豬糞渣堆肥中重金屬復合鈍化劑配置及其應(yīng)用分析

蔡海生，余文波，吳建富

（江西農(nóng)業(yè)大學江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室/南昌市鄱陽湖生態(tài)重點實驗室/農(nóng)村土地資源利用與保護研究中心，江西 南昌 330045）

隨著集約化規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場的迅速發(fā)展，畜禽糞便已成為主要污染源之一［1-2］。據(jù)統(tǒng)計，2015年全國生豬出欄突破70 825萬頭、生豬存欄45 113萬頭、豬肉產(chǎn)量5 487萬t，均居世界第1位。然而，由此產(chǎn)生的豬糞便量超過6億t，約占畜牧業(yè)糞便總量的1/3，而綜合利用率不到50%，不僅造成資源的極大浪費，同時給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。農(nóng)業(yè)廢棄物量大、面廣，用則利，棄則害，其資源化利用是農(nóng)村環(huán)境治理的重要內(nèi)容。2014年1月起施行的《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》明確要求“推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物的綜合利用和無害化處理，保護和改善環(huán)境”；2016年4月農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，提出“推進標準化規(guī)模養(yǎng)殖，建設(shè)現(xiàn)代生豬種業(yè)，促進養(yǎng)殖廢棄物綜合利用”；2016年8月印發(fā)《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》，力爭到2020年試點縣規(guī)模養(yǎng)殖場配套建設(shè)糞污處理設(shè)施比例達80%左右，畜禽糞污基本實現(xiàn)資源化利用。目前，許多地方畜禽糞便缺乏相應(yīng)的環(huán)保措施和廢物處理系統(tǒng)，未經(jīng)處理的大批量糞便露天堆放或直接排入周邊環(huán)境，造成重金屬Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cd、Cr等對環(huán)境的嚴重污染，其中Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金屬會通過食物進入人體，對人類健康帶來危害，同時大量露天放置的糞便也易造成人畜疫病的發(fā)生［3-5］。

畜禽糞便重金屬污染的治理主要有兩種途徑：一是通過改變畜禽糞便中重金屬存在形態(tài)使其固定，降低其可移動性和生物效應(yīng)；二是通過技術(shù)方法減少甚至除去畜禽糞便中的重金屬，使資源得到有效利用［6-8］。國內(nèi)外控制畜禽糞便中重金屬污染的主要方法是采用畜禽糞便堆肥化，即將堆肥物料人工控制在一定水分、C/N比和通風條件下，通過物理、化學、微生物等技術(shù)方法，使畜禽糞便中的重金屬鈍化，并將其中的有機物轉(zhuǎn)化為肥料的過程［9-10］。也有學者從固體有機物的堆肥方面入手，開展功能有機肥及有機無機復混肥生產(chǎn)研究［11-12］。因此，通過技術(shù)集成創(chuàng)新，對養(yǎng)殖場糞便進行減量化、無害化、資源化處理，制成生物有機肥料，既可以防止其污染環(huán)境，同時又可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)的有機肥料，實現(xiàn)資源再生利用［13-14］，有助于農(nóng)業(yè)生態(tài)良性循環(huán)和農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用，是貫徹中央有關(guān)“推進種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源化利用”等決策部署的具體行動，是解決農(nóng)村環(huán)境臟亂差、建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是應(yīng)對經(jīng)濟新常態(tài)、促投資穩(wěn)增長的積極舉措。

為推進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用工作，實現(xiàn)豬糞無害化處理及資源利用，本研究以規(guī)?；B(yǎng)豬場固液分離后的豬糞渣為試驗對象，通過適當添加酒渣、秸稈粉、稻草灰、粉煤灰等原料，對豬糞渣中的重金屬進行鈍化，以期為豬糞渣無害化處理、實現(xiàn)資源化利用（生產(chǎn)有機肥料）提供一個新的技術(shù)方法，為減少畜牧養(yǎng)殖重金屬污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗豬糞渣材料主要來自江西省鄱陽湖區(qū)域規(guī)模養(yǎng)豬場。生豬糞便含水量高、黏性重、通氣性差，不能直接發(fā)酵，應(yīng)進行適當?shù)念A(yù)處理后才能進行發(fā)酵，一般采用固液分離或機械脫水，豬糞便污水經(jīng)固液分離后生成糞渣，其主要理化性狀大體為：含水率75%，有機碳15%，全氮0.60%，全磷0.50%，全鉀0.40%，C/N 25，重金屬含量分別為Cu 53.9 mg/kg、Zn 46.4 mg/kg、As 14.2 mg/kg、Hg 0.205 mg/kg、Pb 34.9 mg/kg、Cd 0.158 mg/kg、Cr 49.3 mg/kg。

鈍化劑原材料主要取自周邊區(qū)域，就地、就近取材，以降低成本、提高可行性，主要以酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭、稻殼灰、鈣鎂磷肥等為原料，以起到調(diào)節(jié)水分、C/N和通氣的作用，按一定比例設(shè)計5個配方，制成復合鈍化劑進行相關(guān)試驗。

1.2 試驗方法

試驗在江西某生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司進行，根據(jù)不同配方在豬糞渣中分別加入酒渣7～10份、膨潤土5～6份、草木灰5～10份、粉煤灰3～5份、秸稈粉3～5份、草炭7～10份、稻殼灰3～5份、鈣鎂磷肥3～5份、硅藻土5～7份，并按一定比例加入有機肥專用發(fā)酵菌劑，經(jīng)微生物好氧發(fā)酵加工成系列有機肥料，與我國有機肥料標準對比，有機質(zhì)、氮、全磷、全鉀、養(yǎng)分總量、水分、重金屬等含量達到許可范圍，確認有機肥料產(chǎn)品質(zhì)量達到標準，最終通過實驗數(shù)據(jù)篩選出有機肥料配方（表1）。

表1 豬糞便無害化處理生產(chǎn)有機肥料配方篩選

試驗采用條垛式好氧堆肥。將豬糞、酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭、稻殼灰、鈣鎂磷肥等，按配方比例稱重后混合均勻，并按每噸混合物加入發(fā)酵菌種（生物有機肥專用發(fā)酵劑）200～300 g，攪拌均勻，堆積發(fā)酵。發(fā)酵前預(yù)處理：混合物料含水率調(diào)節(jié)至60%～65%，C/N在30～40之間（可用輔料進行調(diào)節(jié)），豬糞渣混合物的pH值在7.5左右（可使用過鈣鎂磷肥或磷酸鈣調(diào)節(jié)）。將攪拌均勻的物料堆成條垛狀，堆體橫截面呈梯形，下底寬200 cm左右，上底寬100 cm左右，高50 cm，條垛長8～10 m，保證一定的長度堆發(fā)酵效果較好。在夏秋季節(jié)發(fā)酵，時間控制在20 d左右，冬春季節(jié)為25 d左右。具體操作按豬糞堆肥技術(shù)操作規(guī)程（DB36/T 836-2015）進行。堆肥期間，根據(jù)溫度變化進行翻堆處理，并適時取樣，完成總氮、總磷、總鉀、總有機物、重金屬等相關(guān)指標的檢測工作。

試驗設(shè)計基本的操作程序：豬糞渣預(yù)處理→物料堆入條垛式發(fā)酵場地→添加發(fā)酵菌劑翻堆→第一階段高溫發(fā)酵→第二階段中低溫發(fā)酵→發(fā)酵后熟階段→發(fā)酵成品→成品后加工→資源化利用（營養(yǎng)土、有機肥、城市綠化基肥等）。

1.3 堆體發(fā)酵條件管控

（1）溫度。用溫度計對堆體多個位置的溫度進行測定，取平均值。一般每天上午9：00測量1次，隨機取6個堆體部位，分別測定距離表層10、25、40 cm位置的溫度，取平均值，也可用棒式數(shù)顯溫度計測量。豬渣堆肥四季可作業(yè)，不受季節(jié)影響，一般應(yīng)在15℃以上較好，冬天盡量在室內(nèi)或大棚內(nèi)發(fā)酵。冬春季每隔4 d翻料1次，夏秋季每隔2 d翻料1次，使物料發(fā)酵溫度控制在55～70℃之間為宜。

（2）水分。發(fā)酵物料的水分應(yīng)控制在65%左右，過高過低均不利于發(fā)酵。水分過少，發(fā)酵慢；水分過多會導致通氣差、升溫慢，并產(chǎn)生臭味。水分過高可添加秸稈、鋸末屑、蘑菇渣、干泥土粉等。水分合適與否的判斷辦法：手抓一把物料使勁握緊，物料有水印出但不滴水，手松開物料成團，掉地即散。水分測定可采用105℃烘干法。

（3）翻堆通氣。發(fā)酵過程注意適當供氧與翻堆（溫度升至75℃或以上時要翻倒幾次），一般每周翻堆通氣1次，溫度控制在65℃左右。

1.4 測定指標及方法

堆料中的有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定；總氮、總磷、總鉀含量的測定，將樣品用H2SO4-H2O2消煮后，總氮用開氏定氮法、總磷用釩鉬酸銨比色法、總鉀用火焰光度法測定；pH值直接用pH計測定（水樣比10∶1）。并比對NY/525-2012有機肥料標準進行指標分析。

重金屬檢測：共檢測銅、鋅、砷、汞、鉛、鎘、鉻等7個指標，樣品檢測環(huán)境，溫度15～20℃，濕度50%～60%，主要利用微波消解結(jié)合原子熒光、原子吸收法測定。檢測分析依據(jù)為：銅采用NY/T305.1-95標準測定，鋅采用NY/T305.1-95標準測定，砷、汞、鉛、鎘、鉻采用NY/T525-2012標準測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬糞渣堆肥后的重金屬鈍化效應(yīng)分析

本試驗主要在江西某生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司進行，并將相關(guān)樣品送江西省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與資源環(huán)境研究所測試中心分析，結(jié)果（表2）表明，依據(jù)不同配方通過添加酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭、稻殼灰、鈣鎂磷肥等材料，制成復合鈍化劑，通過采用條垛式好氧堆肥，5種配方都對豬糞渣中的重金屬產(chǎn)生了鈍化效應(yīng)。

表2 豬糞渣添加重金屬復合鈍化劑后的鈍化效應(yīng)檢測結(jié)果（mg/kg）

從表2試驗數(shù)據(jù)對比分析，堆肥處理前后重金屬的形態(tài)變化比較顯著。各配方處理結(jié)果顯示：重金屬含量銅為42.3～50.3 mg/kg，比對照最大降幅為22%；鋅為41.7～57.1 mg/kg，最大降幅為10%；砷為13.2～15.6 mg/kg，最大降幅為7%；汞為0.165～0.217 mg/kg，最大降幅為20%；鉛為23.2～27.6 mg/kg，最大降幅為34%；鎘為0.172～0.192 mg/kg，最大降幅為7%；鉻為45.7～56.7 mg/kg，最大降幅為7%。然而，鎘為0.172～0.192 mg/kg，比對照樣品提高了9%，這是由于復合輔助材料中鎘含量較高所致，有待今后進一步改進?？傮w上看，特別是F-0032-15（配方3），對豬糞渣中的重金屬鈍化效果最好。

2.2 豬糞便資源化利用產(chǎn)品狀況分析

從表3可以看出，堆肥處理前后重金屬的形態(tài)變化較顯著，同時，資源化利用方面也具有較好的應(yīng)用價值，以烘干基計，各養(yǎng)分含量分別為：有機質(zhì)含量為55.5%～74.5%，全氮3.1%～3.76%，全磷2.94%～4.21%，全鉀1.2%～2.26%，養(yǎng)分總量為7.9%～9.57%，水分26.98%～29.85%，重金屬含量（砷1.03～4.2 mg/kg、汞 0.005～0.28 mg/kg、鉛2.5～38.15 mg/kg、鎘 0.2～0.59 mg/kg、鉻4.9～11.97 mg/kg），pH 值 7.5～8.0，其中統(tǒng)一編號F-0032-15（配方3）、F-0034-15（配方5）的養(yǎng)分含量及砷、汞、鉛、鎘、鉻等重金屬含量達到了國家有機肥料生產(chǎn)標準（NY 525-2012）。

表3 豬糞渣堆肥后有機肥產(chǎn)品與國家有機肥料的技術(shù)指標（NY525-2012）比較分析（以烘干基計）

經(jīng)過條垛式好氧堆肥發(fā)酵，豬糞渣已基本腐熟，在倉庫內(nèi)堆置10 d左右完成后熟，可直接作為有機肥出售，也可經(jīng)篩分、干燥、精加工、造粒等工序處理后，制成精制有機肥，實現(xiàn)豬糞渣無害化處理、資源化利用的目標。

3 結(jié)論與討論

本試驗通過在豬糞渣中按照一定比例設(shè)計配方添加復合鈍化劑，綜合采用化學轉(zhuǎn)化技術(shù)、堆肥處理觀察前后重金屬的形態(tài)變化趨勢，5個配方基本上都對重金屬產(chǎn)生了較好的鈍化效果，重金屬比重相對降幅最大的達到34%。其中，配方3（豬糞、酒渣、膨潤土、草木灰、草炭）、配方5（豬糞、雞糞、酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭）處理的發(fā)酵產(chǎn)品，總養(yǎng)分含量及砷、汞、鉛、鎘、鉻等重金屬含量達到了國家有機肥料生產(chǎn)標準，可以作為生產(chǎn)綠色有機肥的基礎(chǔ)原料，實現(xiàn)了豬糞渣無害化處理及資源化利用。本試驗工藝過程主要采用條垛式發(fā)酵方式，工藝過程簡單、方法易行、操作簡便，對重金屬鈍化效果比較好，生產(chǎn)成本總體估算150元/t（豬糞）左右，實現(xiàn)將豬糞變廢為寶的循環(huán)利用模式。

通過實地調(diào)研，目前江西省鄱陽湖區(qū)規(guī)模養(yǎng)殖場畜禽糞便處理模式多樣，有干清糞法+污水收集模式、種養(yǎng)結(jié)合+小型沼氣池的立體生態(tài)模式、中型沼氣池模式、大型沼氣發(fā)電模式等，主要圍繞畜禽糞便減量化生成、無害化處理及資源化利用等綜合模式。本試驗通過就地、就近取材制作重金屬復合鈍化劑，添加到豬糞渣中進行堆肥處理，取得了較好的效果。但從推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物的綜合利用和無害化處理、減少環(huán)境污染、開展農(nóng)村環(huán)境整治、發(fā)展立體生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)等方面，還有許多值得進一步開展的工作。

復合鈍化劑的最終效應(yīng)需要進一步定性和定量分析。本試驗過程中，限于相關(guān)重金屬分析的設(shè)備器材、工藝技術(shù)條件等方面，未能對堆肥處理過程中復合物料里面的重金屬活性演化、化合物的存在形式等情況進行分析，沒有對符合鈍化劑發(fā)揮作用的溫度、濕度、比例等條件環(huán)境狀況進行分析，只簡單地分析了堆肥前后重金屬含量的變化情況，以及堆肥后物料制作有機肥的相關(guān)指標達標狀況分析。

在堆肥化過程中加入重金屬鈍化劑，使其重金屬從活性較高的形態(tài)向活性較低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，越來越受到人們的重視。集成幾種重金屬去除方法，兼顧可操作性、高效性、成本低廉性和環(huán)境安全性，研發(fā)簡單、低廉、高效、安全的復合重金屬鈍化劑，對于畜禽糞便得無害化處理和高效利用非常關(guān)鍵。因此應(yīng)進一步加強就近、就便、低成本、高效率等重金屬復合鈍化劑的生產(chǎn)和相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并實現(xiàn)規(guī)范化和標準化建設(shè)，加強應(yīng)用技術(shù)推廣，推動農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用取得更好成效。

畜禽養(yǎng)殖糞便污水無害化處理及資源化利用研究，對于改善農(nóng)村生產(chǎn)、生活、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量意義重大，要注重秉承“減量化、無害化、資源化、生態(tài)化、經(jīng)濟適用”等原則，加強對豬糞便減量化、無害化處理和資源化利用的宣傳普及，幫助社會各界特別是廣大農(nóng)村養(yǎng)殖戶和規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)提高認識。從源頭治理考慮，認真落實《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》等文件法規(guī)，從規(guī)模畜禽養(yǎng)殖的全過程通盤考慮，加快生豬產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和綠色發(fā)展，合理規(guī)劃、科學設(shè)計、集成創(chuàng)新，實現(xiàn)廢棄物減量化、無害化處理高效化、資源化利用普及化，通過技術(shù)集成創(chuàng)新，最終達到防止和減少環(huán)境污染問題，促進美麗宜居鄉(xiāng)村建設(shè)。

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