豬糞中重金屬去除技術及農用風險評估方法綜述

梁玉蘭，陳志杰

（閩西職業技術學院，福建 龍巖 364000）

中國是養殖大國，生豬的存欄量及出欄量均居世界第一位。豬糞中含有多種重金屬和某些抗生素，如任其不科學地排放，會對環境造成嚴重的污染和破壞，但如果能夠合理利用，卻能讓其變廢為寶，轉換為肥料、飼料或能源。近年來，國家大力提倡畜禽糞污資源化利用，2017 年國務院發布《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》，2018 年農業部發布《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》，鼓勵地方加快推進畜禽糞污資源化利用，優化調整畜牧業區域布局，促進農牧結合、種養循環農業發展。本研究通過分析整理國內外學者的相關實踐研究，探討豬糞中重金屬去除技術及農用風險評估方法，以期對提高畜禽糞污資源化利用，提升農用土地承載力，緩解生態環境壓力等提供參考。

1 豬糞中重金屬去除技術

1.1 使用鈍化劑吸附豬糞重金屬

劉卓[1]通過活性炭、楊木碳、竹碳3 種不同吸附劑，研究不同鈍化劑添加量對重金屬的吸附作用，表明鈍化劑粒徑越小，對重金屬的吸附能力越強，其中0.25 mm 的鈍化劑粒徑能有效吸附Na、K、Cu、Zn、Cr 等重金屬。王宇佳和逯洋[2]研究用殼聚糖基吸附去除重金屬，殼聚糖結構中含有大量氨基和羥基，具有優良的生物降解能力、重金屬吸附能力，表明殼聚糖用量越大、接觸時間越長，重金屬的去除率越高。李若男等[3]研究纖維素納米纖維（CNF）及其改性產物對重金屬的吸附，表明CNF 改性產物對鉛的吸附力超過200 mg·g-1，吸附率超過80%，對銅的吸附力超過80 mg·g-1，對鎘的吸附力超過100 mg·g-1。何雯箐[4]用900oC 煅燒蛋殼作為鈍化吸附劑，發現蛋殼添加量為2.5%時，重金屬去除率高達90%。

1.2 堆肥發酵降低豬糞重金屬毒性

王秀紅等[5]對畜禽糞便進行固液分離，添加煙絲、糠醛等輔料后進行好氧堆肥，檢測腐熟后的重金屬殘留量，結果表明砷、汞、鉛、鎘、鉻的含量分別為4.92、0.20、12.08、0.09、23.67 mg·kg-1，較堆肥前大幅降低，且均符合堆肥對重金屬的要求范圍。徐榮等[6]研究在畜禽糞便好氧堆肥工程中，添加生物炭、聚天冬氨酸、土壤改良液、水果垃圾發酵液四種添加劑，導致重金屬含量和形態發生變化，好氧堆肥可以使重金屬從高價態往低價態轉化，轉化率在10%左右（P＜0.05）。不同重金屬轉化率不盡相同，某些重金屬可由不溶態轉化為可溶態，轉化率在3%左右（P＜0.05）。加入添加劑后，顯示不僅能鈍化重金屬，還能固定氮元素，聚天冬氨酸、生物炭的使用效果優于其他添加劑。

1.3 高溫熱解降低豬糞重金屬生物有效性

畜禽糞便熱解是近期的研究熱點，因從糞便熱解的殘留有機物中可獲得生物炭、生物油、合成氣等資源，供人類二次利用。研究人員發現，在經過超過500oC 高溫處理后，豬糞生物炭中鉻、錳、銅、鋅的生物利用度和毒性顯著降低。Meng J.等[7]研究發現，在豬糞熱解處理中添加稻草后，加熱溫度至600oC 時，可極大降低生物炭中乙酸銨的可萃取濃度，銅和鋅的濃度也相應降低。

1.4 電化學處理法去除豬糞重金屬

電化學處理方法在世界范圍內被用于污水、廢水的凈化處理，將其應用于畜禽糞便處理有其特有的優勢，無需添加過多的化學藥劑，重金屬去除效果好，對場地要求小，設備便于安置，后期處理簡單，投資較少，且在電化學法處理畜禽糞便后，還可從電極處回收得到純金屬。

熊長齊等[8]用電化學法處理養殖糞便，以石墨板為陽極，不銹鋼板為陰極，pH 值調節為7 左右，電壓設置為40 V，電解處理4 h 后，養殖糞便中銅、鋅、鎘、鉛的去除率均高于55%。

1.5 化學浸提技術分離豬糞重金屬

化學浸提技術是指在豬糞中添加有機酸、無機酸等化學物質，減弱糞便與金屬的結合力，酸質子與金屬離子發生置換反應，使一部分重金屬以離子形態溶出，達到分離的目的。浸提中加入螯合劑、離子交換劑和表面活性劑可增加重金屬的浸提率，溶解出來的重金屬離子可用氧化鈣等堿性物質或者硫化鈉等硫化物轉化為沉淀去除。化學浸提技術的優勢是限制條件少，操作簡單，投入一定量的酸量后，進行一定時間的混勻攪拌即可，浸提所需時間相對較短。

研究人員通過比較檸檬酸、草酸、硝酸和鹽酸對重金屬的去除效率，發現檸檬酸pH 值為3～4 時，重金屬去除效果最佳，鎘、鉻、鋅的去除率均可達到85%。

1.6 生物淋濾技術去除豬糞重金屬

生物淋濾技術去除豬糞中重金屬是國際上新興的一種畜禽糞便資源化處理技術，是指運用某類細菌的直接作用或者其代謝產物的間接作用，通過氧化、吸附、絡合等作用，將重金屬從豬糞中分離，具有反應溫和、操作簡易、高效殺菌、重金屬去除率高等優勢。廣泛采用的細菌主要為氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌，因為兩者的耐酸性都很強，很大程度上排斥了異養微生物的競爭。

劉鵬等[9]研究表明，生物淋濾對豬糞中的重金屬具有高效去除率，采用硫桿菌，添加FeSO4等菌類生長因子，調節糞便pH 值，使吸附在糞便中的重金屬溶于液相中，再經過脫水處理，去除重金屬。以40 g·L-1的豬糞為例，當FeSO4投入量為10 g·L-1、硫桿菌接種量為10%、豬糞淋濾超過10 d 后，銅、鋅、鎘的去除率可分別達到90%、90%、70%以上。

2 豬糞農用風險評估方法

2.1 單因子污染指數評估法

單因子指數法是一種最直觀簡單的評估方法，能夠單獨應用，也常用于一些綜合性分析的基礎評估。通過分析土壤重金屬元素濃度和土壤背景值的比值，從而確定土壤重金屬的污染等級。重金屬污染指數可以表達土壤重金屬的受污染情況[10]，該指數的數值與污染物受污染程度成正相關關系，計算公式及評估表如下：

式中，Pi—土壤污染物i的環境質量指數；Ci—污染物i的實測濃度；Si—污染物i的評價標準濃度。

表1 單因子污染指數評估

2.2 內梅羅綜合污染指數評估法

內梅羅綜合指數法是國內外常用的重金屬綜合污染評價方法，其基于單因子分析法，但相比單因子分析法又具有很多優勢，可綜合反映各個污染物的平均污染水平，同時還具有重污染指向性，計算結果能充分表征污染物對沉積物環境質量產生的影響[11]。計算公式及評估表如下：

式中：P—所有重金屬元素的內梅羅綜合污染指數；Pi，max—單因子污染指數的最大值；Pi—單因子污染指數的平均值。

表2 內梅羅綜合指數評估

2.3 潛在生態風險指數評估法

潛在生態風險評價是農業研究人員常用的一種評價方法，建立在沉積學基礎上，對受測物的污染程度進行比較分析。在數據處理過程中還同時考慮毒性系數、重金屬自身特點、環境影響特征，更符合對生態評價的潛在內涵。實際應用中，先對區域土壤進行針對性采樣檢測，對區域潛在風險指數進行匯總，根據RI 值確定風險高低程度。計算公式及評估表如下：

式中：Eri—土壤中第i 種重金屬元素的潛在生態危險系數；RI—土壤中多種重金屬元素的綜合生態危險指數。

表3 潛在生態風險指數評估

2.4 Muller 地累積指數評估法

地累積指數評估法于20 世紀60 年代晚期由德國科學家Muller 始創，用于沉積物中重金屬污染物的研究分析。作為重金屬污染的定量計算，根據實測土壤重金屬含量與土壤元素背景值的關系，對土壤重金屬的污染程度進行評價，根據計算結果，可以對區域中所有重金屬累積指數平均值進行排序，并通過標準差對比，分析評估結果。計算公式及評估表如下：

式中：Cn—實測重金屬；K—轉換系數；Bn—土壤背景值。

表4 地累積指數評估

2.5 土壤重金屬生物有效性評估法

國內外越來越多的學者都注意到土壤中重金屬污染情況不完全取決于重金屬總量，土壤中生物對重金屬的吸收降污是一個不可忽視的環節，因此提出了生物有效性，其定義是土壤中化學物質被人體或生態受體吸收或代謝的程度，或可與生物系統相互作用的程度[12]。國際上生物有效性評估方法目前主要有2 種，即生物有效性化學評估法和生物有效性生物評估法。

生物有效性化學評估法由于操作簡單，成本低廉的優勢，是目前評價重金屬在土壤中的有效性中最廣泛應用的方法之一。根據提取方法的不同，又可分為單次提取法、連續提取法、梯度薄膜擴散技術法，單次提取法又是其中最基礎、最重要的一環，具體應用見表5。

表5 單次提取法應用

生物有效性生物評估法則是利用蚯蚓等土壤類生物體進行研究，通過分析蚯蚓對重金屬的生物吸附、累積和排泄，跟蹤重金屬的遷移與形態變化，得出重金屬生物有效性結論。SESHADRI等[13]通過測定不同重金屬在蚯蚓體內的代謝，分析不同磷化物對重金屬的生物化性，表明其生物有效性與蚯蚓體內重金屬含量、土壤中重金屬含量、土壤性質、蚯蚓體積等因素密切相關。GONZALEZ 等[14]通過測量安德愛蚯蚓存活率和體重損失率，表征重金屬對蚯蚓的生物有效性，通過分析蚯蚓的體重變化、壽命變化、繁殖率變化，研究重金屬累積對蚯蚓的毒性傷害與損傷部位，并通過添加不同螯合穩定劑來改變重金屬生物有效性，改善蚯蚓生存環境。

2.6 USEPA 人體健康風險評價模型

對于農用地土壤健康評價研究，國內外一般采用美國環保署（USEPA）研發的健康風險評價模型，該模型框架完整，公式精準，有系統理論支撐，經大量學者的反復實踐驗證，在世界范圍內廣泛應用。計算公式及評估表如下：

式中：CR—致癌風險的概率；TCR—致癌風險總概率；CSF—每種重金屬的致癌強度系數。

表6 USEPA 人體健康風險評價

2.7 根據土壤環境質量法進行風險評估

根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）中農用地土壤污染風險篩選值與管制值，對照土壤重金屬實際含量值，評估農用風險，并采取相應布控措施。農用地土壤污染風險篩選值的基本項目為必測項目，包括鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅；農用地土壤污染管控值包括鎘、汞、砷、鉛、鉻。農用地土壤污染風險篩選值和管制值的使用，見表7。

表7 農用地土壤污染風險篩選值和管控值的使用情況

3 結 語

綜上所述，豬糞中重金屬去除與資源化利用關系到生態穩定與百姓健康。當前，重金屬去除技術眾多，但各有其優缺點，比如電化學處理方法雖然在實驗室便于實現操作，但大規模應用則成本較高；化學浸提法雖然浸提時間短，但反應較劇烈，耗酸量較大，使用后容易對水體造成負面影響；生物淋瀝法耗酸量小、成本低、去除重金屬效率高，但存在需曝氣充氧，固持保溫等缺陷。實際應用中，應結合各區域的豬糞重金屬含量、濃度、土壤性質與結構、承載能力，選擇適宜的重金屬去除技術，并采用合理的農用風險評估方法進行評估，在確保環境安全與人體健康的基礎上，推進豬糞資源化利用。