玉米秸秆对畜禽粪便厌氧发酵后沼渣沼液中重金属含量的影响

余高　陈芬　卜玉山　谭杰斌

摘要：为了实现沼渣沼液的有效安全利用，在高温（55 ℃）条件下，研究以玉米秸秆作为调节剂对畜禽粪便（鸡粪、猪粪、牛粪）厌氧发酵后沼渣沼液中重金属含量的影响。结果表明，玉米秸秆添加量是影响畜禽粪便沼渣沼液中重金属含量的重要影响因素之一。在3种畜禽粪便与玉米秸秆的混合处理下，3种畜禽粪便沼渣中的重金属含量均表现为3 ∶1>2 ∶1>1 ∶1，而沼液中的重金属含量大体上均表现为1 ∶1>2 ∶1>3 ∶1的趋势，且沼渣中Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的含量均高于沼液中的含量。相较于发酵初期，发酵末期沼肥（沼渣+沼液）中的Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd含量均有不同程度的升高。按照NY/T 798—2015《复合微生物肥料》，沼渣中的重金属含量均低于限量值，可以安全农用。按照GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》，猪粪沼液中Cu、Zn的含量超标明显，因此须要进行安全处理之后才可以施用于农田。

关键词：畜禽粪便;玉米秸秆;原料配比;厌氧发酵;沼渣;沼液;重金属

中图分类号： X71;S216.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）08-0265-04

随着我国规模化种植业和养殖业的迅速发展，作物秸秆和畜禽粪便等农业有机固体废弃物集中大量产生[1]，我国每年产生约7亿t秸秆和60亿t畜禽粪便，秸秆和畜禽粪便是我国生态环境的主要污染源之一[2-4]。厌氧发酵处理可以将农业有机固体废弃物转变为新能源，而发酵后的沼渣沼液还可以作为有机肥施入农田，该处理既环保又能使资源得到有效利用[5-7]。

然而，由于经济效益的需求，畜禽饲料中普遍含有大量的Cu、Zn、As、Cd及其他微量元素添加剂，导致畜禽粪便中含有大量的Cu、Zn、As、Cd等重金属[8-12]。因此，当沼气工程以畜禽粪便为发酵底物时，发酵后沼渣沼液中的重金属含量如何变化，若将其施入农田，是否会对农田土壤和作物产生不良影响，这些问题都会影响沼渣和沼液的安全合理利用，但目前国内外相关的研究报道较少。

因此，本试验将玉米秸秆作为调节剂，并以3种畜禽粪便（鸡粪、猪粪、牛粪）分别与玉米秸秆固体以质量比1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1进行混合作为发酵底物，在高温（55 ℃）条件下进行厌氧发酵，研究玉米秸秆添加量对3种畜禽粪便发酵后沼渣和沼液中重金属（Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd）含量的影响情况，并对其作为肥料进行安全性评估，以期为沼渣沼液后期处理和安全合理利用提供一定的理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验于2014年在山西农业大学资源环境学院试验站进行。鸡粪取自山西省忻州市某养鸡场，猪粪取自山西省忻府区旭明养殖专业合作社，牛粪取自山西省忻州市肉牛养殖专业合作社，玉米秸秆取自山西农业大学资源环境学院试验站，样品风干去杂粉碎后备用;接种物取自山西省高平市农村产气良好的沼气池。鸡粪、猪粪、牛粪、玉米秸秆及接种物的主要理化性质如表1所示。

1.2试验设计

为明确玉米秸秆添加量对畜禽粪便（鸡粪、猪粪、牛粪）厌氧发酵后沼渣和沼液中重金属含量的影响，本试验对不同配比的混合原料（鸡粪 ∶玉米秸秆、猪粪 ∶玉米秸秆、牛粪 ∶玉米秸秆）进行单因素试验，测定分析发酵后沼渣沼液中的重金属含量变化。其试验水平如下：按照畜禽粪便种类及其与玉米秸秆的混合比例共设9个处理，即鸡粪、猪粪、牛粪分别与玉米秸秆按照干物质质量比为1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1进行配比; 总固体质量（total solid，简称TS）分数为6%。其他发酵条件：温度为 55 ℃;接种物量为30%;pH值为7。每个处理重复3次。

1.3测定项目与方法

试验材料的固体含量测定采用（105±5） ℃烘干法[13];试验材料、沼液及沼渣中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的含量采用电感耦合等离子体-质谱仪进行测定，As含量采用原子荧光光度法进行测定[14]。

2结果与分析

2.1玉米秸秆对畜禽粪便厌氧发酵后沼渣中重金属含量的影响

3种畜禽粪便厌氧发酵后沼渣中重金属含量如表 2 所示。由表2可以看出，对同一种类畜禽粪便而言，玉米秸秆添加量对鸡粪、猪粪厌氧发酵后沼渣中重金属As、Pb、Cd的含量影响不大，鸡粪、猪粪沼渣中的重金属As含量范围分别为1.154～1.182、2.024～2.196 mg/kg，Pb含量范围分别为5.007～5.251、4.204～4.583 mg/kg，Cd含量范围分别为0.185～0.195、0.181～0.197 mg/kg。玉米秸秆添加量对重金属Cu、Zn、Cr的含量影响较大，粪便与玉米秸秆质量比为 3 ∶1 时沼渣中的Cu、Zn、Cr含量明显高于1 ∶1时的含量 。其中，鸡粪与玉米秸秆质量比为3 ∶1时的Cu、Zn、Cr含量分别比1 ∶1时高28.78%、41.65%、46.72%，且差异显著（P<0.05）;猪粪与玉米秸秆质量比为 3 ∶1 时的Cu、Zn、Cr含量分别比1 ∶1时高35.59%、43.10%、41.25%，且差异显著（P<0.05）。同样，不同处理对牛粪沼渣中重金属Cu、Cd的含量影响不大，但对Zn、As、Pb、Cr的含量影响较大，牛粪与玉米秸秆质量比为3 ∶1时Zn、As、Pb、Cr的含量分别比1 ∶1时高30.45%、18.67%、17.99%、41.62%，且差异显著（P<0.05）。在3种畜禽粪便与玉米秸秆的混合处理下，3种畜禽粪便沼渣中的重金属含量均表现为3 ∶1>2 ∶1>1 ∶1，这与李轶等的研究结果[6]相似。分析其原因，主要是因为在厌氧发酵过程中，玉米秸秆作为调节剂对3种畜禽粪便沼渣中的重金属有一定的溶出释放作用[15]，即畜禽粪便中玉米秸秆添加量越高，沼渣中的重金属溶出释放率就越高，重金属含量则越低，反之，则重金属含量越高。说明玉米秸秆添加量是影響3种畜禽粪便厌氧发酵后沼渣中重金属含量的重要因素之一。

由表2还可以看出，不同种类畜禽粪便之间，沼渣中重金属Pb、Cd含量差异较小，而Cu、Zn、As、Cr含量差异较大。其中，猪粪中的Cu、Zn含量最高，鸡粪中次之，牛粪中含量最低;鸡粪中Cr含量最高，猪粪中次之，牛粪中最低;猪粪中的As含量最高，牛粪中次之，鸡粪中最低。分析其原因，厌氧发酵后沼渣中的重金属含量主要与发酵底物的基本性质有关[16]。

2.2玉米秸秆对畜禽粪便厌氧发酵后沼液中重金属含量的影响

由表3可以看出，对同一种类畜禽粪便而言，玉米秸秆添加量对鸡粪中重金属As、Cd含量的影响不大，As和Cd含量的范围分别为0.063～0.065、0.003～0.004 mg/kg;但对重金属Cu、Zn、Pb、Cr含量的影响较大，鸡粪与玉米秸秆的混合质量比为1 ∶1时的Cu、Zn、Cr含量分别比3 ∶1时高88.52%、101.26%、32.35%、66.67%。玉米秸秆添加量对猪粪中重金属Cu、Zn、As含量的影响不大，但对Pb、Cr、Cd含量的影响较大，猪粪与玉米秸秆质量比为1 ∶1时的Pb、Cd含量比3 ∶1时分别高85.29%、57.14%，猪粪与玉米秸秆质量比为2 ∶1时的Cr含量比3 ∶1时高13.33%。玉米秸秆添加量对牛粪中重金属As、Pb、Cd含量的影响不大，但对重金属Cu、Zn、Cr含量的影响较大，牛粪与玉米秸秆质量比为1 ∶1时的Cu、Zn、Cr含量分别比3 ∶1时高52.26%、101.57%、46.67%。3种畜禽粪便与玉米秸秆混合处理下，除鸡粪中的Cd、猪粪中的Cu和牛粪中的Pb、Cd外，3种畜禽粪便沼液中的重金属含量均表现为1 ∶1>2 ∶1>3 ∶1。分析其原因，主要是因为玉米秸秆对沼渣中的重金属有一定的溶出释放作用，玉米秸秆含量越高，有机物分子降解率越高，沼渣中的重金属溶出释放率越高[15]，沼液中的重金属含量就越高，反之，重金属含量越低。说明玉米秸秆添加量是影响3种畜禽粪便厌氧发酵后沼液中重金属含量的重要因素之一。

由表3还可以看出，对不同种类的畜禽粪便而言，猪粪中的Cu、Zn、As、Cd含量均为最高，而鸡粪中的Pb、Cr含量均为最高。分析其原因，主要是由于不同畜禽使用的饲料添加剂种类和用量不同所致[17]。

结合表2和表3可知，不同配比条件下，沼渣中重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的含量均大于沼液中的含量;其中，针对鸡粪而言，沼渣中重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的含量分别为沼液中的104～252、121～347、18～19、56～77、294～719、48～65倍;针对猪粪而言，沼渣中重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的含量分别为沼液的118～172、107～162、17～23、66～133、620～759、15～27倍;针对牛粪而言，沼渣中重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的含量分别为沼液中的42～68、73～195、20～28、82～110、317～660、41～55倍。这与李轶等的研究结果[6]相似。分析其原因，主要是因为在厌氧发酵过程中，重金属大多以非水溶态存在于沼渣中，而只有极少的一部分以水溶态存在于沼液中[18]。

2.3玉米秸秆对畜禽粪便厌氧发酵始末重金属含量的影响

随着厌氧发酵的进行，发酵底物中的干物质含量大大降低，致使重金属出现富集现象[5]，进而导致发酵末期沼肥（沼渣+沼液）中重金属含量的升高。由表4可知，与发酵前相比，发酵末期，3种畜禽粪便沼肥中的重金属含量均有不同程度的升高，整体而言，重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd含量的升高幅度分别为15.97%～33.34%、25.66%～33.70%、3.06%～10.78%、2.01%～21.97%、2.72%～13.151%、6.82%～12.87%。對于不同种类的畜禽粪便，3种畜禽粪便沼肥中重金属含量均以Cu、Zn含量升高幅度较大;其中，鸡粪中Cu、Zn含量的升高幅度分别为15.97%～22.97%、25.92%～28.24%;猪粪中Cu、Zn含量的升高幅度分别为28.75%～33.34%、30.26%～33.70%;牛粪中Cu、Zn含量的升高幅度分别为19.76%～23.07%、25.66%～29.42%。对于同一种畜禽粪便，不同配比之间厌氧发酵前后沼肥中重金属含量升高幅度差异不明显， 说明玉米秸秆添加量对3种畜禽粪便厌氧发酵前后沼肥中重金属含量升高幅度影响较小。

2.4畜禽粪便厌氧发酵后沼肥的安全利用

按照NY/T 798—2015《复合微生物肥料》[19]，Cr、As、Pb、Cd的限量值分别为150、75、100、10 mg/kg;但其并未对Cu、Zn进行限量，因此参考国内外关于有机肥料中重金属的限量标准[20]，Cu、Zn的限量值分别为300、1 000 mg/kg，3种畜禽粪便厌氧发酵后沼渣中的重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd含量（表2）均未超标，可以安全农用。按照GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》[21]，Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的限量值分别为0.91、1.82、0.09、0.18、0.09、0.01 mg/kg，猪粪厌氧发酵后沼液中Cu、Zn含量超标最明显，其超标率分别为80.00%～102.42%、44.67%～52.36%，猪粪与玉米秸秆质量比为1 ∶1时的Cd超标率为10%，其余3种元素均未超标;鸡粪和牛粪中的6种元素均未超标。因此，猪粪沼液须要进行处理后才能施用于农田。

3结论

（1）玉米秸秆作为调节剂对3种畜禽粪便厌氧发酵后沼渣沼液中的重金属含量均有一定的影响。整体而言，在3种畜禽粪便与玉米秸秆混合处理下，3种畜禽粪便沼渣中的重金属含量均表现为3 ∶1>2 ∶1>1 ∶1，而沼液中的重金属含量大体上均表现为1 ∶1>2 ∶1>3 ∶1。

（2）厌氧发酵后，3种畜禽粪便沼渣中的重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd的含量均大于沼液中的含量。

（3）相较于发酵初期，发酵末期3种畜禽粪便沼肥（沼渣+沼液）中的重金属Cu、Zn、As、Pb、Cr、Cd含量均有不同程度的升高;且针对同一种类的畜禽粪便而言，不同配比之间厌氧发酵前后重金属含量升高幅度差异不明显。

（4）3种畜禽粪便厌氧发酵后沼渣中的重金属含量均低于我国复合微生物肥料产品无害化指标的农业行业标准（NY/T 798—2015）及国内外关于有机肥料中重金属的限量标准，可以安全农用。按照我国农田灌溉水质的国家标准（GB 5084—2005），猪粪厌氧发酵后沼液中的Cu、Zn含量超标明显，须要进行安全处理之后才可以施用于农田。

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