畜禽糞便重金屬的賦存特征及去除技術(shù)進(jìn)展

劉 鵬， 柴立元， 閔小波， 柴喜林， 徐志偉， 唐崇儉

(1.中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.國(guó)家重金屬污染防治工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3.江西省環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新研究院， 江西 萬(wàn)年 335500； 4.益陽(yáng)市環(huán)境科學(xué)研究所， 湖南 益陽(yáng) 413000)

如今，畜禽養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)從分散飼養(yǎng)向規(guī)模化、集約化和現(xiàn)代化的方式快速轉(zhuǎn)變。我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)每年產(chǎn)生約38億噸畜禽糞便，然而有效處理率卻不到50%，使得養(yǎng)殖業(yè)所排放的生活污水和畜禽糞尿?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生較大的威脅。起初，我們可以將畜禽糞便作為農(nóng)用肥料撒在農(nóng)用土地中，進(jìn)而提高土壤肥力，改善土壤的理化性質(zhì)。然而在近些年的畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中，為了預(yù)防疾病，促進(jìn)畜禽的生長(zhǎng)，飼料中添加大量的Cu和Zn等重金屬。由于畜禽對(duì)重金屬元素的利用率很低，絕大部分的重金屬隨著畜禽糞便排出體外，故畜禽糞便中往往含有較高量的重金屬，如果長(zhǎng)期施入土壤，勢(shì)必會(huì)給土壤環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品造成污染風(fēng)險(xiǎn)。

1 畜禽糞便的資源化處置技術(shù)

我國(guó)是畜禽養(yǎng)殖大國(guó)。隨著人們生活水平的穩(wěn)步提升，畜禽產(chǎn)品的需求量也有所增大，進(jìn)而推動(dòng)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。如表1所示，近幾年來(lái)肉類(lèi)、奶類(lèi)、禽蛋產(chǎn)量均以穩(wěn)定的速度遞增，取得了令世人矚目的成績(jī)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)目前己經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的重要產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)畜牧業(yè)總產(chǎn)值已超過(guò)3萬(wàn)億元，占全國(guó)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的30%，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用?，F(xiàn)在畜禽糞便的資源化利用方式主要有肥料化、飼料化和能源化[1]。

表1 2010～2016年我國(guó)肉類(lèi)總產(chǎn)量 (萬(wàn)t)

1.1 肥料化

大量的畜禽糞便給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，但糞便中含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分(見(jiàn)表2)，是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥原料。據(jù)吳興利等人的計(jì)算，一個(gè)上萬(wàn)頭生豬規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)，每年排放的糞便與尿液共計(jì)約為3萬(wàn)t，經(jīng)過(guò)換算得出排放的氮約為107 t，磷約為31 t，可以供1300～1400 hm2的農(nóng)田施肥所用，這樣可以大大減少環(huán)境的壓力。

表2 主要畜禽糞尿中養(yǎng)分及其含量 (%)

隨著化肥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致化肥的使用量過(guò)高。我國(guó)種植用地每畝在一年時(shí)間內(nèi)會(huì)使用30～50 kg的化肥。然而無(wú)機(jī)化肥的長(zhǎng)期使用，使得土壤固、液、氣的比例嚴(yán)重失衡，土壤有機(jī)質(zhì)含量也由原來(lái)的3%下降到不足1%，進(jìn)而造成土壤板結(jié)、肥力下降、結(jié)構(gòu)破壞等不利影響[2]。有機(jī)肥的合理使用可以有效改善上述問(wèn)題，同時(shí)還可以增加土壤的總孔隙度，提高土壤的持水性能、土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷以及速效鉀的含量。因此，施用有機(jī)肥料，能全面提高土壤肥力，切實(shí)培肥土壤。試驗(yàn)研究表明，施用大量畜禽糞肥不但提高了土壤的肥力，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的后勁，而且與施用化肥相比投入減少11.65%，產(chǎn)出高5.27%，促進(jìn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，其社會(huì)效益與長(zhǎng)遠(yuǎn)的生態(tài)效益十分顯著。

使用有機(jī)肥料不僅可以提高土壤肥力，還可以顯著提高作物的產(chǎn)量，尤其是對(duì)于生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)的作物，效果更為明顯。當(dāng)然有機(jī)肥還可以促進(jìn)作物種子萌發(fā)，刺激根系生長(zhǎng)，加強(qiáng)了作物的呼吸作用以及光合作用。研究表明，有機(jī)肥與化肥的合理配比較單施化肥來(lái)說(shuō)對(duì)提高水稻產(chǎn)量有著更大的影響[3]。黃國(guó)峰等人的研究表明，施用有機(jī)肥與不施肥進(jìn)行比較，施用有機(jī)肥的菜心、小白菜和蘿卜的產(chǎn)量明顯較高。當(dāng)施用相同量的化肥和有機(jī)肥時(shí)，施用有機(jī)肥的蘿卜產(chǎn)量更高。同時(shí)，施用有機(jī)肥能夠提高大白菜的粗纖維含量，增加蛋白質(zhì)的含量。

然而，一旦糞便中含有重金屬，畜禽糞便的肥料化將會(huì)受到致命影響。重金屬施用于農(nóng)田，將顯著擴(kuò)大農(nóng)田面源污染，并嚴(yán)重威脅食品安全。

1.2 飼料化

畜禽糞便中含有大量未消化的粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、B族維生素和一定量的碳水化合物[4]。比如風(fēng)干雞糞中蛋白質(zhì)的含量高達(dá)24%～30%，豬糞約為3.5%，羊糞為4.10%～4.70%，牛糞為1.7%～2.3%。雖然畜禽糞便中含有一定量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但仍會(huì)伴有不同程度的吲哚、胺類(lèi)、尿酸、尿素、亞硝酸鹽、寄生蟲(chóng)等摻雜其中，再加上一些有毒有害的代謝物質(zhì)，長(zhǎng)期將其作為飼料喂養(yǎng)畜禽的話(huà)，極大可能造成畜禽間的交叉感染并導(dǎo)致某些傳染病的流行和傳播。此外，直接使用畜禽糞便喂養(yǎng)畜禽所生產(chǎn)的肉可能會(huì)影響到口感，還會(huì)造成畜禽間的疾病交叉感染，導(dǎo)致某些有害物質(zhì)超標(biāo)。目前歐美、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家不主張使用畜禽糞便作飼料。

一方面，畜禽污染得不到及時(shí)有效處理，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越突出。另一方面，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，豆粕、魚(yú)粉等飼料蛋白需求不斷增大，市場(chǎng)供不應(yīng)求。利用畜禽糞便養(yǎng)殖昆蟲(chóng)及低等動(dòng)物，既能有效處理畜禽糞便污染，又能生產(chǎn)動(dòng)物蛋白質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生以蟲(chóng)沙為主的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，具有明顯的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖糞污高值化利用的有效途徑。目前，常用于分解畜禽糞便的昆蟲(chóng)及低等動(dòng)物主要有蚯蚓、黑水虻、蠅蛆、蝸牛等。

上世紀(jì)80年代，英國(guó)洛桑實(shí)驗(yàn)站最早開(kāi)始進(jìn)行蚯蚓養(yǎng)殖處理畜禽糞便的研究。在我國(guó)，利用蚯蚓處理糞堆的研究開(kāi)始較晚。劉子英[5]等采用盆養(yǎng)的方法用牛糞和玉米秸稈(經(jīng)過(guò)腐熟)飼養(yǎng)蚯蚓，研究了堆制物料中蚯蚓的生長(zhǎng)情況和技術(shù)可行性。劉亞納[6]等進(jìn)行了蚯蚓處理豬糞的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)蚯蚓的生長(zhǎng)、繁殖及糞便前后物料的碳氮比、氨氮變化進(jìn)行了研究。目前我國(guó)養(yǎng)殖最多、廣泛推廣的品種是赤子愛(ài)勝蚓，又稱(chēng)“大平二號(hào)”。經(jīng)糞便產(chǎn)出的蚯蚓可作為高蛋白飼料循環(huán)利用于養(yǎng)殖業(yè)，蚯蚓糞又可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥用于農(nóng)業(yè)利用。

從19世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)開(kāi)始研究黑水虻處理畜禽糞便的技術(shù)，并將獲得的黑水虻幼蟲(chóng)加工成為畜禽或水產(chǎn)的飼料營(yíng)養(yǎng)添加劑。Sheppard等研究表明，經(jīng)黑水虻處理過(guò)的有機(jī)垃圾，其廢棄物中干物質(zhì)含量可降低約50%，使其更適宜作為農(nóng)作物肥料使用。Newton等研究表明通過(guò)黑水蛇幼蟲(chóng)的取食，在14 d內(nèi)，能夠?qū)?5 kg的新鮮糞便干物質(zhì)降解成24 kg糞便干物質(zhì)，減少了56%的糞便累積。處理后糞便干物質(zhì)所含的各種營(yíng)養(yǎng)元素不僅得到不同程度的降低，還消除了糞便的臭味，極大減少了糞便對(duì)環(huán)境的影響。

盡管如此，畜禽糞便的飼料化利用仍存在一定的市場(chǎng)。由于重金屬具有不可降解性，且易通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)富集。如張泳楨[7]等發(fā)現(xiàn)，采用蚯蚓處理豬糞時(shí)，蚯蚓對(duì)重金屬Cu，Zn，Pb，Cr，Cd和As有一定的富集作用。楊森[8]等的研究表明，經(jīng)黑水虻幼蟲(chóng)生物轉(zhuǎn)化的豬糞中，各種金屬元素特別是Mn，Cu，Zn等大幅度減少，均富集于動(dòng)物體內(nèi)。如果糞便中含有重金屬，制成的飼料中富集有重金屬，在飼養(yǎng)過(guò)程中容易導(dǎo)致重金屬在畜禽體內(nèi)富集，通過(guò)食物鏈傳遞最終直接危害人體健康。

1.3 能源化

通過(guò)畜禽糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣也是一種有效的處理方法。厭氧發(fā)酵的原理就是利用厭氧細(xì)菌的分解作用，將有機(jī)物質(zhì)(如碳水化合物和蛋白質(zhì)等)經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵作用，轉(zhuǎn)化成沼氣和二氧化碳。厭氧發(fā)酵法具有生物多功能性，既能夠營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境、治理環(huán)境污染，又能夠提供清潔的能源(沼氣)解決中國(guó)農(nóng)村燃料短缺和大量焚燒秸稈的矛盾，還能為農(nóng)戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)無(wú)害的有機(jī)肥料和優(yōu)質(zhì)飼料，從而取得綜合利用效益[9]。

吳強(qiáng)在農(nóng)村推廣干濕一體沼氣池，由于這種類(lèi)型的沼氣池提高了產(chǎn)氣率，降低了建池成本,取得了較好的推廣效果。孫國(guó)朝對(duì)圓柱形活動(dòng)密封沼氣池、圓柱形泥塑料頂罩式沼氣池進(jìn)行了干法厭氧發(fā)酵生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，最終認(rèn)為該工藝具有池型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，便于農(nóng)村推廣。

厭氧發(fā)酵是處理作物稻軒和畜禽糞便的有效途徑，但是有研究表明，畜禽糞便中的重金屬是導(dǎo)致厭氧發(fā)酵不穩(wěn)定和失敗的主要原因之一，其中Cu，Zn對(duì)厭氧的危害作用最大?？尚繹10]等研究了銅離子含量為100～600 mg·kg-1時(shí)對(duì)豬糞厭氧消化性能的影響，研究結(jié)果表明：銅離子含量為100～300 mg·kg-1時(shí)可提高甲烷產(chǎn)量；含量為400～600 mg·kg-1時(shí)，則明顯抑制甲烷產(chǎn)量。陳芬[11]等研究表明，不同Zn含量處理的畜禽糞便(雞糞、豬糞和牛糞)與玉米秸稈的日甲烷產(chǎn)生量趨勢(shì)均基本一致。雞糞玉米秸稈和豬糞玉米秸稈中Zn含量與其累積甲烷產(chǎn)生量均呈負(fù)相關(guān)，牛糞玉米秸稈中Zn含量與其累積甲烷產(chǎn)生量呈正相關(guān)。雞糞玉米秸稈、豬糞玉米秸稈和牛糞玉米秸稈累積甲烷含量最多時(shí)Zn的含量分別為502.26 mg·kg-1，766.26 mg·kg-1和345.6 mg·kg-1?？梢?jiàn)，在發(fā)酵體系中添加適當(dāng)含量的Zn，雖然可促進(jìn)厭氧發(fā)酵的累積甲烷產(chǎn)生量，但是畜禽糞便中高含量的Zn對(duì)產(chǎn)沼氣仍然有較大的危害。

2 畜禽糞便中重金屬的來(lái)源

畜禽糞便中重金屬來(lái)源于畜禽攝入的物質(zhì)，主要有飼料添加劑和獸藥等。畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中,在飼料中適量添加Cu，Zn，F(xiàn)e，As等微量元素可以起到提高飼料利用率，減少疾病的發(fā)生，改善動(dòng)物生長(zhǎng)機(jī)能等作用。其中，Cu能提高飼料利用率，Zn可以減輕仔豬腹瀉，有機(jī)砷制劑有抑制病原微生物以促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)及改善畜產(chǎn)品外觀(guān)及顏色的作用[12]。畜禽養(yǎng)殖飼料中常見(jiàn)的重金屬及其主要作用列于表3。

但畜禽對(duì)重金屬元素添加劑的利用率較低，大部分隨糞便排出來(lái)，給環(huán)境造成了一定的壓力。如青海、江蘇、湖南、山東等地就報(bào)道過(guò)有關(guān)畜禽養(yǎng)殖飼料和豬糞中重金屬的現(xiàn)狀和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。謝云發(fā)[13]等研究了青海省部分養(yǎng)豬場(chǎng)的飼料和糞便中重金屬含量，采集了103份飼料樣品和96份糞便樣品進(jìn)行了常見(jiàn)重金屬含量的測(cè)定。結(jié)果表明Cu和Zn的超標(biāo)率高達(dá)100%。在飼料樣品中，Cu和Zn最大超標(biāo)倍數(shù)為6.01倍和4.95倍；而糞便樣品中的Cu、Zn最大超標(biāo)倍數(shù)為7.20倍和17.9倍。飼料與糞便中的Cu，Zn，Pb，Cd，Cr含量呈顯著地正相關(guān)或極顯著正相關(guān)關(guān)系，證明了飼料是糞便中重金屬的主要來(lái)源。

表3 飼料中重金屬促生長(zhǎng)機(jī)理

閔岳靈[14]等采集了衡陽(yáng)市研究區(qū)菜園中使用的12個(gè)有機(jī)肥樣品。按照我國(guó)NY525-2012有機(jī)肥料重金屬限量指標(biāo)以及德國(guó)腐熟堆肥中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，除菜籽餅肥、牛糞外，其中9個(gè)樣品的重金屬含量均有所超標(biāo)，超標(biāo)的樣品數(shù)占總數(shù)的75%，其中超標(biāo)最為明顯的是Cu和Zn,占了總樣品的75%和41%。

潘尋[15]等對(duì)山東省部分養(yǎng)豬場(chǎng)進(jìn)行了研究分析，采集了18份配合飼料和126份糞便樣品進(jìn)行Cr，Cu，Zn，As，Cd，Pb含量的檢測(cè)(見(jiàn)表4)，發(fā)現(xiàn)豬飼料中的As，Cu，Zn最大檢出結(jié)果超過(guò)了國(guó)家規(guī)定最高添加量的17～35倍。這些重金屬經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的累積，會(huì)對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生極大的影響。

表4 配合飼料以及糞便中重金屬含量

(mg·kg-1)

3 畜禽糞便中重金屬的賦存形態(tài)與轉(zhuǎn)化特征

探明畜禽糞便中重金屬賦存形態(tài)，可以有效地預(yù)測(cè)畜禽糞便中重金屬的生物有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，也可為后續(xù)糞便重金屬治理提供理論基礎(chǔ)。

3.1 畜禽糞便中重金屬的賦存形態(tài)

畜禽糞肥中重金屬形態(tài)以及比例除了和重金屬總量有關(guān)，還與重金屬本身的化學(xué)屬性、動(dòng)物飼料以及畜禽糞便特性有關(guān)。

學(xué)者們廣泛采用Tessier的分級(jí)方法[16]，將畜禽糞便中的重金屬形態(tài)分為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)。重金屬形態(tài)的不同導(dǎo)致生物有效性的不同?？山粨Q態(tài)重金屬生物活性高，容易淋溶；碳酸鹽結(jié)合態(tài)也具有較強(qiáng)的活性，在酸性條件下易溶解釋放；鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，但在還原或低氧化還原電位和氧化性環(huán)境中，容易轉(zhuǎn)化為有效態(tài)金屬，具有潛在的有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；殘?jiān)鼞B(tài)是重金屬最穩(wěn)定存在的形態(tài)，不易釋放出來(lái)，一般在短時(shí)間內(nèi)不具有生物有效性。

不同飼養(yǎng)條件和飼養(yǎng)方式導(dǎo)致糞便中重金屬的形態(tài)也不盡相同。董占榮等研究表明，豬糞中Cu以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)為主(約占總量的72.5%)，Zn和Mn以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主(分別約占45.2%和51.6%)，As以交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主(約占55.6%)。Hsu和Lo[17]等報(bào)道稱(chēng)豬糞中有機(jī)結(jié)合態(tài)和絡(luò)合態(tài)Cu占總量的70%左右，交換態(tài)、固體顆粒結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占的比例較低。在家禽糞便中有超過(guò)90%的As是以水溶態(tài)存在的。

3.2 糞便處理過(guò)程中的重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化特征

畜禽糞便是一種肥料資源，通常采用好氧堆肥進(jìn)行處理。好氧堆肥的過(guò)程中，水分的散失以及其他物質(zhì)的揮發(fā)，使得堆料的重量和體積減少，重金屬形態(tài)也必然發(fā)生變化。

Tam等人研究發(fā)現(xiàn)，家禽糞便經(jīng)過(guò)了168天的好氧堆肥后，糞肥中水溶態(tài)的Cu和Zn分別由18.8%和23.8%降低至5.1%和 2.7%。也有發(fā)現(xiàn)，畜禽糞便好氧堆肥195天后，腐熟堆肥中DTPA提取態(tài)Fe，Zn，Cu，Mn含量分別降低了36%，50%，14%和27%。張學(xué)政等人對(duì)豬糞堆肥也做了相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)Zn的酸提取態(tài)和可還原態(tài)分別降低了17.4%和29.1%，同時(shí)可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cu，Zn比例增加，以氧化態(tài)為主。因此，好氧堆肥處理畜禽糞便可以有效降低重金屬的有效性，還可以在后續(xù)農(nóng)田利用時(shí)降低由重金屬產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。分析其原因,主要是在堆肥過(guò)程中產(chǎn)生了腐殖酸，其所含基團(tuán)對(duì)重金屬離子有絡(luò)合吸附作用。

4 高床生態(tài)養(yǎng)殖中畜禽糞便重金屬污染特征

4.1 傳統(tǒng)養(yǎng)殖工藝的重金屬污染特征

傳統(tǒng)養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)待畜禽糞污通常采用“三分離一凈化”的模式進(jìn)行處理，通過(guò)優(yōu)化雨污分流、干濕分離、固液分離、深度凈化等工藝，實(shí)現(xiàn)糞污的綜合處理及其資源化循環(huán)利用[18]。

在畜禽舍與貯糞池之間設(shè)置排污管道用于排放污液，其四周設(shè)置的明溝用于排放雨水，從而達(dá)到“雨污分離”的效果；其后將豬場(chǎng)的干清糞清理至圈外干糞貯糞池，實(shí)行“干濕分離”；使用固液分離機(jī)、格柵和篩網(wǎng)等機(jī)械的方法，實(shí)行“固液分離”，減輕污水的處理壓力。然后再集中收集到防滲、防漏、防溢、防雨的貯糞場(chǎng)，或堆積發(fā)酵后直接用于農(nóng)田施肥，或出售給有機(jī)肥廠(chǎng)。整個(gè)過(guò)程中，因糞便定時(shí)清掃，糞便中重金屬含量濃度相對(duì)低,其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較低。但隨著重金屬不斷的輸入，對(duì)其后續(xù)農(nóng)田利用仍具有較高的生態(tài)與健康風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 高床生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)

圖1 高床生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

高床生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)(見(jiàn)圖1)近年來(lái)獲得了廣泛關(guān)注與推廣實(shí)施。豬舍的設(shè)計(jì)為雙層高架網(wǎng)床，肥育豬在上層飼養(yǎng)，其排泄物通過(guò)全漏縫地板在下層暫存。下層高2.5米以上，用立柱擔(dān)空，南北兩面敞開(kāi)，設(shè)置半自動(dòng)開(kāi)放卷簾，不砌墻。下層配備負(fù)壓風(fēng)機(jī)，機(jī)器運(yùn)行時(shí)，空氣由上層水簾或空氣調(diào)節(jié)裝置通過(guò)全漏縫地板流向下層。地板免沖洗，使得糞便水分降低，尿液被高度濃縮，達(dá)到無(wú)污水外流的目的。自動(dòng)飲水的裝置嵌在墻體內(nèi)，豬飲水時(shí)多余的水會(huì)自動(dòng)留到舍外專(zhuān)門(mén)的廢水收集管網(wǎng)，避免流入下層發(fā)酵糞堆導(dǎo)致水分增加、發(fā)酸發(fā)臭。

雖然高床生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)目前仍存在一些可能的缺陷，如底層厭氧發(fā)酵過(guò)程的環(huán)境衛(wèi)生難以保證，厭氧過(guò)程產(chǎn)生的甲烷、硫化氫等可能會(huì)導(dǎo)致生豬的飼養(yǎng)環(huán)境變差等等，但該技術(shù)的提出從一開(kāi)始就體現(xiàn)出生態(tài)、環(huán)保的概念，尤其是廢水產(chǎn)量相比于傳統(tǒng)的干清糞工藝可降低90%以上，甚至達(dá)到廢水完全零排放，可大大緩解后續(xù)廢水處理所導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，因而受到了養(yǎng)殖場(chǎng)的青睞。但另一方面，高床生態(tài)養(yǎng)殖過(guò)程中，糞便、尿液滲入下層，在下層進(jìn)行有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，在促進(jìn)畜禽糞便腐熟穩(wěn)定的同時(shí)，大大降低了畜禽糞便的產(chǎn)量。然而，由于重金屬的不可降解性，導(dǎo)致重金屬隨豬糞、尿液源源不斷的進(jìn)入下層發(fā)酵床，客觀(guān)上導(dǎo)致了糞便中重金屬的積累。可以預(yù)見(jiàn)，采用高床生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)所輸出的糞肥中，其重金屬含量相比傳統(tǒng)干清糞工藝產(chǎn)生的糞便要高幾倍以上，對(duì)后續(xù)農(nóng)田利用的安全風(fēng)險(xiǎn)將難以估量。但是，目前還很少見(jiàn)相關(guān)的研究報(bào)道，也未見(jiàn)其糞便重金屬積累的相關(guān)數(shù)據(jù)，說(shuō)明這一現(xiàn)象尚未引起足夠重視。

5 畜禽糞便中重金屬污染的處理技術(shù)

治理畜禽糞便重金屬污染的途徑主要有兩種：一是通過(guò)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(dòng)性和可利用性。二是從糞便中去除重金屬[19]。

5.1 畜禽糞便重金屬的原位固定技術(shù)

重金屬固定技術(shù)主要是通過(guò)物理化學(xué)方法降低重金屬的非穩(wěn)定態(tài)、水溶態(tài)、交換態(tài)，進(jìn)而達(dá)到降低金屬的有效性的目的。固定技術(shù)主要有堆肥固定、堿性穩(wěn)定、熱處理等。

畜禽糞便堆肥化指的是將堆肥物料人工控制在一定的水分、C/N和通風(fēng)條件下通過(guò)微生物發(fā)酵作用，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為肥料的過(guò)程.有研究表明經(jīng)堆肥化處理的污泥，因調(diào)理劑的稀釋作用，重金屬約減少7.3%～16%，同時(shí)重金屬的形態(tài)有較大變化[20]。目前，在堆肥化過(guò)程中加入重金屬鈍化劑，使其重金屬?gòu)幕钚暂^高的形態(tài)向活性較低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，降低其生物有效性,是一個(gè)有效途徑。

雖然原位固定可以降低重金屬的生物有效性，但仍然存在明顯的劣勢(shì)。堆肥固定中使用的固定劑有較高的pH值，可能會(huì)使得受納土壤的pH值改變，導(dǎo)致已經(jīng)固定的重金屬重新釋放出來(lái)。堿性穩(wěn)定法的過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)降解會(huì)產(chǎn)生有機(jī)配位體與重金屬結(jié)合成容易被植物吸收的溶解性絡(luò)合物[21]。此外，固定的方法只是將重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的難溶化合物，并未實(shí)現(xiàn)重金屬?gòu)募S便中分離去除?？紤]到糞便的返田利用，很難保證重金屬的二次釋放，從而造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 畜禽糞便重金屬的化學(xué)淋濾技術(shù)

相對(duì)于重金屬固定技術(shù)，采用淋濾[22]的方法將重金屬?gòu)募S便中有效分離是另一種可行方法。其中，化學(xué)淋濾主要是向糞便中投加無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸等化學(xué)物質(zhì)，降低糞便的pH值，使得糞便中大部分重金屬轉(zhuǎn)化為離子形態(tài)溶出，進(jìn)入廢水中。還可以在其中加入螯合劑通過(guò)離子交換、氯化作用和表面活性劑的絡(luò)合作用，將重金屬分離出來(lái)。進(jìn)入廢水的重金屬可以通過(guò)添加中和沉淀、吸附、生物制劑深度凈化等方法實(shí)現(xiàn)有效去除。

化學(xué)淋濾去除重金屬的效果明顯，且處理效率高，但是最大的問(wèn)題在于消耗了大量的酸，并且在后續(xù)的過(guò)程中需要添加大量的水和石灰水進(jìn)行處理，容易造成二次污染，同時(shí)反應(yīng)儀器也受到了強(qiáng)酸的腐蝕，因此整體的費(fèi)用較高?；瘜W(xué)淋濾也把糞便中的營(yíng)養(yǎng)組分一并去除，降低了其肥力，后續(xù)農(nóng)田利用大大受限[23]。

5.3 畜禽糞便重金屬的生物淋濾去除技術(shù)

生物淋濾(又稱(chēng)生物瀝浸法)是一種有效的金屬浸提技術(shù)，近年來(lái)己在國(guó)際上興起并得以應(yīng)用。生物淋濾[24]指的是運(yùn)用某類(lèi)細(xì)菌直接或代謝產(chǎn)物的間接作用，通過(guò)氧化、吸附、絡(luò)合等作用，將重金屬?gòu)墓滔嘀蟹蛛x出來(lái)的一種技術(shù)。可用于生物淋濾的細(xì)菌主要有氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌。

硫桿菌通過(guò)曝氣供氧和添加硫酸亞鐵、硫粒等生長(zhǎng)基質(zhì)，降低了糞便的pH值，使得糞便中處于吸附、化合狀態(tài)的重金屬離子釋放到液相中，再經(jīng)糞便脫水分離從而去除糞便中重金屬。進(jìn)入廢水的重金屬則可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)高效去除。楊慧敏[25]等發(fā)現(xiàn)生物淋濾對(duì)畜禽糞便中的重金屬具有較高的去除效果。對(duì)于固體濃度為40 g·L-1的畜禽糞便來(lái)說(shuō)，當(dāng)投硫量為10 g·L-1，接種量為10%時(shí)，豬糞生物淋濾11天，Cu，Zn和Cd的淋濾效率可分別達(dá)到90%以上，90%以上和70%以上。

生物淋濾技術(shù)具有節(jié)約耗酸量、反應(yīng)溫和、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、淋濾效率高、高效殺滅致病菌等優(yōu)點(diǎn)，在處理糞便重金屬污染具有顯著優(yōu)勢(shì)。但如何通過(guò)條件控制實(shí)現(xiàn)重金屬選擇性淋濾去除的同時(shí)又保證糞便的肥力是后續(xù)研究的關(guān)鍵。

6 結(jié)論與展望

(1)畜禽糞便中重金屬的積累影響了糞便的資源化(肥料化、飼料化及能源化)利用，一旦用作肥料適用于農(nóng)田，還會(huì)導(dǎo)致重金屬在農(nóng)產(chǎn)品中富集，產(chǎn)生重大安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅人體健康，須引起高度重視。

(2)相比于傳統(tǒng)養(yǎng)殖工藝，高床生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)因其特定的工藝特征，更可能導(dǎo)致重金屬在畜禽糞便中積累，但相關(guān)問(wèn)題尚未引起足夠重視。

(3)畜禽糞便重金屬濃度相對(duì)較低，采用化學(xué)固定方法時(shí)效果往往不佳，且不能完全消除重金屬對(duì)后續(xù)農(nóng)業(yè)利用的安全風(fēng)險(xiǎn)。將糞便重金屬進(jìn)行生物淋濾使其進(jìn)入廢水，可實(shí)現(xiàn)糞便的全量化利用。后續(xù)宜重點(diǎn)關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)重金屬選擇性淋濾去除的同時(shí)還要保證糞便的肥力是關(guān)鍵點(diǎn)。