猪粪中重金属去除技术及农用风险评估方法综述

梁玉兰，陈志杰

（闽西职业技术学院，福建 龙岩 364000）

中国是养殖大国，生猪的存栏量及出栏量均居世界第一位。猪粪中含有多种重金属和某些抗生素，如任其不科学地排放，会对环境造成严重的污染和破坏，但如果能够合理利用，却能让其变废为宝，转换为肥料、饲料或能源。近年来，国家大力提倡畜禽粪污资源化利用，2017 年国务院发布《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，2018 年农业部发布《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，鼓励地方加快推进畜禽粪污资源化利用，优化调整畜牧业区域布局，促进农牧结合、种养循环农业发展。本研究通过分析整理国内外学者的相关实践研究，探讨猪粪中重金属去除技术及农用风险评估方法，以期对提高畜禽粪污资源化利用，提升农用土地承载力，缓解生态环境压力等提供参考。

1 猪粪中重金属去除技术

1.1 使用钝化剂吸附猪粪重金属

刘卓[1]通过活性炭、杨木碳、竹碳3 种不同吸附剂，研究不同钝化剂添加量对重金属的吸附作用，表明钝化剂粒径越小，对重金属的吸附能力越强，其中0.25 mm 的钝化剂粒径能有效吸附Na、K、Cu、Zn、Cr 等重金属。王宇佳和逯洋[2]研究用壳聚糖基吸附去除重金属，壳聚糖结构中含有大量氨基和羟基，具有优良的生物降解能力、重金属吸附能力，表明壳聚糖用量越大、接触时间越长，重金属的去除率越高。李若男等[3]研究纤维素纳米纤维（CNF）及其改性产物对重金属的吸附，表明CNF 改性产物对铅的吸附力超过200 mg·g-1，吸附率超过80%，对铜的吸附力超过80 mg·g-1，对镉的吸附力超过100 mg·g-1。何雯箐[4]用900oC 煅烧蛋壳作为钝化吸附剂，发现蛋壳添加量为2.5%时，重金属去除率高达90%。

1.2 堆肥发酵降低猪粪重金属毒性

王秀红等[5]对畜禽粪便进行固液分离，添加烟丝、糠醛等辅料后进行好氧堆肥，检测腐熟后的重金属残留量，结果表明砷、汞、铅、镉、铬的含量分别为4.92、0.20、12.08、0.09、23.67 mg·kg-1，较堆肥前大幅降低，且均符合堆肥对重金属的要求范围。徐荣等[6]研究在畜禽粪便好氧堆肥工程中，添加生物炭、聚天冬氨酸、土壤改良液、水果垃圾发酵液四种添加剂，导致重金属含量和形态发生变化，好氧堆肥可以使重金属从高价态往低价态转化，转化率在10%左右（P＜0.05）。不同重金属转化率不尽相同，某些重金属可由不溶态转化为可溶态，转化率在3%左右（P＜0.05）。加入添加剂后，显示不仅能钝化重金属，还能固定氮元素，聚天冬氨酸、生物炭的使用效果优于其他添加剂。

1.3 高温热解降低猪粪重金属生物有效性

畜禽粪便热解是近期的研究热点，因从粪便热解的残留有机物中可获得生物炭、生物油、合成气等资源，供人类二次利用。研究人员发现，在经过超过500oC 高温处理后，猪粪生物炭中铬、锰、铜、锌的生物利用度和毒性显著降低。Meng J.等[7]研究发现，在猪粪热解处理中添加稻草后，加热温度至600oC 时，可极大降低生物炭中乙酸铵的可萃取浓度，铜和锌的浓度也相应降低。

1.4 电化学处理法去除猪粪重金属

电化学处理方法在世界范围内被用于污水、废水的净化处理，将其应用于畜禽粪便处理有其特有的优势，无需添加过多的化学药剂，重金属去除效果好，对场地要求小，设备便于安置，后期处理简单，投资较少，且在电化学法处理畜禽粪便后，还可从电极处回收得到纯金属。

熊长齐等[8]用电化学法处理养殖粪便，以石墨板为阳极，不锈钢板为阴极，pH 值调节为7 左右，电压设置为40 V，电解处理4 h 后，养殖粪便中铜、锌、镉、铅的去除率均高于55%。

1.5 化学浸提技术分离猪粪重金属

化学浸提技术是指在猪粪中添加有机酸、无机酸等化学物质，减弱粪便与金属的结合力，酸质子与金属离子发生置换反应，使一部分重金属以离子形态溶出，达到分离的目的。浸提中加入螯合剂、离子交换剂和表面活性剂可增加重金属的浸提率，溶解出来的重金属离子可用氧化钙等碱性物质或者硫化钠等硫化物转化为沉淀去除。化学浸提技术的优势是限制条件少，操作简单，投入一定量的酸量后，进行一定时间的混匀搅拌即可，浸提所需时间相对较短。

研究人员通过比较柠檬酸、草酸、硝酸和盐酸对重金属的去除效率，发现柠檬酸pH 值为3～4 时，重金属去除效果最佳，镉、铬、锌的去除率均可达到85%。

1.6 生物淋滤技术去除猪粪重金属

生物淋滤技术去除猪粪中重金属是国际上新兴的一种畜禽粪便资源化处理技术，是指运用某类细菌的直接作用或者其代谢产物的间接作用，通过氧化、吸附、络合等作用，将重金属从猪粪中分离，具有反应温和、操作简易、高效杀菌、重金属去除率高等优势。广泛采用的细菌主要为氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌，因为两者的耐酸性都很强，很大程度上排斥了异养微生物的竞争。

刘鹏等[9]研究表明，生物淋滤对猪粪中的重金属具有高效去除率，采用硫杆菌，添加FeSO4等菌类生长因子，调节粪便pH 值，使吸附在粪便中的重金属溶于液相中，再经过脱水处理，去除重金属。以40 g·L-1的猪粪为例，当FeSO4投入量为10 g·L-1、硫杆菌接种量为10%、猪粪淋滤超过10 d 后，铜、锌、镉的去除率可分别达到90%、90%、70%以上。

2 猪粪农用风险评估方法

2.1 单因子污染指数评估法

单因子指数法是一种最直观简单的评估方法，能够单独应用，也常用于一些综合性分析的基础评估。通过分析土壤重金属元素浓度和土壤背景值的比值，从而确定土壤重金属的污染等级。重金属污染指数可以表达土壤重金属的受污染情况[10]，该指数的数值与污染物受污染程度成正相关关系，计算公式及评估表如下：

式中，Pi—土壤污染物i的环境质量指数；Ci—污染物i的实测浓度；Si—污染物i的评价标准浓度。

表1 单因子污染指数评估

2.2 内梅罗综合污染指数评估法

内梅罗综合指数法是国内外常用的重金属综合污染评价方法，其基于单因子分析法，但相比单因子分析法又具有很多优势，可综合反映各个污染物的平均污染水平，同时还具有重污染指向性，计算结果能充分表征污染物对沉积物环境质量产生的影响[11]。计算公式及评估表如下：

式中：P—所有重金属元素的内梅罗综合污染指数；Pi，max—单因子污染指数的最大值；Pi—单因子污染指数的平均值。

表2 内梅罗综合指数评估

2.3 潜在生态风险指数评估法

潜在生态风险评价是农业研究人员常用的一种评价方法，建立在沉积学基础上，对受测物的污染程度进行比较分析。在数据处理过程中还同时考虑毒性系数、重金属自身特点、环境影响特征，更符合对生态评价的潜在内涵。实际应用中，先对区域土壤进行针对性采样检测，对区域潜在风险指数进行汇总，根据RI 值确定风险高低程度。计算公式及评估表如下：

式中：Eri—土壤中第i 种重金属元素的潜在生态危险系数；RI—土壤中多种重金属元素的综合生态危险指数。

表3 潜在生态风险指数评估

2.4 Muller 地累积指数评估法

地累积指数评估法于20 世纪60 年代晚期由德国科学家Muller 始创，用于沉积物中重金属污染物的研究分析。作为重金属污染的定量计算，根据实测土壤重金属含量与土壤元素背景值的关系，对土壤重金属的污染程度进行评价，根据计算结果，可以对区域中所有重金属累积指数平均值进行排序，并通过标准差对比，分析评估结果。计算公式及评估表如下：

式中：Cn—实测重金属；K—转换系数；Bn—土壤背景值。

表4 地累积指数评估

2.5 土壤重金属生物有效性评估法

国内外越来越多的学者都注意到土壤中重金属污染情况不完全取决于重金属总量，土壤中生物对重金属的吸收降污是一个不可忽视的环节，因此提出了生物有效性，其定义是土壤中化学物质被人体或生态受体吸收或代谢的程度，或可与生物系统相互作用的程度[12]。国际上生物有效性评估方法目前主要有2 种，即生物有效性化学评估法和生物有效性生物评估法。

生物有效性化学评估法由于操作简单，成本低廉的优势，是目前评价重金属在土壤中的有效性中最广泛应用的方法之一。根据提取方法的不同，又可分为单次提取法、连续提取法、梯度薄膜扩散技术法，单次提取法又是其中最基础、最重要的一环，具体应用见表5。

表5 单次提取法应用

生物有效性生物评估法则是利用蚯蚓等土壤类生物体进行研究，通过分析蚯蚓对重金属的生物吸附、累积和排泄，跟踪重金属的迁移与形态变化，得出重金属生物有效性结论。SESHADRI等[13]通过测定不同重金属在蚯蚓体内的代谢，分析不同磷化物对重金属的生物化性，表明其生物有效性与蚯蚓体内重金属含量、土壤中重金属含量、土壤性质、蚯蚓体积等因素密切相关。GONZALEZ 等[14]通过测量安德爱蚯蚓存活率和体重损失率，表征重金属对蚯蚓的生物有效性，通过分析蚯蚓的体重变化、寿命变化、繁殖率变化，研究重金属累积对蚯蚓的毒性伤害与损伤部位，并通过添加不同螯合稳定剂来改变重金属生物有效性，改善蚯蚓生存环境。

2.6 USEPA 人体健康风险评价模型

对于农用地土壤健康评价研究，国内外一般采用美国环保署（USEPA）研发的健康风险评价模型，该模型框架完整，公式精准，有系统理论支撑，经大量学者的反复实践验证，在世界范围内广泛应用。计算公式及评估表如下：

式中：CR—致癌风险的概率；TCR—致癌风险总概率；CSF—每种重金属的致癌强度系数。

表6 USEPA 人体健康风险评价

2.7 根据土壤环境质量法进行风险评估

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）中农用地土壤污染风险筛选值与管制值，对照土壤重金属实际含量值，评估农用风险，并采取相应布控措施。农用地土壤污染风险筛选值的基本项目为必测项目，包括镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌；农用地土壤污染管控值包括镉、汞、砷、铅、铬。农用地土壤污染风险筛选值和管制值的使用，见表7。

表7 农用地土壤污染风险筛选值和管控值的使用情况

3 结 语

综上所述，猪粪中重金属去除与资源化利用关系到生态稳定与百姓健康。当前，重金属去除技术众多，但各有其优缺点，比如电化学处理方法虽然在实验室便于实现操作，但大规模应用则成本较高；化学浸提法虽然浸提时间短，但反应较剧烈，耗酸量较大，使用后容易对水体造成负面影响；生物淋沥法耗酸量小、成本低、去除重金属效率高，但存在需曝气充氧，固持保温等缺陷。实际应用中，应结合各区域的猪粪重金属含量、浓度、土壤性质与结构、承载能力，选择适宜的重金属去除技术，并采用合理的农用风险评估方法进行评估，在确保环境安全与人体健康的基础上，推进猪粪资源化利用。