微生物和生物炭联用对猪粪堆肥后重金属Pb和Cd的钝化效果

李 冉，孟海波，赵立欣，周海宾，张 曦，沈玉君



微生物和生物炭联用对猪粪堆肥后重金属Pb和Cd的钝化效果

李 冉，孟海波，赵立欣，周海宾，张 曦，沈玉君※

（1. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京 100125； 2. 农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125）

为探讨微生物和生物炭联用对畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化效果的影响，该文研究生物炭（花生壳炭、木屑炭、玉米秸秆炭）与复合微生物菌剂联用对重金属Pb、Cd形态转化及钝化效果的影响。试验结果表明：9个处理高温期维持天数均达无害化卫生要求，生物炭添加比例对堆肥过程中温度变化影响显著。对Pb的钝化效果最优处理是24%花生壳生物炭和1%的菌剂（T9），可交换态分配率较堆前下降16.32%，钝化效率为74.60%。对Cd的钝化效果最优的处理是24%木屑炭和1.5%的菌剂（T3），交换态Cd与堆前相比下降7.96%，钝化效率为58.13%。统计分析结果表明，重金属Pb、Cd的钝化效果与堆肥过程中平均pH值呈显著正相关，重金属Pb的钝化效果与堆肥过程中温度平均值呈显著正相关，重金属Cd的钝化效果与有机质降解率呈显著正相关。

堆肥；微生物；重金属；生物炭；钝化

0 引 言

近年来，农业面源污染已经成为中国环境污染的主要因素。为增强畜禽抗病能力，重金属元素如Cu、Zn、Cd等被应用于饲料添加剂中[1]，因此，畜禽粪便有机肥的施用为农田重金属的主要来源之一。

堆肥过程中的腐殖化进程有助于重金属向稳定形态转化[2-4]，主要作用机制为腐殖质的羧基官能团可以结合大量重金属，降低生物可利用性[5]。研究表明，微生物是促进堆肥腐殖质形成的主要角色，因此，微生物可以间接影响堆肥重金属形态变化。由于堆肥中土著微生物数量有限，一些研究学者在堆肥中添加外源微生物来提高堆肥进程[6]，降低重金属生物可利用性。万利利[7]在污泥堆肥中添加0.5%、1.0%和1.5%的复合微生物菌剂，研究结果表明，添加1.0%的复合微生物菌剂时重金属的可交换态降幅最大，达17.70%。研究表明，堆肥过程中添加生物炭能够引发堆体pH值、通风条件、含水率变化，从而促进堆肥腐殖化进程，影响重金属的形态变化[8]。候月卿等[9]研究了添加生物炭和腐植酸等钝化材料对猪粪堆肥重金属 Cu、Pb、Zn、Cd 形态的影响，结果表明对4种重金属的最佳钝化材料分别为花生壳生物炭、玉米秸秆炭、腐殖酸、木屑炭。

综上，考虑到外源微生物和生物炭对堆肥腐殖化进程和重金属钝化的影响，本文重点研究外源微生物菌剂和生物炭联用对猪粪堆肥过程中重金属Pb、Cd钝化效果的影响，可为畜禽粪便堆肥重金属的钝化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在农业农村部规划设计研究院双桥院区进行。猪粪取自于北京周边某种猪场；玉米秸秆取自北京顺义赵全营周围农田，粉碎至1 cm左右；生物炭采用自主 研发的炭化设备烧制而成，不同生物炭理化性质具体见 表1。微生物菌剂购于山东某公司，有效活菌数≥2× 108CFU/mL，由乳酸菌群、酵母菌群、芽孢杆菌群、光合细菌群及放线菌群等复合而成。试验材料理化性质见表2。

1.2 试验设计

以猪粪为原料，以粉碎1 cm长的玉米秸秆为调理剂与猪粪混合，调节含水率65%～70%，C/N至25～30，添加木屑炭、玉米秸秆炭和花生壳生物炭，比例设置为6%、12%、24%，接种菌剂，添加比例设置为0.5%、1%、1.5%，生物炭和菌剂添加量按猪粪干物质的量计算，本试验共设置9个处理，处理设置见表2，并做不添加生物炭和菌剂的空白对照（CK）。将物料混合均匀，发酵试验在60 L发酵装置中进行（图1），试验采用鼓风机进行曝气供氧，通风量控制在0.1 m3/(min·m3)[10]，未进行翻堆。

1.3 样品采集与保存

第0、1、3、5、8、12、16、20、30 天采集样品，分别从堆体上、中、下3层取样，混合样品。每次采样200 g左右，置于鲜样储存冰箱4 ℃待用，用于测定堆体含水率、pH值、电导率及堆肥结束后应用于有机肥产品时的种子发芽率指数，并将第0天和第30天的部分样品于冷冻干燥机内冻干，测定有机质、重金属Pb、Cd等总量及形态变化，重复测定3次。

表1 生物炭的特性

表2 物料的化学性质

1.4 分析方法

本试验中温度的测定采用发酵罐内温度探头实时进行监测。有机质采用0.4 mol/L K2Cr2O7-H2SO4外加热法进行测定。将堆肥样品中添加水10 mL/g，200 r/min振荡浸提1 h，离心(4 000 r/min)10 min，过滤得到上清液，pH值用上海雷磁PHS-3C型pH计测定，EC用DDS-307A型电导率仪测定。GI的测定方法参考文献[9]。

重金属各形态采取改进的BCR法[9]（表3）。重金属不同形态分配率由式（2）计算，可交换态分配率由式（3）计算[10-11]。

（2）

1. 电脑 2. 温度采集器 3. 温度探头接口 4. 尾气探头接口 5. 盖子 6. 取样口 7. 保温层 8. 排水处 9. 尾气处理 10. 渗滤液收集 11. 渗滤液排出口 12. 筛板 13. 进气口 14. 流量计 15. 电磁阀 16. 气泵 17. 尾气传感器 18. 物料层 19. 轮子

1. Computer 2. Temperature collector 3. Temperature probe interface 4. Exhaust probe interface 5. Cover 6. Sampling port 7. Insulating layer 8. Drainage port 9. Exhaust gas treatment 10. Leachate collected 11. Leachate discharge outlet 12. Sieve plate 13. Air inlet 14. Flowmeter 15. Electromagnetic valve 16. Gas mercury 17. Exhaust gas sensor 18. Material layer 19. Wheel

图1 堆肥反应器示意图

Fig.1 Composting reactor

1.5 数据处理

数据作图采用Origin9.0，LSD差异性检验采用SPSS 19.0，采用Pearson相关系数进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥温度和种子发芽指数变化

温度是堆肥过程的重要指标，各处理不同时期的温度变化如图2所示。随着堆肥的进行，各处理总体呈先上升后下降再趋于稳定的趋势。处理T1～T9及CK的堆肥最高温度分别可达61.3、58.9、60.6、61.5、64.1、59.2、63.5、56.7、59.6、56.4 ℃高温期（50 ℃以上）维持时间分别约为20、9、12、12、13、8、14、12、17、5 d。根据中国《粪便无害化卫生标准》（GB7959-2012）[12]的要求，机械堆肥高温期≥50 ℃，至少持续2 d即可达到无害化标准，由此可知，所有堆肥处理均达到无害化标准。

统计分析可知，生物炭添加不同比例对堆肥过程中温度变化影响显著（=0.049），而生物炭种类和不同菌剂添加量对堆肥过程中温度变化无显著影响（=0.375，=0.640）。

当GI达到80%～85%时，就可以认为堆肥已腐熟[13]。本试验所有处理的GI达到83.1%～119.7%，均大于80%，如图3，即认为9个处理至堆肥结束均可达腐熟状态。

图2 堆肥过程中的温度变化

注：处理间不同小写字母表示差异达到5%显著水平，下同。

2.2 堆肥前后重金属含量的变化分析

本研究中各处理重金属Cd的质量分数和部分处理的重金属Pb的质量分数在堆肥完成后均表现出浓缩效应，分别为堆肥前的101.38%～177.04%（图4），与郑国砥 等[14-15]的研究结果一致。部分处理重金属Pb质量分数在堆肥完成后未表现出浓缩效应，这是因为在堆肥过程中会有渗滤液产生并流出，与此同时重金属也有流失，因此部分试样重金属质量分数会呈现减少的现象，这与候月卿等[9]研究结果一致。

图4 堆肥前后Pb和Cd含量的变化

2.3 重金属Pb、Cd形态转化分析

图5为堆肥前后重金属Pb、Cd形态分布变化图。从重金属Pb的分配率来看（图4a），堆肥后各处理可交换态Pb均有不同程度的下降，分别下降9.00%、10.25%、7.64%、6.52%、7.02%、8.48%、3.51%、9.72%、16.32%、5.59%。还原态Pb除处理T2略有上升外，其余处理均有所降低，说明几种处理均可使堆肥结束后Pb向着对植物生长毒性较小的氧化态和残渣态转化。各处理氧化态和残渣态有着不同的变化趋势，按二者分配率之和计算，堆肥完成后9个处理提高范围为2.44%～31.04%，其中处理T9提高最多，CK提高最少。

从钝化效果看（图5b），除处理T7和CK外，其余各处理钝化效果均达50%及以上，其中T2、T3、T6、T9处理对Pb的钝化效果达65%以上，分别为65.41%、67.95%、70.64%、74.60%；通过对可交换态Pb的钝化效果进行SPSS统计LSD检验可知，除处理T4、T8外，其余各处理间差异显著（<0.05），故添加24%花生壳生物炭和1%菌剂的T9处理对重金属Pb表现出相对较强的钝化能力。方差分析可知生物炭比例对重金属Pb的钝化效果达到了极显著水平（=11.370>0.01（2,6）），且贡献率最大为0.55。

从Cd的分配率看（图6a），不同处理堆肥后可交换态Cd均下降，分别下降5.16%、6.01%、7.96%、2.68%、2.88%、4.03%、7.32%、4.33%、10.66%、2.38%。还原态Cd分配率有上升也有下降，毒性次之的氧化态、残渣态Cd质量分数总体上增加。

从可交换态Cd的钝化效果看（图6b），只有T3处理钝化效果达到50%以上，几种处理对可交换态Cd表现出了不同程度的钝化效果，其中CK钝化效果最小，为14.35%。通过对可交换态Cd的钝化效果进行LSD检验可知， T3的钝化效果（58.13%）显著高于其他几个处理（<0.05），因此添加24%木屑炭和1.5%菌剂的T3 处理对重金属Cd表现出相对较强的钝化能力。方差分析可知，生物炭种类（=134.857）、生物炭比例（=178.295）、菌剂比例（=152.474）对重金属Cd的钝化效果均达到了极显著水平（<0.01），其中贡献率最大的是生物炭添加比例，为0.38。

注：B、A分别指堆肥前后。下同。

图6 堆肥前后Cd形态分布变化

3 讨 论

3.1 pH值、有机质、温度对重金属形态变化的影响分析

不同处理堆肥后对重金属Pb、Cd均有不同程度的钝化作用，其作用机理主要有物理机理、化学机理及生物学机理[16]，本研究通过分析重金属Pb、Cd钝化效果与堆肥过程中平均pH值、平均温度及堆肥完成后有机质的降解率的线性相关系数（2），进一步分析重金属的钝化原因。

一些学者研究表明[17]，生物炭一般呈碱性，可以一定程度地提高其所处环境的pH值，重金属离子可转变为氢氧化物，沉淀在生物炭表面。由表3可知，重金属Pb、Cd的钝化效果与堆肥过程中平均pH值呈显著正相关，因此堆肥过程中pH值的增加促进了重金属Pb、Cd向活性较低的形态转化。温度是堆肥过程中生物能量积累的重要标志，生物炭具有多孔结构，有利于氧气在堆体中的传输和分布，能减少因水分挥发引起的热量损失而起到保温作用[18]，通过分析可知，重金属Pb的钝化效果与堆肥过程中温度平均值呈显著正相关（2=0.591），Cd的钝化效果与温度无显著相关性（2=0.024）。堆肥过程中重金属的形态变化与腐殖质的形成具有一定的相关性，堆肥过程中有机质的分解促进腐殖质的形成[19]，其结合点位易与重金属离子发生很强的络合或配位作用。通过分析堆肥完成后有机质的降解率可知，重金属Cd的钝化效果与有机质降解率呈显著正相关（2=0.638），Pb的钝化效果与有机质降解无显著相关性（2=0.290）。

本研究可知，堆肥过程中添加不同比例的生物炭显著影响重金属Pb、Cd的钝化效果，综合分析，不同比例的生物炭对重金属钝化的根本原因是不同添加量的生物炭导致了堆肥过程中pH值、温度及有机质降解的显著变化。

表3 不同处理重金属Pb、Cd钝化效果与平均pH值、温度及有机质降解率的线性决定系数（R2）

Note: *<0.05; **<0.01.

3.2 生物炭添加量的影响分析

生物炭是目前应用较广泛的钝化修复剂。大量研究表明[8-9]，在堆肥过程中添加一定量的生物炭能够对重金属起到一定的钝化作用。本研究采用正交试验设计法设计了9组处理，生物炭的添加比例为非等差距水平设计，9个处理中钝化效果较优的为生物炭添加比例最高的处理（24%），因此本研究得出的较优参数为9个处理中最好的，但不是最优工艺，最优工艺需进一步研究。增加生物炭添加量能否进一步提高重金属的钝化效果仍需进一步研究。值得注意的是，农业部颁布的有机肥料行业标准（NY 525-2012）[20]中要求，有机质质量分数应不低于45%，养分质量分数应不低于5%。王亚飞等[21]仅以不同畜禽粪便和玉米秸秆为原料进行堆肥，有机质和总养分含量分别为46.5%和5.03%。因此，在堆肥过程中添加过量富炭低养分的生物炭，会在一定程度上影响堆肥产品肥效，我们将继续研究探讨。另外，生物炭添加过高也会提高堆肥成本，在实际应用中也值得综合考虑。

4 结 论

1）在本文的9个处理中，猪粪堆肥过程中添加24%花生壳生物炭和1%菌剂处理对重金属Pb表现出相对较强的钝化能力，钝化效果为74.60%；添加24%木屑炭和1.5%菌剂的对重金属Cd表现出相对较强的钝化能力，钝化效果为58.13%。

2）影响重金属Pb、Cd钝化效果的主要因素是生物炭的添加比例，其根本原因是不同添加量的生物炭导致了堆肥过程中pH值、温度及有机质降解的显著变化。

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Immobilization effect of Pb and Cd during composting of pig manure by combination of biochar and microbial agent

Li Ran, Meng Haibo, Zhao Lixin, Zhou Haibin, Zhang Xi, Shen Yujun※

(1.,,100125,; 2.,,100125,)

Heavy metals residual in pig manure compost causes potential risk on the soil and food security. The essence of the composting process is the process of microbial fermentation. The addition of biochar can change the living conditions of microorganisms in the addition system, and may directly or indirectly affect the population changes of functional microorganisms, thus affecting the migration of heavy metals. Therefore, this study used biochar and composite microbial bacteria agent as immobilization materials. Three kinds of biochar, which were peanut shell biochar, wood biochar, and corn stalk biochar, and composite microbial agents were added with different proportions during pig manure composting to investigate their immobilization effect of Pb and Cd. The results showed that all 9 treatments met the requirement of harmless treatment, while the temperature maintained above 50 ℃ for over 2 days, high temperature (over 50 ℃) maintain time was 20, 9, 12, 13, 8, 12, 14, 12, 17 d, and the seed germination index reached 80%-85%. Different proportion of biochar had significant influence on temperature change during composting. The immobilization effect of three factors on heavy metal Cd reached a significant level (<0.05), and the largest contribution rate was the proportion of biochar. There are linear correlation between heavy metal Pb, Cd immobilization effect and the average pH value, the average temperature during the composting and the organic matter degradation rate of the compost. The immobilization effect of Pb showed a significant positive correlation with the average pH value and average temperature during composting (<0.05); and the immobilization effect of Cd was significant positive correlated with the average pH value (<0.05) and degradation rate of organic matter (<0.01). In the course of compost, the content of protein and polysaccharide content in water-soluble organic substances in the compost sample was significantly reduced, and the content of carboxyl group and aromatic family was increased, which indicated that the composting process was a process of gradually synthesizing macromolecular substances such as organic substances and so on, which can affect the conversion of heavy metals from the highly reactive form into lower activity form. The optimal treatment of Pb immobilization effect was 24% peanut shell biochar and 1% fungus agent in this study, and the exchangeable distribution rate decreased by 16.32% compared with raw materials before compost, and the immobilization effect was 74.60%. Analysis of variance showed that the immobilization effect of biochar ratio on Pb was extremely significant, and the contribution rate was the largest. The optimal treatment for the immobilization effect of Cd was 24% sawdust charcoal and 1.5% bacteria agent. Compared with raw materials before compost, the immobilization effect of exchangeable Cd decreased by 7.96%, and the immobilization effect was 58.13%.

composting; heavy metals; biochar; microbial agent; immobilization

李 冉，孟海波，赵立欣，周海宾，张 曦，沈玉君. 微生物和生物炭联用对猪粪堆肥后重金属Pb和Cd的钝化效果[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：164－169. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.020 http://www.tcsae.org

Li Ran, Meng Haibo, Zhao Lixin, Zhou Haibin, Zhang Xi, Shen Yujun. Immobilization effect of Pb and Cd during composting of pig manure by combination of biochar and microbial agent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 164－169. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.020 http://www.tcsae.org

2018-09-27

2018-10-24

国家重点研发计划：好氧发酵过程重金属钝化及高效生物除臭关键技术与设备研究（2016YFD0800603）

李冉，主要从事农业废弃物资源化研究。Email：zlran66@163.com

沈玉君，高级工程师，博士，主要从事农业废弃物资源化研究。Email：shenyj09b@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.020

X71

A

1002-6819(2018)-23-0164-06