國(guó)內(nèi)豬糞污染物處理研究進(jìn)展

王艷 韋杰 譚維娜 孫法軍 孫皓 趙海濤

摘要?在探討豬糞性質(zhì)特征的基礎(chǔ)上分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)豬糞處理利用的主要途徑，指出厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵、栽培基料和餌料化是當(dāng)前處理豬糞的主要技術(shù)模式，最后提出資源化、無(wú)害化、增值化是未來(lái)處理豬糞的主要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞?豬糞，性質(zhì)，污染物，進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)?X713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）06-0004-03

Abstract?On the basis of discussing the characteristics of pig manure，the main ways of treatment and utilization of pig manure in China were analyzed.It was pointed out that anaerobic fermentation，aerobic fermentation，cultivation base and bait are the main technical models for the treatment of pig manure.At last，it was pointed out that the main development direction of pig manure treatment in the future is to make it resource，harmless and valueadded.

Key words?Pig manure，Properties，Pollutants，Progress

我國(guó)是畜牧業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，生豬養(yǎng)殖在我國(guó)畜牧業(yè)中屬于重要組成部分，2014—2018年我國(guó)生豬年存欄量分別為7.35億、7.08億、6.85億、7.02億和6.94億頭。我國(guó)的生豬養(yǎng)殖規(guī)模位居全球第一，每年出欄的生豬占全球生豬養(yǎng)殖量的50%左右[1]。生豬養(yǎng)殖為國(guó)家食品供應(yīng)安全提供了有效支撐，而豬糞等養(yǎng)殖廢棄物帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益成為困擾生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。筆者在探討豬糞性質(zhì)特征的基礎(chǔ)上擬分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)豬糞處理利用的主要途徑，重點(diǎn)介紹豬糞中重金屬和抗生素處理的技術(shù)和效果，以期為豬糞處理利用和生豬養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

1?豬糞性質(zhì)特征

1.1?豬糞礦質(zhì)元素

豬糞中含有大量的碳和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，是提高土壤地力的寶貴資源。相關(guān)的檢測(cè)結(jié)果表明，豬糞中有機(jī)質(zhì)含量為65.47 g/kg，銨態(tài)氮3.08 g/kg，總磷3.41 g/kg，總氮 5.88 g/kg。2015年我國(guó)畜禽糞尿資源含量達(dá)2 573.10萬(wàn)t，氮、磷、鉀含量分別為1 278.50萬(wàn)、366.12萬(wàn)、928.44萬(wàn)t，其中生豬豬糞中含有養(yǎng)分量為542.95萬(wàn)t，占總養(yǎng)分量的21.10%[3]。

1.2?豬糞中有機(jī)污染物?以豬糞為原料制備的有機(jī)肥中含有雌激素，其中雌三醇（E3）、17β-雌二醇（17β-E2）、雙酚A（BPA）、炔雌醇（EE2）4種雌激素的含量分別為609.71、41.84、32.69、46.74 μg/kg[4]。周婧[5]檢測(cè)了豬糞中的抗生素，發(fā)現(xiàn)豬糞中含有各類(lèi)抗生素，其中四環(huán)素類(lèi)抗生素（TCs）含量最高（1 260.42 mg/kg），β-內(nèi)酰胺類(lèi)（β-lacs）抗生素含量為最低（0.26 ?mg/kg），磺胺類(lèi)（SAs）抗生素濃度為17.05 ?mg/kg，喹諾酮類(lèi)（FQs）抗生素濃度為6.32 ?mg/kg，大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)（MLs）抗生素濃度為41.95 ?mg/kg。豬糞中抗生素含量整體上表現(xiàn)為春冬季大于夏秋季。四環(huán)素類(lèi)抗生素在不同規(guī)模豬場(chǎng)以及不同季節(jié)所占比重均為最高，母豬豬糞中的抗生素含量相對(duì)較低，保育豬豬糞中抗生素含量最高[5]。

1.3?豬糞中重金屬

北京市、壽光市和岳陽(yáng)市采集的豬糞中重金屬存在積累現(xiàn)象，豬糞中Cu、Zn、Cd以及As等重金屬含量顯著高于雞糞、鴨糞和牛糞。根據(jù)畜禽糞便安全使用準(zhǔn)則中在蔬菜地使用畜禽糞便限量標(biāo)準(zhǔn)，豬糞中Zn、Cu和As超標(biāo)率分別為78.69%、74.59%和9.84%，Zn和Cu明顯嚴(yán)重超標(biāo)。Cu和Zn在種豬糞中含量較低，依次低于育肥豬糞和乳豬糞。育肥豬糞中As含量高于乳豬糞和種豬糞，種豬糞中的Cd含量高于乳豬糞和育肥豬糞。豬糞中Cu、As水溶態(tài)含量分別占總量的30.47%和12.19%，EDTA提取態(tài)Cu、Zn含量分別占總量35.96%和48.93%[6]。江西省豬糞中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.94、14.8、456、732、14.0、1.94、0.170和5.74 ?mg/kg。若以豬糞為原料制成有機(jī)肥，則江西省豬糞中Zn、Cu、As、Ni和Cd超標(biāo)，超標(biāo)率為8.3%～86.1%[7]。山東省豬糞中Zn、Cu殘留量均超過(guò)國(guó)內(nèi)外堆肥參考標(biāo)準(zhǔn)[8]。薄錄吉等[9]收集了我國(guó)21個(gè)省市規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)糞便和重金屬濃度數(shù)據(jù)，研究表明豬糞中Cu、Zn、As、Cd、Cr平均含量超標(biāo)省市分別占95.2%、85.7%、33.3%、20.0%和5.26%。豬飼料中重金屬含量高是導(dǎo)致豬糞重金屬含量高的主要原因，豬飼料中的重金屬被生豬食用后絕大部分以糞便的形式排出，因此應(yīng)從源頭嚴(yán)格控制飼料中Cu、Zn等重金屬元素的添加量，從而降低糞便中重金屬含量。

2?豬糞處理利用技術(shù)模式

2.1?厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵主要分為3個(gè)階段，第一階段是發(fā)酵菌在胞外酶的作用下使固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可溶于水的脂肪酸和醇類(lèi)物質(zhì)，使各類(lèi)物質(zhì)發(fā)生液化水解，第二階段是可溶性物質(zhì)在胞內(nèi)酶的作用下繼續(xù)分解進(jìn)而轉(zhuǎn)化成甲醇、乙醇、甲酸和乙酸等低分子物質(zhì)，使其產(chǎn)氫產(chǎn)酸，第三階段是產(chǎn)甲烷菌使產(chǎn)酸階段的小分子化合物通過(guò)一步或幾步的還原作用，最終形成甲烷和二氧化碳[10]。豬糞中含有大量有機(jī)物與氮磷元素，利用厭氧發(fā)酵技術(shù)可以有效降低豬糞中70%～80%的COD含量[11]。大型沼氣工程的啟動(dòng)需要有大量的外源接種物，這使得啟動(dòng)成本增高。為了實(shí)現(xiàn)沼氣工程低成本且快速啟動(dòng)，經(jīng)研究稻草與豬糞按0∶1，1∶2，1∶1和2∶1（VS）混合后在不外加接種物的情況下均能啟動(dòng)發(fā)酵進(jìn)程，并且發(fā)現(xiàn)少量稻草與豬糞混合的啟動(dòng)效果優(yōu)于單獨(dú)豬糞的啟動(dòng)效果，稻草與豬糞1∶2混合比例時(shí)效果最佳[12]。（36±1） ℃、發(fā)酵濃度為20%的條件下，分別添加5%的活性炭、磁鐵粉和灰分進(jìn)行厭氧干發(fā)酵，結(jié)果表明3種添加劑均可以縮短豬糞厭氧干發(fā)酵的發(fā)酵周期、提升豬糞厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效率[13]。將豬糞與玉米秸稈按照不同比例混合進(jìn)行干法厭氧發(fā)酵，試驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度為55 ℃、接種率為30%、豬糞與玉米秸稈混合比例為1∶3條件下，20 d累積產(chǎn)氣量最多，TS降解率最高。濕度是影響干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的主要因素，同時(shí)可以影響發(fā)酵物的水解過(guò)程[14]，適當(dāng)?shù)乜刂茲穸瓤梢源龠M(jìn)豬糞的發(fā)酵。

2.2?好氧發(fā)酵

堆肥的原理是通過(guò)好氧發(fā)酵來(lái)處理有機(jī)廢棄物，堆肥是好氧發(fā)酵的常用方法之一，可以實(shí)現(xiàn)使豬糞無(wú)害化和變廢為寶的目的。堆肥的過(guò)程是好氧微生物通過(guò)自身的代謝作用，將廢棄物中的有機(jī)物降解并轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定程度較高的腐殖質(zhì)，并通過(guò)添加微生物制劑來(lái)加速畜禽糞便的腐熟過(guò)程[15-16]。從新鮮豬糞中分離出嗜熱性較強(qiáng)、感官除臭力較好的芽孢桿菌Y1、酵母菌J2和放線菌F1，這3株菌種均能耐55 ℃的高溫，且對(duì)氨氣和硫化氫有明顯的抑制釋放能力，將3株菌種按1∶1∶1體積復(fù)合，加入1%的劑量，其效果更加顯著。利用以上篩選獲得的復(fù)合發(fā)酵菌劑開(kāi)展豬糞堆肥發(fā)酵試驗(yàn)，結(jié)果顯示添加復(fù)合菌的堆肥處理溫度上升較快，至第9天可上升至65 ℃，且55 ℃以上高溫時(shí)間可維持近7 d，堆肥21 d后結(jié)束，物料呈暗褐色，粉狀，含水率由原來(lái)的75%下降至25%，總氮含量和種子發(fā)芽指數(shù)也明顯高于不接菌的對(duì)照組[17]。在厭氧條件下將豬糞制備成生物炭后添加到豬糞中進(jìn)行好氧堆肥，添加豬糞生物炭的堆體溫度在第4天達(dá)50 ℃，最高溫度達(dá)66.2 ℃，高于對(duì)照組的63.4 ℃。豬糞生物炭的加入可以降低堆體可溶性鹽的濃度，降低堆體銨態(tài)氮的損失，促進(jìn)速效鉀的增加，利于堆肥產(chǎn)物Cr和Cu的固化[18]。豬糞好氧發(fā)酵過(guò)程中增加通風(fēng)頻次有助于降低硫化氫和TVOCs的最高排放濃度，但會(huì)增加堆肥過(guò)程中硫化氫、TVOCs以及二甲二硫和二甲三硫的累積排放量，增加環(huán)境危害程度。通風(fēng)5 min，間隔30 min是最佳通風(fēng)方式[19]。

2.3?栽培基料

規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)豬糞渣經(jīng)固液分離處理后可制備成栽培雙孢蘑菇的基料，使用25%豬糞渣替代牛糞栽培雙孢蘑菇時(shí)產(chǎn)量略有提高，但是隨著豬糞渣替換量的增加產(chǎn)量逐步降低[20]。使用豬糞分離渣培養(yǎng)的毛木耳子實(shí)體粗蛋白含量為9.0%、粗纖維含量為21.1%、粗脂肪含量為1.1%、灰分含量為2.61%、氨基酸含量為6.1%，其中必需氨基酸占氨基酸總量的43.6%[21]。豬糞固液分離物替代部分棉籽殼栽培雞腿菇能夠降低成本、提高菌絲生長(zhǎng)速度和質(zhì)量，縮短栽培周期，提高經(jīng)濟(jì)效益，適宜的添加比例為60%[22]。

2.4?餌料化處理

蚯蚓生物堆肥具有工藝與設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、處理中節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，能夠有效處理豬糞。蚯蚓處理豬糞有露天養(yǎng)殖、林下和全遮雨等模式，由于豬糞牛糞等有機(jī)廢棄物的滲水性較差，養(yǎng)殖床表面極易積水，建議采用全遮雨模式。處理的工作蚓基本都選用生長(zhǎng)快、繁殖高、食性廣和處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)的赤子愛(ài)勝蚯蚓[1]。豬糞中添加1.0%枯草芽孢桿菌，與秸稈混合調(diào)節(jié)碳氮比為30，堆肥腐熟處理后養(yǎng)殖蚯蚓效果最佳[23]。經(jīng)蚯蚓生物處理后，豬糞和秸稈混合物料中的有機(jī)碳、全磷、速效磷以及全鉀的含量隨處理時(shí)間的增加而升高，全氮、硝態(tài)氮含量隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，銨態(tài)氮、速效鉀的含量在養(yǎng)殖過(guò)程中逐漸降低。綜合來(lái)看，豬糞經(jīng)蚯蚓生物處理后，會(huì)具有較好的肥效[24]。豬糞固液分離后的固體物料也能制成魚(yú)類(lèi)顆粒餌料，測(cè)試表明餌料中未檢出糞大腸菌群，餌料含粗蛋白25.4%，粗脂肪6.8%，粗纖維9.2%，鈣1.2%，磷0.7%，灰分8.1%，滿足魚(yú)飼料營(yíng)養(yǎng)要求[25]。

3?豬糞中污染物處理

3.1?重金屬處理

堆肥可通過(guò)降低畜禽糞便中水溶態(tài)重金屬的含量和將水溶態(tài)重金屬絡(luò)合在腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)上從而降低產(chǎn)品中重金屬的生物有效性[26]。在好氧堆肥處理過(guò)程中，豬糞中Cr和Ni含量峰值均在第23、28天以后趨于平穩(wěn)，Cu、Mn和Zn含量峰值均在第41天保持穩(wěn)定，Pb總體是呈下降趨勢(shì)，在第13、23天其含量分別比第1天顯著下降61.22%和81.63%，在第41天以后其含量未檢出，有效Cu、Mn、Zn含量遠(yuǎn)低于元素總量，分別為2.35～5.79、17.82～20.28和47.39～70.29 ?mg/kg[27]。堆肥過(guò)程中添加生物炭有利于豬糞中重金屬活性的鈍化。李冉等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在豬糞堆肥處理中添加FeCl3改性生物炭對(duì)Cu、Zn和Pb元素表現(xiàn)出相對(duì)較好的鈍化能力，鈍化效果分別為78.70%、43.53%、66.45%。蚯蚓能富集豬糞中的Cu、Zn、Cd和As等重金屬元素并且降低豬糞中的重金屬含量，同時(shí)減少豬糞中的部分重金屬殘?jiān)鼞B(tài)比例，有利于重金屬的轉(zhuǎn)移和去除[29]。也有研究表明，蚯蚓堆制處理豬糞后，堆制物中Cu、Zn這2種重金屬元素含量分別降低了26.41%和19.58%，重金屬元素主要以殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，在蚯蚓的處理下逐漸向穩(wěn)定態(tài)方向轉(zhuǎn)化，可見(jiàn)蚯蚓處理能夠有效降低重金屬元素的生物有效性[30]。礦質(zhì)材料亦能夠有效鈍化豬糞中的重金屬，硫化鈉對(duì)豬糞中Cu的鈍化率可達(dá)86.84%，對(duì)Zn的鈍化率為65.64%，凹凸棒土對(duì)Cu的鈍化率為87.86%，對(duì)Zn的鈍化率為32.82%，粉煤灰對(duì)Cu的鈍化率為74.70%，硫化鈉和凹凸棒土可以作為鈍化豬糞中重金屬的添加劑[31]，并且有較好的效果。重金屬分離技術(shù)和鈍化技術(shù)相結(jié)合來(lái)處理豬糞中重金屬，不僅可以減少豬糞中Cu、Zn和Mn重金屬的總量，而且對(duì)于其生物利用性可有效降低。檸檬酸酸浸和硫化鈉鈍化對(duì)豬糞中Cu、Zn、Mn總處理效率顯著，分別達(dá)73.00%、61.44%、29.90%[32]。

3.2?抗生素處理

好氧堆肥有利于去除豬糞中的雌激素[4]，當(dāng)豬糞中多種雌激素共存時(shí)，其中初始濃度最大的雌激素具有較高的降解速率。雌激素的降解受光照、溫度、微生物等多種方面的影響，其中微生物影響最大。微生物活動(dòng)會(huì)影響堆體內(nèi)雌激素的降解速率，在堆肥中期微生物活動(dòng)最為活躍，且雌激素的降解速率最高，并且高于堆肥前期和后期[33]。好氧條件下的堆肥處理對(duì)于土霉素、四環(huán)素、金霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑、環(huán)丙沙星、恩諾沙星和泰樂(lè)菌素等主要類(lèi)別抗生素的去除率可達(dá)65.5%～100.0%。厭氧發(fā)酵對(duì)四環(huán)素、氨芐青霉素、磺胺甲氧二嗪的去除率可達(dá)100.0%，但對(duì)磺胺噻唑、磺胺二甲基嘧啶、磺胺氯噠嗪、泰樂(lè)菌素的去除率極低[10]。

4?展望

豬糞對(duì)環(huán)境的污染正由傳統(tǒng)概念上的氮、磷、碳等元素污染進(jìn)一步擴(kuò)增到重金屬和抗生素等污染，并且重金屬和抗生素產(chǎn)生的中間產(chǎn)物亦會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，資源化、無(wú)害化、增值化是未來(lái)處理豬糞的主要發(fā)展方向。

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