畜禽粪污厌氧消化病原菌深度灭活机制研究

20250124

农、林、牧、渔业

1、目前在技术上的成熟程度 该成果明确了高温生物水解处理实现粪污卫生化的适宜处理时间，揭示了厌氧消化中VBNC休眠大肠杆菌的数量，揭示了厌氧中病原菌的形态变化规律。本成果所提出的基于高温生物水解的厌氧消化工艺，可在现有的厌氧设施中进行适当的改造，在不增加工艺复杂度和新建设施装置的条件下，在工程项目中推广应用。 2、工艺、性能等指标参数情况 （1）开发的高温生物水解耦合中温发酵厌氧消化技术，与传统单相厌氧消化工艺相比，停留时间可以缩短40%，提高了工艺负荷和设施的处理能力。在高温和超高温生物水解酸化反应器中，CODVFAs/SCOD比率分别达到了43%和63%，总挥发性有机酸浓度达到5.1和11.2 g/L，为通过酸性环境强化灭活病原菌提供了必要条件。 （2）耦合工艺能够灭活病原菌至检测限以下。粪大肠菌群、大肠杆菌、沙门氏菌、肠球菌的浓度均低于检测限（1 CFU/mL），将发酵后排放的沼液暴露于氧气中5天或进行脱水，没有观察到沼液中病原菌数量的增加，没有发生休眠病原菌复苏现象。 （3）获得了大肠杆菌、沙门氏菌和肠球菌的灭活速率，可用于工艺时间优化。厌氧进料总固体浓度从10%提高到15%，对于革兰氏阴性菌（大肠杆菌和沙门氏菌），灭活速率从0.77-22.46 d-1上升到3.00-33.12 d-1，对于革兰氏阳性菌（肠球菌），灭活速率从1.87-3.71 d-1提高到2.28-3.89 d-1。 （4）识别了厌氧灭活病原菌的环境因子，用于工艺方法改进。在高温（55oC）生物水解厌氧环境中，高温通过破坏细胞膜来实现细胞灭活，这是病原菌灭活的最主要原因。另外，在中温纯培养下的因素试验中，发现pH是影响对三种病原菌灭活的最主要因素。在pH=6时，乙酸和丙酸分别在1200 mg/L和1700 mg/L可以实现对沙门氏菌和粪肠球菌的灭活，对于灭活大肠杆菌来说则需要分别达到3800 mg/L和4900 mg/L。 （5）开发了膜包裹模拟厌氧发酵环境的微生物表征前处理方法。 3、科技成果转化所处阶段 目前该科技成果在实验室阶段技术已经较为成熟，下一步将可以进行中试验证。

北京市畜禽养殖密度大。根据2024年中国统计年鉴，北京市养殖量为：牛年底8.3万头，肉猪出栏32.9万头，羊年底22万头。根据2022年畜牧兽医年鉴，北京家禽出栏量776.7万只。北京地区单位耕地面积承载的猪当量约是全国平均值的2倍，每年产生大量的粪污。厌氧发酵技术是粪污资源化利用的主要技术之一，可以实现能源化、减量化、无害化。目前可以根据本科技成果改造的厌氧工程数量多，应用潜力大。 本科技成果转化合作拟利用现有场地开展建设，设备方面，需新增高温加热设备、两段厌氧的连接管道以及输送泵；人员配置上，维持正常运行所需人力，无需额外增加。经初步估算，本项目的资金需求主要用于新增设备购置及相关配套设施建设。粗估算，资金需求预计为工程建设总费用的5%~10%，甚至更低。这一估算主要是基于对新增高温加热设备、两段厌氧的连接管道以及输送泵等设备的市场价格调研，同时考虑到设备安装调试、管道铺设等相关费用得出的。此为估算数值，后续将根据详细的工程设计和市场价格波动进行核算。

可国（境）内外转让

1. 经济效益 通过生物水解处理技术的应用，显著提升了粪污的厌氧降解性能。经实际测试与数据分析，每吨粪污的甲烷产率较传统处理方式提高了约15%，每吨干物质粪污可以多生产40立方米甲烷。根据能源转换关系，1立方米甲烷可以发3度电，累计每吨干物质粪污多生产120度电。 此外，粪污厌氧处理过程中产生的有机酸可作为污水反硝化碳源，实现资源的二次利用，降低污水处理成本。同时，生产的甲烷用于发电，减少了养殖场对外部电力的依赖；所产出的有机肥，替代部分化肥用于农业生产，进一步降低了农业生产成本，提高了农业生产效率，切实为农民带来显著的经济效益。通过推广应用这一研究成果，将有力促进相关领域的技术进步和产业发展，带动上下游产业链的协同发展，创造更大的经济增长空间。
2. 社会效益 该成果的推广应用，实现了养殖业中畜禽粪便的高效管理与资源化利用，有效减少了环境污染，显著改善农村环境质量，大幅提升农民生活质量。此外，该成果能更高效地灭活病原菌，极大地减少了病原菌流入自然环境的风险，有力保障了生态安全。在全市范围内推广该成果时，产出有机肥将能够严格遵循并优于国家标准的粪污厌氧卫生化要求。这不仅确保了粪污处理的安全性和环保性，还为其他地区提供了可借鉴的范例。随着该成果在全市的广泛推广，将对提升城市整体生态环境质量、推动农业可持续发展以及促进乡村振兴战略实施发挥积极作用。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

（1）科技成果来源 本科技成果是在北京市自然科学基金的资助下完成的（项目编号：6222029；起止年月：2022年1月至2024年12月），聚焦“揭示畜禽粪污厌氧消化病原菌灭活机理”和“建立强化病原菌灭活的厌氧消化工艺调控策略”两个主要目标，以“厌氧消化灭活病原菌的生态因子识别”、“病原菌VBNC状态的定量和发生机制”、“病原菌深度灭活与产甲烷强化的协同机制”三个主要研究内容展开。 （2）技术原理 本项目通过研究高温生物水解耦合中温发酵工艺的病原菌灭活动力学，识别灭活因子，最终确定了高温生物水解处理实现粪污卫生化的适宜处理时间，通过抑制含氮物质降解构建高浓度挥发性脂肪酸环境来灭活病原菌，综合反转录实时定量PCR和扫描电镜观察细胞形态变化的方法揭示了厌氧消化中病原菌存在VBNC休眠状态，证明了采用高温生物水解用于强化病原菌深度灭活的必要性和工程可行性。 （3）关键性技术指标 技术指标：本项目完成了所有计划的技术指标。 1）以第一/通讯作者发表学术论文7篇，其中SCI论文6篇，中文核心期刊1篇； 2）举办国际学术会议6次，参加国际学术会议13次，获得发表奖项4项；举办国内学术会议1次，参加国内学术会议4次；邀请美国、日本、爱尔兰、瑞典、德国等地的高端外国专家学术访问和讲学40人次； 3）开发两相厌氧消化技术，通过系统优化，将传统单相厌氧消化工艺的停留时间缩短至25天（传统工艺约40天左右），提高工艺负荷和设施的处理能力； 4）采用原位氨氮吹脱的方法，将氨氮浓度降低67%以上，实现高含氮粪污的酸性发酵，建立低pH和高游离脂肪酸的环境，实现灭活病原菌和提高甲烷转化率的双重效果； 5）获得不同工艺条件下的病原菌表观去除率；获得基于RT-qPCR检测的病原菌深度灭活效果；提出粪污厌氧消化的优化工艺条件； 人才培养指标：本项目完成了所有计划的人才培养指标。 1）先后有8位硕士研究生参与研究工作。 2）项目负责人获得陕西省科学技术进步一等奖，国际生物过程协会杰出研究奖。 （4）应用前景 在科学前沿引领地位方面，关于粪污厌氧处理中病原菌发生VBNC休眠态的研究成果处于前沿水平。开发了定量的检测方法并揭示发生休眠状态的机制，也为微生物在极端环境下的生存代谢研究的探索提供了有意义的信息。在厌氧发酵工艺方面，建立的耦合厌氧消化工艺病原菌灭活动力学模型及识别的关键灭活因子，比现有研究更为系统，可为畜禽粪污厌氧发酵工艺技术的升级提供先进的理论依据。在技术先进性水平方面，通过抑制含氮物质降解构建高浓度挥发性脂肪酸环境灭活病原菌的技术具有原始创新。与传统的高温高压灭菌技术相比，该技术具有环境友好、成本低、不易产生二次污染等显著优势。同时，通过生物水解处理，提高了粪污的厌氧降解性，提高了粪污厌氧发酵的甲烷产率，在不增加工艺复杂度和成本的情况下，提高了粪污的能源产率。 本成果对粪污厌氧处理发生VBNC休眠状态的研究为环境微生物学提供了新的研究视角。以往研究多关注可培养微生物在环境中的作用，本项目将研究重点拓展到休眠态细菌，促使更多学者关注并深入探索这类特殊微生物在各种生态系统中的存在形式、功能及与其他生物的相互关系，促进粪污的卫生化处理。本成果还促进了粪污厌氧处理技术革新。在畜禽粪污资源化处理领域，传统的研究范式集中在温度、HRT等厌氧工艺参数的优化改进。本成果提出的基于高温-中温耦合的新工艺和代谢调控的酸性发酵环境构建，改变了以往单纯依靠外部手段灭活粪污中病原菌的思维模式，引导研究人员更加注重挖掘发酵环境自身的生态功能和代谢潜力来解决环境问题，为粪污卫生化处理相关研究带来了从“外源治理”到“内源调控”的范式转变。