國內豬糞污染物處理研究進展

王艷 韋杰 譚維娜 孫法軍 孫皓 趙海濤

摘要?在探討豬糞性質特征的基礎上分析了當前國內豬糞處理利用的主要途徑，指出厭氧發酵、好氧發酵、栽培基料和餌料化是當前處理豬糞的主要技術模式，最后提出資源化、無害化、增值化是未來處理豬糞的主要發展方向。

關鍵詞?豬糞，性質，污染物，進展

中圖分類號?X713文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）06-0004-03

Abstract?On the basis of discussing the characteristics of pig manure，the main ways of treatment and utilization of pig manure in China were analyzed.It was pointed out that anaerobic fermentation，aerobic fermentation，cultivation base and bait are the main technical models for the treatment of pig manure.At last，it was pointed out that the main development direction of pig manure treatment in the future is to make it resource，harmless and valueadded.

Key words?Pig manure，Properties，Pollutants，Progress

我國是畜牧業生產大國，生豬養殖在我國畜牧業中屬于重要組成部分，2014—2018年我國生豬年存欄量分別為7.35億、7.08億、6.85億、7.02億和6.94億頭。我國的生豬養殖規模位居全球第一，每年出欄的生豬占全球生豬養殖量的50%左右[1]。生豬養殖為國家食品供應安全提供了有效支撐，而豬糞等養殖廢棄物帶來的環境污染問題日益成為困擾生豬養殖產業健康可持續發展的瓶頸。筆者在探討豬糞性質特征的基礎上擬分析當前國內豬糞處理利用的主要途徑，重點介紹豬糞中重金屬和抗生素處理的技術和效果，以期為豬糞處理利用和生豬養殖業健康可持續發展提供支撐。

1?豬糞性質特征

1.1?豬糞礦質元素

豬糞中含有大量的碳和礦質營養元素，是提高土壤地力的寶貴資源。相關的檢測結果表明，豬糞中有機質含量為65.47 g/kg，銨態氮3.08 g/kg，總磷3.41 g/kg，總氮 5.88 g/kg。2015年我國畜禽糞尿資源含量達2 573.10萬t，氮、磷、鉀含量分別為1 278.50萬、366.12萬、928.44萬t，其中生豬豬糞中含有養分量為542.95萬t，占總養分量的21.10%[3]。

1.2?豬糞中有機污染物?以豬糞為原料制備的有機肥中含有雌激素，其中雌三醇（E3）、17β-雌二醇（17β-E2）、雙酚A（BPA）、炔雌醇（EE2）4種雌激素的含量分別為609.71、41.84、32.69、46.74 μg/kg[4]。周婧[5]檢測了豬糞中的抗生素，發現豬糞中含有各類抗生素，其中四環素類抗生素（TCs）含量最高（1 260.42 mg/kg），β-內酰胺類（β-lacs）抗生素含量為最低（0.26 ?mg/kg），磺胺類（SAs）抗生素濃度為17.05 ?mg/kg，喹諾酮類（FQs）抗生素濃度為6.32 ?mg/kg，大環內酯類（MLs）抗生素濃度為41.95 ?mg/kg。豬糞中抗生素含量整體上表現為春冬季大于夏秋季。四環素類抗生素在不同規模豬場以及不同季節所占比重均為最高，母豬豬糞中的抗生素含量相對較低，保育豬豬糞中抗生素含量最高[5]。

1.3?豬糞中重金屬

北京市、壽光市和岳陽市采集的豬糞中重金屬存在積累現象，豬糞中Cu、Zn、Cd以及As等重金屬含量顯著高于雞糞、鴨糞和牛糞。根據畜禽糞便安全使用準則中在蔬菜地使用畜禽糞便限量標準，豬糞中Zn、Cu和As超標率分別為78.69%、74.59%和9.84%，Zn和Cu明顯嚴重超標。Cu和Zn在種豬糞中含量較低，依次低于育肥豬糞和乳豬糞。育肥豬糞中As含量高于乳豬糞和種豬糞，種豬糞中的Cd含量高于乳豬糞和育肥豬糞。豬糞中Cu、As水溶態含量分別占總量的30.47%和12.19%，EDTA提取態Cu、Zn含量分別占總量35.96%和48.93%[6]。江西省豬糞中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均質量分數分別為2.94、14.8、456、732、14.0、1.94、0.170和5.74 ?mg/kg。若以豬糞為原料制成有機肥，則江西省豬糞中Zn、Cu、As、Ni和Cd超標，超標率為8.3%～86.1%[7]。山東省豬糞中Zn、Cu殘留量均超過國內外堆肥參考標準[8]。薄錄吉等[9]收集了我國21個省市規模化養豬場糞便和重金屬濃度數據，研究表明豬糞中Cu、Zn、As、Cd、Cr平均含量超標省市分別占95.2%、85.7%、33.3%、20.0%和5.26%。豬飼料中重金屬含量高是導致豬糞重金屬含量高的主要原因，豬飼料中的重金屬被生豬食用后絕大部分以糞便的形式排出，因此應從源頭嚴格控制飼料中Cu、Zn等重金屬元素的添加量，從而降低糞便中重金屬含量。

2?豬糞處理利用技術模式

2.1?厭氧發酵

厭氧發酵主要分為3個階段，第一階段是發酵菌在胞外酶的作用下使固體物質轉化成可溶于水的脂肪酸和醇類物質，使各類物質發生液化水解，第二階段是可溶性物質在胞內酶的作用下繼續分解進而轉化成甲醇、乙醇、甲酸和乙酸等低分子物質，使其產氫產酸，第三階段是產甲烷菌使產酸階段的小分子化合物通過一步或幾步的還原作用，最終形成甲烷和二氧化碳[10]。豬糞中含有大量有機物與氮磷元素，利用厭氧發酵技術可以有效降低豬糞中70%～80%的COD含量[11]。大型沼氣工程的啟動需要有大量的外源接種物，這使得啟動成本增高。為了實現沼氣工程低成本且快速啟動，經研究稻草與豬糞按0∶1，1∶2，1∶1和2∶1（VS）混合后在不外加接種物的情況下均能啟動發酵進程，并且發現少量稻草與豬糞混合的啟動效果優于單獨豬糞的啟動效果，稻草與豬糞1∶2混合比例時效果最佳[12]。（36±1） ℃、發酵濃度為20%的條件下，分別添加5%的活性炭、磁鐵粉和灰分進行厭氧干發酵，結果表明3種添加劑均可以縮短豬糞厭氧干發酵的發酵周期、提升豬糞厭氧干發酵的產氣效率[13]。將豬糞與玉米秸稈按照不同比例混合進行干法厭氧發酵，試驗結果表明，在溫度為55 ℃、接種率為30%、豬糞與玉米秸稈混合比例為1∶3條件下，20 d累積產氣量最多，TS降解率最高。濕度是影響干法厭氧發酵產氣率的主要因素，同時可以影響發酵物的水解過程[14]，適當地控制濕度可以促進豬糞的發酵。

2.2?好氧發酵

堆肥的原理是通過好氧發酵來處理有機廢棄物，堆肥是好氧發酵的常用方法之一，可以實現使豬糞無害化和變廢為寶的目的。堆肥的過程是好氧微生物通過自身的代謝作用，將廢棄物中的有機物降解并轉化為穩定程度較高的腐殖質，并通過添加微生物制劑來加速畜禽糞便的腐熟過程[15-16]。從新鮮豬糞中分離出嗜熱性較強、感官除臭力較好的芽孢桿菌Y1、酵母菌J2和放線菌F1，這3株菌種均能耐55 ℃的高溫，且對氨氣和硫化氫有明顯的抑制釋放能力，將3株菌種按1∶1∶1體積復合，加入1%的劑量，其效果更加顯著。利用以上篩選獲得的復合發酵菌劑開展豬糞堆肥發酵試驗，結果顯示添加復合菌的堆肥處理溫度上升較快，至第9天可上升至65 ℃，且55 ℃以上高溫時間可維持近7 d，堆肥21 d后結束，物料呈暗褐色，粉狀，含水率由原來的75%下降至25%，總氮含量和種子發芽指數也明顯高于不接菌的對照組[17]。在厭氧條件下將豬糞制備成生物炭后添加到豬糞中進行好氧堆肥，添加豬糞生物炭的堆體溫度在第4天達50 ℃，最高溫度達66.2 ℃，高于對照組的63.4 ℃。豬糞生物炭的加入可以降低堆體可溶性鹽的濃度，降低堆體銨態氮的損失，促進速效鉀的增加，利于堆肥產物Cr和Cu的固化[18]。豬糞好氧發酵過程中增加通風頻次有助于降低硫化氫和TVOCs的最高排放濃度，但會增加堆肥過程中硫化氫、TVOCs以及二甲二硫和二甲三硫的累積排放量，增加環境危害程度。通風5 min，間隔30 min是最佳通風方式[19]。

2.3?栽培基料

規模化養豬場豬糞渣經固液分離處理后可制備成栽培雙孢蘑菇的基料，使用25%豬糞渣替代牛糞栽培雙孢蘑菇時產量略有提高，但是隨著豬糞渣替換量的增加產量逐步降低[20]。使用豬糞分離渣培養的毛木耳子實體粗蛋白含量為9.0%、粗纖維含量為21.1%、粗脂肪含量為1.1%、灰分含量為2.61%、氨基酸含量為6.1%，其中必需氨基酸占氨基酸總量的43.6%[21]。豬糞固液分離物替代部分棉籽殼栽培雞腿菇能夠降低成本、提高菌絲生長速度和質量，縮短栽培周期，提高經濟效益，適宜的添加比例為60%[22]。

2.4?餌料化處理

蚯蚓生物堆肥具有工藝與設備簡單、成本低、處理中節能環保等特點，能夠有效處理豬糞。蚯蚓處理豬糞有露天養殖、林下和全遮雨等模式，由于豬糞牛糞等有機廢棄物的滲水性較差，養殖床表面極易積水，建議采用全遮雨模式。處理的工作蚓基本都選用生長快、繁殖高、食性廣和處理能力強等特點的赤子愛勝蚯蚓[1]。豬糞中添加1.0%枯草芽孢桿菌，與秸稈混合調節碳氮比為30，堆肥腐熟處理后養殖蚯蚓效果最佳[23]。經蚯蚓生物處理后，豬糞和秸稈混合物料中的有機碳、全磷、速效磷以及全鉀的含量隨處理時間的增加而升高，全氮、硝態氮含量隨時間的增加呈現出先降低后升高的趨勢，銨態氮、速效鉀的含量在養殖過程中逐漸降低。綜合來看，豬糞經蚯蚓生物處理后，會具有較好的肥效[24]。豬糞固液分離后的固體物料也能制成魚類顆粒餌料，測試表明餌料中未檢出糞大腸菌群，餌料含粗蛋白25.4%，粗脂肪6.8%，粗纖維9.2%，鈣1.2%，磷0.7%，灰分8.1%，滿足魚飼料營養要求[25]。

3?豬糞中污染物處理

3.1?重金屬處理

堆肥可通過降低畜禽糞便中水溶態重金屬的含量和將水溶態重金屬絡合在腐殖質類物質上從而降低產品中重金屬的生物有效性[26]。在好氧堆肥處理過程中，豬糞中Cr和Ni含量峰值均在第23、28天以后趨于平穩，Cu、Mn和Zn含量峰值均在第41天保持穩定，Pb總體是呈下降趨勢，在第13、23天其含量分別比第1天顯著下降61.22%和81.63%，在第41天以后其含量未檢出，有效Cu、Mn、Zn含量遠低于元素總量，分別為2.35～5.79、17.82～20.28和47.39～70.29 ?mg/kg[27]。堆肥過程中添加生物炭有利于豬糞中重金屬活性的鈍化。李冉等[28]研究發現，在豬糞堆肥處理中添加FeCl3改性生物炭對Cu、Zn和Pb元素表現出相對較好的鈍化能力，鈍化效果分別為78.70%、43.53%、66.45%。蚯蚓能富集豬糞中的Cu、Zn、Cd和As等重金屬元素并且降低豬糞中的重金屬含量，同時減少豬糞中的部分重金屬殘渣態比例，有利于重金屬的轉移和去除[29]。也有研究表明，蚯蚓堆制處理豬糞后，堆制物中Cu、Zn這2種重金屬元素含量分別降低了26.41%和19.58%，重金屬元素主要以殘渣態形式存在，在蚯蚓的處理下逐漸向穩定態方向轉化，可見蚯蚓處理能夠有效降低重金屬元素的生物有效性[30]。礦質材料亦能夠有效鈍化豬糞中的重金屬，硫化鈉對豬糞中Cu的鈍化率可達86.84%，對Zn的鈍化率為65.64%，凹凸棒土對Cu的鈍化率為87.86%，對Zn的鈍化率為32.82%，粉煤灰對Cu的鈍化率為74.70%，硫化鈉和凹凸棒土可以作為鈍化豬糞中重金屬的添加劑[31]，并且有較好的效果。重金屬分離技術和鈍化技術相結合來處理豬糞中重金屬，不僅可以減少豬糞中Cu、Zn和Mn重金屬的總量，而且對于其生物利用性可有效降低。檸檬酸酸浸和硫化鈉鈍化對豬糞中Cu、Zn、Mn總處理效率顯著，分別達73.00%、61.44%、29.90%[32]。

3.2?抗生素處理

好氧堆肥有利于去除豬糞中的雌激素[4]，當豬糞中多種雌激素共存時，其中初始濃度最大的雌激素具有較高的降解速率。雌激素的降解受光照、溫度、微生物等多種方面的影響，其中微生物影響最大。微生物活動會影響堆體內雌激素的降解速率，在堆肥中期微生物活動最為活躍，且雌激素的降解速率最高，并且高于堆肥前期和后期[33]。好氧條件下的堆肥處理對于土霉素、四環素、金霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑、環丙沙星、恩諾沙星和泰樂菌素等主要類別抗生素的去除率可達65.5%～100.0%。厭氧發酵對四環素、氨芐青霉素、磺胺甲氧二嗪的去除率可達100.0%，但對磺胺噻唑、磺胺二甲基嘧啶、磺胺氯噠嗪、泰樂菌素的去除率極低[10]。

4?展望

豬糞對環境的污染正由傳統概念上的氮、磷、碳等元素污染進一步擴增到重金屬和抗生素等污染，并且重金屬和抗生素產生的中間產物亦會對環境造成二次污染，資源化、無害化、增值化是未來處理豬糞的主要發展方向。

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