不同钝化剂对猪粪菌渣堆肥中Cu、Zn 钝化的影响

许剑敏，郭 锋，刘子姣，张 清，李 杰

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

随着人们生活水平的不断提高，促使畜禽养殖场向集约化、规模化不断发展，使得畜禽粪便逐渐成为环境的主要污染源之一[1-2]，其中，猪粪的污染最为突出，约占畜牧业粪便总量的1/3，而其综合利用率不到60%，这不仅造成资源的极大浪费，同时严重污染生态环境。在规模养殖过程中，Cu、Zn 等重金属可提高畜禽的抗病能力，因而在饲料中大量添加。由于畜禽对这些重金属的利用率较低，因而会导致畜禽粪便中Cu、Zn 的含量超标，如果长期使用这类粪便作有机肥，会造成土壤重金属污染，影响食品安全和人类健康。好氧堆肥是实现猪粪资源化、无害化、减量化简单而有效的措施[3-9]。因此，了解堆肥过程中重金属的形态变化，研发降低重金属生物有效性的技术调控措施，对于指导规模化养殖具有重要的现实意义。目前，许多学者研究了通过添加钝化剂降低畜禽粪便中重金属的生物活性[10-19]，这些文献研究的原料主要是畜禽粪便同秸秆配比堆肥，而对菌渣的资源化利用报道较少。

本试验以猪粪和菌渣为原料，添加不同钝化剂进行堆肥试验，研究不同钝化剂对堆肥过程中Cu、Zn 形态变化的影响，旨在为畜禽废弃物的无害化、资源化处理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试堆肥材料猪粪和菌渣，来自山西省太谷县山西农业大学周边农户，其初始理化性质如表1 所示；供试钝化剂沸石、膨润土、海泡石，均购自石家庄凯捷矿产公司；供试白菜种子，品种为上海青。

表1 原料的初始理化性质

1.2 试验设计

堆肥试验共设4 个处理：猪粪＋菌渣（CK）；猪粪＋菌渣＋沸石（F1）；猪粪＋菌渣＋膨润土（F2）；猪粪＋菌渣＋海泡石（F3），每个处理重复3 次。其中，猪粪与菌渣按质量比7∶3 混匀，将堆肥初始水分含量调至60%，钝化剂的添加量为猪粪和菌渣干物质量的5%，在自制的30 L 通风泡沫箱中进行堆肥。在泡沫箱底部通风，风速设定为每平方米物料风量为0.1 m3/min，确保氧气充足。分别于堆肥1，3，7，14，21，28 d 采集堆体上、中、下3 层物料，制备混合样品，测定样品含水率、pH 值。堆肥前和堆肥第28 天取少量堆肥物料用于测定重金属Cu、Zn的形态变化。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 含水率的测定 采用烘干法测定含水率，烘至恒质量（105 ℃、24 h）。

1.3.2 堆体温度及pH 值的测定 每日9：00 和17：00 分别测定堆体上、中、下的温度，并以其均值作为当日堆肥的温度。pH 值采用电极法测定。

1.3.3 发芽指数（GI）的测定[20]将堆肥风干样品按固液比为1∶10 浸提离心，过滤后取浸提液8 mL于垫有滤纸的培养皿中，取20 粒白菜种子在（20±1）℃恒温恒湿培养箱中培养72 h，测定发芽率，计算发芽势指数（GI），用发芽指数GI 评价堆肥的毒性。

1.3.4 重金属形态的测定 Cu、Zn 各形态采用改进的BCR 法（表2），用等离子发射光谱仪（ICP）分析测定。

表2 改进的BCR 重金属形态连续提取方法

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同钝化剂对堆肥理化性质的影响

2.1.1 堆体温度变化 堆肥过程中温度的变化对堆体内微生物的活性极为重要，是堆肥无害化和稳定化的的关键因素，温度过低或过高都对堆肥过程中微生物的生长不利。从图1 可以看出，堆肥期间各组温度变化趋势均是先升高再降低,温度范围为20.3～65.3℃。添加钝化剂的处理组平均温度高于CK组，各处理在堆肥第5 天后均进入高温期（＞50 ℃），部分处理达到60 ℃，在50 ℃以上的天数均高于7 d，均符合我国《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—2012）的要求（堆肥温度在50～55 ℃持续5～7 d，或者超过55 ℃持续3 d），其中，F2、F3 处理高温期最长，均达12 d。

2.1.2 堆体含水率变化 堆体中水分不仅对溶解有机物及微生物代谢有影响，同时也能调节堆肥温度。因此，含水率是堆肥的重要参数之一。从图2 可以看出，堆体的含水率随着堆肥时间的延长逐渐降低；第3 天后堆体含水率开始逐渐降低，在高温期降幅较为明显；堆肥结束时各处理含水率分别下降19.3%，14.1%，14.7%，16.2%，CK 堆体含水率的降幅高于F1、F2 和F3 处理，F1、F2、F3 处理间含水率降幅差异不显著。

2.1.3 堆体pH 变化 适宜的pH 可促使堆体中的微生物更好地发挥作用。由图3 可知，4 个处理的pH 值范围在7.28～8.85，均呈现先升后降、然后趋于平稳的趋势，这是由于在堆肥的前期，在氨化微生物的作用下，堆体中含氮有机物发生分解，生成大量氨氮，导致pH 值上升；在堆肥中期，由于堆体温度升高，氨气挥发作用随温度升高而增强；在堆肥后期，氨化作用开始减弱，硝化作用加强，产生大量H+，导致pH 值下降；堆肥结束时CK、F1、F2、F3处理pH 值分别为7.40，7.92，7.78，8.08，均为最适宜微生物活动的中性或弱碱性环境。

2.2 不同堆肥处理对种子发芽指数的影响

发芽指数（GI）是评价堆肥无害化、稳定化的重要指标，当发芽指数GI＞50%时表明堆肥基本无害，当GI＞80%时表明堆肥没有植物毒性或者说明堆肥已经成熟[21]。由图4 可知，CK、F1、F2、F3 处理的发芽指数（GI）分别为89%，83%，88%和85%，各处理间差异不显著。

2.3 不同堆肥处理对重金属Cu 形态变化的影响

分配率是评价重金属环境风险的一项重要指标。从图5 可以看出，氧化态是堆肥过程中重金属Cu 的主要形态，堆肥后，各处理组中Cu 的可交换态、还原态均有所下降，残渣态和氧化态有所上升，因此，堆肥后可以提高Cu 的稳定性和移动性。CK、F1、F2、F3 处理交换态Cu 分配率堆肥后分别减少了1.82，3.75，6.26，6.71 百分点，交换态Cu 的钝化效果大小依次为F3＞F2＞F1＞CK；残渣态Cu 分配率堆肥后CK、F1、F2、F3 则分别减少了2.23，2.13，7.63，3.88 百分点。

2.4 不同堆肥处理对重金属Zn 形态变化的影响

由图6 可知，氧化态和还原态是堆肥过程中重金属Zn 的主要形态，堆肥后各处理组中可交换态Zn 有一定程度的下降，CK、F1、F2、F3 处理分别下降了4.13，7.04，9.60，6.18 百分点，交换态Zn 钝化效果依次为F2＞F1＞F3＞CK；残渣态有所增加，CK、F1、F2、F3 处理分别增加了2.49，2.97，5.55，2.69 百分点；还原态和氧化态分配率有升有降。

3 结论与讨论

堆肥温度是评价堆肥腐熟与无害化的关键性指标，本试验表明，添加钝化剂沸石、膨润土、海泡石3 种钝化剂使堆肥温度有所升高，各处理组在堆肥高温期维持天数及种子发芽指数均达到无害化要求，这与李荣华[19]的研究结果一致。比较不同钝化剂对堆体含水率变化的影响，添加膨润土的处理含水率略高于其他处理，这是由于膨润土具有较强的吸水溶胀性能所致；添加钝化剂处理含水率均高于CK，说明添加钝化剂可以减少堆肥期间水分的损失。pH 是好氧堆肥的重要参数,也直接影响重金属形态的变化。多数重金属在碱性条件下，易形成碳酸盐、硅酸盐及氢氧化物等。pH 对重金属中交换态和残渣态中的碳酸盐结合物在pH 较低时，移动性增强，生物利用性提高。添加钝化剂堆肥处理pH均高于CK，这是由于添加的钝化剂沸石、膨润土、海泡石均为碱性，提高了堆体pH 值,堆肥后各处理组呈微碱性。

本试验中，堆肥后交换态Cu、Zn 分配率有所降低，说明好氧堆肥对Cu、Zn 具有钝化作用，这与堆肥中腐殖质对重金属的吸附有关，也可能是随着堆肥中水溶性有机碳的降低，重金属的活性降低[22]。不同钝化剂对不同重金属的钝化效果不同，这可能与钝化剂的比表面积、吸附性能、离子交换能力及其在堆肥过程中引起的生物反应等有关[23]。沸石、膨润土和海泡石的主要成分为铝硅酸盐，硅酸盐矿物中Si4+可被Al3+所取代，K+、Ca2+等阳离子补偿过剩电荷从而吸附或络合于铝硅酸盐中，而在溶液中这些阳离子通过与重金属离子的交换作用，最终将重金属吸附或络合于该矿物中[23]。本试验中，海泡石对交换态Cu 的钝化效果最好,膨润土对交换态Zn 的钝化效果最好。何增明[17]研究表明，海泡石和膨润土分别对堆肥中的Cu 和Zn 表现出最好的钝化能力，与本研究结果一致。