微生物和生物炭联用对猪粪堆肥后重金属Pb和Cd的钝化效果

为探讨微生物和生物炭联用对畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化效果的影响,该文研究生物炭(花生壳炭、木屑炭、玉米秸秆炭)与复合微生物菌剂联用对重金属Pb、Cd形态转化及钝化效果的影响。试验结果表明:9个处理高温期维持天数均达无害化卫生要求,生物炭添加比例对堆肥过程中温度变化影响显著。对Pb的钝化效果最优处理是24%花生壳生物炭和1%的菌剂(T9),可交换态分配率较堆前下降16.32%,钝化效率为74.60%。对Cd的钝化效果最优的处理是24%木屑炭和1.5%的菌剂(T3),交换态Cd与堆前相比下降7.96%,钝化效率为58.13%。统计分析结果表明,重金属Pb、Cd的钝化效果与堆肥过程中平均pH值呈显著正相关,重金属Pb的钝化效果与堆肥过程中温度平均值呈显著正相关,重金属Cd的钝化效果与有机质降解率呈显著正相关。     

生物炭复配矿物质钝化修复重金属复合污染土壤的研究

选取稻壳生物炭、木屑生物炭、羟基磷灰石及蒙脱石作为钝化材料,按钝化剂5:土壤100的重量比添加到重金属复合污染土壤中,通过测定土壤重金属形态变化,研究了钝化材料修复重金属复合污染土壤的效果及其机理。结果表明:生物炭和矿物质均能有效固定土壤中重金属,其中羟基磷灰石的钝化效果最好,对土壤镉、铜和铅的固定化率分别为76.24%、74.26%和98.13%。蒙脱石的钝化效果最差。添加钝化剂后土壤重金属中的酸可提取态和可还原态向着更加稳定的可氧化态和残渣态转化,土壤重金属活性态比例下降。生物炭复配矿物质处理对土壤重金属的钝化效果介于单一生物炭处理和单一矿物质处理之间。此外,生物炭及矿物质均能有效地提高土壤pH,pH可能是影响土壤修复效果的关键因素。     

猪粪堆肥过程中养分和重金属含量的动态变化

【目的】规模化、集约化畜禽养殖业饲料中,存在滥用或超剂量使用微量元素如Cu、Zn、Fe、As添加剂的现象,导致畜禽粪便以及以畜禽粪便为来源的有机肥重金属的积累。研究堆肥过程中养分和重金属含量的动态变化,对于畜禽粪便有机肥产业的可持续发展具有重要意义。【方法】鲜猪粪在阴凉通风处风干到含水率在60%左右,用于进行55天的好氧堆肥。猪粪∶砻糠比例为6∶1 (鲜重)混匀,每周翻堆一次,每天测定温度,分别在堆肥第1、13、23、28、41和55天的上午10:00—11:00,取样测定含水量、pH值、全氮、总有机碳(TOC)、全磷、全钾以及Cr、Cd、Cu、Mn、Ni、Zn、Pb、Hg、As总量和有效态Cu、Mn、Zn含量。【结果】1)随着堆沤进程的延长,全氮先升高再下降,其峰值出现在第23～28天,之后缓慢下降;全磷与全钾逐渐升高,其峰值均在第41天、之后趋于稳定;TOC不断减少,28天以后趋于平稳。C/N先下降,第23天以后保持稳定,堆肥结束时维持在15.12、达到腐熟要求。2) 9种金属元素的总量变化各不相同,含量分别为Cr6.99～10.43 mg/kg、Cu 106.01～120.81 mg/kg、Mn 663.51～899.48 mg/kg、Ni 11.32～20.67 mg/kg、Zn1245.18～1552.13 mg/kg、Pb 0.09～0.56 mg/kg、As 0.58～1.25 mg/kg,Cd、Hg未检测出。Cr和Ni先下降、升高、再下降直至平稳,其峰值均在第23天,第28天以后趋于平稳。Cu、Mn和Zn不断升高到后期显著升高、其峰值均在第41天。As先下降再升高、在第28天以后基本平稳。Pb总体是下降,在第13天和23天其含量分别比第1天显著下降61.22%和81.63%,在第41天以后其含量未检出。有效Cu、Mn、Zn的含量远低于元素总量,分别在2.35～5.79 mg/kg、17.82～20.28 mg/kg和47.39～70.29 mg/kg。有效Cu、有效Zn总体先升高、再下降直至平稳,峰值都在第13～23天,第28天显著下降但是此后基本平稳。有效Mn总体变化不大,只在第41天显著上升。3)有效Cu与有效Zn、有效Zn与有效Mn之间呈极显著正相关关系。全钾、全磷、Cu、Zn、Mn与TOC之间呈极显著负相关关系(P <0.01),说明全钾、全磷、Cu、Zn与Mn含量的升高由堆肥过程中有机质的矿化引起。而有效Cu、有效Zn、有效Mn与TOC不存在相关关系。【结论】从23天到28天,高温的平均温度和持续时间符合畜禽粪便无害化的要求,C/N和全氮都维持在相对理想的水平,大量元素、微量元素和重金属含量基本达到稳定,表明28天是堆肥腐熟的关键时间节点。     

猪粪堆肥中水分散性胶体的重金属分布研究

对猪粪有机肥中胶体态重金属的分布进行了定量分析。结果表明,水提取态Cu、Zn、Fe、Mn主要以胶体态存在,Ni、Cr、Cd、As几乎都以可溶态存在。胶体态Cu在0.02~0.2μm胶体中的含量最高,胶体态Zn、Fe、Mn在粒径为1~10μm的大粒径胶体中含量最高。在长期连续施用有机肥引起重金属积累的土壤中,高Cu负荷的小粒径胶体可能会引起深层土壤中重金属积累问题,胶体态有机碳与可溶态有机碳对重金属结合能力的不同可能是导致重金属分布存在差异的重要原因。重金属在不同粒径的分布特征可以为讨论猪粪有机肥中的重金属在环境中的化学行为提供论据。     

膨润土对猪粪厌氧发酵重金属铬钝化的影响

随着饲料工业的发展,铬(Cr)等重金属元素作为饲料添加剂在规模化养猪场中广泛应用,且由于猪对重金属吸收利用率低,Cr等重金属元素积累在猪粪中.厌氧发酵是中国政府倡导的处理畜禽粪污的有效途径,但经厌氧发酵,重金属仍残留在沼肥中.重金属的危害与其形态密切相关.因此,为减少沼肥中重金属污染、提高其资源化安全利用提供科学依据,...     

不同钝化剂对猪粪堆肥中重金属形态转化的影响

采用三级四步连续提取法(BCR)研究了磷矿粉、硅藻土和膨润土3种重金属钝化剂对猪粪堆肥过程中重金属As、Pb、Cd含量和形态的影响.结果表明:(1)堆肥处理后,重金属总量会表现出“相对浓缩效应”,使其浓度升高.(2)堆肥处理能促进重金属As、Pb、Cd的形态向活性降低的方向转化,从而降低其生物有效性.(3)不同钝化剂对不同重金属钝化效果不同,膨润土和磷矿粉对交换态铅的钝化效果较好;膨润土对交换态砷的钝化效果较好;硅藻土对交换态镉的钝化效果较好.因此,磷矿粉、硅藻土和膨润土处理有利于降低猪粪堆肥施用中的重金属污染风险.     

堆肥工艺和填充料对猪粪堆肥的影响研究

采用猪粪为原料，进行了不同工艺和不同填充料的堆肥试验。结果表明，改进工艺能有效去除臭味并明显缩短发酵时间；新鲜猪粪中加入锯末、干粪及菇渣作为填充料，调节初始物料含水率至65％左右，并接入合适的微生物菌剂有利于猪粪发酵腐熟；干粪和菇渣作为填充料具有相似的效果，干粪容易获得，并且处理氮的转化率更高。     

生物炭对不同镉污染土壤钝化效果和小白菜镉吸收的影响

目前生物炭用量对不同镉污染水平土壤的钝化效果缺乏进一步认识,利用外源添加试验研究了不同土壤镉污染水平、不同生物炭添加量对小白菜镉吸收和土壤镉有效性的影响。结果表明,添加生物炭能降低土壤有效态镉含量和小白菜地上部镉吸收量,且随着生物炭量的增加钝化效果更明显,其中以4%的生物炭添加量的效果最佳,小白菜地上部镉含量降低了55.9%～76.0%。生物炭添加提高土壤pH值,降低了土壤有效态镉含量2.4%～62.3%,其中较低镉水平土壤有效态镉含量降幅高于较高镉水平的土壤。     

堆肥工艺和填充料对猪粪堆肥的影响研究

采用猪粪为原料,进行了不同工艺和不同填充料的堆肥试验。结果表明,改进工艺能有效去除臭味并明显缩短发酵时间;新鲜猪粪中加入锯末、干粪及菇渣作为填充料,调节初始物料含水率至65%左右,并接入合适的微生物菌剂有利于猪粪发酵腐熟;干粪和菇渣作为填充料具有相似的效果,干粪容易获得,并且处理氮的转化率更高。     

两种微生物制剂对猪粪堆肥的效果

为解决猪粪出路,应用两种微生物制剂进行了堆肥试验研究。结果表明,两种微生物制剂对堆肥发酵是有利的。Ａ菌对有机质的分解率约为５０％,比对照快,Ｂ菌分解率只有２５％左右,比对照慢;Ａ菌对腐殖质的分解率只有２５％左右,比对照慢;Ａ菌对腐殖质的分解速率与有机质一致,Ｂ菌的分解速率比对照低一成左右而有利于腐殖质的保存;Ａ菌肥的总氮量比对照少一成左右,Ｂ菌肥比对照略好;ＮＨ４－Ｎ,Ａ菌肥与对照一致,Ｂ菌肥比对     

畜禽粪便生物炭内源重金属在酸性土壤中的迁移转化

为探究生物炭内源重金属在酸性土壤中的迁移转化规律,科学指导畜禽粪便生物炭农田应用,该研究以猪粪生物炭为研究对象,开展土壤培养试验,利用扫描电镜、物理吸附、X射线衍射物相分析、X射线光电子能谱和电感耦合等离子体质谱等方法表征不同培养时间生物炭表面形貌、孔隙结构、元素分布的变化规律,以及土壤孔隙溶液中重金属、磷酸盐等组分的变化规律。结果显示生物炭内源重金属Cu、Zn主要存在形态为氧化提取态,Cu、Zn氧化提取态比例分别为79.37%和53.43%,生物炭矿物质元素主要以氧化物形式存在于生物炭颗粒表面,施入酸性土壤后,生物炭比表面积及孔容增加,颗粒表面Cu、P、K等元素含量降低,土壤孔隙溶液中pH值、EC、Cu与PO43-含量显著升高,PO43-的浓度范围为2.26～298.00 mg/L,Cu的浓度范围为1.81～2.86 μg/L,生物炭颗粒粒径越小,PO43-和Cu溶出率越高,生物炭施入土壤30 d时,土壤孔隙溶液中PO43-和Cu的浓度最高。研究表明酸性土壤可促进以碳酸盐、磷酸盐氧化物形式存在的Cu以及被碳酸根与磷酸根沉淀的Cu不断释放进入土壤,但生物炭内源Zn在酸性土壤环境不易释放,且生物炭可吸附土壤中的Zn,降低Zn的生物有效性。     

不同辅料生物菌剂堆肥发酵层温度变化

该文研究了添加不同辅料猪粪高温(＞60℃)堆肥发酵层的温度变化规律,结果表明随着堆肥发酵时间不同,堆肥高温层的位置和厚度呈动态变化,有明显的变化规律,即：各辅料处理的堆体高温发酵层出现在离顶部20 cm和离底部20 cm之间,高温发酵层厚度随着发酵期而递增。辅料对猪粪生物堆肥过程高温发酵期开始及其厚度、高温发酵期延续时间有显著影响,从辅料对猪粪高温堆肥发酵层温度变化的影响看,猪粪生物菌剂堆肥生产中选用20%左右砻糠和木屑作为辅料较适宜。     

木本泥炭添加比例对猪粪堆肥腐熟度和污染及温室气体排放的影响

针对当前猪粪好氧堆肥过程中存在的腐熟度低、氮素损失严重、污染气体排放量大等问题,该研究以木本泥炭作为添加剂与猪粪进行联合堆肥,研究了不同木本泥炭添加量(添加比例依次为占物料湿基质量的5%、10%、15%和20%的4个处理)对猪粪好氧堆肥产品腐熟度和堆肥过程中CH4、NH3和H2S等污染气体排放变化的影响。结果表明:在猪粪堆肥中添加木本泥炭作为调理材料,堆体可成功启动升温,在第2~4天堆体可进入高温期,并持续7 d以上,达到无害化卫生标准;经28 d好氧堆肥以后,堆肥产品p H值为8.0左右,电导率值为1.47~1.82 m S/cm,发芽指数均大于80%,达到腐熟标准;木本泥炭添加量增加至15%以上时,有机质分解程度高,物料干质量降解率达22%左右,28 d堆体含水率下降35%左右,CH4、NH3和H2S排放量分别减少82.12%~89.48%、53.47%~63.31%、50.98%~62.76%,总温室气体排放当量减少70.34%~83.26%,堆体总氮损失减少率达44%~63%,保氮效果显著。因此,建议木本泥炭用作猪粪堆肥添加剂的最优添加量为15%~20%(以物料总湿重计)。     

生物炭和菌剂对羊粪微好氧堆肥腐熟度和温室气体排放的影响

为探究微好氧堆肥方式对羊粪堆肥腐熟度和温室气体排放的影响,该研究以纯羊粪为研究对象,设置对照（CK）、生物炭添加（BC）和VT菌剂添加处理（MC）3个处理,在60 L的敞口发酵罐中进行42 d的堆肥试验,堆肥前14 d微量间歇强制通风,后28 d停止强制通风。结果表明：羊粪微好氧堆肥均能满足种子发芽指数（Germination Index,GI）≥70%、pH值不小于8等腐熟标准,与CK相比,BC和MC处理分别提高27.8%和38.8%的GI,并延长堆肥高温期至10 d以上,满足堆肥无害化和腐熟标准。NH3、CH4和N2O排放集中在前14 d,排放速率主要受温度、腐熟度等理化性质影响,且添加外源功能材料可不同程度减少气体排放量,其中添加生物炭使NH3、CH4和N2O排放量分别减少38.68%、14.26%和31.54%,总温室效应降低31.11%;菌剂添加降低18.41%的NH3排放,增加21.10%的N2O排放,总温室效应增加20.70%。因此,在羊粪微好氧过程,生物炭作为调理剂可促进堆肥腐熟,减少堆肥过程温室气体排放,加速有机质矿化和腐殖化,增加堆肥产品养分含量,为羊粪轻简化堆肥提供数据支撑。     

Pig manure digestate-derived biochar for soil management and crop cultivation in heavy metals contaminated soil

Management of heavy metal-contaminated soil under drought and other harsh hydrological conditions is critical for protecting soil ecosystem services. In this study, we examined the effect of pig manure digestate-derived biochar as a soil amendment (15 t ha⁻¹) with N fertilizer (180 kg ha⁻¹) on soil and plant heavy metal levels and nutrient availability under various moisture regimes (optimal moisture ~15%, drought condition ≤5%, and flooded condition ≥35% wt.). It was observed that biochar applications significantly decreased heavy metals in the spring wheat plants, lowering Cr by 90%, Ni by 50%, Cd by 9% and Pb by 34% compared to non-biochar (control) treatments. However, the pig digestate-derived biochar increased heavy metals in soil under all moisture regimes, increasing soil Cr by 21%, Ni by 43%, Cu by 55%, Zn by 70%, and Pb by 12%. The availability of macroelements also increased with the biochar applications under the optimum moisture regimes in both soil and plants, increasing Mg²⁺ by 11%, P by 4%, K⁺ by 50%, and Ca²⁺ by 56% in the soil, and Mg²⁺ by 13%, P by 69%, K⁺ by 29, and Ca²⁺ by 39% in plants. Biochar addition also improved chlorophyll fluorescence (CF) levels in the crop for the entire season (12^th to 62^nd day) and the aboveground crop biomass and dry matter contents both increased. Consequently, the use of pig manure digestate-derived biochar with N fertilizer under normal moisture conditions was able to reduce heavy metal availability to plants and thus could be used in contaminated soils to maintain better crop growth and development.     

猪粪堆制过程中主要酶活性变化

通过室内模拟堆肥,研究了以猪粪为主体材料的发酵过程中的生物化学变化特征。结果表明,猪粪在发酵初期(0～25d)的干物质损失在30%左右,而中后期虽然时间较长,但其干物质损失仅占7%。发酵过程中除过氧化氢酶外,各主要酶活性均呈现不断下降并逐步稳定的趋势。发酵周期内多酚氧化酶和蛋白酶活性出现两次高峰,表明了堆肥内不同时期有机碳、含氮化合物分解和腐殖化进程的强度变化。在堆肥快速分解阶段,转化酶活性下降95%,脲酶、纤维素酶活性下降70%以上,且稳定维持在较低水平,以此可作为判定猪粪堆制过程中腐熟程度的定量生化指标。     

接种微生物菌剂对猪粪堆肥的效果研究

研究了接种微生物菌剂对猪粪堆肥的效果。结果表明,添加菌剂堆肥温度第4 d达到50℃,50℃以上持续时间达10 d,第25 d粪大肠菌群值减少到102个/g,种子发芽指数达89%,NH4 -N含量为64.9 mg/kg,C/N下降为18.6∶1,上述指标均达到腐熟要求;对照堆肥温度第7 d达到50℃,50℃以上持续时间为4 d,第25 d粪大肠菌群值为9.6×103个/g,NH4 -N含量为916 mg/kg,C/N为21.0∶1,种子发芽指数为46.5%,均未达到腐熟要求。说明接种微生物菌剂能明显加速堆肥的腐熟进程。