豬糞渣堆肥中重金屬復合鈍化劑配置及其應用分析

蔡海生，余文波，吳建富

（江西農業大學江西省鄱陽湖流域農業生態重點實驗室/南昌市鄱陽湖生態重點實驗室/農村土地資源利用與保護研究中心，江西 南昌 330045）

隨著集約化規模化畜禽養殖場的迅速發展，畜禽糞便已成為主要污染源之一［1-2］。據統計，2015年全國生豬出欄突破70 825萬頭、生豬存欄45 113萬頭、豬肉產量5 487萬t，均居世界第1位。然而，由此產生的豬糞便量超過6億t，約占畜牧業糞便總量的1/3，而綜合利用率不到50%，不僅造成資源的極大浪費，同時給生態環境帶來了巨大的壓力。農業廢棄物量大、面廣，用則利，棄則害，其資源化利用是農村環境治理的重要內容。2014年1月起施行的《畜禽規模養殖污染防治條例》明確要求“推進畜禽養殖廢棄物的綜合利用和無害化處理，保護和改善環境”；2016年4月農業部印發了《全國生豬生產發展規劃（2016—2020年）》，提出“推進標準化規模養殖，建設現代生豬種業，促進養殖廢棄物綜合利用”；2016年8月印發《關于推進農業廢棄物資源化利用試點的方案》，力爭到2020年試點縣規模養殖場配套建設糞污處理設施比例達80%左右，畜禽糞污基本實現資源化利用。目前，許多地方畜禽糞便缺乏相應的環保措施和廢物處理系統，未經處理的大批量糞便露天堆放或直接排入周邊環境，造成重金屬Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cd、Cr等對環境的嚴重污染，其中Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金屬會通過食物進入人體，對人類健康帶來危害，同時大量露天放置的糞便也易造成人畜疫病的發生［3-5］。

畜禽糞便重金屬污染的治理主要有兩種途徑：一是通過改變畜禽糞便中重金屬存在形態使其固定，降低其可移動性和生物效應；二是通過技術方法減少甚至除去畜禽糞便中的重金屬，使資源得到有效利用［6-8］。國內外控制畜禽糞便中重金屬污染的主要方法是采用畜禽糞便堆肥化，即將堆肥物料人工控制在一定水分、C/N比和通風條件下，通過物理、化學、微生物等技術方法，使畜禽糞便中的重金屬鈍化，并將其中的有機物轉化為肥料的過程［9-10］。也有學者從固體有機物的堆肥方面入手，開展功能有機肥及有機無機復混肥生產研究［11-12］。因此，通過技術集成創新，對養殖場糞便進行減量化、無害化、資源化處理，制成生物有機肥料，既可以防止其污染環境，同時又可以為農業生產提供優質的有機肥料，實現資源再生利用［13-14］，有助于農業生態良性循環和農業廢棄物的高效利用，是貫徹中央有關“推進種養業廢棄物資源化利用”等決策部署的具體行動，是解決農村環境臟亂差、建設美麗宜居鄉村的關鍵環節，也是應對經濟新常態、促投資穩增長的積極舉措。

為推進農業廢棄物資源化利用工作，實現豬糞無害化處理及資源利用，本研究以規模化養豬場固液分離后的豬糞渣為試驗對象，通過適當添加酒渣、秸稈粉、稻草灰、粉煤灰等原料，對豬糞渣中的重金屬進行鈍化，以期為豬糞渣無害化處理、實現資源化利用（生產有機肥料）提供一個新的技術方法，為減少畜牧養殖重金屬污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗豬糞渣材料主要來自江西省鄱陽湖區域規模養豬場。生豬糞便含水量高、黏性重、通氣性差，不能直接發酵，應進行適當的預處理后才能進行發酵，一般采用固液分離或機械脫水，豬糞便污水經固液分離后生成糞渣，其主要理化性狀大體為：含水率75%，有機碳15%，全氮0.60%，全磷0.50%，全鉀0.40%，C/N 25，重金屬含量分別為Cu 53.9 mg/kg、Zn 46.4 mg/kg、As 14.2 mg/kg、Hg 0.205 mg/kg、Pb 34.9 mg/kg、Cd 0.158 mg/kg、Cr 49.3 mg/kg。

鈍化劑原材料主要取自周邊區域，就地、就近取材，以降低成本、提高可行性，主要以酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭、稻殼灰、鈣鎂磷肥等為原料，以起到調節水分、C/N和通氣的作用，按一定比例設計5個配方，制成復合鈍化劑進行相關試驗。

1.2 試驗方法

試驗在江西某生態農業科技有限公司進行，根據不同配方在豬糞渣中分別加入酒渣7～10份、膨潤土5～6份、草木灰5～10份、粉煤灰3～5份、秸稈粉3～5份、草炭7～10份、稻殼灰3～5份、鈣鎂磷肥3～5份、硅藻土5～7份，并按一定比例加入有機肥專用發酵菌劑，經微生物好氧發酵加工成系列有機肥料，與我國有機肥料標準對比，有機質、氮、全磷、全鉀、養分總量、水分、重金屬等含量達到許可范圍，確認有機肥料產品質量達到標準，最終通過實驗數據篩選出有機肥料配方（表1）。

表1 豬糞便無害化處理生產有機肥料配方篩選

試驗采用條垛式好氧堆肥。將豬糞、酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭、稻殼灰、鈣鎂磷肥等，按配方比例稱重后混合均勻，并按每噸混合物加入發酵菌種（生物有機肥專用發酵劑）200～300 g，攪拌均勻，堆積發酵。發酵前預處理：混合物料含水率調節至60%～65%，C/N在30～40之間（可用輔料進行調節），豬糞渣混合物的pH值在7.5左右（可使用過鈣鎂磷肥或磷酸鈣調節）。將攪拌均勻的物料堆成條垛狀，堆體橫截面呈梯形，下底寬200 cm左右，上底寬100 cm左右，高50 cm，條垛長8～10 m，保證一定的長度堆發酵效果較好。在夏秋季節發酵，時間控制在20 d左右，冬春季節為25 d左右。具體操作按豬糞堆肥技術操作規程（DB36/T 836-2015）進行。堆肥期間，根據溫度變化進行翻堆處理，并適時取樣，完成總氮、總磷、總鉀、總有機物、重金屬等相關指標的檢測工作。

試驗設計基本的操作程序：豬糞渣預處理→物料堆入條垛式發酵場地→添加發酵菌劑翻堆→第一階段高溫發酵→第二階段中低溫發酵→發酵后熟階段→發酵成品→成品后加工→資源化利用（營養土、有機肥、城市綠化基肥等）。

1.3 堆體發酵條件管控

（1）溫度。用溫度計對堆體多個位置的溫度進行測定，取平均值。一般每天上午9：00測量1次，隨機取6個堆體部位，分別測定距離表層10、25、40 cm位置的溫度，取平均值，也可用棒式數顯溫度計測量。豬渣堆肥四季可作業，不受季節影響，一般應在15℃以上較好，冬天盡量在室內或大棚內發酵。冬春季每隔4 d翻料1次，夏秋季每隔2 d翻料1次，使物料發酵溫度控制在55～70℃之間為宜。

（2）水分。發酵物料的水分應控制在65%左右，過高過低均不利于發酵。水分過少，發酵慢；水分過多會導致通氣差、升溫慢，并產生臭味。水分過高可添加秸稈、鋸末屑、蘑菇渣、干泥土粉等。水分合適與否的判斷辦法：手抓一把物料使勁握緊，物料有水印出但不滴水，手松開物料成團，掉地即散。水分測定可采用105℃烘干法。

（3）翻堆通氣。發酵過程注意適當供氧與翻堆（溫度升至75℃或以上時要翻倒幾次），一般每周翻堆通氣1次，溫度控制在65℃左右。

1.4 測定指標及方法

堆料中的有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；總氮、總磷、總鉀含量的測定，將樣品用H2SO4-H2O2消煮后，總氮用開氏定氮法、總磷用釩鉬酸銨比色法、總鉀用火焰光度法測定；pH值直接用pH計測定（水樣比10∶1）。并比對NY/525-2012有機肥料標準進行指標分析。

重金屬檢測：共檢測銅、鋅、砷、汞、鉛、鎘、鉻等7個指標，樣品檢測環境，溫度15～20℃，濕度50%～60%，主要利用微波消解結合原子熒光、原子吸收法測定。檢測分析依據為：銅采用NY/T305.1-95標準測定，鋅采用NY/T305.1-95標準測定，砷、汞、鉛、鎘、鉻采用NY/T525-2012標準測定。

2 結果與分析

2.1 豬糞渣堆肥后的重金屬鈍化效應分析

本試驗主要在江西某生態農業科技有限公司進行，并將相關樣品送江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所測試中心分析，結果（表2）表明，依據不同配方通過添加酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭、稻殼灰、鈣鎂磷肥等材料，制成復合鈍化劑，通過采用條垛式好氧堆肥，5種配方都對豬糞渣中的重金屬產生了鈍化效應。

表2 豬糞渣添加重金屬復合鈍化劑后的鈍化效應檢測結果（mg/kg）

從表2試驗數據對比分析，堆肥處理前后重金屬的形態變化比較顯著。各配方處理結果顯示：重金屬含量銅為42.3～50.3 mg/kg，比對照最大降幅為22%；鋅為41.7～57.1 mg/kg，最大降幅為10%；砷為13.2～15.6 mg/kg，最大降幅為7%；汞為0.165～0.217 mg/kg，最大降幅為20%；鉛為23.2～27.6 mg/kg，最大降幅為34%；鎘為0.172～0.192 mg/kg，最大降幅為7%；鉻為45.7～56.7 mg/kg，最大降幅為7%。然而，鎘為0.172～0.192 mg/kg，比對照樣品提高了9%，這是由于復合輔助材料中鎘含量較高所致，有待今后進一步改進。總體上看，特別是F-0032-15（配方3），對豬糞渣中的重金屬鈍化效果最好。

2.2 豬糞便資源化利用產品狀況分析

從表3可以看出，堆肥處理前后重金屬的形態變化較顯著，同時，資源化利用方面也具有較好的應用價值，以烘干基計，各養分含量分別為：有機質含量為55.5%～74.5%，全氮3.1%～3.76%，全磷2.94%～4.21%，全鉀1.2%～2.26%，養分總量為7.9%～9.57%，水分26.98%～29.85%，重金屬含量（砷1.03～4.2 mg/kg、汞 0.005～0.28 mg/kg、鉛2.5～38.15 mg/kg、鎘 0.2～0.59 mg/kg、鉻4.9～11.97 mg/kg），pH 值 7.5～8.0，其中統一編號F-0032-15（配方3）、F-0034-15（配方5）的養分含量及砷、汞、鉛、鎘、鉻等重金屬含量達到了國家有機肥料生產標準（NY 525-2012）。

表3 豬糞渣堆肥后有機肥產品與國家有機肥料的技術指標（NY525-2012）比較分析（以烘干基計）

經過條垛式好氧堆肥發酵，豬糞渣已基本腐熟，在倉庫內堆置10 d左右完成后熟，可直接作為有機肥出售，也可經篩分、干燥、精加工、造粒等工序處理后，制成精制有機肥，實現豬糞渣無害化處理、資源化利用的目標。

3 結論與討論

本試驗通過在豬糞渣中按照一定比例設計配方添加復合鈍化劑，綜合采用化學轉化技術、堆肥處理觀察前后重金屬的形態變化趨勢，5個配方基本上都對重金屬產生了較好的鈍化效果，重金屬比重相對降幅最大的達到34%。其中，配方3（豬糞、酒渣、膨潤土、草木灰、草炭）、配方5（豬糞、雞糞、酒渣、膨潤土、草木灰、粉煤灰、秸稈粉、草炭）處理的發酵產品，總養分含量及砷、汞、鉛、鎘、鉻等重金屬含量達到了國家有機肥料生產標準，可以作為生產綠色有機肥的基礎原料，實現了豬糞渣無害化處理及資源化利用。本試驗工藝過程主要采用條垛式發酵方式，工藝過程簡單、方法易行、操作簡便，對重金屬鈍化效果比較好，生產成本總體估算150元/t（豬糞）左右，實現將豬糞變廢為寶的循環利用模式。

通過實地調研，目前江西省鄱陽湖區規模養殖場畜禽糞便處理模式多樣，有干清糞法+污水收集模式、種養結合+小型沼氣池的立體生態模式、中型沼氣池模式、大型沼氣發電模式等，主要圍繞畜禽糞便減量化生成、無害化處理及資源化利用等綜合模式。本試驗通過就地、就近取材制作重金屬復合鈍化劑，添加到豬糞渣中進行堆肥處理，取得了較好的效果。但從推進畜禽養殖廢棄物的綜合利用和無害化處理、減少環境污染、開展農村環境整治、發展立體生態循環農業等方面，還有許多值得進一步開展的工作。

復合鈍化劑的最終效應需要進一步定性和定量分析。本試驗過程中，限于相關重金屬分析的設備器材、工藝技術條件等方面，未能對堆肥處理過程中復合物料里面的重金屬活性演化、化合物的存在形式等情況進行分析，沒有對符合鈍化劑發揮作用的溫度、濕度、比例等條件環境狀況進行分析，只簡單地分析了堆肥前后重金屬含量的變化情況，以及堆肥后物料制作有機肥的相關指標達標狀況分析。

在堆肥化過程中加入重金屬鈍化劑，使其重金屬從活性較高的形態向活性較低的形態轉化，越來越受到人們的重視。集成幾種重金屬去除方法，兼顧可操作性、高效性、成本低廉性和環境安全性，研發簡單、低廉、高效、安全的復合重金屬鈍化劑，對于畜禽糞便得無害化處理和高效利用非常關鍵。因此應進一步加強就近、就便、低成本、高效率等重金屬復合鈍化劑的生產和相關技術的研發，并實現規范化和標準化建設，加強應用技術推廣，推動農業廢棄物資源化利用取得更好成效。

畜禽養殖糞便污水無害化處理及資源化利用研究，對于改善農村生產、生活、生態環境質量意義重大，要注重秉承“減量化、無害化、資源化、生態化、經濟適用”等原則，加強對豬糞便減量化、無害化處理和資源化利用的宣傳普及，幫助社會各界特別是廣大農村養殖戶和規模養殖企業提高認識。從源頭治理考慮，認真落實《畜禽規模養殖污染防治條例》《全國生豬生產發展規劃（2016—2020年）》《關于推進農業廢棄物資源化利用試點的方案》等文件法規，從規模畜禽養殖的全過程通盤考慮，加快生豬產業轉型升級和綠色發展，合理規劃、科學設計、集成創新，實現廢棄物減量化、無害化處理高效化、資源化利用普及化，通過技術集成創新，最終達到防止和減少環境污染問題，促進美麗宜居鄉村建設。

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