猪粪便重金属污染的防控措施分析

陈 辉

（华中农业大学农业动物遗传育种与繁殖教育部重点实验室，农业农村部猪遗传育种重点开放实验室，湖北 武汉 430070）

在当前我国生猪养殖规模化、集约化的进程不断加快的背景下，我国养猪业在取得了可喜可贺的成绩的同时，也暴露了我国养猪业现存的诸多严重问题，如猪粪便重金属所造成的环保污染问题已被全世界广泛关注[1]，这一问题的存在严重阻碍着我国生猪养殖朝着健康、绿色高效的方向发展。笔者在有关文章中简要分析了猪粪便重金属污染所带来的危害，因而提出有效的猪粪便重金属污染防控的措施具有很大的积极意义，基于此，笔者梳理了近年前人对猪粪便重金属污染的防控的相关研究，分析了猪粪便重金属污染防控的措施，如前人的研究表明通过钝化剂处理[2]、好氧堆肥[3]、生物炭吸附[4]、接种蚯蚓[5]以及日粮营养调控[6]等措施可以有效地防控重金属污染。文章就近年重金属污染防控措施展开综述，旨在为当前严峻的重金属污染防控提供可行的科学参考，为实现生猪生态绿色养殖奠定基础。

1 猪粪便重金属污染的防控措施

由于猪粪便重金属污染形势严峻，且存在诸多负面作用，因此迫切需要科学合理可行的措施对其进行防控，笔者梳理了近年学者相关的研究，分析了钝化剂处理、好氧堆肥处理、生物炭吸附、接种蚯蚓以及日粮营养调控等措施在猪粪便重金属污染防控中的应用，以期为今后有效防控猪粪便重金属污染提供参考。

1.1 钝化剂处理

通过使用钝化剂处理可以有效降低重金属的生物有效性，从而降低其对环境的危害，最终对其进行有效防控[1]。何雯菁[7]探讨了蛋壳作为猪粪便重金属钝化剂的可行性，结果显示当添加2.5%处理的蛋壳后可有效去除猪粪便中的重金属，其去除效率可达90%；在堆肥处理中发现添加5%的蛋壳可有效降低粪便中Cr、Cu、Zn 以及As 等重金属可利用率较高的形态比例，表明蛋壳可较好地钝化猪粪便中的重金属。相似的研究表明，猪粪和玉米秸秆发酵后，添加7.5%磷矿粉（钝化剂）可有效降低沼渣中重金属铜和锌的含量，而添加7.5%海泡石可更有效地降低有效态铜的含量以及沼渣中铜的生物可利用指数[8]，这提示对于不同重金属需要选用不同的钝化剂，方能更高效防控猪粪便重金属污染。在比较不同钝化剂对重金属钝化效果的研究方面，刘小屿等[9]以辣椒为研究植物，研究了不同钝化剂对猪粪有机肥中铜和锌的钝化效果，结果表明添加1.25%生物炭钝化剂对辣椒果实中铜和锌的钝化效果最好，该处理组铜和锌的下降量与其余组相比最高，分别降低了25.91%和30.72%，其中添加1.25%化学吸附处理组和1%微生物菌剂处理组均可有效降低辣椒果实中铜和锌的积累量，有效钝化铜和锌，这表明钝化剂处理后可有效降低铜锌等重金属的含量。蔡海生等[10]研究了不同钝化剂对猪粪便中Cu、Zn、As 以及Hg 等重金属的钝化效果，以酒渣、膨润土等原料按一定比例设计了5 个不同的复合钝化剂，将其添加至猪粪渣中，结果显示处理后所设5 个钝化剂均能有效钝化上述重金属；侯月卿等[11]研究表明木屑炭对猪粪中Cd的钝化效率为94.67%、嘉博文生物腐植酸对猪粪中Zn 的钝化效率为64.94%，研究认为木屑炭和嘉博文生物腐植酸是猪粪堆肥钝化重金属的良好材料。上述研究显示，通过对猪粪进行钝化剂处理，可有效降低重金属的生物可利用性，从而降低猪粪便中重金属的污染。

1.2 好氧堆肥处理

粪便堆肥处理对猪粪便重金属污染防治也具有积极作用，研究显示堆肥是猪粪便资源化处理的主要方式，可有效降低粪便重金属的生物有效性，从而有效防控猪粪便重金属污染[1]。侯月卿等[12]研究了不同工艺处理（强制通风和厌氧干发酵）对猪粪便重金属形态的影响，发现强制通风（好氧发酵）处理后的猪粪中Cu、Pb 和Zn 的钝化效果优于自然发酵以及厌氧发酵，且强制通风有利于降低重金属的活性形态的百分比，这表明强制通风发酵有利于猪粪重金属的无害化处理。蒋强勇[13]的研究证实猪粪经堆肥处理后可有效降低猪粪中Cu、Zn、As 和Cd 等重金属的生物有效性，对降低猪粪便中重金属污染具有积极意义。堆肥前后添加钝化剂，可通过降低重金属水溶态含量，而有利于降低猪粪便重金属污染，郑国砥等[14]研究了好氧高温堆肥处理对猪粪便中重金属形态的影响，研究结果表明，猪粪经高温好氧堆肥处理后，猪粪中重金属Cu、Zn、Cr、As 等可交换态含量显著降低，同时研究发现好氧堆肥处理后，猪粪便中上述重金属可交换态分配系数降低，表明高温好氧堆肥处理猪粪后对降低重金属的生物有效性具有促进作用；类似的研究显示，猪粪堆肥处理可有效促进Zn 和Cu 向低活性态方向转变，从而降低其生物有效性[15]。谭文津等[16]研究表明，猪粪高温好氧堆肥过程中添加20%风化煤或粉化煤均可使堆肥猪粪中Cu 和As 的水溶态含量和可交换态含量，这提示高温好氧堆肥处理（添加钝化剂）对于猪粪中Cu 和As 具有较好的清除效率；张树清等[17]得到了类似的结论，该研究探讨了高温堆肥对猪粪重金属Cu、Zn、Cr以及As 钝化效果影响，结果显示，高温堆肥处理猪粪后（添加10%风化煤）可有效降低重金属的水溶态含量。上述研究显示，对猪粪进行好氧堆肥处理可通过降低重金属的生物有效性而降低其给环境等方面带来的负面影响，同时在好氧堆肥处理过程中添加钝化剂具有更好的协同作用。

1.3 生物炭吸附

众多研究显示，猪粪便中添加生物炭可有效降低粪便中重金属生物有效性，从而有效降低重金属污染的风险。王义祥等[15]研究了猪粪堆肥过程中生物炭对重金属Cu 和Zn 的钝化作用，在猪粪和菌渣中添加花生壳生物炭（3%～9%）进行堆肥处理，结果显示，添加6%花生生物炭后可有效钝化堆肥过程中的Cu 和Zn，钝化效率分别为18.84%和11.55%，研究认为堆肥过程中添加6%花生生物炭对Cu 和Zn 的生物有效性具有有效的降低作用，且此添加水平优于未添加组以及其余水平组。刁立鹏等[4]研究显示，猪粪堆肥过程中添加3%生物炭可有效钝化堆肥后的重金属Cu和Zn，对弱酸提取态的Cu 和Zn 的钝化效率分别为27.23%和73.46%。由于生物炭对重金属具有一定的钝化效果，为提高生物炭的钝化效果，近年大量学者开展了改良生物炭材料的开发应用研究，李冉等[18]比较了不同改性方式（NaOH 和FeCl3改性处理）对猪粪便中重金属钝化效果的差异，结果显示，添加生物炭组对重金属的钝化均高于未添加组，且FeCl3改性处理后的生物炭对Cu、Zn 和Pb 的钝化效率高于其余组，分别为78.7%、43.53%以及66.45%，研究显示堆肥过程中使用FeCl3改性处理后的生物炭更有利于重金属的钝化。陆嫚嫚[19]研究了负载MnOx稻秆生物炭（改性生物炭，50%MRBC）对猪粪有机肥中重金属的去除效果，结果显示，使用生物炭后（添加1%、2.5%和5%）对Cu 和Zn 均具有一定的去除效率，且随着添加比例的增加而增加，5%添加组Cu 和Zn 的含量的降低率分别为42.1%和31.8%，同时可促进Cu 向有机结合态和残渣态转变。生物炭还可协同其他处理方式处理猪粪便，从而更有效地降低猪粪便重金属污染的风险。李冉等[20]另一项研究探讨了生物炭联合微生物对猪粪堆肥过程中Pb 和Cd 的钝化作用，结果显示，24%花生壳生物炭联合1%菌剂为最佳钝化Pb 的组合，该组合下Pb 的钝化效率为74.6%，堆肥后可交换态分配率降低16.32%；而24% 木屑炭和1.5% 菌剂为最佳钝化Cd 的组合，钝化效率为58.13%，堆肥后可交换态分配率降低7.96%，这提示生物炭和微生物菌剂联合使用可取得较好的金属钝化效果。综合研究表明，在猪粪堆肥过程中添加生物炭可有效降低重金属的生物有效性，同时还可协同添加其他物质联合使用可更有效地钝化重金属，进而有效降低猪粪便重金属污染的风险。

1.4 接种蚯蚓

蚯蚓对重金属具有良好的富集作用，因而有望成为猪粪便重金属污染防控的一种重要的措施。在重金属的富集方面，黄炜等[21]探讨了赤子爱胜蚓对猪粪便重金属富集的作用，在猪粪中接种赤子爱胜蚓，处理4 周后检测重金属含量，结果显示猪粪中Cu、Zn、Cr 以及Pb 等重金属总量均出现不同程度的下降，且猪粪中Zn、Cr 以及Cd 的残渣态比例分别下降了15%、27%和27%，这表明蚯蚓可有效富集猪粪便中的重金属，对重金属的去除和转移具有积极作用。张泳桢[22]的研究显示蚯蚓对Cu、Zn、Pb 以及Cr等均具有一定的富集作用，富集效果为Cr ＞Cu ＞Pb ＞Zn。郑西朋等[5]探讨联合使用蚯蚓接种、超声波破解以及好氧堆肥技术对污泥中重金属的影响，发现蚯蚓处理后重金属的生物有效性明显降低，Zn 等非稳定态比例在堆肥结束时均得到了不同程度的下降，这提示蚯蚓处理对猪粪重金属无害化处理具有积极意义。蚯蚓还可联合植物共同处理猪粪便中的Cu 和Zn 污染，李玉红等[23]联合使用蚯蚓（赤子爱胜蚓）和植物对猪粪进行处理，结果显示蚯蚓处理3 周后，蚯蚓体内Zn 和Cu 含量达到峰值，富集系数分析表明蚯蚓对Zn 和Cu 的富集系数分别为1.43 和0.61，联合使用后猪粪便中Zn 和Cu 的浓度分别下降了79% ～80%、61% ～64%， 研究认为联合使用可通过动物-植物的生物循环，从而有效降低猪粪便重金属进入环境的风险，联合使用是一种较为理想的猪粪便重金属污染的处理措施。由此表明，通过对猪粪便接种蚯蚓可有效地处理猪粪便中的重金属污染。

1.5 日粮营养调控

诸多研究均提示猪粪便中重金属污染的主要原因是日粮中微量重金属元素的过量添加，且粪便重金属含量与日粮中微量重金属元素的添加量具有显著正相关关系[24-26]，因而通过调控日粮配方（降低微量重金属元素的添加量）对猪粪便重金属污染的防控具有积极意义。任善茂等[27]研究了苏姜育肥猪日粮中Cu 和Zn的适宜添加水平，结果显示，当Cu、Zn 添加水平由高剂量降低至中低剂量时极显著提高了育肥猪对日粮Cu和Zn 的表观消化率(P ＜0.01)，且不影响育肥猪的生产性能，研究建议苏姜育肥猪日粮中添加中剂量（Cu：25 mg/kg；Zn：40 mg/kg）并添加植酸酶可有效提高日粮Cu 和Zn 等重金属的利用率。廖奇等[28]探讨了环保型母猪料应用的可行性，比较了全有机矿物元素（试验组）和无机矿物元素全价料（对照组）对母猪的饲用效果，结果显示，与对照组相比，试验组母猪粪便中总重金属元素降低了17.43%，其余Pb、As、Cu 以及Zn 等重金属均得到不同程度的下降，这提示母猪日粮使用全有机矿物元素可有效降低粪便重金属的排放。相似的，马莲香等[6]研究表明育肥猪日粮中添加低剂量有机微量元素可有效降低猪粪便中重金属Fe、Cu、Zn 的排放量（P ＜0.05），同时不影响其生产性能，有助于改善其抗氧化性。除使用有机微量元素促进减排外，还可改变猪日粮的类型而降低猪粪便重金属的排放，郭添福等[29]研究了全小麦型日粮替代全玉米日粮的可行性，比较了两者对猪粪重金属残留的影响，结果显示，小麦组中Pb 和Cr 的含量高于玉米型日粮，小麦组中Hg 未检出，除Cu 外其余指标均符合标准，研究认为小麦型日粮可取代传统玉米型日粮。李红英[29]设计了生长猪低蛋白日粮（粗蛋白含量降低2%，日粮补充单体氨基酸）以及有机微量元素日粮（替代50%的无机微量元素）以探讨其减排效果，结果显示两种日粮均不影响猪的生长性能和血液生化指标，低蛋白日粮可有效降低粪中氮磷的含量；而有机微量元素组则可以有效降低猪粪中Cu、Zn 和Fe 的含量。上述研究表明，通过合理设计猪的日粮，可有效提高猪对重金属的利用率，从而有效降低猪粪便中重金属的排放。

2 小结与展望

综合全文，鉴于我国生猪养殖当前存在的重金属污染的背景，许多研究者对于此现状提出了针对性的措施，如钝化剂处理、好氧堆肥处理、生物炭吸附处理、蚯蚓接种以及日粮营养调控等科学可行的措施，在一定程度上缓解了生猪养殖过程中猪粪便重金属污染的窘境。但当前我国生猪养殖所面临的重金属污染形势仍然严峻，这提示需要我们进一步强化猪粪便重金属污染的防控研究，利用当前生化、物理、动物营养技术（科学设计日粮）等技术对猪粪便进行科学处理，同时可协同使用上述措施，以期更高效地防控猪粪便重金属污染。总而言之，我国在猪粪便重金属污染防控领域取得了一定的进展，相信随着防控研究的不断深入，将可对我国猪粪便重金属污染进行有效防控，从而实现我国生猪养殖绿色、高效、健康发展。