溫度對豬糞厭氧發酵中Cu, Zn, Cr形態的影響

李 軼， 馮洋洋， 張 輝， 劉艷杰， 鞏俊璐， 谷士艷， 張 鎮， 張 敏

(沈陽農業大學 工程學院， 遼寧 沈陽 110866)

溫度對豬糞厭氧發酵中Cu, Zn, Cr形態的影響

李 軼， 馮洋洋， 張 輝， 劉艷杰， 鞏俊璐， 谷士艷， 張 鎮， 張 敏

(沈陽農業大學 工程學院， 遼寧 沈陽 110866)

文章試驗以豬糞為發酵原料，采用厭氧發酵技術，在接種物為20%，TS為12%，pH值為7的條件下進行25 d，研究20℃和35℃對豬糞厭氧發酵沼渣沼液中重金屬形態的影響，結果表明： 1) 20℃條件下發酵前后總有效態Cu含量由13.43 mg·kg-1降為9.59 mg·kg-1，發酵后在沼渣中占87.9%；35℃總有效態Cu含量升為14 mg·kg-1，在沼渣中占95.93%。 2) 20℃發酵前后總有效態Zn含量由73.76 mg·kg-1降為59.74 mg·kg-1，發酵后在沼渣中占88.87%；35℃總有效態Zn含量降為43.87 mg·kg-1，在沼渣中占81.51%。3) 20℃發酵前后總有效態Cr含量由0.28 mg·kg-1升為0.59 mg·kg-1，發酵后在沼渣中占49.15%；35℃總有效態Cr含量升為1.05 mg·kg-1，在沼渣中占87.62%。20℃和35℃豬糞厭氧發酵后重金屬含量均低于國內外關于有機肥的標準。

溫度； 豬糞； 沼氣發酵； 重金屬Cu，Zn，Cr； 形態

20 世紀90 年代以來，規模化養殖場的數量增加，集約化畜禽養殖場糞便污染日益嚴重[1]。其中生豬糞排放量約占總畜禽糞便排放量的24%[2]，然而為了增強畜禽的抗病能力、促進其快速生長，飼料中普遍采用飼料添加劑，其中包含重金屬元素銅鋅等，導致畜禽糞便中重金屬含量升高[3]，不僅造成了重金屬污染及對土壤和環境的危害[4-5]，還嚴重影響人體健康[6-7]。

吳大偉[8]等人經過調查研究發現：畜禽糞便中的Cu含量為410.69±8.60 mg·kg-1，Zn含量為629.29±10.96 mg·kg-1，Cr含量為11.98±1.27 mg·kg-1，都遠遠超過了國家標準，超標率分別達到13.89%，19.44%，8.33%[9]。然而僅僅根據重金屬總量來評判其生態環境效應是不全面的，重金屬的生態環境效應與其生物有效性密切相關[10-11]。由于豬糞中含有N，P，K及有機物等營養物質，可作為能源物質加以利用[12-13]，榮湘民[14-16]等研究了好氧堆肥處理對豬糞中重金屬形態及含量的影響，發現堆肥處理可降低豬糞中重金屬有效性。以畜禽糞便為原料的厭氧發酵是另一種有效的處理途徑[17-18]，并逐步成為重心[19]，靳紅梅[20]等通過對豬糞及奶牛糞中溫厭氧發酵對Cu和Zn的影響的研究，結果表明豬糞沼液中ρ(TCu)和ρ(TZn)的平均值極顯著低于進料，降幅分別為80%和43%。馬潔瓊[21]等研究了厭氧發酵重金屬元素分布規律，及其對厭氧消化的影響。溫度因素對豬糞厭氧發酵過程有較大的影響[22]，而目前關于溫度對畜禽糞便沼氣發酵過程中重金屬的形態影響的研究仍然較少。

因此筆者試驗以豬糞為發酵原料，取正常運行的沼氣池(以豬糞為發酵原料)中的沼液為接種物，采用厭氧發酵技術，BCR順序提取法[23]，通過研究不同溫度對豬糞厭氧發酵沼渣沼液中重金屬形態的影響，旨在為畜禽糞便重金屬污染控制研究提供參考，并為指導農業生產和沼渣沼液的安全合理利用提供科學的理論數據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬糞取自沈陽農業大學養豬場。豬糞總固體濃度(TS)為24.47%，揮發性固體濃度(VS)為75%。

接種物取自正常運行的沈陽市郊區沼氣池中的沼液。發酵原料豬糞中及接種物(沼液)中重金屬含量見表1，豬糞化學成分含量見表2。

表1 豬糞與接種物中重金屬含量

表2 豬糞的主要養分含量

1.2 試驗設計

研究采用一次進料，發酵周期為25 d。設定每個發酵罐接種物量20%，TS為12%，pH值為7.0，多數沼氣工程和農村戶用沼氣池屬于常溫厭氧發酵，因此本研究取常溫和中溫2個溫度條件，分別為20℃和35℃，研究不同溫度對豬糞沼氣發酵后沼渣沼液中重金屬形態的影響。

每組試驗設置3個重復，選用1000 mL廣口瓶，每組試驗裝置都由一個反應瓶、一個集氣瓶和一個排水瓶組成；接種物取150 mL，根據豬糞原料的含水率(75.53%)，確定豬糞的量為368 g，然后用蒸餾水定容至750 mL，裝料后用橡膠塞密封，并設有輸氣口，反應瓶和集氣瓶用膠皮管連接后密封，以保證良好的厭氧環境；采用排水集氣法，反應瓶置于恒溫(20℃和35℃)水浴鍋中。發酵過程中每天下午5:00測產氣量，以確保反應正常進行。

1.3 試驗方法

發酵開始后每d 監測產氣量，以確保反應正常進行。1 d 后各組日產氣便穩定上升，均達到30 mL以上，直至第25天發酵系統運行穩定。運行結束后，取一定量沼渣，用去離子水洗滌2～3次，離心(3000 r·min-1，5 min) 后的沉淀物于40 ℃下干燥，所獲得的固體樣品用于測定Cu，Zn和Cr 的形態。

沼液和沼渣中Cu，Zn，Cr 的含量采用ICP發射光譜分析法測定，用王水-高氯酸法消解；固體中Cu，Zn 和Cr的形態分析采用BCR連續提取法；浸提液中各重金屬含量采用原子吸收光譜儀測定。

2 結果與分析

2.1 溫度對豬糞厭氧發酵沼渣沼液中重金屬形態變化的影響

2.1.1 溫度對豬糞厭氧發酵沼渣沼液中重金屬Cu形態變化的影響

不同溫度對沼渣沼液中重金屬Cu形態變化影響見表3和表4。

由表3可知，發酵前接種物和豬糞中各形態Cu含量，以及經過25 d厭氧發酵后，各形態Cu含量在沼渣沼液中的百分含量。20℃條件下總有效態Cu含量與發酵前(豬糞+接種物中)總有效態Cu含量相比明顯降低，降幅為40.04%，而35℃條件下發酵后總有效態Cu含量有所升高，升幅為4.24%，可見20℃的厭氧發酵對總有效態Cu有明顯消減作用。20℃條件下總殘渣態Cu含量與發酵前相比明顯降低，降幅為43.31%，35℃條件下總殘渣態Cu含量明顯降低，降幅為38.70%，20℃的厭氧發酵對總殘渣態Cu的消減作用略優于35℃。

20℃條件下，發酵后總效態Cu占發酵后Cu總含量的比例為24.91%，35℃條件下總有效態Cu的比例為31.91%，20℃發酵后重金屬Cu生物有效性較低。20℃條件下，發酵后總殘渣態Cu的比例為75.09%、35℃條件下總殘渣態Cu的比例為68.09%。

表3 溫度對發酵前后樣品中重金屬Cu的4種形態含量和百分含量的影響

注：有效態是指水溶態、鐵錳氧化物結合態和有機結合態3種形態之和，而穩定態指殘渣態。

由表4可知，發酵結束后，20℃條件下總有效態Cu在沼液中的分配比例為12.10%，在沼渣中的分配比例為87.90%，35℃條件下總有效態Cu在沼液中的分配比例為24.21%，在沼渣中的分配比例為75.69%。

表4 20℃和35℃發酵前后各形態重金屬Cu總含量及在沼液沼渣中的分配比例

2.1.2 溫度對豬糞厭氧發酵后沼渣及沼液中重金屬Zn形態變化的影響

20℃和35℃對豬糞厭氧發酵后沼渣沼液中重金屬Zn形態變化影響如表5和表6所示。

由表5可知，發酵前接種物和豬糞中各形態Zn含量，以及經過25 d厭氧發酵后，各形態Zn含量及其百分含量。20℃條件下總有效態Zn含量與發酵前(接種物+豬糞中)總有效態Zn含量相比明顯降低，降幅為23.47%，35℃條件下發酵后總有效態Zn含量顯著降低，降幅為68.13%，可見35℃的厭氧發酵對總有效態Zn消減作用優于20℃。20℃條件下總殘渣態Zn含量與發酵前相比明顯降低，降幅為20.00%， 35℃條件下總殘渣態Zn含量明顯降低，降幅為28.11%，35℃的厭氧發酵對總殘渣態Zn的消減作用略優于20℃。

20℃條件下，發酵后總效態Zn占發酵后Zn總含量的比例為30.92%，35℃條件下總有效態Zn的比例為100%，20℃發酵后重金屬Zn生物有效性較低。20℃條件下，發酵后總殘渣態Zn的比例為69.08%，35℃條件下總殘渣態Zn的比例為74.02%。

表5 溫度對發酵前后樣品中重金屬Zn的4種形態含量和百分含量的影響

由表6可知，發酵結束后，20℃條件下總有效態Zn在沼液中的分配比例為11.13%，在沼渣中的分配比例為88.87%，35℃條件下總有效態Zn在沼液中的分配比例為18.49%，在沼渣中的分配比例為81.51%。

2.1.3 溫度對豬糞厭氧發酵后沼渣及沼液中重金屬Cr形態變化的影響

20℃，35℃對沼渣沼液中重金屬Cr形態變化影響如表7和表8所示。

由表7可知，發酵前接種物和豬糞中各形態Cr含量，以及經過25 d厭氧發酵后，各形態Cr含量及其百分含量。20℃發酵后總有機結合態Cr含量由發酵前(接種物+豬糞中)的0.01 mg·kg-1升為0.11 mg·kg-1，35℃總有機結合態Cr含量升為0.69 mg·kg-1，這可能是由于發酵過程中，其他形態的Cr與有機物形成了穩定化合物的緣故。20℃條件下總有效態Cr含量與發酵前總有效態Cr含量相比顯著升高，升幅為110.71%，35℃條件下發酵后總有效態Cr含量極顯著升高，升幅為275%，35℃條件下總有效態Cr升幅明顯高于20℃。20℃條件下總殘渣態Cr含量有所降低，降幅為3.70%，35℃條件下總殘渣態Cr含量明顯降低，降幅為30.23%，35℃的厭氧發酵對總殘渣態Cr的消減作用優于20℃。

表6 20℃和35℃發酵前后各形態重金屬Zn總含量及在沼液沼渣中的分配比例

20℃條件下，發酵后總效態Cr占發酵后Cr總含量的比例為21.45%，35℃條件下總有效態Cr的比例為37.91%，20℃發酵后重金屬Cr生物有效性較低。20℃條件下發酵后，總殘渣態Cr的比例為78.55%，35℃條件下總殘渣態Cr的比例為62.09%。

表7 溫度對發酵前后樣品中重金屬Cr的4種形態含量和百分含量的影響

由表8可知，發酵結束后，20℃條件下總有效態Cr在沼液中的分配比例為50.85%，在沼渣中的分配比例為49.15%，35℃條件下總有效態Cr在沼液中的分配比例為12.38%，在沼渣中的分配比例為87.62%。

表8 20℃和35℃發酵前后各形態重金屬Cr總含量及在沼液沼渣中的分配比例

3 結論

(1)20℃發酵后，總有效態Cu含量降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為12.10%和87.90%；35℃條件下總有效態Cu含量有所升高，其在沼液沼渣中的分配比例分別為24.21%和75.69%；20℃條件下總殘渣態Cu含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為5.05%和94.95%；35℃發酵后，總殘渣態Cu含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為15.80%和84.20%。所以對重金屬Cu而言，將20℃條件下發酵后沼液作為肥料施用相對安全。

(2)20℃條件下發酵后，總有效態Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為11.13%和88.87%；35℃條件下總有效態Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為18.49%和81.51%。20℃條件下發酵后總殘渣態Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為6.17%和93.83%；35℃條件下發酵后總殘渣態Zn含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為5.08%和94.92%。所以對重金屬Zn而言，將20℃條件下發酵后沼液作為肥料施用相對安全。

(3)20℃條件下發酵后，總有效態Cr含量降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為50.85%和49.15%；35℃條件下總有效態Cr含量有所升高，其在沼液沼渣中的分配比例分別為12.10%和87.90%。20℃條件下發酵后，總殘渣態Cr含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為6.94%和93.06%；35℃條件下總殘渣態Cr含量明顯降低，其在沼液沼渣中的分配比例分別為0.58%和99.42%。所以對重金屬Cr而言，將35℃條件下發酵后沼液作為肥料施用相對安全。

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Effects of Different Temperatures on Form of Cu, Zn, Cr in Anaerobic Fermentation of Pig Manure /

LI Yi, FENG Yang-yang, ZHANG Hui, LIU Yan-jie, GONG Jun-lu, GU Shi-yan, ZHANG Zhen, ZHANG Min /

(Engineering College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

This study hopes to provide a scientific basis for heavy metal pollution control and safety utilization of biogas fertilizer. The anaerobic fermentation of pig manure were carried out for 25 days under condition of 20% inoculums, 12% TS, pH 7, and adopting temperature of 20℃ and 35℃ respectively. The results show that: 1) Under 20℃, the total effective Cu of pig manure reduced from 13.43 mg·kg-1before fermentation to 9.59 mg·kg-1after fermentation，and 87.9% existed in biogas residue; but under the 35℃, total effective Cu increased to 14 mg·kg-1after fermentation, 95.93% existed in biogas residue. 2) Under 20℃, total effective Zn reduced from 73.76 mg·kg-1to 59.74 mg·kg-1，88.87% existed in biogas residue; and under 35℃, the total effective Zn dropped to 43.87 mg·kg-1, 81.51% existed in the biogas residue. 3) Under 20℃, the total effective Cr increased from 0.28 mg·kg-1to 0.59 mg·kg-1, 49.15% existed in biogas residue; under 35℃, total effective Cr increased to 1.05 mg·kg-1, 87.62% existed in the biogas residue. All these heavy metal content of pig manure fermented under 20℃ and 35℃ were all lower than the organic fertilizer standard at home and abroad.

temperature； pig manure； biogas fermentation； heavy metal form

2016-04-06

2016-06-17

項目來源： 遼寧省自然基金面上項目(2015020635)； 遼寧省自然科學基金項目(2014027012)

李 軼(1967-)，女，遼寧阜新人，副教授，主要從事新能源及農業生物環境工程方面的研究工作，E-mail：yilisyau2000@163.com 通信作者： 谷士艷，E-mail：syndgsy@126.com

TK6； S216.4

A

1000-1166(2017)03-0011-05