温度对猪粪厌氧发酵中Cu, Zn, Cr形态的影响

李 轶， 冯洋洋， 张 辉， 刘艳杰， 巩俊璐， 谷士艳， 张 镇， 张 敏

(沈阳农业大学 工程学院， 辽宁 沈阳 110866)

温度对猪粪厌氧发酵中Cu, Zn, Cr形态的影响

李 轶， 冯洋洋， 张 辉， 刘艳杰， 巩俊璐， 谷士艳， 张 镇， 张 敏

(沈阳农业大学 工程学院， 辽宁 沈阳 110866)

文章试验以猪粪为发酵原料，采用厌氧发酵技术，在接种物为20%，TS为12%，pH值为7的条件下进行25 d，研究20℃和35℃对猪粪厌氧发酵沼渣沼液中重金属形态的影响，结果表明： 1) 20℃条件下发酵前后总有效态Cu含量由13.43 mg·kg-1降为9.59 mg·kg-1，发酵后在沼渣中占87.9%；35℃总有效态Cu含量升为14 mg·kg-1，在沼渣中占95.93%。 2) 20℃发酵前后总有效态Zn含量由73.76 mg·kg-1降为59.74 mg·kg-1，发酵后在沼渣中占88.87%；35℃总有效态Zn含量降为43.87 mg·kg-1，在沼渣中占81.51%。3) 20℃发酵前后总有效态Cr含量由0.28 mg·kg-1升为0.59 mg·kg-1，发酵后在沼渣中占49.15%；35℃总有效态Cr含量升为1.05 mg·kg-1，在沼渣中占87.62%。20℃和35℃猪粪厌氧发酵后重金属含量均低于国内外关于有机肥的标准。

温度； 猪粪； 沼气发酵； 重金属Cu，Zn，Cr； 形态

20 世纪90 年代以来，规模化养殖场的数量增加，集约化畜禽养殖场粪便污染日益严重[1]。其中生猪粪排放量约占总畜禽粪便排放量的24%[2]，然而为了增强畜禽的抗病能力、促进其快速生长，饲料中普遍采用饲料添加剂，其中包含重金属元素铜锌等，导致畜禽粪便中重金属含量升高[3]，不仅造成了重金属污染及对土壤和环境的危害[4-5]，还严重影响人体健康[6-7]。

吴大伟[8]等人经过调查研究发现：畜禽粪便中的Cu含量为410.69±8.60 mg·kg-1，Zn含量为629.29±10.96 mg·kg-1，Cr含量为11.98±1.27 mg·kg-1，都远远超过了国家标准，超标率分别达到13.89%，19.44%，8.33%[9]。然而仅仅根据重金属总量来评判其生态环境效应是不全面的，重金属的生态环境效应与其生物有效性密切相关[10-11]。由于猪粪中含有N，P，K及有机物等营养物质，可作为能源物质加以利用[12-13]，荣湘民[14-16]等研究了好氧堆肥处理对猪粪中重金属形态及含量的影响，发现堆肥处理可降低猪粪中重金属有效性。以畜禽粪便为原料的厌氧发酵是另一种有效的处理途径[17-18]，并逐步成为重心[19]，靳红梅[20]等通过对猪粪及奶牛粪中温厌氧发酵对Cu和Zn的影响的研究，结果表明猪粪沼液中ρ(TCu)和ρ(TZn)的平均值极显著低于进料，降幅分别为80%和43%。马洁琼[21]等研究了厌氧发酵重金属元素分布规律，及其对厌氧消化的影响。温度因素对猪粪厌氧发酵过程有较大的影响[22]，而目前关于温度对畜禽粪便沼气发酵过程中重金属的形态影响的研究仍然较少。

因此笔者试验以猪粪为发酵原料，取正常运行的沼气池(以猪粪为发酵原料)中的沼液为接种物，采用厌氧发酵技术，BCR顺序提取法[23]，通过研究不同温度对猪粪厌氧发酵沼渣沼液中重金属形态的影响，旨在为畜禽粪便重金属污染控制研究提供参考，并为指导农业生产和沼渣沼液的安全合理利用提供科学的理论数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

猪粪取自沈阳农业大学养猪场。猪粪总固体浓度(TS)为24.47%，挥发性固体浓度(VS)为75%。

接种物取自正常运行的沈阳市郊区沼气池中的沼液。发酵原料猪粪中及接种物(沼液)中重金属含量见表1，猪粪化学成分含量见表2。

表1 猪粪与接种物中重金属含量

表2 猪粪的主要养分含量

1.2 试验设计

研究采用一次进料，发酵周期为25 d。设定每个发酵罐接种物量20%，TS为12%，pH值为7.0，多数沼气工程和农村户用沼气池属于常温厌氧发酵，因此本研究取常温和中温2个温度条件，分别为20℃和35℃，研究不同温度对猪粪沼气发酵后沼渣沼液中重金属形态的影响。

每组试验设置3个重复，选用1000 mL广口瓶，每组试验装置都由一个反应瓶、一个集气瓶和一个排水瓶组成；接种物取150 mL，根据猪粪原料的含水率(75.53%)，确定猪粪的量为368 g，然后用蒸馏水定容至750 mL，装料后用橡胶塞密封，并设有输气口，反应瓶和集气瓶用胶皮管连接后密封，以保证良好的厌氧环境；采用排水集气法，反应瓶置于恒温(20℃和35℃)水浴锅中。发酵过程中每天下午5:00测产气量，以确保反应正常进行。

1.3 试验方法

发酵开始后每d 监测产气量，以确保反应正常进行。1 d 后各组日产气便稳定上升，均达到30 mL以上，直至第25天发酵系统运行稳定。运行结束后，取一定量沼渣，用去离子水洗涤2～3次，离心(3000 r·min-1，5 min) 后的沉淀物于40 ℃下干燥，所获得的固体样品用于测定Cu，Zn和Cr 的形态。

沼液和沼渣中Cu，Zn，Cr 的含量采用ICP发射光谱分析法测定，用王水-高氯酸法消解；固体中Cu，Zn 和Cr的形态分析采用BCR连续提取法；浸提液中各重金属含量采用原子吸收光谱仪测定。

2 结果与分析

2.1 温度对猪粪厌氧发酵沼渣沼液中重金属形态变化的影响

2.1.1 温度对猪粪厌氧发酵沼渣沼液中重金属Cu形态变化的影响

不同温度对沼渣沼液中重金属Cu形态变化影响见表3和表4。

由表3可知，发酵前接种物和猪粪中各形态Cu含量，以及经过25 d厌氧发酵后，各形态Cu含量在沼渣沼液中的百分含量。20℃条件下总有效态Cu含量与发酵前(猪粪+接种物中)总有效态Cu含量相比明显降低，降幅为40.04%，而35℃条件下发酵后总有效态Cu含量有所升高，升幅为4.24%，可见20℃的厌氧发酵对总有效态Cu有明显消减作用。20℃条件下总残渣态Cu含量与发酵前相比明显降低，降幅为43.31%，35℃条件下总残渣态Cu含量明显降低，降幅为38.70%，20℃的厌氧发酵对总残渣态Cu的消减作用略优于35℃。

20℃条件下，发酵后总效态Cu占发酵后Cu总含量的比例为24.91%，35℃条件下总有效态Cu的比例为31.91%，20℃发酵后重金属Cu生物有效性较低。20℃条件下，发酵后总残渣态Cu的比例为75.09%、35℃条件下总残渣态Cu的比例为68.09%。

表3 温度对发酵前后样品中重金属Cu的4种形态含量和百分含量的影响

注：有效态是指水溶态、铁锰氧化物结合态和有机结合态3种形态之和，而稳定态指残渣态。

由表4可知，发酵结束后，20℃条件下总有效态Cu在沼液中的分配比例为12.10%，在沼渣中的分配比例为87.90%，35℃条件下总有效态Cu在沼液中的分配比例为24.21%，在沼渣中的分配比例为75.69%。

表4 20℃和35℃发酵前后各形态重金属Cu总含量及在沼液沼渣中的分配比例

2.1.2 温度对猪粪厌氧发酵后沼渣及沼液中重金属Zn形态变化的影响

20℃和35℃对猪粪厌氧发酵后沼渣沼液中重金属Zn形态变化影响如表5和表6所示。

由表5可知，发酵前接种物和猪粪中各形态Zn含量，以及经过25 d厌氧发酵后，各形态Zn含量及其百分含量。20℃条件下总有效态Zn含量与发酵前(接种物+猪粪中)总有效态Zn含量相比明显降低，降幅为23.47%，35℃条件下发酵后总有效态Zn含量显著降低，降幅为68.13%，可见35℃的厌氧发酵对总有效态Zn消减作用优于20℃。20℃条件下总残渣态Zn含量与发酵前相比明显降低，降幅为20.00%， 35℃条件下总残渣态Zn含量明显降低，降幅为28.11%，35℃的厌氧发酵对总残渣态Zn的消减作用略优于20℃。

20℃条件下，发酵后总效态Zn占发酵后Zn总含量的比例为30.92%，35℃条件下总有效态Zn的比例为100%，20℃发酵后重金属Zn生物有效性较低。20℃条件下，发酵后总残渣态Zn的比例为69.08%，35℃条件下总残渣态Zn的比例为74.02%。

表5 温度对发酵前后样品中重金属Zn的4种形态含量和百分含量的影响

由表6可知，发酵结束后，20℃条件下总有效态Zn在沼液中的分配比例为11.13%，在沼渣中的分配比例为88.87%，35℃条件下总有效态Zn在沼液中的分配比例为18.49%，在沼渣中的分配比例为81.51%。

2.1.3 温度对猪粪厌氧发酵后沼渣及沼液中重金属Cr形态变化的影响

20℃，35℃对沼渣沼液中重金属Cr形态变化影响如表7和表8所示。

由表7可知，发酵前接种物和猪粪中各形态Cr含量，以及经过25 d厌氧发酵后，各形态Cr含量及其百分含量。20℃发酵后总有机结合态Cr含量由发酵前(接种物+猪粪中)的0.01 mg·kg-1升为0.11 mg·kg-1，35℃总有机结合态Cr含量升为0.69 mg·kg-1，这可能是由于发酵过程中，其他形态的Cr与有机物形成了稳定化合物的缘故。20℃条件下总有效态Cr含量与发酵前总有效态Cr含量相比显著升高，升幅为110.71%，35℃条件下发酵后总有效态Cr含量极显著升高，升幅为275%，35℃条件下总有效态Cr升幅明显高于20℃。20℃条件下总残渣态Cr含量有所降低，降幅为3.70%，35℃条件下总残渣态Cr含量明显降低，降幅为30.23%，35℃的厌氧发酵对总残渣态Cr的消减作用优于20℃。

表6 20℃和35℃发酵前后各形态重金属Zn总含量及在沼液沼渣中的分配比例

20℃条件下，发酵后总效态Cr占发酵后Cr总含量的比例为21.45%，35℃条件下总有效态Cr的比例为37.91%，20℃发酵后重金属Cr生物有效性较低。20℃条件下发酵后，总残渣态Cr的比例为78.55%，35℃条件下总残渣态Cr的比例为62.09%。

表7 温度对发酵前后样品中重金属Cr的4种形态含量和百分含量的影响

由表8可知，发酵结束后，20℃条件下总有效态Cr在沼液中的分配比例为50.85%，在沼渣中的分配比例为49.15%，35℃条件下总有效态Cr在沼液中的分配比例为12.38%，在沼渣中的分配比例为87.62%。

表8 20℃和35℃发酵前后各形态重金属Cr总含量及在沼液沼渣中的分配比例

3 结论

(1)20℃发酵后，总有效态Cu含量降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为12.10%和87.90%；35℃条件下总有效态Cu含量有所升高，其在沼液沼渣中的分配比例分别为24.21%和75.69%；20℃条件下总残渣态Cu含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为5.05%和94.95%；35℃发酵后，总残渣态Cu含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为15.80%和84.20%。所以对重金属Cu而言，将20℃条件下发酵后沼液作为肥料施用相对安全。

(2)20℃条件下发酵后，总有效态Zn含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为11.13%和88.87%；35℃条件下总有效态Zn含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为18.49%和81.51%。20℃条件下发酵后总残渣态Zn含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为6.17%和93.83%；35℃条件下发酵后总残渣态Zn含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为5.08%和94.92%。所以对重金属Zn而言，将20℃条件下发酵后沼液作为肥料施用相对安全。

(3)20℃条件下发酵后，总有效态Cr含量降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为50.85%和49.15%；35℃条件下总有效态Cr含量有所升高，其在沼液沼渣中的分配比例分别为12.10%和87.90%。20℃条件下发酵后，总残渣态Cr含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为6.94%和93.06%；35℃条件下总残渣态Cr含量明显降低，其在沼液沼渣中的分配比例分别为0.58%和99.42%。所以对重金属Cr而言，将35℃条件下发酵后沼液作为肥料施用相对安全。

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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

项目来源： 辽宁省自然基金面上项目(2015020635)； 辽宁省自然科学基金项目(2014027012)

李 轶(1967-)，女，辽宁阜新人，副教授，主要从事新能源及农业生物环境工程方面的研究工作，E-mail：yilisyau2000@163.com 通信作者： 谷士艳，E-mail：syndgsy@126.com

TK6； S216.4

A

1000-1166(2017)03-0011-05