崇明畜禽粪便重金属检测及污染特征研究

摘要：本文致力于研究畜禽粪便作为有机肥料使用所含重金属对农用地产生的污染程度。选取崇明区典型集约化管理的奶牛场和养猪场，提取了奶牛、猪的粪便和其他有机肥料，利用波长色散X射线荧光光谱法测定铅、铬、砷、锌、铜、镍。通过单项污染指数法和综合污染指数法评价测定结果。本文提出合理规范畜禽业养殖、加强有机肥重金属管控、在畜禽粪便堆肥发酵过程利用钝化技术降低污染3项建议。

关键词：畜禽粪便;重金属;波长色散X射线荧光光谱法;污染特征研究

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）05-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.059

Abstract： This paper is devoted to the study of the degree of pollution caused by heavy metals contained in livestock manure as organic fertilizers. The dairy farms and pig farms in the typical intensive management of Chongming District were selected， and the feces and other organic fertilizers of dairy cows and pigs were extracted. The lead， chromium， arsenic， zinc， copper and nickel were determined by wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometry. The measurement results were evaluated by a single pollution index method and a comprehensive pollution index method. This paper proposes three suggestions for rationally regulating livestock and poultry breeding， strengthening heavy metal management and control of organic fertilizers， and using passivation technology to reduce pollution in livestock and poultry manure composting fermentation process.

Keywords： Livestock and poultry manure; Heavy metals; Wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometry; Pollution characteristics

隨着国民经济发展，人们对于生态环境越来越关注，而土壤中重金属污染也越来越引起全社会重视。崇明是上海的农业大区，辖区内有100多家集约化的畜禽养殖场，其产生的大量畜禽粪便，通常经过简单堆肥发酵灭菌后直接还田或制成有机肥施用于农用地。在畜禽养殖过程中，为了预防畜禽疾病和促进其生长，会在饲料中定期使用大量含有金属微量元素的添加剂。然而这些重金属元素除一小部分消化吸收后蓄积到畜禽体内，而大部分重金属则会随畜禽粪便排出体外。重金属是一种很难被其他微生物降解的物质，可以在自然环境中长期保存，抑制农作物生长，影响农业生态系统健康。

随着现代化科学技术的普及，我国应用的金属检测方法[1-2]多种多样，但这些国标方法需要对样本进行前处理，消解步骤繁琐。而波长色散X射线荧光光谱法[3-4]采用简便、无污染粉末压片技术制备样品，不需要前处理且可以同时测定铅、铬、砷、锌、铜、镍等重金属。波长色散X射线荧光光谱法具有分析速度快，无需转换样本物理形态，可直接分析粉末、固体、液体及晶质、非晶质等物质。利用X射线检验的荧光光谱法具有非破坏性，同一样本可以反复进行测定，分析精密度高，测定过程中产生的污染因子少，可测元素组分范围广，浓度区间范围广以及样本重现性良好。

1 材料方法

1.1 样品采集及处理

根据崇明区畜禽业分布现状，选取辖区内具有代表性的集约化奶牛场、养猪场、有机肥加工厂各3 家，每家各选取1个粪便简易处置后的堆放点进行采样。在对样品质量进行监控的过程中严格按照国家对土壤环境制定的标准要求以及规范条例，制定明确的样品监控流程和质检方法。

1.2 样品制备

用SampTech振动磨（GM-S）粉碎样品后过200目筛，105 ℃ 烘干2h后将其倒入制样环拨平，用硼酸镶边垫底，放入SampTech压样机（AP-40T）加压30t，持续操作0.5min，将样品制备成半径为17mm的圆形切片。

1.3 检测仪器及仪器测量条件

德国布鲁克S8 Tiger X射线荧光光谱仪，3kW 高压发生器，电流5-150mA，电压20-60kV，陶瓷Rh靶端窗X射线光管（75?m的超薄Be窗），使用气体氩、甲烷气：氩气和甲烷（9：1）。仪器测量条件见表1。

1.4 校准曲线绘制

本法选用国家标准物质系列土壤成分分析标准物质（GSS系列共19个）、水系沉积物成分分析标准物质（GSD系列共16个）作为校准样品绘制工作曲线，各元素校准曲线情况见表2。

1.5 方法精密度和准确度

制备国家标准物质土壤成分分析标准物质（GSS-29）6个，取其平均值为测定结果，其测定结果见表3，波长色散X射线荧光光谱法测定各金属元素的精密度均满足要求。为进一步验证波长色散X射线荧光光谱法的准确性，制备国家标准物质土壤成分分析标准物质（GSS-33、GSS-34）各3个，取其平均值为测定结果。制备自制样品（TR-01、TR-02）各3个，分别用原子吸收光谱法和原子荧光光谱法测定结果与波长X射线荧光光谱法测定结果相比较，其测定结果见表4。由表4可知，波长色散X射线荧光光谱法测定各金属元素的准确性均满足要求，该方法可以用于实验分析。

1.6 实验结果

通过德国布鲁克S8 Tiger X射线荧光光谱仪测定辖区内具有代表性的集约化奶牛场、养猪场、有机肥加工厂样品共9个，其测定结果见表5。

2 结果评价

2.1 评价标准

就目前的形势来看，我国政府部门针对畜禽粪便中的重金属含量并没有严格的标准要求。为了保障本次研究的科学性与有效性，在研究过程中将结合该领域设定的行为规范和有机肥料标准NY525-2012完成评价工作，详细内容如表6所示。

2.2 单项评价

本文通过单项污染指数法对畜禽粪便中各项重金属指标逐一进行分析，其计算方式：。Pi计算结果在1以下，则说明污染指数合格;Pi计算结果在1以上，则说明污染指数不合格。

通过单项污染指数法评价表7，养猪场猪粪单项污染指数不合格的有锌、铜、镍3种重金属，有机肥单项污染指数不合格的有铜、锌、镍3种重金属，奶牛场牛粪单项污染指数均合格。从样品总体分析情况来看，重金属含量养猪场猪粪>有机肥>奶牛场牛粪。

2.3 综合评价

本文所采用的综合评价方法是国内普遍使用的内梅罗综合指数法评价。这种评价方法可以从整体掌握特定区域内污染物对生态环境的影响，还可以突出畜粪中高浓度污染物对生态环境的影响，计算公式：

通过内梅罗污染指数法评价表7，受重金属污染程度最严重的是养猪场猪粪，属于中污染等级，主要污染来源依次为锌、铜、镍;其次有機肥属于轻度污染等级，主要污染来源依次为铜、锌、镍;而奶牛场牛粪属于安全等级。

3 结论与建议

3.1 结论

本次研究检测结果显示，对于不同类型粪便或有机肥中重金属测定结果有明显差异，这可能是由于不同畜禽养殖所喂养的饲料和饲料添加剂重金属含量不同所致。尤其是猪粪中重金属锌、铜超出标准数倍。而崇明作为上海农业大区，建设世界级生态岛，畜禽粪便还田势必会对崇明农业用田环境造成一定程度重金属污染，破坏崇明生态环境。

3.2 建议

（1）合理规范畜禽业养殖，适当缩小整体养殖规模，不断优化与升级整体养殖格局。严格遵照生态化养殖标准，将饲料添加剂的含量控制在标准范围以内，从根源的角度实现对重金属污染的整体把控。（2）加强有机肥料加工中重金属的监管力度，逐步制定统一的畜禽粪便中重金属的限量标准与规范。结合实际情况制定有机肥的量化标准，积极引导农民科学施肥、规范施肥，倡导绿色养殖的环保理念。（3）在畜禽粪便堆肥发酵过程利用钝化修复技术[5-6]来降低重金属在环境中迁移和被生物吸收利用，从而起到降低土壤中重金属总浓度。养殖场尤其是养猪场应该对粪便进行无公害处理，根据本地农业生产方式和类型，选择科学合理的修复技术，以此保障农产品的安全。

参考文献

[1]张飞.原子吸收光谱法测定土壤中重金属的探讨[J].北方环境，2012，25（30）：218-221.

[2]李赛峰.原子荧光光谱法测定土壤中有害重金属含量的探讨[J].世界有色金属，2018（35）：254-256.

[3]刘江斌，党亮等.粉末压片-X射线荧光光谱法测定土壤中的铜铅锌砷锑钴铬镍等重金属元素[J].分析测试技术与仪器，2015，21（1）：42-46.

[4]刘燕德，万常斓，孙旭东.X射线荧光光谱技术在重金属检测中的应用[J].激光与红外，2011，41（6）：605-611.

[5]龚浩如，韩永亮，王杰等.不同钝化剂对猪粪堆肥中重金属的钝化效果[J].湖南农业科学，2012（9）：69-71.

[6]杨坤，李军营，杨宇虹等.不同钝化剂对猪粪堆肥中重金属形态转化的影响[J].中国土壤与肥料，2011（6）：43-48.

收稿日期：2019-02-28

作者简介：范新峰（1984-），男，汉族，硕士，工程师，研究方向为环境监测。