鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性及重金屬含量的影響

張 輝， 陳 梅， 馬 群， 曲壯壯， 于嘉琪， 盧丹妮， 谷士艷， 張 鎮(zhèn)， 李 軼

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院， 遼寧 沈陽 110866)

鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性及重金屬含量的影響

張 輝， 陳 梅， 馬 群， 曲壯壯， 于嘉琪， 盧丹妮， 谷士艷， 張 鎮(zhèn)， 李 軼

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院， 遼寧 沈陽 110866)

為了減少重金屬污染，文章在豬糞厭氧發(fā)酵過程中添加鈍化劑，探討鈍化劑對甲烷含量、重金屬含量的影響，以期為減少重金屬污染提供有效途徑。筆者選用鈍化劑種類、鈍化劑濃度及溫度3個因素，每個因素取3個水平，采用正交設(shè)計的方法，對豬糞進行厭氧發(fā)酵。結(jié)果表明：影響豬糞厭氧發(fā)酵甲烷含量的因素主次順序為：鈍化劑種類、溫度、鈍化劑濃度,甲烷含量最高的處理為采用7.5%濃度的活性炭鈍化劑，在35℃條件下反應的處理組合；影響豬糞厭氧發(fā)酵后重金屬Cu含量的因素主次順為：溫度、鈍化劑種類、鈍化劑濃度， Cu含量減少最多的處理為溫度為25℃，5%濃度粉煤灰鈍化劑的處理組合；影響豬糞厭氧發(fā)酵后重金屬Zn含量的因素主次順為鈍化劑種類、溫度、鈍化劑濃度, Zn含量減少最多的處理為：5%濃度的粉煤灰鈍化劑，溫度為25℃的處理組合。豬糞厭氧發(fā)酵后，各組試驗中沼渣中重金屬含量均降低,沼液中重金屬含量均增加，大多數(shù)組重金屬總的含量減小。

鈍化劑； 豬糞； 厭氧發(fā)酵； 重金屬； 甲烷含量； 沼氣產(chǎn)量

當前，我國規(guī)模化養(yǎng)殖場多以配合飼料喂養(yǎng)，為了防治畜禽疾病、促進生長和提高飼料利用效率，一些微量元素如Cu，Zn，F(xiàn)e，As被廣泛應用于飼料添加劑[1-3]。由于這些微量元素在動物體內(nèi)生物效價很低，大部分都隨畜禽糞便排放到環(huán)境中。Kornegay[4]等研究發(fā)現(xiàn)，添加到飼料中的銅有超過90%的將會在畜禽糞便中排出。Nicholson[5]等研究報道稱，畜禽糞便已成為土壤中Cu，Zn等重金屬的重要來源，其對土壤銅和鋅積累的年貢獻率分別為37.40%和8%～17%。若含高量重金屬的畜禽糞便長期連續(xù)施用于菜園土壤，蔬菜體內(nèi)的重金屬積累量可能會升高，從而通過食物鏈危害人體健康。

豬糞已成為面源污染的主要來源。如何減少畜禽糞便的污染，國內(nèi)外學者趙青玲[6]、李堯琴[7]、高鋒[8]、楊虹[9]、劉浩榮[10]等對養(yǎng)豬場廢水進行處理并探討了減少重金屬污染及沼液利用安全性方面的研究。但目前對于豬糞厭氧處理過程中加入鈍化劑后對其產(chǎn)氣量和重金屬的影響還少有報道，因此本文探討在豬糞厭氧發(fā)酵過程中加入鈍化劑，研究鈍化劑對產(chǎn)氣特性和金屬含量的影響，以期為厭氧發(fā)酵處理畜禽糞便提供理論數(shù)據(jù)，為減少重金屬污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

豬糞(新鮮豬糞)取自沈陽東陵郊區(qū)養(yǎng)豬場；沼液取自沈陽東陵郊區(qū)正常運行的戶用沼氣池；豬糞沼液取回后放實驗室馴化。豬糞中重金屬Cu含量為292.609 mg·L-1，重金屬Zn含量為342.26 mg·L-1；接種物重金屬Cu含量為5.55 mg·L-1，重金屬Zn含量為53.55 mg·L-1。粉煤灰取自沈陽農(nóng)業(yè)大學鍋爐房。硅藻土及顆?；钚蕴烤徺I于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗方案

試驗采用批式發(fā)酵工藝，發(fā)酵周期是35 d。研究溫度、鈍化劑種類、鈍化劑濃度這3個因素對豬糞厭氧發(fā)酵的影響。根據(jù)文獻中表示其他條件相同時接種物量為 30%，溫度為中溫條件 ，TS 為 12%發(fā)酵效果最好[11]，pH 值為 6.5 ～7.8[12]， 因此筆者設(shè)定每個發(fā)酵罐接種物量30%，TS為12%，pH值為7.0。試驗采用正交試驗的方法進行試驗。因素水平表見表1。

表1 因素水平表

1.3 測試項目與方法

TS的測定采用重量法；豬糞中VS測定采用重量法；產(chǎn)氣量測定采用體積法；甲烷含量的測定采用CV313JR型便攜式沼氣分析儀測定；pH值測定采用電位法；重金屬含量測定采用原子吸收光度法。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)實驗設(shè)計方案進行分析，豬糞厭氧發(fā)酵后沼氣產(chǎn)量、甲烷含量及沼渣中重金屬Cu和Zn含量的測定結(jié)果和極差分析分別如表2和3所示。

表2 豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量、甲烷含量及沼渣沼液中重金屬Cu和Zn的測定結(jié)果

2.1 鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵沼氣總產(chǎn)氣量的影響

2.1.1 豬糞厭氧發(fā)酵前后沼氣產(chǎn)量極差分析

從表3可以看出，影響沼氣產(chǎn)量因素的主次順序為溫度、鈍化劑種類、鈍化劑濃度，其中最優(yōu)的處理組是溫度為35℃時，以濃度為5%的粉煤灰為鈍化劑。

2.1.2 豬糞厭氧發(fā)酵前后沼氣產(chǎn)量方差分析

豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量方差分析表如表4所示。方差分析表明溫度對產(chǎn)氣量有顯著影響，鈍化劑種類和濃度對產(chǎn)氣量影響不顯著。

表3 豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量、甲烷含量及沼渣沼液中重金屬Cu和Zn含量的極差分析

2.2 鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵甲烷含量的影響

經(jīng)過不同組分鈍化劑處理后的甲烷含量如圖1所示?？梢钥闯鲆曰钚蕴繛殁g化劑且鈍化劑濃度為5%時，甲烷含量最高。當以濃度為5%的粉煤灰為鈍化劑時甲烷含量最低。

表4 豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量方差分析表

圖1 甲烷含量圖

2.2.1 豬糞厭氧發(fā)酵前后甲烷含量極差分析

從表3可以看出，影響甲烷含量的因素主次順序為鈍化劑種類、溫度、鈍化劑濃度，即甲烷含量最高的處理條件為采用鈍化劑濃度為7.5%的活性炭，溫度為35℃的處理組。

2.2.2 豬糞厭氧發(fā)酵前后甲烷含量方差分析

豬糞厭氧發(fā)酵甲烷含量方差分析表如表5所示。方差分析表明鈍化劑種類對甲烷含量的影響很顯著，溫度與鈍化劑濃度對甲烷含量的影響不顯著。

表5 豬糞厭氧發(fā)酵甲烷含量方差分析表

2.3 鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵重金屬含量的影響

2.3.1 鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵重金屬Cu含量的影響

2.3.1.1 豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Cu含量極差分析

從表3中可以看出，影響Cu含量的因素主次順序為溫度、鈍化劑種類、鈍化劑濃度。豬糞厭氧發(fā)酵后，9組試驗處理中，沼渣中的重金屬Cu含量均減少，沼液中的重金屬Cu含量均增加，其中在溫度為30℃，以濃度為2.5%的生物炭為鈍化劑時，豬糞經(jīng)厭氧發(fā)酵后重金屬Cu的總含量增加，其余8組處理重金屬Cu的總含量均減小。其中最優(yōu)組是溫度為25℃，濃度為5%的粉煤灰鈍化劑，該組重金屬Cu的量減少最多。

2.3.1.2 豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Cu含量方差分析

豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Cu含量變化方差分析表如表6所示。方差分析表明鈍化劑種類、溫度對重金屬Cu的含量影響很明顯，鈍化劑濃度對Cu的含量影響不顯著。

表6 豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Cu含量變化方差分析表

2.3.2 鈍化劑對豬糞厭氧發(fā)酵重金屬Zn含量的影響

2.3.2.1 豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Zn含量極差分析

從表3中可以看出，影響Zn含量各因素主次順序為：鈍化劑種類、溫度、鈍化劑濃度。豬糞厭氧發(fā)酵后，9組試驗中，沼渣中的重金屬Zn含量均減少，沼液中的重金屬Zn含量均增加，其中在溫度為35℃，以濃度為2.5%的硅藻土為鈍化劑、溫度為30℃，以濃度為2.5%的生物炭為鈍化劑和溫度為35℃，以濃度為7.5%的生物炭為鈍化劑的這3組試驗中，重金屬Zn的總含量增加，其余6組重金屬Zn的總含量均減小。其中最優(yōu)組是溫度為25℃，濃度為5%的粉煤灰鈍化劑，該條件下重金屬Zn的減少量最多，處理效果最好。

2.3.2.2 豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Zn含量方差分析

豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Zn含量變化方差分析表如表7所示。方差分析表明鈍化劑種類對Zn總量的變化影響不顯著。

表7 豬糞厭氧發(fā)酵前后重金屬Zn含量變化方差分析表

3 結(jié) 論

以豬糞為發(fā)酵原料，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)，研究向其中加入粉煤灰、硅藻土、活性炭3種鈍化劑，分別以2.5%濃度，5%濃度，7.5%濃度，在25℃，30℃，35℃的溫度下進行發(fā)酵時對發(fā)酵產(chǎn)氣量、甲烷含量、重金屬含量的影響，結(jié)果表明：

(1)影響豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的3種因素主次順序為:溫度、鈍化劑種類、鈍化劑濃度。其中溫度對產(chǎn)氣量有顯著影響，而鈍化劑種類和鈍化劑濃度對產(chǎn)氣量影響不明顯, 沼氣產(chǎn)量最高的處理為：添加5%濃度粉煤灰鈍化劑，在35℃條件下反應的處理組。

(2)影響豬糞厭氧發(fā)酵甲烷含量的因素主次順序為：鈍化劑種類、溫度、鈍化劑濃度。其中鈍化劑種類對甲烷含量的影響很顯著，溫度與鈍化劑對甲烷含量的影響不顯著，甲烷含量最高的處理為采用7.5%濃度的活性炭鈍化劑，在35℃條件下反應的處理組。

(3)影響豬糞厭氧發(fā)酵后重金屬Cu含量的因素主次順為：溫度、鈍化劑種類、鈍化劑濃度。其中鈍化劑種類、溫度對Cu含量的影響顯著，鈍化劑濃度對Cu的含量影響不顯著。豬糞厭氧發(fā)酵后，9組試驗處理中，沼渣中的重金屬Cu含量均減少，沼液中的重金屬Cu含量均增加，其中在溫度為30℃，以濃度為2.5%的生物炭為鈍化劑時，豬糞經(jīng)厭氧發(fā)酵后重金屬Cu的總含量增加，其余8組處理重金屬Cu的總含量均減小。Cu含量減少最多的處理為溫度為25℃，5%濃度粉煤灰鈍化劑的處理組

(4)影響豬糞厭氧發(fā)酵后重金屬Zn含量的因素主次順為鈍化劑種類、溫度、鈍化劑濃度。其中鈍化劑種類對Zn總量的變化影響不顯著。豬糞厭氧發(fā)酵后，9組試驗中，沼渣中的重金屬Zn含量均減少，沼液中的重金屬Zn含量均增加，其中在溫度為35℃，以濃度為2.5%的硅藻土為鈍化劑、溫度為30℃，以濃度為2.5%的生物炭為鈍化劑和溫度為35℃，以濃度為7.5%的生物炭為鈍化劑的這3組試驗中，重金屬Zn的總含量增加，其余6組重金屬Zn的總含量均減小。Zn含量減少最多的處理為：5%濃度的粉煤灰鈍化劑，溫度為25℃的處理組。

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Effects of Adding Passivator on Pig Manure Biogas Production and the Heavy Metal Content /

ZHANG Hui，CHEN Mei， MA Qun， QU Zhuang-zhuang， YU Jia-qi， LU Dan-ni， GU Shi-yan， ZHANG Zhen， LI Yi /

( Engineering College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

In order to reduce the heavy metal pollution, the passivation agent was added to the pig manure anaerobic fermentation process, exploring the passivator’s influence on methane content in biogas and the heavy metal content in digestate. Three factors, i.e. the type of passivation agent, the concentration of passivation agent，and the temperature， were selected for the experiment, each factor was in three levels. The pig manure was taken as substrate, and the experiments were designed adopting orthogonal method. The results showed that, the primary and secondary order of three factors influencing methane content were the passivation agent type>temperature> the passivator concentration. The treatment group of 7.5% activated carbon at 35℃ obtained the highest methane content. The primary and secondary order of three factors influencing heavy metal content(Cu)in digestate were the temperature>passivation agent type>passivator concentration. Treatment group of 5% of passivator coal ash at 25℃ obtained highest decrease of Cu content in digestate. The primary and secondary order of the three factors influencing Zn content were the passivation agent type>temperature> the passivator concentration. Treatment of 5% concentration of coal ash at 25℃ obtained the most decrease of Zn content in digestate. After the anaerobic fermentation, the heavy metals content in the solid residue were decreased, but there was a little increase in liquid biogas slurry. The total heavy metals content decreased.

passivation agent; pig manure; anaerobic fermentation; heavy metal; methane content; biogas production

2016-07-02

項目來源： 國家自然科學基金青年科學基金項目(31400442)； 遼寧省自然基金面上項目(2015020635)

張 輝(1993-)，女，天津人，碩士研究生，主要從事新能源及農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程方面的研究工作，E-mail:1810516950@qq.com

李 軼，E-mail：yilisyau2000@163.com

S216.4； X713

A

1000-1166(2017)02-0036-05