以豬糞為原料的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中鎘、銅、鋅分析

徐慶賢,沈恒勝,林 斌,官雪芳

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所,福建 福州 350003)

豬糞中含有較高濃度的鎘 (Cd)、銅 (Cu)、鋅 (Zn)等重金屬[1]。以豬糞為原料的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中,豬糞經(jīng)微生物生態(tài)復(fù)合群落的發(fā)酵降解,在沼氣產(chǎn)能的同時(shí),其含有的重金屬元素會經(jīng)微生物的轉(zhuǎn)化代謝,釋放到沼液和沼渣中,從而使沼肥的利用造成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著有機(jī)農(nóng)業(yè)和綠色、無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)快速發(fā)展[2],沼肥被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[3-5]。本研究分析了豬糞發(fā)酵沼液、沼渣中鎘、銅、鋅含量及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中合理施用沼肥提供一些理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試豬糞采自于福建省農(nóng)科院種豬場閩侯荊溪鎮(zhèn)養(yǎng)殖基地。將采集的新鮮豬糞均勻捏碎,撿除其中的豬毛等雜質(zhì)后備用,經(jīng)測定豬糞總固體含量(TS含量)為21.3%。

豬糞試驗(yàn)發(fā)酵接種物取自福建省農(nóng)科院種豬場閩侯荊溪鎮(zhèn)養(yǎng)殖基地沼氣池中層沼液,經(jīng)測定:鎘含量0.002 mg/kg、銅含量1.05 mg/kg、鋅含量2.37 mg/kg、p H 7.87。試驗(yàn)用于稀釋豬糞發(fā)酵用水為福州市自來水,經(jīng)過靜置24 h后使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置采用玻璃材料自制 (圖1),發(fā)酵容積為 1 L。試驗(yàn)發(fā)酵系統(tǒng)接種物300 ml、豬糞375.6 g,然后加清水至1 L,攪拌均勻。

豬糞的沼氣發(fā)酵動(dòng)態(tài)試驗(yàn)采用批量發(fā)酵,共設(shè)18個(gè)發(fā)酵周期,每個(gè)發(fā)酵周期設(shè)3個(gè)平行試驗(yàn)。分別在發(fā)酵啟動(dòng)后的每一天取樣,分別分析發(fā)酵系統(tǒng)中的沼渣、沼液比例,以及發(fā)酵體系中的鎘、銅與鋅的含量及其分布特征。以發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)測試值d0(發(fā)酵時(shí)間,表1)為對照,比較24天發(fā)酵的測試值變化情況。

圖1 豬糞沼氣發(fā)酵試驗(yàn)裝置

1.3 樣品制備

當(dāng)每個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)酵時(shí)間終止時(shí),將發(fā)酵裝置內(nèi)的發(fā)酵殘留物混合均勻并分為2份。其中一份為沼液和沼渣的混合樣品,而另一份的混合樣品經(jīng)高速冷凍離心機(jī) (Heal Force公司,Neofuge 15R)離心10 min,轉(zhuǎn)速為8000 r/min,分離出沼渣、沼液;分別將離心殘留和沼渣沼液混合樣在80℃下烘干12 h,制成樣品。

1.4 測試方法

重金屬鎘的測定:樣品送交國土資源部福州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心,使用XSeriesII等離子質(zhì)譜儀測定,測定溫度26℃、濕度47%。

銅與鋅的測定:樣品送交國土資源部福州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心,使用法國JY-ULTIMA ICP測定,測定溫度26℃、濕度49%。

所測樣品數(shù)據(jù)均為干基,需轉(zhuǎn)換為濕基再進(jìn)行計(jì)算。

表1 沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的重金屬鎘殘留及微量元素銅與鋅的分布與含量動(dòng)態(tài)分析

圖2 發(fā)酵系統(tǒng)中的重金屬鎘與微量元素銅、鋅的動(dòng)態(tài)分析特征

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用EXCEL軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析與討論

銅與鋅是家畜營養(yǎng)代謝的必需微量元素,因而也是飼料必需的微營養(yǎng)添加元素。雖然兩者在家畜生理代謝中具有重要的生理功能作用,但其吸收效率并不高,且微量元素銅對鋅的吸收代謝存在拮抗作用,因此經(jīng)家畜生理代謝后兩者是家畜排泄物中的主要元素,也是畜牧養(yǎng)殖業(yè)給自然環(huán)境造成污染的主要污染源。經(jīng)24天的生物發(fā)酵,無論是沼渣、沼液,還是兩者的自然混合體系中,鎘、銅、鋅的含量均未表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化趨勢 (表1,圖2)。

比較在發(fā)酵混合體系、沼渣、沼液中鎘分布的稟賦特征 (表1),沼渣中鎘的單位濃度含量最高,而沼液中鎘的單位濃度含量相對較低,且主要受沼液懸浮顆粒含量的影響[6]。由于鎘主要分布于沼渣中,因此,施用沼渣+沼液混合肥時(shí)尤其需要注意其中的沼渣含量比例。

與鎘的稟賦特征相似,銅和鋅在沼渣中的平均單位含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在沼液中的含量。受沼肥中 (以及沼渣中)水分含量變化的影響,沼肥的銅與鋅含量變化較大 (圖2)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明,以豬糞為主要原料的沼氣發(fā)酵殘留物中鎘、銅、鋅的分布特征為:鎘主要?dú)埓嬖诓豢扇艿恼釉?沼液中的鎘、銅、鋅含量小于沼渣中鎘、銅、鋅含量,且沼渣、沼液中鎘、銅、鋅含量不隨發(fā)酵周期呈有序動(dòng)態(tài)變化,說明沼液中的鎘、銅、鋅主要存在于懸浮顆粒體中,其存在比例隨沼渣的含水量、沼液懸浮顆粒含量的變化而變化。

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[3]鄒長明,劉正,余海兵,等.沼肥研究與開發(fā)前景 [J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,13(23):81-82.

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