生物炭和腐植酸类对猪粪堆肥重金属的钝化效果

　　摘要：为深入了解农业固体废弃物资源化、无害化利用的发展前景，探讨不同钝化材料对畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化效果的影响规律，该文利用猪粪和秸秆进行高温好氧堆肥，研究生物炭（木屑炭、玉米秸秆炭、花生壳炭）和腐植酸（福建（fujian，FJ）生物腐植酸、嘉博文（jiabowen，JBW）生物腐植酸、草炭）等不同钝化材料对猪粪堆肥发酵效果及重金属Cu、Pb、Zn、Cd形态的影响。试验结果表明：添加花生壳炭、玉米秸秆炭、JBW腐植酸以及木屑炭分别对重金属Cu、Pb、Zn和Cd表现为相对较好的钝化能力。添加花生壳炭（F3）对重金属Cu的钝化效果为65.79%；添加玉米秸秆炭处理（F2）对重金属Pb的钝化效果为57.2%；添加JBW生物腐植酸处理（F5）对重金属Zn的钝化效果为64.94%；添加木屑炭处理（F1）对Cd的钝化效果为94.67%；并且，针对不同重金属的钝化效果，此4个处理均明显高于不添加钝化材料的对照处理（P＜0.05）。添加花生壳炭虽然对重金属Cu具有较好的钝化效果，但其堆肥物料的最高发酵温度仅为45.14°C、pH值为5.41、电导率为9.48mS/cm、种子发芽率指数为0.47%，无法达到堆肥无害化标准。基于以上试验结果，综合考虑堆肥发酵效果及重金属钝化效果认为，木屑炭、JBW生物腐植酸是2种较理想的钝化材料，该研究结果为畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化技术研发、生物炭和腐植酸改良土壤结构的特性推广及有机肥规模化应用提供参考。

　　关键词：堆肥；钝化；重金属；猪粪；生物炭；腐植酸

　　0引言

　　近年来，中国畜牧业的发展已步入规模化、产业化的发展阶段，规模化养殖生产过程中排放大量粪污，2010年中国畜禽粪便产生量为22.35亿t，目前，畜禽养殖污染物排放已位居全国重点污染排放领域之首[1-3]。由于养殖方式的改变及商家对利益的追求，一些重金属元素如Cu、Zn、As、Cr、Pb等被广泛应用于饲料添加剂，随之进入到畜禽粪便中，因此，畜禽粪便的重金属污染问题变得十分严重，调查表明，畜禽粪便中重金属Cu、Pb、Zn等元素普遍超过排放标准[4]。堆肥是实现畜禽粪便重金属钝化的有效途径[5]，其主要原理是利用畜禽废弃物有机物形态变化络合固定重金属，使堆肥物料中重金属活性被钝化，生物有效性降低[6]。然而，堆肥化过程仍存在重金属钝化率不高的问题[7]，不同学者通过添加钝化材料进一步降低畜禽粪便中的重金属生物活性，杨坤等[8]研究表明，添加膨润土对As、Pb的钝化效果为31.92%、61.94%，硅藻土对Cd的钝化效果为56.72%；龚浩如等[9]研究表明，添加2.5%沸石+2.5%粉煤灰对As、Cu、Zn的钝化效果为81.31%、69.56%、75.64%；荣湘民等[10]研究发现添加5%的钙镁磷肥对Zn的钝化效果为50%。不同的钝化材料均起到了一定的重金属钝化作用，然而仍存在成本较高或不易获得等问题，且目前仍未有关于生物炭和生物腐殖酸对重金属形态影响的研究，本研究以生物炭和生物腐植酸等农业废弃物转化产品作为钝化材料，研究其对畜禽粪便堆肥化过程中重金属形态的影响，选取普遍超标的Cu、Pb、Zn、Cd元素研究钝化材料对重金属的钝化效果，可为畜禽粪便堆肥过程中重金属的钝化技术研发提供理论依据，也为利用生物炭和生物腐植酸改良土壤结构的研究以及为推广有机肥的规模化应用提供参考。

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　　1材料与方法

　　1.1供试材料

　　试验于2013年7月在北京市大兴区青云店镇农业部规划设计研究院试验基地进行。供试猪粪取自大兴区某养猪场；玉米秸秆取自大兴区孝义营村周围农田，经过粉碎机切割为1cm左右的小段；生物炭均于河南商丘三利公司购得，腐植酸均于北京嘉博文生物科技有限公司购得。供试材料的基本性状见表1

　　1.2试验设计

　　试验以猪粪为原料，粉碎成1cm长玉米秸秆为调理剂，调节物料C/N为25:1，钝化材料添加量按猪粪干物质量的2.5%，含水率控制在65%～70%，在室温25°C下堆置30d。试验共设7个处理，分别为：F1：猪粪+秸秆+木屑炭；F2：猪粪+秸秆+玉米秸秆炭；F3：猪粪+秸秆+花生壳炭；F4：猪粪+秸秆+福建（Fujian）FJ生物腐植酸；F5：猪粪+秸秆+嘉博文（Jiabowen）JBW生物腐植酸；F6：猪粪+秸秆+草炭；CK：猪粪+秸秆。各处理原料使用量如表2所示。

　　2结果与分析

　　2.1重金属质量分数变化分析

　　各处理重金属Cu、Pb、Zn、Cd质量分数变化如表5所示，在堆肥过程中，由于有机质降解，CO2及挥发性物质损失，堆体体积减小，重金属质量分数会升高，表现为“相对浓缩效应”[5]，在本研究中重金属Cu、Pb、Zn、Cd的质量分数有降低现象，并未表现出普遍的浓缩效应，这是因为在堆肥过程中会有渗滤液产生并流出，与此同时重金属也有流失，因此有些试样重金属质量分数会呈现减少现象，但总体质量分数变化不大，这与曾正中等[13]研究结果一致。

　　2.2不同钝化材料对堆肥过程中重金属Cu的影响

　　表6为不同处理堆肥前后重金属Cu的形态变化。从重金属Cu的各形态质量分数变化来看，堆肥前后各处理可交换态Cu质量分数均有不同程度的降低，其中F3处理的降幅达65.59%，而CK降幅为4.95%；各处理除F3外，其余处理还原态Cu的质量分数有所下降，这可能是由于F3处理添加花生壳生物炭对可交换态Cu表现出强烈的钝化效果后，使可交换态向其他3种形态转化所致；各处理氧化态Cu质量分数均有增加；残渣态Cu质量分数有增有减。

　　3讨论

　　堆肥过程中物料理化性质的变化是评价堆肥腐熟度的重要参考。研究显示，堆肥高温期温度达到50°C以上且持续时间在5～7d，堆肥结束pH值稳定在8.0～9.0，不超过电导率限值4.0mS/cm，且种子发芽率指数达80%，即认为堆肥达腐熟标准[17]。本试验中F3处理未达高温期，最高温度仅为45.14°C，且pH值至发酵结束为5.41；F3、F4处理的电导率至堆肥结束稳定在7.02～9.48mS/cm之间，超过电导率限值；处理F2、F3、F4的种子发芽率指数未达到80%以上，其中F3处理仅为0.47%，说明此3种处理堆肥结束后仍对植物具有毒性，抑制植物生长。综合考虑来看，添加不同钝化材料处理后，F1、F5、F6和CK处理可达到堆肥腐熟标准。

　　4结论

　　1）猪粪和秸秆堆肥处理时，本文6种钝化材料中重金属Cu的最佳钝化剂为花生壳生物炭，其钝化效果为65.79%；Pb的最佳钝化剂为玉米秸秆炭，其钝化效果为57.2%；Zn的最佳钝化剂为嘉博文（Jiabowen，JBW）腐殖酸，其钝化效果为64.94%；Cd的最佳钝化剂为木屑生物炭，其钝化效果为94.67%；4种钝化剂处理对交换态重金属的钝化效果均显著好于对照。

　　2）从添加6种钝化材料后对堆肥的品质效果来看，只有木屑炭、JBW腐殖酸和草炭能达到腐熟的标准。

　　3）综合而言，可根据猪粪中所含重金属情况，有针对性的选择木屑炭和JBW腐殖酸，也可适当选择玉米秸秆炭、花生壳生物炭、草炭优组，上述几种可选钝化剂，3种为农业废弃物，不仅为其资源化再利用创造了条件，同时有利于降低畜禽粪便有机肥施用中重金属污染的环境风险。

　　[参考文献]

　　[1]田宜水.中国规模化养殖场畜禽粪便资源沼气生产潜力评价[J].农业工程学报，2012，28(8)：230－234.TianYishui.Potentialassessmentonbiogasproductionbyusinglivestockmanureoflarge-scalefarminChina[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2012,28(8):230－234.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]耿维，胡林，崔建宇，等.中国区域畜禽粪便能源潜力及总量控制研究[J].农业工程学报，2013，29(1)：171－179.GengWei,HuLin,CuiJianyu,etal.BiogasenergypotentialforlivestockmanureandgrosscontrolofanimalfeedinginregionlevelofChina[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2013,29(1):171－179.(inChinesewithEnglishabstract)

　　候月卿1,2,3，赵立欣1,2，孟海波1,2，沈玉君1,2※，程红胜1,2

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