钝化剂对猪粪厌氧发酵产气特性及重金属含量的影响

张 辉， 陈 梅， 马 群， 曲壮壮， 于嘉琪， 卢丹妮， 谷士艳， 张 镇， 李 轶

(沈阳农业大学 工程学院， 辽宁 沈阳 110866)

钝化剂对猪粪厌氧发酵产气特性及重金属含量的影响

张 辉， 陈 梅， 马 群， 曲壮壮， 于嘉琪， 卢丹妮， 谷士艳， 张 镇， 李 轶

(沈阳农业大学 工程学院， 辽宁 沈阳 110866)

为了减少重金属污染，文章在猪粪厌氧发酵过程中添加钝化剂，探讨钝化剂对甲烷含量、重金属含量的影响，以期为减少重金属污染提供有效途径。笔者选用钝化剂种类、钝化剂浓度及温度3个因素，每个因素取3个水平，采用正交设计的方法，对猪粪进行厌氧发酵。结果表明：影响猪粪厌氧发酵甲烷含量的因素主次顺序为：钝化剂种类、温度、钝化剂浓度,甲烷含量最高的处理为采用7.5%浓度的活性炭钝化剂，在35℃条件下反应的处理组合；影响猪粪厌氧发酵后重金属Cu含量的因素主次顺为：温度、钝化剂种类、钝化剂浓度， Cu含量减少最多的处理为温度为25℃，5%浓度粉煤灰钝化剂的处理组合；影响猪粪厌氧发酵后重金属Zn含量的因素主次顺为钝化剂种类、温度、钝化剂浓度, Zn含量减少最多的处理为：5%浓度的粉煤灰钝化剂，温度为25℃的处理组合。猪粪厌氧发酵后，各组试验中沼渣中重金属含量均降低,沼液中重金属含量均增加，大多数组重金属总的含量减小。

钝化剂； 猪粪； 厌氧发酵； 重金属； 甲烷含量； 沼气产量

当前，我国规模化养殖场多以配合饲料喂养，为了防治畜禽疾病、促进生长和提高饲料利用效率，一些微量元素如Cu，Zn，Fe，As被广泛应用于饲料添加剂[1-3]。由于这些微量元素在动物体内生物效价很低，大部分都随畜禽粪便排放到环境中。Kornegay[4]等研究发现，添加到饲料中的铜有超过90%的将会在畜禽粪便中排出。Nicholson[5]等研究报道称，畜禽粪便已成为土壤中Cu，Zn等重金属的重要来源，其对土壤铜和锌积累的年贡献率分别为37.40%和8%～17%。若含高量重金属的畜禽粪便长期连续施用于菜园土壤，蔬菜体内的重金属积累量可能会升高，从而通过食物链危害人体健康。

猪粪已成为面源污染的主要来源。如何减少畜禽粪便的污染，国内外学者赵青玲[6]、李尧琴[7]、高锋[8]、杨虹[9]、刘浩荣[10]等对养猪场废水进行处理并探讨了减少重金属污染及沼液利用安全性方面的研究。但目前对于猪粪厌氧处理过程中加入钝化剂后对其产气量和重金属的影响还少有报道，因此本文探讨在猪粪厌氧发酵过程中加入钝化剂，研究钝化剂对产气特性和金属含量的影响，以期为厌氧发酵处理畜禽粪便提供理论数据，为减少重金属污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验原料

猪粪(新鲜猪粪)取自沈阳东陵郊区养猪场；沼液取自沈阳东陵郊区正常运行的户用沼气池；猪粪沼液取回后放实验室驯化。猪粪中重金属Cu含量为292.609 mg·L-1，重金属Zn含量为342.26 mg·L-1；接种物重金属Cu含量为5.55 mg·L-1，重金属Zn含量为53.55 mg·L-1。粉煤灰取自沈阳农业大学锅炉房。硅藻土及颗粒活性炭均购买于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验方案

试验采用批式发酵工艺，发酵周期是35 d。研究温度、钝化剂种类、钝化剂浓度这3个因素对猪粪厌氧发酵的影响。根据文献中表示其他条件相同时接种物量为 30%，温度为中温条件 ，TS 为 12%发酵效果最好[11]，pH 值为 6.5 ～7.8[12]， 因此笔者设定每个发酵罐接种物量30%，TS为12%，pH值为7.0。试验采用正交试验的方法进行试验。因素水平表见表1。

表1 因素水平表

1.3 测试项目与方法

TS的测定采用重量法；猪粪中VS测定采用重量法；产气量测定采用体积法；甲烷含量的测定采用CV313JR型便携式沼气分析仪测定；pH值测定采用电位法；重金属含量测定采用原子吸收光度法。

2 结果与分析

根据实验设计方案进行分析，猪粪厌氧发酵后沼气产量、甲烷含量及沼渣中重金属Cu和Zn含量的测定结果和极差分析分别如表2和3所示。

表2 猪粪厌氧发酵沼气产量、甲烷含量及沼渣沼液中重金属Cu和Zn的测定结果

2.1 钝化剂对猪粪厌氧发酵沼气总产气量的影响

2.1.1 猪粪厌氧发酵前后沼气产量极差分析

从表3可以看出，影响沼气产量因素的主次顺序为温度、钝化剂种类、钝化剂浓度，其中最优的处理组是温度为35℃时，以浓度为5%的粉煤灰为钝化剂。

2.1.2 猪粪厌氧发酵前后沼气产量方差分析

猪粪厌氧发酵沼气产量方差分析表如表4所示。方差分析表明温度对产气量有显著影响，钝化剂种类和浓度对产气量影响不显著。

表3 猪粪厌氧发酵沼气产量、甲烷含量及沼渣沼液中重金属Cu和Zn含量的极差分析

2.2 钝化剂对猪粪厌氧发酵甲烷含量的影响

经过不同组分钝化剂处理后的甲烷含量如图1所示。可以看出以活性炭为钝化剂且钝化剂浓度为5%时，甲烷含量最高。当以浓度为5%的粉煤灰为钝化剂时甲烷含量最低。

表4 猪粪厌氧发酵沼气产量方差分析表

图1 甲烷含量图

2.2.1 猪粪厌氧发酵前后甲烷含量极差分析

从表3可以看出，影响甲烷含量的因素主次顺序为钝化剂种类、温度、钝化剂浓度，即甲烷含量最高的处理条件为采用钝化剂浓度为7.5%的活性炭，温度为35℃的处理组。

2.2.2 猪粪厌氧发酵前后甲烷含量方差分析

猪粪厌氧发酵甲烷含量方差分析表如表5所示。方差分析表明钝化剂种类对甲烷含量的影响很显著，温度与钝化剂浓度对甲烷含量的影响不显著。

表5 猪粪厌氧发酵甲烷含量方差分析表

2.3 钝化剂对猪粪厌氧发酵重金属含量的影响

2.3.1 钝化剂对猪粪厌氧发酵重金属Cu含量的影响

2.3.1.1 猪粪厌氧发酵前后重金属Cu含量极差分析

从表3中可以看出，影响Cu含量的因素主次顺序为温度、钝化剂种类、钝化剂浓度。猪粪厌氧发酵后，9组试验处理中，沼渣中的重金属Cu含量均减少，沼液中的重金属Cu含量均增加，其中在温度为30℃，以浓度为2.5%的生物炭为钝化剂时，猪粪经厌氧发酵后重金属Cu的总含量增加，其余8组处理重金属Cu的总含量均减小。其中最优组是温度为25℃，浓度为5%的粉煤灰钝化剂，该组重金属Cu的量减少最多。

2.3.1.2 猪粪厌氧发酵前后重金属Cu含量方差分析

猪粪厌氧发酵前后重金属Cu含量变化方差分析表如表6所示。方差分析表明钝化剂种类、温度对重金属Cu的含量影响很明显，钝化剂浓度对Cu的含量影响不显著。

表6 猪粪厌氧发酵前后重金属Cu含量变化方差分析表

2.3.2 钝化剂对猪粪厌氧发酵重金属Zn含量的影响

2.3.2.1 猪粪厌氧发酵前后重金属Zn含量极差分析

从表3中可以看出，影响Zn含量各因素主次顺序为：钝化剂种类、温度、钝化剂浓度。猪粪厌氧发酵后，9组试验中，沼渣中的重金属Zn含量均减少，沼液中的重金属Zn含量均增加，其中在温度为35℃，以浓度为2.5%的硅藻土为钝化剂、温度为30℃，以浓度为2.5%的生物炭为钝化剂和温度为35℃，以浓度为7.5%的生物炭为钝化剂的这3组试验中，重金属Zn的总含量增加，其余6组重金属Zn的总含量均减小。其中最优组是温度为25℃，浓度为5%的粉煤灰钝化剂，该条件下重金属Zn的减少量最多，处理效果最好。

2.3.2.2 猪粪厌氧发酵前后重金属Zn含量方差分析

猪粪厌氧发酵前后重金属Zn含量变化方差分析表如表7所示。方差分析表明钝化剂种类对Zn总量的变化影响不显著。

表7 猪粪厌氧发酵前后重金属Zn含量变化方差分析表

3 结 论

以猪粪为发酵原料，采用厌氧发酵技术，研究向其中加入粉煤灰、硅藻土、活性炭3种钝化剂，分别以2.5%浓度，5%浓度，7.5%浓度，在25℃，30℃，35℃的温度下进行发酵时对发酵产气量、甲烷含量、重金属含量的影响，结果表明：

(1)影响猪粪厌氧发酵产气量的3种因素主次顺序为:温度、钝化剂种类、钝化剂浓度。其中温度对产气量有显著影响，而钝化剂种类和钝化剂浓度对产气量影响不明显, 沼气产量最高的处理为：添加5%浓度粉煤灰钝化剂，在35℃条件下反应的处理组。

(2)影响猪粪厌氧发酵甲烷含量的因素主次顺序为：钝化剂种类、温度、钝化剂浓度。其中钝化剂种类对甲烷含量的影响很显著，温度与钝化剂对甲烷含量的影响不显著，甲烷含量最高的处理为采用7.5%浓度的活性炭钝化剂，在35℃条件下反应的处理组。

(3)影响猪粪厌氧发酵后重金属Cu含量的因素主次顺为：温度、钝化剂种类、钝化剂浓度。其中钝化剂种类、温度对Cu含量的影响显著，钝化剂浓度对Cu的含量影响不显著。猪粪厌氧发酵后，9组试验处理中，沼渣中的重金属Cu含量均减少，沼液中的重金属Cu含量均增加，其中在温度为30℃，以浓度为2.5%的生物炭为钝化剂时，猪粪经厌氧发酵后重金属Cu的总含量增加，其余8组处理重金属Cu的总含量均减小。Cu含量减少最多的处理为温度为25℃，5%浓度粉煤灰钝化剂的处理组

(4)影响猪粪厌氧发酵后重金属Zn含量的因素主次顺为钝化剂种类、温度、钝化剂浓度。其中钝化剂种类对Zn总量的变化影响不显著。猪粪厌氧发酵后，9组试验中，沼渣中的重金属Zn含量均减少，沼液中的重金属Zn含量均增加，其中在温度为35℃，以浓度为2.5%的硅藻土为钝化剂、温度为30℃，以浓度为2.5%的生物炭为钝化剂和温度为35℃，以浓度为7.5%的生物炭为钝化剂的这3组试验中，重金属Zn的总含量增加，其余6组重金属Zn的总含量均减小。Zn含量减少最多的处理为：5%浓度的粉煤灰钝化剂，温度为25℃的处理组。

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Effects of Adding Passivator on Pig Manure Biogas Production and the Heavy Metal Content /

ZHANG Hui，CHEN Mei， MA Qun， QU Zhuang-zhuang， YU Jia-qi， LU Dan-ni， GU Shi-yan， ZHANG Zhen， LI Yi /

( Engineering College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

In order to reduce the heavy metal pollution, the passivation agent was added to the pig manure anaerobic fermentation process, exploring the passivator’s influence on methane content in biogas and the heavy metal content in digestate. Three factors, i.e. the type of passivation agent, the concentration of passivation agent，and the temperature， were selected for the experiment, each factor was in three levels. The pig manure was taken as substrate, and the experiments were designed adopting orthogonal method. The results showed that, the primary and secondary order of three factors influencing methane content were the passivation agent type>temperature> the passivator concentration. The treatment group of 7.5% activated carbon at 35℃ obtained the highest methane content. The primary and secondary order of three factors influencing heavy metal content(Cu)in digestate were the temperature>passivation agent type>passivator concentration. Treatment group of 5% of passivator coal ash at 25℃ obtained highest decrease of Cu content in digestate. The primary and secondary order of the three factors influencing Zn content were the passivation agent type>temperature> the passivator concentration. Treatment of 5% concentration of coal ash at 25℃ obtained the most decrease of Zn content in digestate. After the anaerobic fermentation, the heavy metals content in the solid residue were decreased, but there was a little increase in liquid biogas slurry. The total heavy metals content decreased.

passivation agent; pig manure; anaerobic fermentation; heavy metal; methane content; biogas production

2016-07-02

项目来源： 国家自然科学基金青年科学基金项目(31400442)； 辽宁省自然基金面上项目(2015020635)

张 辉(1993-)，女，天津人，硕士研究生，主要从事新能源及农业生物环境工程方面的研究工作，E-mail:1810516950@qq.com

李 轶，E-mail：yilisyau2000@163.com

S216.4； X713

A

1000-1166(2017)02-0036-05