畜禽養殖場廢棄物中重金屬銅和鋅的調控技術研究

龐繼達何莫斌俸祥仁,3*姜源明趙 武劉 偉

（1廣西玉林市動物衛生監督所，廣西玉林 537000；2廣西壯族自治區百朋種畜場，廣西柳州 541502；

3廣西南寧強微農牧科技有限公司，廣西南寧 530001；4廣西壯族自治區獸醫研究所，廣西南寧 530001)

畜禽養殖場廢棄物中重金屬銅和鋅的調控技術研究

龐繼達1何莫斌2俸祥仁2,3*姜源明4趙 武4劉 偉4

（1廣西玉林市動物衛生監督所，廣西玉林 537000；2廣西壯族自治區百朋種畜場，廣西柳州 541502；

3廣西南寧強微農牧科技有限公司，廣西南寧 530001；4廣西壯族自治區獸醫研究所，廣西南寧 530001)

對比研究物理化學法及微生物對畜禽養殖場廢棄物中重金屬銅和鋅富集轉化的影響，探討酸、超聲波、酸與超聲結合對畜禽糞便中金屬銅、鋅的去除效果；探討花生殼、谷殼、活性炭、花生殼和活性炭混合物、谷殼和活性炭混合物對銅、鋅的吸附、解吸附效果以及酵母菌對Cu、Zn的生物轉化效果。結果表明，酸和超聲波對豬糞中Cu、Zn的有一定去除效果，但其去除率較低；使用超聲和酸結合可以有效提升豬糞中Cu、Zn的去除率?；ㄉ鷼ず突钚蕴炕旌衔铩⒐葰ず突钚蕴炕旌衔飳θ芤褐蠧u2+、Zn2+的吸附能力強于單一花生殼、谷殼；花生殼最易解吸，活性炭相對難解吸。酵母菌對銅、鋅的富集轉化與培養液中銅、鋅離子濃度梯度有關，當培養液中銅、鋅離子濃度達到一定值時，嗜銅、嗜鋅酵母對銅、鋅的富集轉化率最高。

銅；鋅；酵母菌；富集轉化

研究利用化學法使養殖場糞污中大部分Cu、Zn轉化為離子形態溶出，經干濕分離，固體部分堆肥處理，液體部分經細管酸化，然后通過生物吸附和解吸作用提取回收糞污中Cu、Zn。收集經過生物吸附和解吸后含有低量Cu、Zn的豬糞混合液體經生物發酵生產有機肥。再以嗜銅、嗜鋅酵母菌為載體，對提取的Cu、Zn進行微生物轉化，獲得新型生物銅、生物鋅飼料添加劑。該技術和產品具有成本低、效率高、清潔環保等明顯優勢。

1 材料與方法

1.1 菌種

產朊假絲酵母菌即Ⅵ菌株（俸祥仁等從養殖場周邊土壤中分離獲得）。

1.2 主要儀器和試劑

原子吸收分光光度計、722分光光度計、滅菌鍋、恒溫烤箱、離心機、酸度計、振蕩器、離心機、超聲波細胞粉碎機。

ZnSO4·7H2O（分析純）、高氯酸液（分析純）、濃硝酸（分析純）、葡萄糖（分析純）、酵母浸膏（生化試劑）、硫酸鎂（分析純）、磷酸二氫鉀（分析純）、維生素B1、蛋白胨（生化試劑）、營養瓊脂（生化試劑）、0.1%氨水溶液、0.1%鹽酸溶液、蒸餾水。

1.3 試驗方法

1.3.1 豬糞溶液制備

取新鮮豬糞，用恒溫烤箱烘干，檢測豬糞的含固率為307.4 g/kg；取適量烘干的豬糞進行磨碎消解處理，用原子吸收分光光度計測得豬糞中重金屬銅、鋅含量分別為391.2 mg/kg、1 501.4 mg/kg，取蒸餾水與新鮮豬糞配制1∶10混懸液備用。

1.3.2 酸的選擇

測定上述1.3.1混懸液的pH值，分別取400 mL加到1 000 mL錐形瓶中，分三個組，分別移入搖床。每組振蕩20分鐘，分別添加1%混懸液量、濃度比為10%的鹽酸、硝酸和乙酸溶液，最后一次添加震蕩30分鐘后取樣離心，取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測各組濾液的pH值。

1.3.3 去酸除豬糞中Cu、Zn的影響因素

取上述1.3.1的混懸液400 mL加入錐形瓶中，分三個組，分別移入搖床，每振蕩1小時取樣10 mL，樣品離心取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測各組濾液銅、鋅的濃度。

1.3.4 超聲對豬糞中Cu、Zn的去除

⑴超聲頻率對豬糞中Cu、Zn去除的影響

取上述1.3.1混懸液分別加入到塑料瓶中，分三個組，每組兩個重復，各組樣品依次在超聲箱中以5、10、20、30、40 kHz的頻率超聲。將超聲處理完的樣品離心取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測濾液銅、鋅的濃度。

⑵超聲時間對豬糞中Cu、Zn去除的影響

取上述1.3.1混懸液分別加入到塑料瓶中，分三個組，每組兩個重復，將每組樣品移入超聲箱中，固定頻率為40 kHz，設定超聲作用時間分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90分鐘。超聲結束后，離心取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測濾液銅、鋅的濃度。

1.3.5 超聲與酸相結合對豬糞溶液中Cu、Zn的去除

取上述1.3.1混懸液分別加入到塑料瓶中，分三個組，第一組中加入6.5%（V酸溶液/V樣品）的10%酸溶液進行酸處理；第二組放在超聲箱中，在40 kHz條件下進行90分鐘超聲處理；第三組先加入6.5%的10%酸溶液，移入超聲箱中，在40 kHz條件下進行90分鐘超聲處理。然后將三組樣品搖床振蕩3小時后取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測濾液銅、鋅的濃度。

1.3.6 不同介質對Cu、Zn的吸附—解吸

⑴Cu2+、Zn2+吸附試驗

分別稱取花生殼、谷殼、活性炭、花生殼和活性炭（1∶1）混合物、谷殼和活性炭（1∶1）混合物各1.0 g，置于100 mL具塞離心管中，加入3 mL經超聲與酸相結合處理豬糞溶液獲得的Cu、Zn溶液，在往返式振蕩機上（220轉/分鐘）恒溫（25±1）℃振蕩，每組取樣三次離心，取上清液測定Cu、Zn的濃度，計算花生殼、谷殼、活性炭、花生殼和活性炭（1∶1）混合物、谷殼和活性炭（1∶1）混合物對Cu、Zn的吸附量。

⑵Cu2+、Zn2+解吸試驗

取上述Cu2+、Zn2+吸附試驗中的吸附物置離心管中加入蒸餾水振蕩10分鐘，然后離心倒去上清液，反復操作3次；最后加入10 mL CaCl2溶液恒溫下連續振蕩720分鐘時取出離心，分別取上清液三次檢測溶液中Cu2+、Zn2+的濃度。

1.3.7 嗜銅、嗜鋅酵母菌對混合液中無機銅、鋅生物轉化試驗

取上述Cu2+、Zn2+解吸試驗中獲得的Cu2+、Zn2+溶液，調節出6個濃度梯度，分別為梯度⑴：Cu 0 μg/mL、Zn 0 μg/mL，梯度⑵：Cu 92.43 μg/mL、Zn 346.48 μg/mL，梯度⑶：Cu 184.86 μg/mL、Zn 692.97 μg/mL，梯度⑷：Cu 246.48 μg/mL、Zn 923.96 μg/mL，梯度⑸：Cu 369.72 μg/mL、Zn 1 385.94 μg/mL，梯度⑹：Cu 739.44 μg/mL、Zn 2 771.88 μg/mL，配制無菌培養基，然后接種嗜銅、嗜鋅酵母菌培養120小時后收集菌體，并測定菌體銅、鋅的富集量。

1.4 測定指標

⑴金屬去除率根據去除重金屬前后豬糞中重金屬含量所折算的干物質中含量差值，計算豬糞中重金屬的去除率。

⑵酵母菌對銅、鋅生物轉化率將收集菌體烘干后，準確稱取0.2 g菌體，運用原子吸收分光光度計測定方法進行測定。

1.5 數據統計

試驗數據用Excel 2003進行整理，再用DPS進行方差分析，采用Duncan's法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 廣西重點養殖市規模養殖場飼料及畜禽糞便Cu和Zn含量狀況

豬、雞飼料和豬、雞糞便中Cu和Zn含量見表1。由表1可知，規模養殖場豬飼料和豬糞便中Cu、Zn的含量差異較大，在42.6 mg/kg～2 341.0 mg/kg之間；豬飼料Cu、Zn的平均含量分別為188.5 mg/kg和278.2mg/kg，豬糞便分別為650.0mg/kg和1619.4mg/kg。雞飼料和雞糞便中Cu、Zn的含量差異較大，在36.2mg/kg ～534.6 mg/kg之間；雞飼料Cu、Zn的平均含量分別為158.1和527.8 mg/kg，雞糞便分別為236.0 mg/kg 和1 826.4 mg/kg。豬、雞飼料和豬、雞糞便的Cu、Zn含量嚴重超標[1-4]。

2.2 酸的選擇

酸的種類對豬糞pH值的影響見表2。由表2可見，在加入酸溶液后，豬糞溶液的pH值明顯減小，兩種無機酸之間的效果差別較小，10%硝酸降低pH的效果稍強于10%鹽酸，當酸的添加量為0%、1%、2%時，三個試驗組的pH值變化不大，各組間差異不顯著（≥0.05）；當酸的添加量為3%、4%、5%、6%時，乙酸組的pH值明顯大于鹽酸組和硝酸組，差異顯著（ ＜0.05），當10%鹽酸組和10%硝酸組添加量達到3%、6%時，pH值差異顯著（＜0.05）。試驗表明，鹽酸、硝酸改變豬糞溶液pH值的能力強于有乙酸，所以在改變豬糞溶液的pH值時應選擇鹽酸或者硝酸，從成本和來源容易情況建議選擇鹽酸。

2.3 無機酸對豬糞中Cu、Zn的去除

酸投加量對豬糞中Cu、Zn去除的影響見表3。如表3所示，當10%鹽酸溶液以1%、2%、3%、4%、5%的添加量添加時，豬糞中Cu的去除率成倍增長，添加量達6%、7%時，豬糞中Cu的去除率有所減緩，但上升依然明顯；當投加10%鹽酸溶液達到7.0%時，豬糞中Cu的去除率最大可以達到58.71%。當10%鹽酸溶液以1%、2%、3%、4%、5%添加量添加時豬糞中Zn去除率明顯上升，添加量達6%、7%時，豬糞中Zn去除率明顯減緩，添加量7%時豬糞中Zn去除率達到81.85%。

2.4 超聲對豬糞中Cu、Zn的去除

不同超聲頻率對豬糞中Cu、Zn去除的影響見表4。從表4可見，在超聲處理時間固定（30分鐘）時，超聲頻率越高，豬糞中Cu、Zn的去除率越明顯，40 kHz超聲頻率作用下豬糞中Cu、Zn的去除率為69.01%、48.58%比5 kHz超聲頻率作用下豬糞中Cu、Zn去除率分別提高了571.30%、417.91%。

表1 豬、雞飼料和豬、雞糞便的Cu和Zn含量統計 （mg/kg）g/kg

表2 酸的種類對豬糞pHH值的影響

表3 酸投加量對豬糞中Cu、Zn去除率的影響 （%）%

表4 不同超聲頻率對豬糞中Cu、Zn去除率的影響 （%）%

超聲時間對豬糞中Cu、Zn去除的影響見表5。從表5可見，在超聲頻率固定（40 kHz）時，超聲時間長能更好地去除豬糞中的Cu、Zn，超聲作用90分鐘豬糞中Cu、Zn的去除率分別為87.43%、76.48%，比超聲作用10分鐘豬糞中Cu、Zn去除率分別提高了93.77%、166.85%。

2.5 超聲與無機酸結合對豬糞中Cu、Zn的去除

超聲與無機酸結合對豬糞中Cu、Zn的去除情況見表6。從表6可見，超聲和酸結合去除豬糞中Cu、Zn比使用一項方法的去除率高。超聲和酸結合對豬糞中Cu、Zn的去除率分別為94.49%、92.33%，比單一超聲作用或酸作用對豬糞中Cu、Zn的去除率為58.71%、81.85%和 87.43%、76.48%分別提高了 60.94%、12.80%和8.08%、20.72%。

2.6 不同物質對Cu2+、Zn2+的吸附效果和解吸效果

不同物質對Cu2+、Zn2+吸附效果見表7。由表7可知，單一花生殼、谷殼對溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力不如活性炭，說明活性炭具有較強吸附能力，但差異不顯著?；ㄉ鷼ず突钚蕴浚?∶1）混合物、谷殼和活性炭（1∶1）混合物對溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力強于單一花生殼、谷殼對溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力。

不同物質對Cu2+、Zn2+解吸效果見表7。各物質對Cu2+、Zn2+的解吸率見表7。綜合比較對Cu2+、Zn2+的解吸率，花生殼最易解吸，活性炭相對難解吸，這可能與活性炭結構有關。

2.7 不同濃度梯度對酵母菌銅、鋅富集的影響

不同濃度梯度對酵母菌銅、鋅富集的影響見表8。由表8可知，培養液中銅、鋅離子濃度分別在Cu 246.48 μg/mL～369.72 μg/mL、Zn 923.96 μg/mL～1 385.94 μg/mL時，銅、鋅富集轉化效果最佳，富銅量和富鋅量分別為2 826.50 μg/g～2 921.15 μg/g和30 828.3 μg/g～51 279.0 μg/g。

3 結論與討論

3.1 廣西重點養殖市畜禽糞便Cu和Zn含量狀況

本研究表明，廣西重點養殖市規模畜禽養殖場所產生畜禽糞便Cu和Zn含量超標較嚴重，畜禽飼料中Cu 和Zn的添加量直接影響到畜禽糞便中Cu和Zn含量，這與黃玉溢等[5]對廣西規?；B殖場進行Cu、Zn、Cr 和Cd含量測定分析的結果一致。

表5 超聲時間對豬糞中Cu、Zn去除的影響 （%）%

表6 超聲與無機酸結合對豬糞中Cu、Zn的去除 （%）%

表7 不同物質對Cu2+、Zn2+吸附效果和解吸效果 （mg/kg）g/kg

表8 不同濃度梯度對酵母菌銅、鋅富集的影響

3.2 不同外加因素對豬糞中Cu、Zn去除的影響

本研究表明，酸和超聲波對豬糞中Cu、Zn有一定的去除效果，但其去除率較低；使用超聲和酸結合可有效提升豬糞中Cu、Zn的去除率，這與楊寧等[6]的報道一致。

3.3 不同濃度梯度對酵母菌銅、鋅富集的影響

本研究表明，嗜銅、嗜鋅酵母對銅、鋅的富集轉化與培養液中銅、鋅離子濃度梯度有關，當培養液中銅、鋅離子濃度達到一定值時，嗜銅、嗜鋅酵母對銅、鋅的富集轉化率最高，這與李洪軍等[7、8]研究酵母對無機鋅的富集報道一致。

3.4 小結

嗜銅、嗜鋅酵母菌為載體，對提取的Cu、Zn進行微生物轉化，獲得新型生物銅、生物鋅飼料添加劑，該技術和產品具有成本低、效率高、清潔環保等明顯優勢。

[1]中國豬飼養標準 [EB/OL].[2012－01－22].http://www.chinafeeddata.org.cn/.

[2]飼料添加劑 [EB/OL].[2012－01－22].http://www.chinafeeddata.org.cn/viewnews．

[3]Verdonck O，Szmidt RAK．Compost specifications[J]. Acta Horticulture,1998,469:169-177．

[4]侯立軍,郭偉佳.豬場糞污危害及其處理利用 [J].中國豬業, 2016(7):76-77.

[5]黃玉溢,陳桂芬,劉斌,等.廣西集約化養殖豬飼料Cu和Zn含量及糞便Cu和Zn殘留特性研究 [J].安徽農業科學,2012,40 (17):9280-9281,9284.

[6]楊寧.豬糞中重金屬的分離與處理研究 [D].長沙:湖南農業大學,2014.

[7]李洪軍,何炬,賀稚非,等.酵母對無機鋅的富集及其影響因素研究[J].食品與發酵工業,1997,24(4):22-27.

[8]趙鸞,章杰.環保飼料的開發及應用概況[J].中國豬業，2016 (3):74-76.

X713

A

1673-4645(2017)04-0075-05

2017-02-10

廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科轉14125006-16)；廣西水產畜牧科技推廣應用項目（桂漁牧科201633049）；南寧市科學研究與技術開發計劃項目（20152309）；來賓市科學研究與技術開發計劃項目（來科產152914）；來賓市科學研究與技術開發計劃項目(來科產152708）

龐繼達(1981-)，男，廣西玉林人，畜牧獸醫師，主要從事畜牧獸醫研究及獸藥產品管理工作，E-mail：pangjida@126.com