不同預(yù)處理玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵重金屬鎘鈍化效果

李 軼，宮興隆，郭敬陽，曲壯壯，張 鎮(zhèn)，易維明

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255049）

0 引 言

隨著規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)量也逐年增加。2017 年全國畜禽糞便產(chǎn)量為35 億t，經(jīng)預(yù)測2020 年全國畜禽糞便排放量將達(dá)到48 億t[1]。大量排放未經(jīng)處理的畜禽糞便為環(huán)境帶來了極其嚴(yán)重的危害。而且在畜禽養(yǎng)殖的過程中，由于飼料中重金屬添加劑的使用，導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬元素含量較高[2-3]。施用于土壤后會引起土壤和農(nóng)作物重金屬污染，最終通過食物鏈危及人體健康[4-5]。鎘（Cd）作為人體非必需的重金屬元素，它對身體的危害是嚴(yán)重的，微量的Cd 通過食物鏈進(jìn)入體內(nèi)，即可通過生物放大和積累，對人的腎臟、免疫、神經(jīng)、心血管和骨骼等系統(tǒng)造成損傷，嚴(yán)重時會產(chǎn)生致癌效應(yīng)[6-7]。。另外，中國是農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，每年大約有4.5 億t 玉米秸稈產(chǎn)生[8]。大量的玉米秸稈隨意丟棄和焚燒，既造成資源浪費(fèi)，也污染環(huán)境。

沼氣厭氧發(fā)酵是中國政府大力倡導(dǎo)的處理畜禽糞污的方式，豬糞在畜禽糞污中占比較大。目前全國戶用沼氣池總數(shù)達(dá)到4 193.3 萬戶，以畜禽糞污為主要原料的沼氣工程110 517 處，因此沼肥產(chǎn)量巨大[9]。為保證施用沼肥的安全性，開展畜禽糞污沼氣發(fā)酵過程沼肥中重金屬形態(tài)、結(jié)構(gòu)及增加重金屬穩(wěn)定機(jī)制的研究極為迫切。在沼氣發(fā)酵處理畜禽糞便的過程中，添加秸稈能在一定程度上減少重金屬的危害。白帆等[10]研究表明在豬糞厭氧發(fā)酵過程中添加玉米秸稈能減少Cu 和Zn 在沼渣中的可交換態(tài)含量和生物有效性百分含量；張輝等[11]的研究也表明，添加玉米秸稈有助于提高豬糞中重金屬有效態(tài)的鈍化效果。在豬糞厭氧發(fā)酵中添加玉米秸稈不僅可以改善玉米秸稈由于廢棄、焚燒引起的環(huán)境污染，還可以滿足沼氣發(fā)酵對合理C/N 的要求。然而，由于秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等大分子物質(zhì)不易被微生物降解，添加玉米秸稈作為厭氧發(fā)酵的原料存在著發(fā)酵時間長、降解率低、易結(jié)殼影響發(fā)酵進(jìn)行等問題[12]。因此有必要對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，而且研究成果也表明，經(jīng)過NaOH、H2SO4等預(yù)處理后，可以有效促進(jìn)玉米秸稈中木質(zhì)素、纖維素的分解，提高物料中腐殖質(zhì)的生成，對重金屬的鈍化有較好的效果[13]。

目前，關(guān)于添加預(yù)處理玉米秸稈在畜禽糞便厭氧處理對重金屬的影響及對厭氧發(fā)酵前后有機(jī)物的結(jié)構(gòu)變化的影響研究報(bào)道的較少。傅立葉紅外光譜法（FTIR）由于具有測量所需樣品量小，靈敏度高，測量速度快等特點(diǎn)，可以用于檢測分析畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)的官能團(tuán)及結(jié)構(gòu)變化特征[14]。因此本文通過BCR 連續(xù)提取法探究不同預(yù)處理玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵過程中重金屬Cd 的形態(tài)變化及鈍化效果的影響，同時采用FTIR 技術(shù)，研究不同預(yù)處理玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵后物料中有機(jī)物的結(jié)構(gòu)變化的影響，以期揭示重金屬鈍化與有機(jī)物腐殖化程度的關(guān)系，為豬糞減害化處理、資源化利用提供新的途徑和方法，為減少畜牧養(yǎng)殖重金屬污染提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮豬糞取自于遼寧省沈陽東陵郊區(qū)養(yǎng)豬場，接種物取自于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地正常運(yùn)行的戶用沼氣池，豬糞和接種物取回后放置于實(shí)驗(yàn)室馴化。玉米秸稈取自于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)田，自然風(fēng)干，粉碎備用。表1為豬糞和秸稈的主要化學(xué)成分表。

表1 豬糞和秸稈主要成分表 Table 1 Main ingredient list of pig manure and corn stalk

1.2 不同預(yù)處理?xiàng)l件下玉米秸稈的制備

酸處理秸稈：2%的稀H2SO4以固液比1∶10（g·mL-1）在室溫條件下浸泡72 h。堿處理秸稈：2%的NaOH 以固液比1∶10（質(zhì)量（g）體積（mL）比）在室溫條件下浸泡72 h?？瞻讟悠诽幚斫斩挘喝ルx子水浸泡72 h。處理完畢后，用去離子水反復(fù)沖洗秸稈至濾液為中性，60 ℃烘干樣品，密封保存。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)以新鮮豬糞為發(fā)酵原料，采用厭氧發(fā)酵方法，一次進(jìn)料，發(fā)酵周期為90d。試驗(yàn)設(shè)置3 個處理組，每個處理重復(fù)4 次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。4 個試驗(yàn)處理分別為，T1：單獨(dú)以豬糞為發(fā)酵原料（CK）；T2：以豬糞為發(fā)酵原料，添加經(jīng)過物理粉碎方法處理的玉米秸稈；T3：以豬糞為發(fā)酵原料，添加稀H2SO4處理的玉米秸稈； T4：以豬糞為發(fā)酵原料，添加NaOH 處理的玉米秸稈。根據(jù)文獻(xiàn)，厭氧發(fā)酵的條件為溫度35 ℃，接種物量30%，TS為10%，pH 值為7.0 發(fā)酵效果較好[15]。豬糞發(fā)酵時添加不同處理的玉米秸稈，添加量按玉米秸稈與豬糞C/N 為25∶1（秸稈與豬糞干物質(zhì)質(zhì)量比為1∶2）進(jìn)行配比，這樣的C/N 比滿足厭氧發(fā)酵過程中微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的最佳需求[16]。

1.4 主要測定項(xiàng)目與方法

沼渣的采?。簠捬醢l(fā)酵后經(jīng)過濾取出沼渣，用去離子水洗滌2～3 次，離心后的沉淀物在40 ℃條件下烘干，研磨并通過100 目尼龍篩。

重金屬形態(tài)形態(tài)提取及含量測定：采用1987 年歐共體標(biāo)準(zhǔn)司提出的BCR 連續(xù)提取法，將重金屬形態(tài)按生物可利用性的大小順序分為可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[17]；再采用電感耦合等離子光譜法（ICP）測定干燥基沼渣中重金屬各形態(tài)含量。

FTIR 分析：將發(fā)酵后的沼渣按照1∶400 與光譜純的干KBr 混合，用研缽精細(xì)研磨并壓成薄片，用FTIR 光譜儀在4 000～1 000 cm-1區(qū)間進(jìn)行掃描，記錄其光譜。根據(jù)測定結(jié)果計(jì)算以下指標(biāo)[18-19]

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Office Excel 2013 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS24.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，采用Omnic 軟件繪制紅外光譜圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣中重金屬形態(tài)的影響

豬糞厭氧發(fā)酵前后各處理沼渣中重金屬Cd各形態(tài)變化如表2 所示。

由表2 可知，豬糞厭氧發(fā)酵前重金屬Cd 以可還原態(tài)（42.78%）為主，可交換態(tài)（30.77%）次之。豬糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵（T1）結(jié)束后，可交換態(tài)、可還原態(tài)Cd 降低，可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)Cd 增加。說明豬糞厭氧發(fā)酵處理能有效降低重金屬Cd 的有效性和流動性，降低重金屬的污染風(fēng)險。與豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理（T1）相比，添加不同預(yù)處理玉米秸稈厭氧發(fā)酵過程中，可交換態(tài)、可還原態(tài)Cd 含量占比均有所下降，可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)Cd 含量占比均有所上升。說明在豬糞厭氧發(fā)酵過程中添加玉米秸稈有助于重金屬Cd 從有效態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)。

重金屬對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)形成污染危害主要取決于重金屬的化學(xué)形態(tài)[20]。不同形態(tài)重金屬的可移動性和生物可利用性不同，生物毒性也不同[21]。其中有效態(tài)重金屬Cd 包含的可交換態(tài)和可還原態(tài)對環(huán)境變化較為敏感，在土壤—植物系統(tǒng)中遷移較為活躍，這兩種形態(tài)對環(huán)境和生物危害最大?？裳趸瘧B(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的性質(zhì)較為穩(wěn)定，不易被植物吸收，對環(huán)境影響較小，屬于穩(wěn)定形態(tài)[22]。因此降低重金屬可利用態(tài)對于重金屬污染治理具有重要意義。

2.2 添加玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣中重金屬有效態(tài)鈍化效果的影響

不同處理對重金屬的鈍化效果不同，圖1 是添加玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵有效態(tài)重金屬Cd 鈍化效果的影響。

圖1 各處理沼渣中重金屬Cd 有效態(tài)鈍化效果 Fig.1 Passivation effect of effective state of heavy metal Cd in biogas residue of each treatment

如圖1 所示，對照組處理對有效態(tài)Cd 鈍化效果為21.22%，說明豬糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵可以降低有效態(tài)Cd 的生物有效性。豬糞添加不同預(yù)處理玉米秸稈厭氧發(fā)酵結(jié)束后重金屬Cd 有效態(tài)鈍化效果有所提高，有效態(tài)鈍化效果由高到低依次為：添加NaOH 處理秸稈（32.38%）>添加稀H2SO4處理秸稈（32.00%）>添加不經(jīng)過處理的秸稈（29.60%）>對照組（21.22%）。通過對重金屬Cd 的有效態(tài)鈍化效果進(jìn)行方差分析顯示，添加玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵重金屬 Cd 有效態(tài)鈍化效果有極顯著的影響（P<0.01）。通過多重比較分析結(jié)果表明，添加稀H2SO4處理玉米秸稈和NaOH 處理玉米秸稈的鈍化效果顯著高于添加不經(jīng)過處理的玉米秸稈組（P<0.05）；添加NaOH處理玉米秸稈和稀H2SO4處理玉米秸稈的鈍化效果無顯著差異（P>0.05）。

2.3 添加玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵沼渣紅外光譜的影響

本試驗(yàn)使用傅里葉紅外光譜法（FTIR），通過特定波段吸收峰位置來確定厭氧發(fā)酵前后物料中官能團(tuán)變化信息，反映發(fā)酵過程中有機(jī)物和腐殖質(zhì)的變化情況[23]。厭氧發(fā)酵前后沼渣的紅外光譜的變化情況如圖2 所示。根據(jù)相關(guān)報(bào)告，3 408～3 450 cm-1波段表示-OH 伸縮振動，來源于有機(jī)物中碳水化合物、蛋白質(zhì)、水分、酰胺化合物的羥基吸收；2 850～2 922 cm-1波段代表碳水化合物或脂肪族化合物中甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）的不對稱和對稱拉伸；1 600～1 653 cm-1的吸收帶可能是由于苯環(huán)、烯烴上的-C=C-振動或羧酸、酰胺上的-C=O-的拉伸振動造成的；1 420～1 430 cm-1的條帶對應(yīng)于羧酸鹽、木質(zhì)素的-OH、-CH2的彎曲振動、-COO-的對稱振動；1 240～1 264 cm-1表示芳醚、酚類、酯類等物質(zhì)C-O-C、C-O 伸縮振動峰：1 105～1 160 cm-1是脂肪族化合物、碳水化合物、氨基酸鹽的C-O-C、C-O、C-N 伸縮振動峰；1 037～1 053 cm-1是碳水化合物C-O 伸縮、-OH 彎曲振動峰[24-26]。

圖2 豬糞添加玉米秸稈厭氧發(fā)酵前后紅外光譜圖 Fig.2 Infrared spectrum before and after anaerobic fermentation of pig manure and pig manure adding maize stover

由圖2 可知，豬糞厭氧發(fā)酵前后不同處理物料具有類似的結(jié)構(gòu)組成和官能團(tuán)，僅在相對強(qiáng)度上存在一些差異。這可能是因?yàn)殡m然添加了不同預(yù)處理方式的玉米秸稈，但其主要發(fā)酵原料仍是豬糞，這一結(jié)果與欒潤宇等的研究結(jié)果一致[27]。其中，強(qiáng)度變化較為明顯的峰值分別是3 408～3 422、2 850～2 922、1 642～1 653、1 240～1 264 和1 105～1 160 cm-1。

在3 408～3 414 cm-1，即碳水化合物、酰胺化合物、蛋白質(zhì)的-OH 伸縮振動峰處，厭氧發(fā)酵后各處理在該處吸收峰的相對強(qiáng)度均有所降低。這表明豬糞中的碳水化合物、蛋白質(zhì)和酰胺化合物逐漸分解，導(dǎo)致羥基基團(tuán)不斷減少，物料的化學(xué)成分發(fā)生了明顯變化。在2 850～2 922 cm-1，即脂肪族化合物和碳水化合物亞甲基中C-H伸縮振動峰處相對強(qiáng)度也有所降低。表明物料中碳水化合物和脂肪族化合物等大分子有機(jī)物在微生物的作用下發(fā)生水解，導(dǎo)致其含量減小。在1 105～1 160 cm-1，即氨基酸鹽的C-O-C、C-O、C-N 伸縮振動峰處，各處理在該處的吸收峰有一定的增強(qiáng)。表明蛋白質(zhì)類物質(zhì)在微生物的作用下水解為氨基酸，這一特征與厭氧發(fā)酵過程中將復(fù)雜有機(jī)物水解產(chǎn)生可溶性物質(zhì)的過程一致[28]。在1 642～1 653 cm-1處，即羧酸類的C=O 伸縮、-COO-伸縮以及芳香族和烯烴的C=C 伸縮、N-H 伸縮振動峰，和1 240～1 264cm-1，即芳醚、酚類、酯類等物質(zhì)C-O-C、C-O 伸縮振動峰處，厭氧發(fā)酵后各處理組在該處吸收峰的相對強(qiáng)度均有所提高。表明厭氧發(fā)酵過程中隨著纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物料的降解，木質(zhì)素的降解產(chǎn)物如酚類、酯類等含量提高，且木質(zhì)素殘?bào)w與其他分解生成的有機(jī)中間產(chǎn)物聚合生成腐殖質(zhì)，導(dǎo)致芳香環(huán)類、烯烴類等腐殖質(zhì)含量增加。綜上所述，在豬糞發(fā)酵過程中，含有-OH、-CH3和-CH2基團(tuán)的物質(zhì)相對減少，含有C-O-C、C-O、C=O、-COO-和芳香環(huán)基團(tuán)的物質(zhì)含量增加。說明豬糞厭氧發(fā)酵可以促進(jìn)大分子有機(jī)物的分解和腐殖質(zhì)的形成。

另外，在1 647 cm-1（芳香族化合物）處的特征峰強(qiáng)度與2 974 cm-1（脂肪族化合物）、1 406 cm-1（羧酸）、3 435 cm-1（碳水化合物）的比值可以表示物料中有機(jī)物的結(jié)構(gòu)變化，評價豬糞厭氧發(fā)酵有機(jī)物腐殖化的程度[29]。比值越高表明有機(jī)物中碳水化合物、脂肪族化合物、羧酸類物質(zhì)含量減少，芳香族化合物含量增加，物料中有機(jī)物腐殖化程度越高。厭氧發(fā)酵前后各處理的特征參數(shù)如表3 所示，a 是芳香族化合物/脂肪族化合物，b 表示芳香族化合物/羧酸鹽，c 是芳香族化合物/碳水化合物。

表3 各處理沼渣中FTIR 特征參數(shù)比值 Table 3 The ratio of FTIR specific parameters in biogas residues of each treatment

由表3 可知，豬糞厭氧發(fā)酵前物料中a 值為0.827，對照組中a 值為0.829，添加玉米秸稈處理組中a 值為0.853～0.932；發(fā)酵前物料中b 值為1.137，發(fā)酵后各處理組中b 值從大到小依次為添加NaOH 處理玉米秸稈（1.160）、添加稀H2SO4處理玉米秸稈（1.159）、添加玉米秸稈（1.159）、對照組（1.156）；發(fā)酵前物料中c值為0.596，發(fā)酵后除豬糞添加不經(jīng)過處理玉米秸稈組的c 值略有降低外，添加不同預(yù)處理玉米秸稈中的c 值均增加。

由表3 官能團(tuán)及特征參數(shù)比值的變化表明，豬糞厭氧發(fā)酵后物料中脂肪族化合物、碳水化合物、羧酸等有機(jī)物減少，芳香族類物質(zhì)相對增加，腐殖化程度有所提高，添加玉米秸稈處理強(qiáng)化了有機(jī)物腐殖化程度。這可能是因?yàn)椋?）添加玉米秸稈提高了物料的孔隙率，為微生物分解碳水化合物、脂肪族、多糖等有機(jī)物提供更適宜的環(huán)境和更多的附著位點(diǎn)；2）玉米秸稈中含有較多的木質(zhì)素，經(jīng)過厭氧發(fā)酵分解生成腐殖質(zhì)，增加物料中腐殖質(zhì)濃度，有利于吸附固定更多的重金屬Cd，提高重金屬的鈍化效果。因此，豬糞厭氧發(fā)酵中重金屬的形態(tài)變化和鈍化效果與物料中有機(jī)質(zhì)的減少和腐殖質(zhì)的形成具有一定的相關(guān)性[30]。

豬糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵及添加玉米秸稈可有效地鈍化重金屬，增加腐殖化程度，可從以下方面加以理解：1）腐殖質(zhì)是有機(jī)物腐殖化的最終產(chǎn)物，具有高穩(wěn)定性和強(qiáng)吸附性，其主要組成元素為碳、氫、氧、氮、硫、磷等[31]。通過腐殖質(zhì)中大量的羧基、羰基等絡(luò)合官能團(tuán)與螯合官能團(tuán)的絡(luò)合吸附作用，使具有高活性的有效態(tài)Cd 大幅減少。腐殖質(zhì)的形成與木質(zhì)素降解有著密切的關(guān)系[32]。木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物如酚型化合物、醌型化合物及脂肪族化合物是腐殖質(zhì)形成的主要前提物質(zhì)，它們通過復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制形成腐殖質(zhì)[33]。添加玉米秸稈提高了發(fā)酵原料中木質(zhì)素含量，增加了物料中腐殖質(zhì)含量，從而有利于降低重金屬Cd 的生物有效性；2）沼氣發(fā)酵是微生物參與的生物過程，從沼氣發(fā)酵的工藝條件出發(fā)，理論上沼氣發(fā)酵最適宜的C/N 比為25∶1。C/N 比過低，導(dǎo)致微生物所需的氮素營養(yǎng)缺失，C/N 比過高，則限制微生物分解有機(jī)質(zhì)。本試驗(yàn)通過添加玉米秸稈調(diào)節(jié)沼氣發(fā)酵中的C/N比為25∶1，為厭氧微生物分解有機(jī)物和合成腐殖質(zhì)提供了最適宜的環(huán)境，從而提高了對重金屬Cd 的鈍化效果，但其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。3）秸稈是一種結(jié)構(gòu)致密的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)，在厭氧條件下難以被微生物分解[34]。秸稈經(jīng)稀H2SO4、NaOH 處理后，會破壞細(xì)胞壁中半纖維素與木質(zhì)素形成的共價鍵，破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)玉米秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的分解，且蛋白質(zhì)、糖類等有機(jī)物的降解率也得到了提高，并被轉(zhuǎn)化成了易被厭氧微生物利用的可溶性物質(zhì)，從而促進(jìn)其厭氧發(fā)酵水解階段及聚合生成腐殖質(zhì)階段的進(jìn)行[35-36]。而添加NaOH 處理的玉米秸稈發(fā)酵后對Cd 鈍化效果與添加稀H2SO4處理的玉米秸稈的效果差異不顯著（P>0.05）的原因可能是稀H2SO4對木質(zhì)纖維素的降解作用弱于NaOH，這方面有待進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)及機(jī)理研究。

3 結(jié) 論

1）豬糞經(jīng)厭氧發(fā)酵及添加玉米秸稈，重金屬Cd 的可交換態(tài)、可還原態(tài)降低，而可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)增加；

2）豬糞厭氧發(fā)酵及添加玉米秸稈有利于降低有效態(tài)重金屬Cd 的含量占比，提高Cd 的有效態(tài)鈍化效果。顯著性分析表明，玉米秸稈對豬糞厭氧發(fā)酵Cd 有效態(tài)鈍化效果有極顯著影響（P<0.01），添加酸堿處理玉米秸稈對Cd 鈍化效果顯著優(yōu)于添加只進(jìn)行物理粉碎處理的玉米秸稈（P<0.05）；添加稀H2SO4處理玉米秸稈對Cd 鈍化效果與添加NaOH 處理玉米秸稈差異不顯著（P > 0.05）。豬糞厭氧發(fā)酵過程中添加稀H2SO4和NaOH 處理秸稈可降低重金屬的危害。

3）FTIR 及其特征參數(shù)比值顯示，豬糞厭氧發(fā)酵及添加秸稈各處理沼渣中有機(jī)物含量減少，芳香族類化合物含量增加，有機(jī)物腐殖化程度增加。添加玉米秸稈處理可以提高沼渣中腐殖質(zhì)含量，強(qiáng)化腐殖化程度。顯著性分析表明，添加酸堿處理玉米秸稈處理沼渣中腐殖化程度明顯高于豬糞單獨(dú)發(fā)酵及添加物理粉碎玉米秸稈處理（P<0.05），且以添加NaOH 處理玉米秸稈為最佳，添加稀H2SO4處理玉米秸稈次之。