秸秆对猪粪厌氧发酵重金属钝化的影响研究

发布时间：2020-09-27 21:05

　　近些年来,随着我国畜禽养殖业的发展,以及配合饲料养殖法的应用,在畜禽饲料中添加一些重金属元素用来加快畜禽的生长以及预防疾病等的做法日渐推广。但是由于大部分重金属无法被畜禽吸收而排出体外,进而导致畜禽粪便中重金属残留污染问题日益加剧,严重影响了畜禽粪便的资源化利用。厌氧发酵是处理畜禽粪便污染的有效途径。本文以猪粪为处理对象,以重金属Cu、Zn为研究对象,通过添加2种不同种类(玉米秸秆、水稻秸秆)、不同添加比例的秸秆(添加量按玉米秸秆与猪粪的质量比为1:1.3,1:2,1:5;水稻秸秆与猪粪质量比为1:0.8,1:1.5,1:3),在温度为35℃,接种物量30%,TS10%,pH为7的条件下,进行厌氧发酵试验。采用BCR分步提取法分析重金属形态,研究不同种类、不同添加量的秸秆对猪粪厌氧发酵产气量、甲烷含量、重金属含量、形态变化、有效态钝化效果以及厌氧发酵前后沼渣光谱特征的影响。以期通过本研究,为畜禽粪便中重金属的减害化处理提供科学依据。通过上述试验研究,得出以下主要结论:(1)猪粪厌氧发酵过程中添加秸秆会导致产气高峰延后,发酵周期延长,并且可以提高总产气量以及池容积产气率。在添加玉米秸秆的处理中,总产气量最高的是玉米秸秆与猪粪的质量比为1:1.3(C/N30)的处理组,总产气量14454mL,池容积产气率可达0.34m~3/(d?m~3);水稻秸秆处理组中,秸秆与猪粪质量比为1:0.8(C/N30)的处理组总产气量最高,总产气量13791mL,池容积产气率0.32 m~3/(d?m~3)。相同C/N比条件下,添加玉米秸秆的处理组总产气量更高。猪粪厌氧发酵过程中添加适量的秸秆可以提高沼气中的甲烷含量,未添加秸秆处理组甲烷含量为43.9%,在添加玉米秸秆的处理组中,甲烷含量最高的处理组的是秸秆与猪粪质量比为1:2(C/N25)处理组,含量可达到47.9%;水稻秸秆处理组中秸秆与猪粪质量比为1:3(C/N20)处理组甲烷含量最高,含量可达50.7%。相同C/N比条件下添加水稻秸秆处理组的甲烷含量更高。(2)猪粪厌氧发酵过程中添加秸秆可以降低发酵原料中的重金属含量,厌氧发酵结束后,沼渣中重金属含量升高,沼液中重金属含量降低,沼渣沼液中重金属总含量增加。重金属Cu在沼渣中分配率占92.31%~96.87%,在沼液中分配率占3.13%~7.69%;重金属Zn在沼渣中分配率占84.88%~90.95%,在沼液中分配率占9.05%~15.12%。添加玉米秸秆处理组中,重金属Cu、Zn含量增量最大的处理组为秸秆与猪粪质量比为1:5(C/N20)处理组,分别增加了33.28%、30.78%;水稻秸秆处理组中,秸秆与猪粪质量比为1:1.5(C/N25)处理组重金属Cu、Zn含量增量最大,分别增加了36.25%、38.56%。相同C/N比下,水稻秸秆处理组中重金属含量增量更大。(3)厌氧发酵前,各处理组中重金属Cu主要以可还原态(37.40%~51.76%)存在,重金属Zn主要以可交换态(40.91%~71.90%)存在。厌氧发酵结束后,各处理中重金属Cu主要以可氧化态存在(35.62%~40.02%),重金属Zn仍然主要以可交换态(37.40%~57.31%)存在,但可交换态比例降低。厌氧发酵后,重金属Cu、Zn的有效态所占比例均有所下降,添加秸秆处理组下降幅度更大。添加玉米秸秆处理组中,秸秆与猪粪质量比为1:5(C/N20)处理中重金属Cu、Zn有效态所占比例下降幅度最大,分别降低了21.04%、12.94%;水稻秸秆处理组中秸秆与猪粪质量比为1:1.5(C/N25)处理组中重金属Cu、Zn有效态所占比例下降幅度最大,分别降低了24.09%、8.21%。重金属Cu在相同C/N比条件下,水稻秸秆处理组中重金属Cu有效态所占比例下降幅度更大,重金属Zn在相同C/N比条件下,玉米秸秆处理组中重金属Zn的有效态所占比例下降幅度更大。(4)各处理组中,重金属Cu有效态的钝化效果为26.39%~36.62%,重金属Zn有效态的钝化效果为1.44%~16.09%。添加秸秆可以提高猪粪中重金属Cu、Zn有效态的钝化效果。添加玉米秸秆处理组中,秸秆与猪粪质量比为1:5(C/N20)时,重金属Cu、Zn有效态的钝化效果最好,可达到35.57%、16.09%;水稻秸秆处理组中,秸秆与猪粪质量比为1:1.5(C/N25)时,重金属Cu、Zn有效态的钝化效果最好,可达到34.37%、8.94%;在相同C/N比条件下,添加玉米秸秆处理组中重金属Cu、Zn有效态的钝化效果更好。(5)傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示,厌氧发酵前,添加秸秆对猪粪的红外光谱影响不大,各处理组具有较为相似的光谱特征。厌氧发酵后,各处理组在3408~3422cm~(-1)、2850~2922cm~(-1)处,由于酰胺化合物、碳水化合物、蛋白质、脂肪族化合物、碳水化合物中亚甲基等基团化合物分解减少,导致该处吸收峰强度下降;在1642~1653cm~(-1)处,由于芳香族、烯烃、酰胺类化合物基团类物质(腐殖质)增加,该处吸收峰强度增加。
【学位单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S216.4;X713
【部分图文】：

试验装置图,试验装置,重量法,集气瓶

1.恒温水浴锅 2.发酵瓶 3.集气瓶 4.集水瓶 5.导气管 6.三通管 7.取样口 8.排水管 9.止水夹图 2-1 试验装置Fig.2-1 Device of the Experiment验主要测试项目与方法TS 的测定：重量法；

添加玉米,猪粪,厌氧发酵,秸秆

图 3-19 添加玉米秸秆对猪粪厌氧发酵前后沼渣中重金属 Cu 形态变化的影响Fig.3-19 Effect of adding corn stalk on the morphological changes of heavy metal Cu before and afteranaerobic fermentation of pig manure如图 3-19 所示，厌氧发酵前，处理 1（添加玉米秸秆，秸秆与猪粪质量比为 1:5，N 比为 20:1），重金属 Cu 主要以可还原态存在，所占比例为 37.40%。各形态所占的配比例由大到小顺序为：可还原态（37.40%）>可氧化态（25.00%）>可交换态（21.75%）>

稻秸秆,猪粪,厌氧发酵,沼渣

图 3-20 添加水稻秸秆对猪粪厌氧发酵前后沼渣中重金属 Cu 形态变化的影响Fig.3-20 Effect of adding rice stalk on the morphological changes of heavy metal Cu before and afteranaerobic fermentation of pig manure如图 3-20 所示，厌氧发酵前，处理 4（添加水稻秸秆，秸秆与猪粪质量比为 1:3，N 比为 20:1），重金属 Cu 主要以可还原态存在，所占比例为 47.18%。各形态所占的配比例由大到小的顺序为：可还原态（47.18%）>可氧化态（27.24%）>可交换态

【参考文献】