粪便有机肥制备过程中重金属转化及阻控特性研究

发布时间：2018-10-12 11:39

【摘要】：我国是畜禽养殖大国,大量产生的畜禽粪便成为有机肥生产的重要原料。但是畜禽粪便有机肥往往出现重金属含量超标的现象,不仅加大了土壤重金属污染的风险,而且还可能被作物吸收,对人体健康带来一定的危害,这成为制约有机肥生产的瓶颈因素。因此如何实现对畜禽粪便有机肥制备过程中重金属活性的阻控,对于保护生态环境、促进有机肥产业发展均具有重要意义。本研究首先对华北平原畜禽粪便有机肥重金属进行溯源分析,在明确有机肥重金属超标的基础上,以猪粪为研究对象,通过设置不同的发酵工艺、优化工艺参数、添加调理剂和添加钝化材料处理,系统研究了有机肥制备过程中理化性质的变化、重金属形态的转化特性及其钝化效果。取得的主要研究成果如下:1.以华北平原为研究范围,通过对畜禽粪便、商品有机肥、养殖场饲料进行抽样调查和分析测试,利用主成分分析法对重金属进行了溯源分析。结果表明,商品有机肥中重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As、Ni平均含量分别为69.22、87.40、274.58、0.21、45.42、0.33、3.21、16.50 mg/kg,其中Pb超标率达80.56%;畜禽粪便中各重金属平均含量分别为301.6、27.2、736.3、0.04、57.7、0.016、1.6、9.4 mg/kg,Cr、Pb、As超标比例分别为2.17%、13.04%、2.17%;养殖场饲料中各重金属平均含量分别为87.03、6.32、297.90、0.02、13.89、0.01、0.65、3.00 mg/kg,Cu、Zn、Pb、Cr超标比例分别为60.38%、54.72%、41.51%、39.62%。主成分分析和相关性分析结果表明,有机肥中重金属污染风险主要来源于高Cu、Pb、Zn、Hg饲料的使用。2.明确了不同发酵工艺(自然通风发酵、强制通风发酵和厌氧干发酵)对堆肥重金属活性的影响。随发酵进程的推进,强制通风发酵高温期温度高于50°C,持续期约10天,堆肥结束后p H值维持在8.0左右,电导率(EC)小于2 m S/cm,种子发芽率指数(GI)达到117%,理化性质指标均显著优于自然通风发酵和厌氧干发酵。不同发酵工艺处理对重金属Cu、Zn、Pb的形态变化均有显著影响,三种不同发酵工艺的钝化能力从大到小依次为强制通风发酵自然发酵厌氧干发酵,强制通风发酵处理对Cu、Zn、Pb的钝化率分别达到45.42%、46.29%、38.35%。3.明确了不同工艺参数(含水率、通风速率、发酵周期)对堆肥重金属活性的影响。通过强制通风静态堆肥实验,调整初始含水率值为60%、65%、70%,通风率为0.05、0.1、0.2 m3/min·m3,发酵周期为20 d、35 d、50 d。结果表明,不同工艺参数对堆肥理化性质均有显著影响。对重金属Cu、Pb、Zn分配率的方差分析表明,通风速率显著影响可交换态Cu(p=0.02)和Pb(p=0.040)的钝化效果,而含水率显著影响可交换态Zn(p=0.009)的钝化效果。本研究选取较优化的发酵工艺参数为初始含水率65%、通风速率0.1 m3/min·m3、发酵周期50天和初始含水率65%、通风速率0.2 m3/min·m3、发酵周期20天两种,其发酵前期高温持续期可分别达到12天和8天,堆肥结束后p H值分别为8.0和7.6,EC值分别为3.86和3.75 m S/cm,GI值分别为64.95%和144.05%。对可交换态Cu、Pb、Zn、Cd的钝化率分别达到86.13%、52.37%、18.42%、40.37%和83.57%、63.46%、56.17%、46.41%。4.明确了添加不同调理剂(猪粪、猪粪+玉米秸秆、猪粪+木屑)对堆肥重金属活性的影响。选取高温好氧发酵工艺,调节物料含水率为65%,控制通风率在0.2 m3/min·m3,发酵周期30 d。结果表明添加玉米秸秆和木屑能显著提高堆肥的理化性质,发酵前期高温持续时间能达到5天以上,堆肥结束后p H值分别为8.6和8.7,EC值分别为1.79和1.72 m S/cm,GI值分别为118%和142%。添加玉米秸秆对重金属Cu、Pb、Zn、Cd的钝化率分别为-3.9%、42.8%、-0.2%、73.2%,添加木屑处理钝化率分别为60.5%、-18.1%、52.8%、89.9%。5.明确了添加不同钝化材料(木屑生物炭、玉米秸秆炭、花生壳生物炭、福建腐殖酸、嘉博文腐殖酸、草炭)对堆肥重金属活性的影响。利用猪粪、秸秆和不同钝化材料进行高温好氧堆肥,研究了重金属Cu、Pb、Zn、Cd不同形态的变化特征。结果表明,添加玉米秸秆炭、花生壳炭和福建腐殖酸未达到堆肥腐熟标准,其中添加花生壳炭处理p H值低于6.0,添加花生壳炭和福建腐殖酸处理电导率显著超过4.0 m S/cm,添加玉米秸秆炭、花生壳炭、福建腐殖酸处理GI值低于80%。不同钝化材料对不同重金属钝化能力不同,添加木屑生物炭、玉米秸秆炭、花生壳炭、福建腐殖酸、嘉博文腐殖酸、草炭对重金属Cu的钝化率分别为0%、24.31%、65.79%、14.70%、47.78%、25.35%;对重金属Pb的钝化率分别为13.09%、57.20%、46.20%、-1.25%、47.54%、4.08%;对重金属Zn的钝化率分别为55.42%、18.08%、13.66%、-17.13%、64.94%、50.28%;对重金属Cd的钝化率分别为94.67%、49.93%、25.09%、47.39%、87.36%、-6.90%。综合考虑,本试验选取木屑生物炭和嘉博文腐植酸作为堆肥重金属钝化材料较为理想。综上所述,华北平原畜禽粪便和商品有机肥中Cr、Pb、As金属含量超标,有机肥中重金属污染风险主要来源于饲料添加剂。通过一系列的优化筛选:选取高温好氧堆肥工艺,调整工艺参数为初始含水率65%、通风速率0.2 m3/min·m3、发酵周期为20天,添加秸秆或木屑为调理剂,选择木屑生物炭或嘉博文腐植酸为钝化材料,有利于增强对堆肥重金属的钝化作用,该研究结果可为重金属钝化技术研发、畜禽粪便有机肥制备的规模化应用提供理论参考和技术支持。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S141

【参考文献】