以猪粪为原料的沼气发酵系统中镉、铜、锌分析

徐庆贤,沈恒胜,林 斌,官雪芳

(福建省农业科学院农业工程技术研究所,福建 福州 350003)

猪粪中含有较高浓度的镉 (Cd)、铜 (Cu)、锌 (Zn)等重金属[1]。以猪粪为原料的沼气发酵系统中,猪粪经微生物生态复合群落的发酵降解,在沼气产能的同时,其含有的重金属元素会经微生物的转化代谢,释放到沼液和沼渣中,从而使沼肥的利用造成潜在安全风险。随着有机农业和绿色、无公害农产品生产快速发展[2],沼肥被广泛应用于农业生产中[3-5]。本研究分析了猪粪发酵沼液、沼渣中镉、铜、锌含量及其动态变化规律,旨在为农业生产过程中合理施用沼肥提供一些理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试猪粪采自于福建省农科院种猪场闽侯荆溪镇养殖基地。将采集的新鲜猪粪均匀捏碎,捡除其中的猪毛等杂质后备用,经测定猪粪总固体含量(TS含量)为21.3%。

猪粪试验发酵接种物取自福建省农科院种猪场闽侯荆溪镇养殖基地沼气池中层沼液,经测定:镉含量0.002 mg/kg、铜含量1.05 mg/kg、锌含量2.37 mg/kg、p H 7.87。试验用于稀释猪粪发酵用水为福州市自来水,经过静置24 h后使用。

1.2 试验设计

试验装置采用玻璃材料自制 (图1),发酵容积为 1 L。试验发酵系统接种物300 ml、猪粪375.6 g,然后加清水至1 L,搅拌均匀。

猪粪的沼气发酵动态试验采用批量发酵,共设18个发酵周期,每个发酵周期设3个平行试验。分别在发酵启动后的每一天取样,分别分析发酵系统中的沼渣、沼液比例,以及发酵体系中的镉、铜与锌的含量及其分布特征。以发酵启动时测试值d0(发酵时间,表1)为对照,比较24天发酵的测试值变化情况。

图1 猪粪沼气发酵试验装置

1.3 样品制备

当每个动态发酵时间终止时,将发酵装置内的发酵残留物混合均匀并分为2份。其中一份为沼液和沼渣的混合样品,而另一份的混合样品经高速冷冻离心机 (Heal Force公司,Neofuge 15R)离心10 min,转速为8000 r/min,分离出沼渣、沼液;分别将离心残留和沼渣沼液混合样在80℃下烘干12 h,制成样品。

1.4 测试方法

重金属镉的测定:样品送交国土资源部福州矿产资源监督检测中心,使用XSeriesII等离子质谱仪测定,测定温度26℃、湿度47%。

铜与锌的测定:样品送交国土资源部福州矿产资源监督检测中心,使用法国JY-ULTIMA ICP测定,测定温度26℃、湿度49%。

所测样品数据均为干基,需转换为湿基再进行计算。

表1 沼气发酵系统中的重金属镉残留及微量元素铜与锌的分布与含量动态分析

图2 发酵系统中的重金属鎘与微量元素铜、锌的动态分析特征

1.5 数据分析

数据分析采用EXCEL软件进行相关性分析。

2 结果分析与讨论

铜与锌是家畜营养代谢的必需微量元素,因而也是饲料必需的微营养添加元素。虽然两者在家畜生理代谢中具有重要的生理功能作用,但其吸收效率并不高,且微量元素铜对锌的吸收代谢存在拮抗作用,因此经家畜生理代谢后两者是家畜排泄物中的主要元素,也是畜牧养殖业给自然环境造成污染的主要污染源。经24天的生物发酵,无论是沼渣、沼液,还是两者的自然混合体系中,镉、铜、锌的含量均未表现出明显的动态变化趋势 (表1,图2)。

比较在发酵混合体系、沼渣、沼液中镉分布的禀赋特征 (表1),沼渣中镉的单位浓度含量最高,而沼液中镉的单位浓度含量相对较低,且主要受沼液悬浮颗粒含量的影响[6]。由于镉主要分布于沼渣中,因此,施用沼渣+沼液混合肥时尤其需要注意其中的沼渣含量比例。

与镉的禀赋特征相似,铜和锌在沼渣中的平均单位含量远远高于在沼液中的含量。受沼肥中 (以及沼渣中)水分含量变化的影响,沼肥的铜与锌含量变化较大 (图2)。

3 结论

试验表明,以猪粪为主要原料的沼气发酵残留物中镉、铜、锌的分布特征为:镉主要残存在不可溶的沼渣中;沼液中的镉、铜、锌含量小于沼渣中镉、铜、锌含量,且沼渣、沼液中镉、铜、锌含量不随发酵周期呈有序动态变化,说明沼液中的镉、铜、锌主要存在于悬浮颗粒体中,其存在比例随沼渣的含水量、沼液悬浮颗粒含量的变化而变化。

[1]HSU J H,LO S L.Effect of composting on characterization and leaching of copper,manganese,and zinc from swine manure[J].Environmental Polluntion.,2001,114(1):119-127.

[2]任顺荣,邵玉翠,王正祥.利用畜禽废弃物生产的商品有机肥重金属含量分析 [J].农业生物环境学报,2005,24(增刊):216-218.

[3]邹长明,刘正,余海兵,等.沼肥研究与开发前景 [J].安徽农学通报,2007,13(23):81-82.

[4]张亚莉,董仁杰,刘玉.沼肥在农业生产中的应用 [J].安徽农业科学,2007,35(35):11549-11550.

[5]陶红歌,李学波,赵廷林.沼肥与生态农业[J].可再生能源,2003,108(2):37-38.

[6]宋正国,徐明岗,刘平,等.不同比例钙锌共存对土壤镉有效性的影响及其机制 [J].生态环境,2008,17(5):1812-1817.