溫度對豬糞厭氧發(fā)酵中Cu, Zn, Cr形態(tài)的影響

李 軼， 馮洋洋， 張 輝， 劉艷杰， 鞏俊璐， 谷士艷， 張 鎮(zhèn)， 張 敏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866)

溫度對豬糞厭氧發(fā)酵中Cu, Zn, Cr形態(tài)的影響

李 軼， 馮洋洋， 張 輝， 劉艷杰， 鞏俊璐， 谷士艷， 張 鎮(zhèn)， 張 敏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866)

文章試驗以豬糞為發(fā)酵原料，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)，在接種物為20%，TS為12%，pH值為7的條件下進行25 d，研究20℃和35℃對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣沼液中重金屬形態(tài)的影響，結(jié)果表明： 1) 20℃條件下發(fā)酵前后總有效態(tài)Cu含量由13.43 mg·kg-1降為9.59 mg·kg-1，發(fā)酵后在沼渣中占87.9%；35℃總有效態(tài)Cu含量升為14 mg·kg-1，在沼渣中占95.93%。 2) 20℃發(fā)酵前后總有效態(tài)Zn含量由73.76 mg·kg-1降為59.74 mg·kg-1，發(fā)酵后在沼渣中占88.87%；35℃總有效態(tài)Zn含量降為43.87 mg·kg-1，在沼渣中占81.51%。3) 20℃發(fā)酵前后總有效態(tài)Cr含量由0.28 mg·kg-1升為0.59 mg·kg-1，發(fā)酵后在沼渣中占49.15%；35℃總有效態(tài)Cr含量升為1.05 mg·kg-1，在沼渣中占87.62%。20℃和35℃豬糞厭氧發(fā)酵后重金屬含量均低于國內(nèi)外關(guān)于有機肥的標準。

溫度； 豬糞； 沼氣發(fā)酵； 重金屬Cu，Zn，Cr； 形態(tài)

20 世紀90 年代以來，規(guī)?；B(yǎng)殖場的數(shù)量增加，集約化畜禽養(yǎng)殖場糞便污染日益嚴重[1]。其中生豬糞排放量約占總畜禽糞便排放量的24%[2]，然而為了增強畜禽的抗病能力、促進其快速生長，飼料中普遍采用飼料添加劑，其中包含重金屬元素銅鋅等，導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬含量升高[3]，不僅造成了重金屬污染及對土壤和環(huán)境的危害[4-5]，還嚴重影響人體健康[6-7]。

吳大偉[8]等人經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：畜禽糞便中的Cu含量為410.69±8.60 mg·kg-1，Zn含量為629.29±10.96 mg·kg-1，Cr含量為11.98±1.27 mg·kg-1，都遠遠超過了國家標準，超標率分別達到13.89%，19.44%，8.33%[9]。然而僅僅根據(jù)重金屬總量來評判其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是不全面的，重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與其生物有效性密切相關(guān)[10-11]。由于豬糞中含有N，P，K及有機物等營養(yǎng)物質(zhì)，可作為能源物質(zhì)加以利用[12-13]，榮湘民[14-16]等研究了好氧堆肥處理對豬糞中重金屬形態(tài)及含量的影響，發(fā)現(xiàn)堆肥處理可降低豬糞中重金屬有效性。以畜禽糞便為原料的厭氧發(fā)酵是另一種有效的處理途徑[17-18]，并逐步成為重心[19]，靳紅梅[20]等通過對豬糞及奶牛糞中溫厭氧發(fā)酵對Cu和Zn的影響的研究，結(jié)果表明豬糞沼液中ρ(TCu)和ρ(TZn)的平均值極顯著低于進料，降幅分別為80%和43%。馬潔瓊[21]等研究了厭氧發(fā)酵重金屬元素分布規(guī)律，及其對厭氧消化的影響。溫度因素對豬糞厭氧發(fā)酵過程有較大的影響[22]，而目前關(guān)于溫度對畜禽糞便沼氣發(fā)酵過程中重金屬的形態(tài)影響的研究仍然較少。

因此筆者試驗以豬糞為發(fā)酵原料，取正常運行的沼氣池(以豬糞為發(fā)酵原料)中的沼液為接種物，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)，BCR順序提取法[23]，通過研究不同溫度對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣沼液中重金屬形態(tài)的影響，旨在為畜禽糞便重金屬污染控制研究提供參考，并為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和沼渣沼液的安全合理利用提供科學(xué)的理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬糞取自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)豬場。豬糞總固體濃度(TS)為24.47%，揮發(fā)性固體濃度(VS)為75%。

接種物取自正常運行的沈陽市郊區(qū)沼氣池中的沼液。發(fā)酵原料豬糞中及接種物(沼液)中重金屬含量見表1，豬糞化學(xué)成分含量見表2。

表1 豬糞與接種物中重金屬含量

表2 豬糞的主要養(yǎng)分含量

1.2 試驗設(shè)計

研究采用一次進料，發(fā)酵周期為25 d。設(shè)定每個發(fā)酵罐接種物量20%，TS為12%，pH值為7.0，多數(shù)沼氣工程和農(nóng)村戶用沼氣池屬于常溫厭氧發(fā)酵，因此本研究取常溫和中溫2個溫度條件，分別為20℃和35℃，研究不同溫度對豬糞沼氣發(fā)酵后沼渣沼液中重金屬形態(tài)的影響。

每組試驗設(shè)置3個重復(fù)，選用1000 mL廣口瓶，每組試驗裝置都由一個反應(yīng)瓶、一個集氣瓶和一個排水瓶組成；接種物取150 mL，根據(jù)豬糞原料的含水率(75.53%)，確定豬糞的量為368 g，然后用蒸餾水定容至750 mL，裝料后用橡膠塞密封，并設(shè)有輸氣口，反應(yīng)瓶和集氣瓶用膠皮管連接后密封，以保證良好的厭氧環(huán)境；采用排水集氣法，反應(yīng)瓶置于恒溫(20℃和35℃)水浴鍋中。發(fā)酵過程中每天下午5:00測產(chǎn)氣量，以確保反應(yīng)正常進行。

1.3 試驗方法

發(fā)酵開始后每d 監(jiān)測產(chǎn)氣量，以確保反應(yīng)正常進行。1 d 后各組日產(chǎn)氣便穩(wěn)定上升，均達到30 mL以上，直至第25天發(fā)酵系統(tǒng)運行穩(wěn)定。運行結(jié)束后，取一定量沼渣，用去離子水洗滌2～3次，離心(3000 r·min-1，5 min) 后的沉淀物于40 ℃下干燥，所獲得的固體樣品用于測定Cu，Zn和Cr 的形態(tài)。

沼液和沼渣中Cu，Zn，Cr 的含量采用ICP發(fā)射光譜分析法測定，用王水-高氯酸法消解；固體中Cu，Zn 和Cr的形態(tài)分析采用BCR連續(xù)提取法；浸提液中各重金屬含量采用原子吸收光譜儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣沼液中重金屬形態(tài)變化的影響

2.1.1 溫度對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣沼液中重金屬Cu形態(tài)變化的影響

不同溫度對沼渣沼液中重金屬Cu形態(tài)變化影響見表3和表4。

由表3可知，發(fā)酵前接種物和豬糞中各形態(tài)Cu含量，以及經(jīng)過25 d厭氧發(fā)酵后，各形態(tài)Cu含量在沼渣沼液中的百分含量。20℃條件下總有效態(tài)Cu含量與發(fā)酵前(豬糞+接種物中)總有效態(tài)Cu含量相比明顯降低，降幅為40.04%，而35℃條件下發(fā)酵后總有效態(tài)Cu含量有所升高，升幅為4.24%，可見20℃的厭氧發(fā)酵對總有效態(tài)Cu有明顯消減作用。20℃條件下總殘渣態(tài)Cu含量與發(fā)酵前相比明顯降低，降幅為43.31%，35℃條件下總殘渣態(tài)Cu含量明顯降低，降幅為38.70%，20℃的厭氧發(fā)酵對總殘渣態(tài)Cu的消減作用略優(yōu)于35℃。

20℃條件下，發(fā)酵后總效態(tài)Cu占發(fā)酵后Cu總含量的比例為24.91%，35℃條件下總有效態(tài)Cu的比例為31.91%，20℃發(fā)酵后重金屬Cu生物有效性較低。20℃條件下，發(fā)酵后總殘渣態(tài)Cu的比例為75.09%、35℃條件下總殘渣態(tài)Cu的比例為68.09%。

表3 溫度對發(fā)酵前后樣品中重金屬Cu的4種形態(tài)含量和百分含量的影響

注：有效態(tài)是指水溶態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機結(jié)合態(tài)3種形態(tài)之和，而穩(wěn)定態(tài)指殘渣態(tài)。

由表4可知，發(fā)酵結(jié)束后，20℃條件下總有效態(tài)Cu在沼液中的分配比例為12.10%，在沼渣中的分配比例為87.90%，35℃條件下總有效態(tài)Cu在沼液中的分配比例為24.21%，在沼渣中的分配比例為75.69%。

表4 20℃和35℃發(fā)酵前后各形態(tài)重金屬Cu總含量及在沼液沼渣中的分配比例

2.1.2 溫度對豬糞厭氧發(fā)酵后沼渣及沼液中重金屬Zn形態(tài)變化的影響

20℃和35℃對豬糞厭氧發(fā)酵后沼渣沼液中重金屬Zn形態(tài)變化影響如表5和表6所示。

由表5可知，發(fā)酵前接種物和豬糞中各形態(tài)Zn含量，以及經(jīng)過25 d厭氧發(fā)酵后，各形態(tài)Zn含量及其百分含量。20℃條件下總有效態(tài)Zn含量與發(fā)酵前(接種物+豬糞中)總有效態(tài)Zn含量相比明顯降低，降幅為23.47%，35℃條件下發(fā)酵后總有效態(tài)Zn含量顯著降低，降幅為68.13%，可見35℃的厭氧發(fā)酵對總有效態(tài)Zn消減作用優(yōu)于20℃。20℃條件下總殘渣態(tài)Zn含量與發(fā)酵前相比明顯降低，降幅為20.00%， 35℃條件下總殘渣態(tài)Zn含量明顯降低，降幅為28.11%，35℃的厭氧發(fā)酵對總殘渣態(tài)Zn的消減作用略優(yōu)于20℃。

20℃條件下，發(fā)酵后總效態(tài)Zn占發(fā)酵后Zn總含量的比例為30.92%，35℃條件下總有效態(tài)Zn的比例為100%，20℃發(fā)酵后重金屬Zn生物有效性較低。20℃條件下，發(fā)酵后總殘渣態(tài)Zn的比例為69.08%，35℃條件下總殘渣態(tài)Zn的比例為74.02%。

表5 溫度對發(fā)酵前后樣品中重金屬Zn的4種形態(tài)含量和百分含量的影響

由表6可知，發(fā)酵結(jié)束后，20℃條件下總有效態(tài)Zn在沼液中的分配比例為11.13%，在沼渣中的分配比例為88.87%，35℃條件下總有效態(tài)Zn在沼液中的分配比例為18.49%，在沼渣中的分配比例為81.51%。

2.1.3 溫度對豬糞厭氧發(fā)酵后沼渣及沼液中重金屬Cr形態(tài)變化的影響

20℃，35℃對沼渣沼液中重金屬Cr形態(tài)變化影響如表7和表8所示。

由表7可知，發(fā)酵前接種物和豬糞中各形態(tài)Cr含量，以及經(jīng)過25 d厭氧發(fā)酵后，各形態(tài)Cr含量及其百分含量。20℃發(fā)酵后總有機結(jié)合態(tài)Cr含量由發(fā)酵前(接種物+豬糞中)的0.01 mg·kg-1升為0.11 mg·kg-1，35℃總有機結(jié)合態(tài)Cr含量升為0.69 mg·kg-1，這可能是由于發(fā)酵過程中，其他形態(tài)的Cr與有機物形成了穩(wěn)定化合物的緣故。20℃條件下總有效態(tài)Cr含量與發(fā)酵前總有效態(tài)Cr含量相比顯著升高，升幅為110.71%，35℃條件下發(fā)酵后總有效態(tài)Cr含量極顯著升高，升幅為275%，35℃條件下總有效態(tài)Cr升幅明顯高于20℃。20℃條件下總殘渣態(tài)Cr含量有所降低，降幅為3.70%，35℃條件下總殘渣態(tài)Cr含量明顯降低，降幅為30.23%，35℃的厭氧發(fā)酵對總殘渣態(tài)Cr的消減作用優(yōu)于20℃。

表6 20℃和35℃發(fā)酵前后各形態(tài)重金屬Zn總含量及在沼液沼渣中的分配比例

20℃條件下，發(fā)酵后總效態(tài)Cr占發(fā)酵后Cr總含量的比例為21.45%，35℃條件下總有效態(tài)Cr的比例為37.91%，20℃發(fā)酵后重金屬Cr生物有效性較低。20℃條件下發(fā)酵后，總殘渣態(tài)Cr的比例為78.55%，35℃條件下總殘渣態(tài)Cr的比例為62.09%。

表7 溫度對發(fā)酵前后樣品中重金屬Cr的4種形態(tài)含量和百分含量的影響

由表8可知，發(fā)酵結(jié)束后，20℃條件下總有效態(tài)Cr在沼液中的分配比例為50.85%，在沼渣中的分配比例為49.15%，35℃條件下總有效態(tài)Cr在沼液中的分配比例為12.38%，在沼渣中的分配比例為87.62%。

表8 20℃和35℃發(fā)酵前后各形態(tài)重金屬Cr總含量及在沼液沼渣中的分配比例

3 結(jié)論

(1)20℃發(fā)酵后，總有效態(tài)Cu含量降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為12.10%和87.90%；35℃條件下總有效態(tài)Cu含量有所升高，其在沼液沼渣中的分配比例分別為24.21%和75.69%；20℃條件下總殘渣態(tài)Cu含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為5.05%和94.95%；35℃發(fā)酵后，總殘渣態(tài)Cu含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為15.80%和84.20%。所以對重金屬Cu而言，將20℃條件下發(fā)酵后沼液作為肥料施用相對安全。

(2)20℃條件下發(fā)酵后，總有效態(tài)Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為11.13%和88.87%；35℃條件下總有效態(tài)Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為18.49%和81.51%。20℃條件下發(fā)酵后總殘渣態(tài)Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為6.17%和93.83%；35℃條件下發(fā)酵后總殘渣態(tài)Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為5.08%和94.92%。所以對重金屬Zn而言，將20℃條件下發(fā)酵后沼液作為肥料施用相對安全。

(3)20℃條件下發(fā)酵后，總有效態(tài)Cr含量降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為50.85%和49.15%；35℃條件下總有效態(tài)Cr含量有所升高，其在沼液沼渣中的分配比例分別為12.10%和87.90%。20℃條件下發(fā)酵后，總殘渣態(tài)Cr含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為6.94%和93.06%；35℃條件下總殘渣態(tài)Cr含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為0.58%和99.42%。所以對重金屬Cr而言，將35℃條件下發(fā)酵后沼液作為肥料施用相對安全。

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Effects of Different Temperatures on Form of Cu, Zn, Cr in Anaerobic Fermentation of Pig Manure /

LI Yi, FENG Yang-yang, ZHANG Hui, LIU Yan-jie, GONG Jun-lu, GU Shi-yan, ZHANG Zhen, ZHANG Min /

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

This study hopes to provide a scientific basis for heavy metal pollution control and safety utilization of biogas fertilizer. The anaerobic fermentation of pig manure were carried out for 25 days under condition of 20% inoculums, 12% TS, pH 7, and adopting temperature of 20℃ and 35℃ respectively. The results show that: 1) Under 20℃, the total effective Cu of pig manure reduced from 13.43 mg·kg-1before fermentation to 9.59 mg·kg-1after fermentation，and 87.9% existed in biogas residue; but under the 35℃, total effective Cu increased to 14 mg·kg-1after fermentation, 95.93% existed in biogas residue. 2) Under 20℃, total effective Zn reduced from 73.76 mg·kg-1to 59.74 mg·kg-1，88.87% existed in biogas residue; and under 35℃, the total effective Zn dropped to 43.87 mg·kg-1, 81.51% existed in the biogas residue. 3) Under 20℃, the total effective Cr increased from 0.28 mg·kg-1to 0.59 mg·kg-1, 49.15% existed in biogas residue; under 35℃, total effective Cr increased to 1.05 mg·kg-1, 87.62% existed in the biogas residue. All these heavy metal content of pig manure fermented under 20℃ and 35℃ were all lower than the organic fertilizer standard at home and abroad.

temperature； pig manure； biogas fermentation； heavy metal form

2016-04-06

2016-06-17

項目來源： 遼寧省自然基金面上項目(2015020635)； 遼寧省自然科學(xué)基金項目(2014027012)

李 軼(1967-)，女，遼寧阜新人，副教授，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：yilisyau2000@163.com 通信作者： 谷士艷，E-mail：syndgsy@126.com

TK6； S216.4

A

1000-1166(2017)03-0011-05