以豬糞為原料的沼氣發酵系統中鎘、銅、鋅分析

徐慶賢,沈恒勝,林 斌,官雪芳

(福建省農業科學院農業工程技術研究所,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酵系統中,豬糞經微生物生態復合群落的發酵降解,在沼氣產能的同時,其含有的重金屬元素會經微生物的轉化代謝,釋放到沼液和沼渣中,從而使沼肥的利用造成潛在安全風險。隨著有機農業和綠色、無公害農產品生產快速發展[2],沼肥被廣泛應用于農業生產中[3-5]。本研究分析了豬糞發酵沼液、沼渣中鎘、銅、鋅含量及其動態變化規律,旨在為農業生產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 試驗材料

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

豬糞試驗發酵接種物取自福建省農科院種豬場閩侯荊溪鎮養殖基地沼氣池中層沼液,經測定: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。試驗用于稀釋豬糞發酵用水為福州市自來水,經過靜置24 h后使用。

1.2 試驗設計

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

豬糞的沼氣發酵動態試驗采用批量發酵,共設18個發酵周期,每個發酵周期設3個平行試驗。分別在發酵啟動后的每一天取樣,分別分析發酵系統中的沼渣、沼液比例,以及發酵體系中的鎘、銅與鋅的含量及其分布特征。以發酵啟動時測試值d0(發酵時間,表1)為對照,比較24天發酵的測試值變化情況。

圖1 豬糞沼氣發酵試驗裝置

1.3 樣品制備

當每個動態發酵時間終止時,將發酵裝置內的發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高速冷凍離心機 (Heal Force公司,Neofuge 15R)離心10 min,轉速為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資源監督檢測中心,使用XSeriesII等離子質譜儀測定,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資源監督檢測中心,使用法國JY-ULTIMA ICP測定,測定溫度26℃、濕度49%。

所測樣品數據均為干基,需轉換為濕基再進行計算。

表1 沼氣發酵系統中的重金屬鎘殘留及微量元素銅與鋅的分布與含量動態分析

圖2 發酵系統中的重金屬鎘與微量元素銅、鋅的動態分析特征

1.5 數據分析

數據分析采用EXCEL軟件進行相關性分析。

2 結果分析與討論

銅與鋅是家畜營養代謝的必需微量元素,因而也是飼料必需的微營養添加元素。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,也是畜牧養殖業給自然環境造成污染的主要污染源。經24天的生物發酵,無論是沼渣、沼液,還是兩者的自然混合體系中,鎘、銅、鋅的含量均未表現出明顯的動態變化趨勢 (表1,圖2)。

比較在發酵混合體系、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遠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 結論

試驗表明,以豬糞為主要原料的沼氣發酵殘留物中鎘、銅、鋅的分布特征為:鎘主要殘存在不可溶的沼渣中;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、鋅含量不隨發酵周期呈有序動態變化,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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