肥料，作用于农作物。然而，焚烧过程需要专门的高温设备，并且可能释放空气污染物[17]。生物炭化是一种将畜禽粪便在缺氧环境下进行加热的技术，生成的生物炭可用作土壤改良剂，能提升土壤肥力并锁定碳。刘玉学等[18]研究发现，温度对生物炭化技术至关重要，发酵猪粪在300 ℃条件下，水热炭化的残液用作液态肥料，其安全性较高，在资源化利用方面更具优势。然而，生物炭化也有明显局限性，比如需要专门的炭化设备，初期投资较大，而且生产过程可能需要较长的时间和特定的操作条件[19]，不利于大规模应用。

畜禽粪便处理中的微生物处理技术

畜禽粪便处理方法中的堆肥化和厌氧消化等均是利用微生物的代谢功能，将粪便中的有机物转化为更简单的化合物。该过程不仅能减少环境污染，还能生成肥料和能源等产品。微生物处理技术主要包括好氧发酵和厌氧消化两种[20]。好氧发酵是一种常见的微生物处理方法，其依赖空气中的氧气进行有机物的降解，主要通过好氧微生物（如放线菌、细菌），利用氧气将有机物氧化为二氧化碳、水和稳定的腐殖质。厌氧消化是一种在缺氧环境下进行的微生物处理方法，在厌氧环境中，厌氧微生物将有机物分解为短链脂肪酸和醇类，厌氧消化过程产生的气体主要包括甲烷和二氧化碳[21]。

微生物处理畜禽粪便的核心在于微生物的代谢作用。微生物通过其酶系统对复杂有机物进行降解，主要包括以下3个阶段。降解阶段：微生物分泌外源性酶，将大分子有机物（如纤维素、脂肪和蛋白质）分解为小分子化合物，这些小分子包括单糖、氨基酸和脂肪酸。发酵阶段：在厌氧环境下，小分子化合物进一步转化为有机酸、醇类和气体（如二氧化碳、甲烷），此过程主要由厌氧微生物进行。矿化阶段：这些有机化合物被矿化为无机物质，如二氧化碳和氨[22]。

处理畜禽粪便的微生物类型

微生物降解畜禽粪便的过程涉及的微生物主要包括好氧和厌氧微生物。

好氧微生物

在有氧环境中，好氧微生物如乳酸菌，在堆肥化过程中通过酸化环境来抑制有害微生物的生长。Odey等[23]使用发酵米粉和红糖作为培养基培养乳酸菌，并利用粪便大肠杆菌作为指示微生物，结果表明，乳酸发酵作为一种预处理技术，能够有效消毒粪便污泥，灭活病原体，并且控制气味。好氧发酵的具体过程是好氧微生物利用氧气将有机物氧化为二氧化碳、水和稳定的腐殖质[24]。好氧发酵的效果受温度、湿度和通气系统等影响，冯亮等[25]研究发现，在好氧发酵的高温阶段，最佳工艺条件为菌剂添加量20 g/kg、温度75 ℃和发酵时间12 h，这些条件能够有效优化发酵过程，达到预期效果。Tran等[26]研究表明，通过优化堆肥化条件（如改善通风条件和调整湿度），能够有效将畜禽粪便转化为高质量的有机肥料，并在农业生产中广泛应用。

厌氧微生物

厌氧微生物在缺氧环境中进行有机物的降解，如甲烷杆菌，在厌氧消化过程中将有机物转化为甲烷，通过优化厌氧消化条件，可以显著提高甲烷产量和处理效率[27]。产酸菌如丙酸菌，在厌氧条件下生成短链脂肪酸，促进厌氧消化过程[28]。厌氧发酵的效果受温度、pH等因子影响，李楠[29]研究表明，甲烷菌的生长速度相对缓慢，人工培育时菌落生长时间较长。同时，甲烷菌对环境（如温度、pH等）条件也有较高的要求，对氧气十分敏感，微量氧气也会使甲烷菌的生长代谢停止，甚至死亡，从而影响发酵效果。

微生物处理技术在畜禽粪便处理中的应用

微生物处理技术在处理畜禽粪便方面取得了一定的进展。研究者不断探索新的微生物种类，改进其处理工艺，以及优化操作条件，以提高处理效率和效果。

微生物种类的扩展与优化

许多细菌和真菌能够分泌促进有机物降解的水解酶，高效降解纤维素和脂肪等复杂有机物。例如，芽孢杆菌具有较好的纤维素酶分泌功能、耐热性和良好的环境适应性， 在好氧有机堆肥过程中表现出良好的性能[30]，该菌株在堆肥化过程中能显著提高氮的转化效率，从而提高堆肥的肥效。为提高处理效率，Li等[31]对传统的微生物处理工艺进行了多方面的改进，通过优化好氧堆肥化的翻堆频率和通气方式，缩短了30%的处理时间，堆肥质量显著提高。将不同微生物处理技术结合使用已成为研究的新趋势。通过将好氧堆肥化与厌氧消化相结合，可以更有效地利用资源，并提升处理效果。这种联合方法将处理过程分为多个阶段，能够更全面地降解畜禽粪便。Falcinelli等[32]结合好氧堆肥化和厌氧消化来处理猪粪，首先采用好氧堆肥化进行初步处理，然后使用厌氧消化做进一步处理，结果显示，这种联合处理比单独使用任何一种技术更能有效减少粪便量和降低处理成本。

微生物组的研究与新型发酵剂的开发

近年来，微生物组研究取得了显著进展，通过对处理系统中微生物群落的深入分析，研究人员能够更好地理解不同微生物之间的相互作用及其对处理效率的影响。优化微生物组可以显著提升处理效果，并减少副作用，Liang等[33]利用高通量测序技术，分析了堆肥化过程中的微生物组，发现特定的变形菌门菌群在有机物分解中发挥了关键作用。基于这些发现，通过优化堆肥条件，显著提高了处理效率。

在畜禽粪便处理领域，新型发酵剂的应用显著提升了处理效率和肥料质量。这些发酵剂通常由专门培养的微生物群体组成，包括乳酸菌、酵母菌和放线菌，其能加速分解粪便中的有机物。与传统处理方法相比，这些新型发酵剂能将处理时间从数月缩短至数周，从而显著提高发酵效率。此外，这些发酵剂还能改善处理后的肥料质量，通过分解氨气和硫化氢，减少臭味，并抑制有害微生物的生长，提升肥料的卫生安全性；还能有效提高肥料中的氮、磷和钾等关键营养成分含量，从而增强肥料的应用效果[34]。

结语

综上，本文介绍了畜禽粪便的常见处理方法，畜禽粪便处理中涉及的微生物处理技术，探讨了微生物处理技术在畜禽粪便处理中的应用。表明微生物处理技术在畜禽粪便处理中展现出一定的优势和广阔的前景。随着该技术的不断进步，新型微生物的开发、处理工艺的优化以及微生物组研究的深入，为粪便处理提供了更多可能性。未来的研究还需进一步探索更广泛的微生物种类和更高效的处理工艺。同时，加强政策支持，有助于技术的推广应用。微生物处理技术对推动农业可持续发展和环境保护具有重要意义，需要各方共同努力，以实现更加高效和环保的畜禽粪便管理。