牛糞好氧堆肥過程中重金屬鉛的形態(tài)變化

文│王振 （黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院）

重金屬鉛（Pb）廣泛存在于采礦、化工及冶煉過程中產(chǎn)生的廢水，從而污染水體環(huán)境，近年來，城鄉(xiāng)居民對肉、蛋、奶的需求不斷上升，同時(shí)受政策的引導(dǎo)作用，畜牧業(yè)總產(chǎn)值在農(nóng)業(yè)中的占比越來越高，2021年畜牧業(yè)總產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的50.96%，由于飼料生產(chǎn)工藝水平的差異及部分規(guī)?；B(yǎng)殖場缺乏科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致過量的重金屬鉛隨畜禽糞便進(jìn)入環(huán)境中，畜禽糞污的還田利用成為重金屬鉛污染的主要來源。

鉛在土壤環(huán)境中可與有機(jī)分子形成各種有毒化合物，具有潛伏期長、生物毒性大的特點(diǎn)，鉛在環(huán)境中的遷移主要取決于其形態(tài)，如果不考慮鉛的化學(xué)形態(tài)，就無法預(yù)估環(huán)境中鉛及其化合物對生態(tài)系統(tǒng)和人體的潛在毒性，而好氧堆肥是常用的畜禽糞污無害化手段之一，堆肥過程中糞便腐殖化、pH和電導(dǎo)率的改變使其具有鈍化糞污中重金屬鉛的潛力，降低糞污還田利用帶來的環(huán)境壓力。

牛糞具有排放量大、質(zhì)地細(xì)密等性質(zhì)，牛糞經(jīng)發(fā)酵腐熟作為有機(jī)肥還田利用得到廣泛關(guān)注，筆者將檢測牛糞在好氧堆肥過程中重金屬鉛的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，為降低牛糞有機(jī)肥還田利用過程中對土壤環(huán)境的潛在危害提供理論依據(jù)。

一、試驗(yàn)方法

1.試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)。試驗(yàn)在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院富拉爾基科研基地進(jìn)行，試驗(yàn)牛糞取自科研基地周邊養(yǎng)殖場。將固液分離后的新鮮牛糞平鋪晾曬至水分適宜進(jìn)行好氧堆肥（55%～65%），使用鏟車將牛糞建成3個(gè)平行條剁形堆體，尺寸為3米×2米×1.5米，條剁堆體之間留有過車通道，中間條剁用于試驗(yàn)，兩側(cè)條剁用于對照。試驗(yàn)期間監(jiān)測堆體溫度，當(dāng)堆體溫度達(dá)65℃以上時(shí)對牛糞堆體進(jìn)行取樣，然后進(jìn)行翻堆，好氧堆肥共進(jìn)行60天。

2.測定項(xiàng)目與分析方法。試驗(yàn)于0、3、7、13、20、30、45、60天從不同角度、深度、高度取牛糞樣品進(jìn)行混合，采用四分法對混合樣品進(jìn)行篩分，最終樣品共分兩份，一份自然風(fēng)干用于測定牛糞中重金屬鉛及不同形態(tài)鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另一份鮮樣用于測定牛糞的pH。重金屬鉛的形態(tài)提?。山粨Q態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)）參考改進(jìn)BCR提取法進(jìn)行，參照電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定重金屬鉛的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并根據(jù)公式計(jì)算不同形態(tài)分配率，同時(shí)以固液比1∶10的比例將牛糞樣品加入蒸餾水中震蕩1小時(shí)、靜置1小時(shí)后測定pH?；?yàn)所得數(shù)據(jù)通過WPS整理，并通過SPSS 22.0和OriginPro 2021等軟件進(jìn)行圖表繪制和統(tǒng)計(jì)分析。

不同形態(tài)重金屬鉛的分配率計(jì)算公式如下：

二、結(jié)果與討論

1.重金屬鉛在好氧堆肥過程中總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。由圖1可知，牛糞中重金屬鉛的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時(shí)間的延長呈上升趨勢，從初始牛糞的23.61毫克/千克上升到38.67毫克/千克（堆肥60天后），提高63.79%。好氧堆肥至7天，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增速最快，質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到30.81毫克/千克，提高30.5%，好氧堆肥至30天，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增速逐漸放緩，質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到37.6毫克/千克，提高59.25%，占總增重的92.9%，好氧堆肥后30天，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，由此可見，好氧堆肥的升溫期和高溫期是重金屬鉛總質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化的主要時(shí)期。

圖1 好氧堆肥過程中重金屬鉛的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

結(jié)合重金屬鉛總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況進(jìn)行分析，牛糞好氧堆肥過程中外源重金屬鉛的輸入可忽略不計(jì)，重金屬的“濃縮效應(yīng)”是造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因。在好氧堆肥過程中，牛糞有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間降解堆體體積降低，同時(shí)重金屬鉛屬于灰分部分，不會隨堆體體積的下降而下降。好氧堆肥前30天為升溫期和高溫期，此階段堆體溫度在60℃以上，是牛糞中有機(jī)質(zhì)腐殖化最活躍的時(shí)期，堆體體積降低最大，這與重金屬鉛總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加趨勢相互驗(yàn)證了“濃縮效應(yīng)”是重金屬鉛總質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升的主要原因。

2.好氧堆肥對不同形態(tài)重金屬鉛的分配率影響。由圖2可知，初始牛糞重金屬鉛以氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主，分別為35.26%、36.05%，氧化態(tài)重金屬鉛隨好氧堆肥過程先下降后上升，好氧堆肥3天分配率降至31.23%，下降11.43%，隨后重金屬鉛分配率逐漸上升，好氧堆肥30天時(shí)分配率上升到43.26%，提高22.69%，之后分配率隨堆肥時(shí)間的延續(xù)上升不明顯，好氧堆肥60天時(shí)，分配率上升到44.08%，堆肥時(shí)間對分配率的影響差異不顯著（P＞0.05）。殘?jiān)鼞B(tài)重金屬鉛隨好氧堆肥的進(jìn)行有上升趨勢，好氧堆肥60天時(shí)分配率上升到39.91%，上升10.7%，與此同時(shí)，好氧堆肥0、3、7天分配率差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥20、33、45、60天分配率差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 好氧堆肥過程中不同形態(tài)重金屬鉛的分配率變化

還原態(tài)重金屬鉛的分配率隨堆肥時(shí)間的推移先上升后下降，初始牛糞分配率為21.02%，好氧堆肥3天時(shí)分配率上升至22.72%，上升8.09%，隨后分配率迅速下降，好氧堆肥20天時(shí)，分配率降低至15.3%，比較好氧堆肥3天時(shí)下降32.66%，好氧堆肥20天后，分配率持續(xù)下降，但下降速率逐漸放緩，好氧堆肥60天時(shí)分配率降低至13.75%，比較好氧堆肥20天時(shí)下降了10.13%?？山粨Q態(tài)重金屬鉛在牛糞中的分配率較低，分配率集中在2.26%～8.96%，并隨好氧堆肥進(jìn)程有下降趨勢，但幅度較小，分配率的變化趨勢與還原態(tài)相似，好氧堆肥3天時(shí)分配率最高。

由上文可知，重金屬鉛的形態(tài)變化主要發(fā)生在好氧堆肥的前中期，堆肥后期由于堆體理化性質(zhì)變化放緩，重金屬鉛形態(tài)的變化也隨之放緩。由于堆肥初期堆體溫度未達(dá)到翻堆溫度，堆體中氧分含量降低，堆體中積累的有機(jī)酸無法轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致堆體pH下降，重金屬鉛的氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)被短暫活化，分配率下降，轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)和還原態(tài)，隨著好氧堆肥的進(jìn)行，牛糞中的有機(jī)質(zhì)隨翻堆進(jìn)行腐殖化程度加劇，腐殖化產(chǎn)生的腐殖質(zhì)中含有大量強(qiáng)吸附基團(tuán)，與重金屬鉛通過絡(luò)合、螯合或吸附等方式結(jié)合更加緊密，使重金屬鉛轉(zhuǎn)換為更加穩(wěn)定的氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，好氧堆肥30天后，牛糞腐殖化變緩，重金屬鉛的形態(tài)變化也隨之變緩。

重金屬鉛的“濃縮效應(yīng)”會導(dǎo)致總質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨好氧堆肥時(shí)間不斷上升，不同形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢不能反映真實(shí)的變化情況，故對重金屬鉛不同形態(tài)的變化趨勢使用分配率進(jìn)行探討，以說明不同形態(tài)重金屬鉛的分配率變化情況。

三、結(jié)論

本試驗(yàn)以牛糞中的重金屬鉛為研究對象，以好氧堆肥為試驗(yàn)工藝，探討好氧堆肥對不同形態(tài)重金屬鉛的影響效果，為降低牛糞有機(jī)肥在還田利用過程中的潛在危害性提供理論依據(jù)。結(jié)論如下：好氧堆肥期間由于“濃縮效應(yīng)”，牛糞中重金屬鉛的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從23.61毫克/千克上升至38.67毫克/千克。初始牛糞重金屬鉛以氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主，氧化態(tài)重金屬鉛隨好氧堆肥先下降后上升，好氧堆肥3天時(shí)分配率從35.26%降至31.23%，好氧堆肥30天時(shí)分配率上升到43.26%，之后分配率隨堆肥時(shí)間上升的不明顯，好氧堆肥60天時(shí)分配率上升到44.08%。殘?jiān)鼞B(tài)重金屬鉛隨好氧堆肥的進(jìn)行有上升趨勢，好氧堆肥60天時(shí)分配率上升到39.91%，與此同時(shí)，好氧堆肥0、3、7天分配率差異不顯著，好氧堆肥20、33、45、60天分配率差異不顯著。還原態(tài)重金屬鉛的分配率隨堆肥時(shí)間的推移先上升后下降，初始牛糞分配率為21.02%，好氧堆肥3天時(shí)分配率上升至22.72%，隨后分配率迅速下降，好氧堆肥20天時(shí)分配率降低至15.30%，好氧堆肥60天時(shí)分配率降低至13.75%，可交換態(tài)重金屬鉛在牛糞中的分配率較低，分配率集中在2.26%～8.96%。