高温好氧堆肥对猪粪中重金属的钝化技术研究

谭文津，刘秀梅，汪怀健，丁君辉

（1．江西省环境信息中心，南昌 330077；2．江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200；3．江西省农业大学国土资源与环境学院，南昌 330045；江西省畜牧技术推广站，南昌 330077）

随着规模化和集约化畜禽养殖业的不断发展，产生的大量畜禽粪便对环境造成了严重威胁。而畜禽粪便中含有大量的重金属，对土壤和环境造成严重的污染，严重影响畜禽生长和人体健康。本研究以猪粪为研究对象，采用高温好氧堆肥方法，选用10%、20%添加量的风化煤、粉煤灰、草炭2 种重金属钝化剂6 个处理，研究其对重金属Cu、As、Cr 的水溶态、交换态的钝化效果；旨在选取最优重金属钝化方法，为畜禽粪肥的推广无污染使用提供技术依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

猪粪、稻壳、木屑均取自江西省南昌县银三角良种种猪场；粉煤灰购自江西晨鸣纸业集团公司；草炭购自江西省新干县；风化煤取自江西省宜春风化煤厂；秸秆腐殖质取自江西省农业科学院土肥所。堆肥原材料的理化性质见表1和表2。

表 1 堆肥物料性质

表2 堆肥原材料的重金属含量 mg/kg

1.2 试验方案

试验在江西省南昌县银三角良种种猪场内进行。处理对象为养殖场当天干清粪清理出来的猪粪，预先将猪粪、稻草、木屑（3∶1∶1）混合，设7 个处理（分别混入10%粉煤灰、20%粉煤灰、10%风化煤、20%风化煤、10%草炭、20%草炭、对照），3 次重复。

测定处理样堆肥前和堆肥后的Cu、Cr、As 的总量，水溶态、交换态含量。重金属的形态测定采用ICP 测定，重金属的形态分级采用Leleyter 连续萃取法：

1）水 溶 态: 准 确 称 取2 000 g 样品，置于100 mL 塑料离心管中，加入20 mL 去离子水，室温振荡30 min，以4 000 r/min 离心15 min，过0.45 μm滤膜，加1 滴浓HNO3，将滤液在4 ℃下保存备用。取上清液。

2） 交 换 态：将“1）” 的 残 留物，加 入1 mol/L 的 Mg(NO3)2溶 液20 mL，在室温下连续振荡2 h，以4 000 r/min 离心15 min，过0.45 μm滤膜，加1 滴浓HNO3,将滤液在4 ℃下保存备用 ；离心管中的样品用20 mL去离子水洗涤（振荡15 min，离心10 min），取上清液，过滤，收集备用。

分配率=不同形态含量/总浓度×100%；分配率差值=堆肥前的分配率－堆肥后的分配率；总体钝化效果=（堆前水溶态分配率+堆前交换态分配率－堆后水溶态分配率－堆后交换态分配率）/（堆前水溶态分配率+交换态分配率）×100%。

表3 不同钝化剂处理对铜、砷、铬总量的影响 mg/kg

表4 不同比例钝化剂处理堆肥前后重金属铜的形态变化

表5 不同比例钝化剂处理堆肥前后重金属砷的形态变化

2 结果与分析

2.1 不同比例钝化剂对猪粪堆肥重金属总量的影响

表3 为不同处理中铜、砷、铬的总量变化。可以看出经过好氧高温堆肥处理，水分散失，CO2及挥发性物质挥发损失，以及可降解的有机物在微生物作用下分解、转化为稳定的有机物使堆体变小，猪粪中各种重金属总量都有不同程度的升高，表现为明显的“相对浓缩效应”，这与郑国砥的纯猪粪堆肥重金属总量的变化和刘浩荣的不同重金属钝化剂对猪粪堆肥重金属总量变化表现一致 。总铜、砷、铬各处理含量为堆肥前的101%～273%，参照我国农用污泥中污染物控制标准（GB-4284-1984），各处理铜含量超标为15%～249%，砷、铬含量均未超标。

2.2 不同比例钝化剂对猪粪堆肥重金属形态的分布影响

2.2.1 不同比例钝化剂对猪粪堆肥重金属Cu 形态的分布影响

表4 可以看出，堆肥处理后，各处理水溶态、交换态Cu 的含量普遍降低。从堆肥后水溶态含量来看20%粉煤灰处理含量最低，除风化煤处理外，添加20%调理剂处理含量均低于添加10%调理剂处理；从堆肥后交换态含量来看风化煤20%处理含量最低，添加20%调理剂处理含量均低于添加10%调理剂处理。

图1 不同堆肥处理水溶态铜含量分配率变化差值

图2 不同处理交换态铜含量分配率变化差值

由图1 可以看出，各处理对水溶态铜都起到了钝化作用，且各处理之间对水溶态铜的钝化效果差异不同，其中风化煤20%处理的分配率差值明显高于其他处理，说明风化煤20%处理对水溶态铜的钝化效果最好。所有添加20%调理剂处理分配率差值均高于添加10%调理剂处理，说明所有添加20%调理剂处理对水溶态铜的钝化效果均好于添加10%调理剂处理。除粉煤灰10%处理外，其余各处理钝化效果均好于对照。

由图2 可以看出，各处理对交换态铜都起到了钝化作用，且各处理之间对交换态铜的钝化效果差异不同，其中风化煤20%处理的分配率差值最高，钝化效果最好。且所有添加20%调理剂处理分配率差值均高于添加10%调理剂处理，说明添加20%调理剂处理对交换态铜的钝化效果均好于添加10%调理剂处理的钝化效果，除草10%、粉10%处理外，其余各处理钝化效果均好于对照。

2.2.2 不同比例钝化剂对猪粪堆肥重金属As 形态的分布影响

由表5 可以看出，堆肥处理后，各处理水溶态、交换态As 的含量普遍降低。从堆肥后水溶态含量来看,除风化煤处理外，添加20%调理剂处理含量均低于添加10%调理剂处理,其中添加20%草炭处理含量最低，但各处理水溶态含量均比对照高；从堆肥后交换态含量来看风化煤10%处理含量最低，其余各处理含量均高于对照，且只有草炭处理添加20%处理含量均低于添加10%调理剂处理。

由图3 可以看出，各处理对水溶态砷都起到了钝化作用，且各处理之间对水溶态砷的钝化效果差异明显，仅有粉煤灰添加20%调理剂处理对水溶态砷的分配率差值高于添加10%调理剂处理。除风化煤处理外，其余各处理分配率均低于对照。各处理中风化煤10%处理的钝化效果最好，其分配率差值是对照处理的4 倍，明显好于其他处理，且风化煤20%处理的分配率差值也达到对照处理的3.5 倍，说明风化煤钝化水溶态的砷效果最好，但过量使用会影响钝化效果。

由图4 可以看出，各处理对交换态砷都起到了钝化作用，且各处理之间对交换态砷的钝化效果差异明显，无处理添加20%调理剂处理对水溶态砷的分配率差值高于添加10%调理剂处理。仅风10%、风20%、粉10%三处理分配率差值高于对照处理。风化煤10%、风化煤20%二处理分配率差值相同，且为最高，但堆后风10%含量低于风20%，说明风化煤10%处理对交换态的砷钝化效果最好，但风化煤过量使用对砷交换态钝化效果无明显影响。

图3 不同堆肥处理水溶态砷含量分配率变化差值

图4 不同处理交换态砷含量分配率变化差值

图5 不同堆肥处理水溶态铬含量分配率变化差值

图6 不同处理交换态铬含量分配率变化差值

表6 不同比例钝化剂处理堆肥前后重金属铬的形态变化

2.2.3 不同比例钝化剂对猪粪堆肥重金属Cr 形态的分布影响

由表6 可以看出，堆肥处理后，各处理水溶态、交换态Cr 含量普遍降低。从堆肥后水溶态含量来看，只有粉煤灰20%处理含量低于粉煤灰10%调理剂处理含量。粉煤灰20%处理含量最低，且低于对照处理含量，其他处理均高与对照处理含量；从堆肥后交换态含量来看，草炭处理、粉煤灰处理其20%添加剂处理低于10%调理剂处理含量，草10%、草20%、风10%、粉10%、粉20%处理堆肥后含量低于对照处理，其中粉煤灰20%处理堆肥后含量最低。

由图5 可以看出，各处理对水溶态铬都起到了钝化作用，各处理对水溶态铬的钝化效果差异明显。仅有风化煤添加20%调理剂处理对水溶态铬的分配率差值高于添加10%调理剂处理，草10%、风10%、20%、粉10%、粉20%五处理分配率差值高于对照处理分配率差值，其中粉10%处理分配率差值最高，为对照处理分配率差值的11倍，说明粉10%处理对水溶态砷的钝化效果最好。

由图6 可以看出，各处理对交换态铬都起到了钝化作用，钝化效果差异明显。仅粉煤灰20%处理对交换态铬的分配率差值高于粉煤灰10%处理，草10%、草20%、风10%、粉煤灰20%四处理分配率差值高于对照处理分配率差值，其中草10%处理分配率差值最高，说明草10%对交换态铬的钝化效果最佳。

2.3 小结

在猪粪高温好氧堆肥中添加10%和20%比例的粉煤灰、风化煤、草炭3 种重金属钝化剂，测定堆肥前后的铜、砷、铬总量，水溶态和交换态含量。结果表明，所有添加材料对Cu、As、Cr 均有不同程度的钝化作用，水溶态、交换态含量明显降低，其原因可能是受猪粪堆肥中腐殖质的影响所导致。且不同钝化剂对不同的重金属钝化效果不同，钝化剂不同比例对重金属的钝化效果也不同。对各重金属Cu、As、Cr 最优钝化处理效果如下：

1)猪粪堆肥重金属Cu 的最佳钝化剂及合适添加比例为风化煤20%处理，降低水溶态Cu 的分配率差值5.7%、交换态的Cu 的分配率差值3.6%。总体钝化效果达到76.8%。

2)猪粪堆肥重金属As 的最佳钝化剂及合适添加比例为风化煤10%处理，降低水溶态As 的分配率差值8.3%，降低交换态As 的分配率差值6.4%。总体钝化效果达到43.9%。

3)猪粪堆肥重金属Cr 的最佳钝化剂及合适添加比例为粉煤灰10%处理，降低水溶态Cr 的分配率差值3.6%，降低交换态Cr 的分配率差值5.5%，总体钝化效果达到83.5%。