病死畜禽无害化处理的研究进展

蒲俊华,李尚民,赵华轩,窦新红,王洪志

(江苏省家禽科学研究所,江苏扬州 225125)

随着国内畜牧业的快速发展,病死畜禽的无害化处理日益凸显其重要性。2022年5月11日农业农村部3号令《病死畜禽和病害畜禽产品无害化处理管理办法》发布,并自2022年7月1日起正式实施,表明病死畜禽无害化处理制度和机制进一步完善,为畜牧业的高质量发展提供保障。目前国内病死畜禽的无害化处理经过近几十年的发展,取得长足进步,病死畜禽的无害化处理技术不断发展、处理水平和规模日渐提升。病死畜禽无害化处理涉及法律、技术及资源化利用等多方面的因素,在目前的发展中也存在着一些问题,该研究对此进行论述和分析,以期为推进病死畜禽无害化处理工作提供参考意见。

1 病死畜禽的产生状况

近年来,我国畜禽养殖业发展迅速,2022年全国生猪、肉牛、羊和家禽出栏量分别为6.99亿头、4 840万头、3.36亿只和161.4亿只,分别较上年增长4.3%、2.8%、1.8%和2.5%[1],畜禽养殖业的快速发展为保障和提升国民生活水平提供了坚实基础。然而畜禽在养殖过程中,受疾病、营养、环境、管理等多方面因素的影响,畜禽的死亡不可避免。据统计,70%～80%猪场的猪死亡率在0%～15%,疾病引起的生猪死亡率在8%～10%,而养殖家禽的死亡率在12%～20%[2-3]。当遭遇大规模的流行疾病暴发时,尤其是高传染性和高死亡率的疾病如2018年和2019年暴发的非洲猪瘟,或是具有传染人风险的一些疾病如禽流感等,若不能及时安全有效的处置死亡和染病的畜禽,则可能扩大疾病的流行范围,带来更大的生物安全和公共卫生风险。2013年的黄浦江死猪漂浮事件即是一个引发各方关注的公共卫生安全的典型事例[4]。

2 我国病死畜禽无害化处理的相关法规

我国的畜禽养殖业发展从起步到规模养殖经过了几十年时间,伴随养殖业的发展过程,相关的法律法规也从无到有不断完善。1997年颁布《中华人民共和国动物防疫法》(2021年第二次修订)[5]明确提出“病死动物和病害动物产品的无害化处理”。2005年颁布《中华人民共和国畜牧法》(2022年修正)[6]规定“从事畜禽养殖不得随意弃置和处理病死畜禽”,2013年国务院颁布《畜禽规模养殖污染防治条例》[7]规定“对病死或死因不明的畜禽尸体等病害畜禽养殖废弃物,按照有关法律、法规和国务院农牧主管部门的规定,进行深埋、化制、焚烧等无害化处理,不得随意处置”。2013年农业部颁布《病死及病害动物无害化处理技术规范》(2017年修订,农医发〔2017〕25号)[8],明确了无害化处理的技术方法及其适用的处置对象范围等内容。2014年国务院办公厅出台《关于建立病死畜禽无害化处理机制的意见》(国办发〔2014〕 47号)[9]和2020年农业农村部、财政部联合发布《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)[10]强调了病死畜禽无害化处理工作的重要性。2022年5月11日农业农村部3号令《病死畜禽和病害畜禽产品无害化处理管理办法》[11]则进一步细化了对病死病害畜禽无害化处理过程所涉及的贮存、运输、人员等方面的规定。这些相继出台的法律法规为防范病死畜禽疫情的传播,保护生态环境和降低公共卫生生物安全风险等提供了法律保障。

3 病死畜禽无害化处理的技术方法

无害化处理是指用物理、化学等方法处理动物尸体及相关动物产品,消灭其所携带的病原体,消除动物尸体危害的过程。病死畜禽无害化处理的方法主要有深埋法、焚烧法、化制法、生物发酵法、微波法、水热法等。

3.1 深埋法深埋法是指按照相关规定,将病死及病害动物和相关动物产品投入深埋坑中并覆盖、消毒,处理病死及病害动物和相关动物产品的方法。因流行疾病或自然灾害死亡而产生大量的动物尸体,常采用集体深埋处理,它属于一种应急处理方法,可以迅速处理大量的动物尸体,有助于快速控制疫情的发展和传播。深埋法除了在遭遇大规模流行疾病或突发的自然灾害出现大量死亡动物时采用外,也适用于边远和交通不便地区零星病死畜禽的处理。深埋法对深埋地点的选址、填埋深度、消毒防疫、人员操作等有严格的规定,要预防其污染土壤和地下水资源的潜在风险。已有研究者提出NH4-N、TOC、Cl和K可以作为区分动物渗滤液对地下水影响的指标,根据其监测指标结果认为牲畜死亡的广泛掩埋可能对地下水环境造成延迟和长期的影响[12-13]。

3.2 焚烧法焚烧法是指在焚烧容器内,使病死及病害动物和相关动物产品在富氧或无氧条件下进行氧化反应或热解反应的方法。焚烧处理时要求燃烧室内的温度达到850 ℃,灭绝病原菌彻底,适用于患有炭疽等芽孢杆菌类疫病,以及牛海绵状脑病、痒病的染疫动物及产品、组织的处理,经过焚烧法处理后的炉渣可以进行资源化利用。焚烧法的不利之处在于焚烧过程中产生的烟气包括SO2、CO、NOX、VOCs、NH3、多氯二苯并对二噁英(PCDDs)、二苯并呋喃(PCDFs)、微粒物质和重金属铅、镉等[14],会污染空气和土壤等,对环境造成不良影响,甚至进入人的食物链,对人体产生危害[15],需要配套相应的处理设施,使排放物达标后排放。

3.3 化制法化制法是指在密闭的高压容器内,通过向容器夹层或容器内通入高温饱和蒸汽,在干热、压力或蒸汽、压力的作用下,处理病死及病害动物和相关动物产品的方法。化制法处理过程中通入的高温可以有效杀灭病原菌,处理结束后得到肉骨粉和油脂类产品,其中肉骨粉可以用作有机肥,油脂可用在工业上,实现资源化利用。化制法是目前应用较多的一种无害化处理方式。

3.4 生物发酵处理法生物发酵法是利用微生物对病死畜禽进行发酵,降解病死畜禽机体组织,使其转化为无害物质。生物发酵法又分为好氧发酵和厌氧消化2种方式。好氧发酵是指在一定的水分、碳氮比和通风条件下,有机废弃物经自然界广泛存在的微生物或商业菌株作用,发生降解并向稳定的腐殖质方向转化的生物化学过程,而厌氧消化是在厌氧条件下,有机体在混合培养细菌生态系统中被降解,最终得到沼气(甲烷)、沼液和沼渣肥料产物[16-17]。2种处理方式都可有效杀灭病原菌。谭鹤群等[18]将病死猪与辅料和发酵菌种混合,在50～70 ℃条件下进行辅热好氧发酵处理3 d后,大肠杆菌未检出。孔伟等[19]采用121 ℃以上的高压蒸汽处理病死猪2～3 h,PCR测序检测伪狂犬、猪瘟、蓝耳、猪乙脑等病毒的结果为阴性,随后在降温阶段加入辅料和生物酶进行好氧发酵,整个无害化处理过程可在22 h内完成。张宁等[20]对病死猪进行高速切碎后加入生物菌种经厌氧发酵和高温处理2～3 d,病死猪的病原菌如蓝耳病、猪流行性腹泻病毒、链球菌等阳性检出率由处理前的3.5%～18.8%降为无阳性检出率。通过厌氧消化方式处理病死畜禽不仅能得到可利用的清洁能源——沼气,同时还能实现对沼液和沼渣的综合利用,属能源可再生技术。魏东辉等[21]研究表明,病死猪厌氧发酵时,接种物比例和发酵温度是影响厌氧发酵的关键因素,随接种物比例增加,挥发性固体的甲烷产率、降解率增加,综合甲烷产率、转化率和发酵底物用量各指标结果,最佳工艺条件为接种物与底物的挥发性固体质量比5∶5,温度35 ℃,该条件下厌氧发酵的挥发性固体甲烷的产率为271 mL/g,挥发性固体的降解率为63.4%。He等[22]对比了死猪肉厌氧发酵产物生物氢气和生物甲烷的潜能,发现在pH为8.0时,2.5%和1.0%的猪胰蛋白酶预处理死猪肉,在厌氧发酵过程中,可得到最大累积生物氢气和生物甲烷产量,分别为175.84和104.59 mL/L。

3.5 微波处理法微波处理法是指利用频率范围在300 MHz～300 GHz内的电磁波[23]对畜禽尸体进行处理。在此频率范围内的电磁波的穿透性强,当有机体介质吸收电磁波后自身发热,产生热效应从而杀灭微生物。利用微波杀菌,其加热均匀迅速,不需要传热介质传导热量,杀菌时间短,有效减少原料养分损耗,且其输出功率可调整,可用于病死畜禽的灭菌处理。微波处理常与其他处理方法结合对病死畜禽进行无害化处理与资源化利用。杨昂超等[24]利用微波对病死畜禽进行高温(80～85 ℃)灭菌30 min以上,再进行生物发酵24 h,不仅将常见病原体灭活,且得到优质的有机肥,实现病死畜禽的无害化处理和资源化利用。陈铭泽等[25]以病死畜禽经高温发酵处理后的肉骨粉为原料,采用微波辅助硫酸水解技术对其进行了工艺技术优化,结果表明经微波辅助处理的水解液中总氮的转化率为90.12%,氨基酸态氮转化率为82.13%,并缩短水解时间,显示出其在氨基酸水解液制作中的优越性。与应用传统的病死畜禽处理技术的设备相比,基于微波技术对病死畜禽无害化处理的设备可节能30%,同时无二次污染[26]。

3.6 水热处理法水热处理法是在高温和高压条件下,利用水作为反应溶剂和介质将湿生物质在水热反应过程中转化为水热炭、生物油等高附加值产物[27]。水热反应过程是一种在超过饱和压力的高温下发生的热化学过程,引起水的物理化学性质(即密度、介电常数、离子产物)发生改变,产生亚临界水或超临界水,在此状态下的水中,水解、解聚/聚合、异构化、脱水、脱羧、芳构化、缩合、甲烷化、加氢/脱氢等多种反应机制可以并行进行,产生能量密集的燃料和有价值的化学物质[28]。根据温度范围和所需的产物(生物碳、生物油等),水热过程可以分为水热碳化(hydrothermal carbonization,HTC)、水热液化(hydrothermal liquefaction,HTL)和水热气化(hydrothermal gas,HTG)3个基本过程。水热处理法的高温和高压可以有效杀灭病原菌,当水热碳化的反应温度为100、150、200 ℃,保温30、60和240 min,均可完全杀灭病死牛中的病原微生物[29]。经过水热处理的副产品可储存或运输以进行后续处置[30]。

利用水热液化处理将病死畜禽转化为生物油在畜禽无害化处理上研究较多。樊晨昕等[31]以猪体为原料,在最佳水热条件下(278 ℃、64 min、29%固含量),生物油的最大产率为76.94%。水热液化可有效降低生物油中N、O元素含量,提高生物油品质。Xu等[32]研究发现,利用水热技术预处理死猪肉,有利于后续产物厌氧消化的快速启动。在170 ℃条件下猪肉中90%的脂肪和10%的蛋白质被分解,蛋白和脂肪的协同作用使沼气产量增加。张鑫等[33]利用水热处理对病死鸡进行无害化处理并制取生物油,在240 ℃时生物油的最大产率为61.56%,且其综合燃烧指数最大、燃烧性能最佳,实现病死鸡的资源化利用。王金泽等[34]研究发现,反应温度对病死畜禽的水热产物影响显著,反应温度越高,液体产物成分越复杂,且其产物之一的长链烷烃具有较高热值,经提纯后应用前景广阔。Yang等[35]利用水热液化技术处理动物尸体,得到的生物油热值范围为39.7～42.5 MJ/kg,认为利用水热液化生产生物原油是一种很有前途的动物尸体处理方法。

4 我国病死畜禽无害化处理和资源化利用的发展现状

4.1 病死畜禽无害化处理率快速提升随着相关法律法规的颁布和实施,我国病死畜禽无害化处理的处理率上升。以北京地区为例,2013年北京地区仅有33%的养殖场所配备无害化处理设备,病死畜禽的处理方式以深埋法为主,占86.9%,其余为焚烧或化制法[36],而到2017年,北京已建成覆盖城乡动物和动物产品的无害化收集处理系统并投入运营,病死动物以干化法实现高温高压灭菌无害化处理和生物发酵生成沼气来发电的资源化利用[37]。目前对病死畜禽的处理以建立集中处理场所进行专业化处理为主要发展模式和方向,如2017 年山东省累计集中无害化处理病死畜禽28.8 万t,集中处理率超过85%,同比增长25%[38],江西省2020年基本建成病死畜禽无害化处理体系,日处理能力达400 t[39]。

4.2 病死畜禽无害化处理和资源化利用中存在的问题病死畜禽的无害化处理关系畜禽疫病的防控,重点在于防止疫情的扩散和传播,保障公共卫生安全,目前在提升病死畜禽无害化处理和资源化利用的过程中还存在一些有待解决的实际问题。病死畜禽无害化处理是以集中处理为主要方式,多地已建立集中处理中心。集中处理中心实行政府主导,市场运作的机制,一方面各个无害化集中处理中心受经营规模、地方财政补贴政策和补助资金额度、地方养殖规模、自身经营能力等方面的原因影响,经营状态存在差异。一些经营困难的集中处理场难以维持日常运行,对当地病死畜禽无害化处理可能带来不良影响[40];另一方面集中处理中心在运营过程中受厂区选址设计、工艺设备、技术管理、人员素质等方面的影响,存在一些生物安全风险和环境污染风险,如终端产物可能被病原二次污染或病原微生物随产物扩散至场外[41];无害化处理过程中产生的废气等处理不善会对周围环境带来不良影响等[42]。

5 病死畜禽无害化处理发展趋势

病死畜禽的无害化处理与资源化利用相结合是发展循环经济的途径。国外畜牧业发达的国家如德国早在1972年制定了《废弃物处理法》,2002年发布《动物副产品清除法》,前者确立了各类废弃物无害化处理与循环利用的基本原则,后者要求对病死畜禽采用生物发酵等技术进行无害化处理与资源化利用[43],政府通过政策引导加大对病死畜禽废弃物的资源化利用技术方法的研究利用,提高畜禽废弃物资源化利用度,减少资源的浪费。目前已有的无害化处理方法中,深埋法和焚烧法因其存在的潜在风险已逐渐降低使用频率,在一些国家或地区已禁止或限制采用此2种方法[17]。在能够实现资源化利用的方法中化制法和生物发酵法应用范围较广。近年有研究发现将病死猪与湿垃圾按3∶1比例厌氧发酵的产气量较单独病死猪肉发酵产气量高约35%[44]。通过生物发酵工艺的优化可以提高病死畜禽资源化利用的效率。水热法是资源化利用率较高的无害化处理方法,具有较好的应用前景。目前国内外已有一些研究成果,但还需要加强研究应用。

6 小结

病死畜禽的无害化处理是畜牧业绿色发展和高质量发展的要求,不论是常规的处理技术方法还是更能实现资源化利用的新技术方法,病死畜禽处理的基本原则是防范和控制疾病的传播,保障生物安全。在此基础上因地制宜选择科学环保、经济可行的病死畜禽无害化处理方法,最大化实现资源化利用,是无害化处理和资源化利用技术不断发展创新的动力,同时也是今后的发展趋势和方向。