添加蒙脱石对猪粪好氧堆肥腐熟度和重金属钝化的影响

黄 健，肖建中，唐世刚，*，郑 强，丁枫华，张东旭

(1.丽水学院 生态学院，浙江 丽水 323000； 2.宁波职业技术学院 化工学院，浙江 宁波 315800)

随着我国养殖业的快速发展，畜禽粪便污染日趋严重，并造成部分地区地下水氨氮超标，对水体环境和居民饮水安全造成影响。当前，全国畜禽粪污年产量达到38亿t，其中猪粪产量约18亿t，占47%。加快生猪养殖粪污资源化利用关键技术的研发与应用，探索以肥料化为目标的畜禽粪便资源化利用技术，对于改善农村居民生产生活环境、改善土壤肥力和减轻农业面源污染具有积极意义[1-3]。利用堆肥技术处理畜禽粪便，能够有效杀灭畜禽粪便中的病原微生物和杂草种子，将畜禽粪便中的有机物转化为稳定、高腐殖化的有机肥[4-6]。然而，猪粪中还含有大量的Cu、Zn等重金属。这些重金属离子在堆肥过程中虽能通过有机物络合、静电吸附等形式降低其生物活性，但当堆肥施入土壤后，在微生物的作用下，原本被钝化的重金属可能再次活化。

研究表明，矿物质添加剂能有效促进堆肥有机物降解，减少氮素损失和温室气体排放[7-10]。矿物添加剂，如沸石、生物炭、膨润土等多孔材料，能够通过吸附作用降低堆肥中的重金属生物活性[11-12]。周颖等[13]研究发现，海泡石基钝化剂对猪粪中的Cu和Zn有良好的钝化效果，当添加量高于5%时，猪粪中可交换态Cu和Zn的含量分别降低36.79%和33.35%。王义祥等[14]研究了生物炭对猪粪堆肥过程中Cu和Zn的钝化作用，堆肥处理后交换态Cu和Zn的含量分别下降了4.25%～12.06%和2.83%～20.87%。李文姣等[15]探讨了硫化钠、凹凸棒土、粉煤灰和熟石灰对猪粪中重金属钝化效果的影响，发现硫化钠和凹凸棒土可有效降低猪粪中重金属的生物可利用性。作者课题组在前期研究中发现，蒙脱石可有效降低污泥堆肥中重金属的活性。蒙脱石具有很大的阳离子交换量(CEC)，堆肥过程中其层间的阳离子易与堆体中的金属离子发生交换，从而降低重金属活性[16]。为此，特以猪粪和秸秆为原料，研究不同含量的蒙脱石对猪粪堆肥过程中腐熟度，及重金属Cu和Zn形态变化的影响，以期为猪粪堆肥过程的重金属钝化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜猪粪采自丽水市某养猪场，使用前晾晒1 d并打碎。玉米秸秆来自当地种植户，使用前粉碎成1 cm左右的秸秆段。蒙脱石产自浙江省杭州市临安区，用沉降法提取纯化，比表面积为141 m2·g-1，CEC为0.656 mmol·g-1，密度为2.50 g·cm-3。堆肥专用菌剂购自北海强兴生物科技有限公司，主要成分为酵母菌、乳酸菌、丝状真菌、放线菌等。

1.2 试验设计

将新鲜猪粪与玉米秸秆按7∶3的干质量比混合，并加入堆肥专用菌剂和蒙脱石，调节含水率为64.2%～67.4%，C/N为25∶1～30∶1，其中，菌剂添加量统一为猪粪干质量的1.5%。根据蒙脱石添加量，共设4个处理：M0，猪粪+秸秆+菌剂；M2.5，猪粪+秸秆+菌剂+猪粪干质量2.5%的蒙脱石；M5.0，猪粪+秸秆+菌剂+猪粪干质量5%的蒙脱石；M7.5，猪粪+秸秆+菌剂+猪粪干质量7.5%的蒙脱石。

物料混合均匀后装入自制的堆肥装置(有效体积为110 L)，装置底部安装鼓风机进行鼓风，风压为100 W，风量为0.05 m3·s-1。堆肥期间每天9:00、15:00、21:00记录堆体温度，取其平均值作为当天的堆体温度。同时记录环境温度。分别于堆肥的0、3、7、14、21、30 d在堆体上、中、下3层取样，混合均匀。

盆栽试验所用土壤取自当地农田。花盆尺寸：高15 cm，口径和底径分别为26 cm和14 cm。花盆内嵌入干净的塑料袋防渗漏。将堆肥样品和土壤风干、研磨过筛，按照土壤与堆肥产品质量比20∶1的比例进行混合(CK花盆中全部为土壤)，用蒸馏水调节土壤含水率为70%左右。每个花盆中种入20颗白菜(Brassicarapachinensis)种子，于幼苗期进行间苗，每盆留5棵长势良好的苗，设置3个重复。过30 d后，收取白菜茎和叶，放入烘箱中60 ℃烘至质量恒定，称量，然后放入干燥器中用于后续分析测试。

1.3 分析方法

温度采用温度探头实时监测；pH、电导率(EC)、含水率等的测定方法参照文献[17]。将堆肥样品用蒸馏水浸提后取10 mL至垫有滤纸的玻璃皿中，均匀放入30粒雪里蕻种子，在室温下(25±1)℃于黑暗条件下培养48 h，测定种子发芽指数(GI)[18]，用蒸馏水作对照。

重金属含量采用Optima 5300DV型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Perkin Elmer，美国)测定，重金属形态采用BCR法测定。重金属不同形态的分配率(P)和钝化效果(IPE)参照文献[16，19]的方法测算。

所有样品的测试数据均为3份平行样品的平均值。

1.4 数据分析

采用Origin 8.5做图，采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0进行试验数据分析。

2 结果与分析

2.1 蒙脱石添加量对堆肥理化性质的影响

2.1.1 对温度和含水率的影响

堆肥过程中，微生物大量繁殖，快速分解有机物产生热量，使堆体温度升高。如图1所示，堆肥开始后，各堆体迅速进入高温期，随着蒙脱石添加量的增加，M0、M2.5、M5.0、M7.5堆体的最高温度分别为57、61、62、61 ℃，高温期(>50 ℃)分别为10、11、12、10 d。各堆体均满足粪便无公害卫生要求(GB 7959—2012)，能有效杀灭堆体中的病原微生物和杂草种子。堆肥的前17 d，含蒙脱石的堆体温度均高于M0，随后各堆体温度逐渐降低至环境温度。在整个堆肥期间，高温阶段(≥50 ℃)，M5.0与M7.5堆体的温度显著(P<0.05)高于M0，而M2.5与M0堆体的温度无显著差异，M5.0与M7.5堆体的温度存在显著性差异(P<0.05)；降温阶段，M2.5和M7.5堆体的温度均显著(P<0.05)高于M0，而M5.0与M0堆体的温度无显著性差异。

图1 堆肥过程中的温度变化Fig.1 Temperature variation during composting

随着堆肥的进行，各堆体的含水率逐渐下降。如图2所示，堆肥结束时，M0的含水率由65.6%下降至41.3%，M2.5的含水率由66.1%下降至44.2%，M5.0的含水率由67.4%下降至45.8%，M7.5的含水率由64.2%下降至43.3%。堆肥期间，各堆体的含水率无显著性差异。比较可知，添加蒙脱石更有利于保持堆体中的水分，促进微生物繁殖生长。

2.1.2 对pH、EC、GI的影响

各处理的初始pH值比较接近，均在7.5附近，无显著性差异。随着堆肥的进行，各处理的pH值均呈现先上升后下降的趋势(图3)。堆肥7 d后，M0、M2.5、M5.0和M7.5的pH值分别上升至8.9、9.1、9.3和9.2，均较堆肥前显著(P<0.05)增加。至堆肥结束，各处理的pH值稳定在8.5左右。

堆肥的EC值可用于评价堆肥物料对植物生长的抑制作用或生物毒性大小。如图4所示，各处理的EC值在堆肥30 d内不断波动，7 d后M0、M2.5、M5.0、M7.5堆体的EC值分别由堆肥初始的2.8、3.1、3.3、2.9 mS·cm-1下降到1.9、2.1、2.2、2.3 mS·cm-1，14 d后M0、M2.5、M5.0堆体的EC值上升至3.3 mS·cm-1左右，至堆肥结束各处理的EC值均稳定在4 mS·cm-1内，未超过抑制作物生长的电导率限制值[6]。在整个堆肥过程中，含蒙脱石的各堆体EC值显著(P<0.05)高于M0，而含蒙脱石的各堆体EC值并无显著性差异。

GI可反映堆肥的腐熟度和毒性，当GI>80%时，可认为堆肥已腐熟或对植物无毒性[4-5]。堆肥结束时，M0、M2.5、M5.0、M7.5堆体的GI分别为80%、89%、92%、90%，表明各堆体均已腐熟(图5)。

图2 堆肥过程中的含水率变化Fig.2 Water content variation during composting

图3 堆肥过程中pH值的变化Fig.3 Changes of pH during composting

图4 堆肥过程中电导率的变化Fig.4 Changes of EC during composting

图5 堆肥结束时各处理的种子发芽指数Fig.5 GI of different treatments after composting

2.2 蒙脱石添加量对重金属钝化的影响

2.2.1 对Cu钝化的影响

分配率是评价重金属环境风险的一项重要指标[6，20]。重金属的可交换态对植物毒性最大，其次是还原态，而氧化态和残渣态的活性较小。将重金属的可交换态含量变化率作为衡量钝化效果的参数。从表1可知，堆肥前后M0中Cu各形态的分配率变化不大，无显著性差异(P<0.05)。含蒙脱石的各堆体中可交换态和还原态Cu的分配率在堆肥后均有所下降，而氧化态和和残渣态Cu的分配率均有不同程度上升。M2.5、M5.0和M7.5堆体中氧化态和残渣态Cu的分配率之和分别从堆肥前的35.2%、41.7%和40.8%增加到堆肥后的44.7%、55.3%和51.3%，表明蒙脱石能有效降低重金属Cu的生物活性。M0、M2.5、M5.0和M7.5堆体对Cu可交换态的钝化效果分别为2.1%、10.7%、23.7%和18.1%，含蒙脱石的各处理对Cu的钝化能力显著(P<0.05)高于M0，且M5.0的钝化效果显著(P<0.05)高于其他含蒙脱石的处理。

2.2.2 对Zn钝化的影响

堆肥前后不同形态重金属Zn的分配率如表2所示。各堆体可交换态Zn的分配率在堆肥后均有所下降，其中M0仅下降了0.2个百分点，钝化效果为1.6%；M2.5下降了1.6个百分点，钝化效果为9.3%；M5下降了2.9个百分点，钝化效果为17.2%；M7.5下降了2.7个百分点，钝化效果为16.4%。各处理对可交换态Zn的钝化效果从高到低依次为M5.0>M7.5>M2.5>M0。还原态Zn的分配率除M0外在堆肥后均有所降低，其中，以M7.5的降幅最大。统计分析结果表明，M5.0和M7.5处理下可交换态Zn的钝化效果无显著性差异，二者均显著(P<0.05)高于M0。

2.3 蒙脱石添加量对堆肥质量的影响

如图6所示，未施加堆肥(CK)的白菜每盆干重为11.2 g，施加M0、M2.5、M5.0、M7.5处理的堆肥后白菜每盆干重分别增加到14.3、15.4、19.2、18.3 g。方差分析结果显示，施加堆肥能显著(P<0.05)促进白菜生长，且以添加M5.0处理堆肥的白菜生物量(干质量)最大，显著(P<0.05)高于其他处理。这与Karak等[21]报道的结果相似。此外，与CK相比，施加堆肥后白菜中重金属Cu和Zn含量减少，原因可能是腐熟的堆肥能有效降低重金属的生物活性。

表1 不同处理堆肥前后重金属Cu的形态变化Table 1 Morphological changes of Cu in different treatments before and after composting

表2 不同处理堆肥前后重金属Zn的形态变化Table 2 Morphological changes of Zn in different treatments before and after composting

图6 不同处理对白菜生物量及其Cu、Zn含量的影响Fig.6 Effect of different treatments on biomass and Cu， Zn content of Brassica rapa chinensis

3 讨论

3.1 添加蒙脱石对堆肥腐熟的影响

好氧堆肥过程涉及物理、化学和生物反应，温度、含水率、pH、碳氮比、调理剂等是影响好氧堆肥效果的主要因素。通过添加秸秆、生物炭、锯末等调理剂能有效优化堆肥物料的初始条件，加快堆肥进程，提升堆肥品质。本研究表明，添加蒙脱石有利于堆体升温，最高温度达到62 ℃，比不加蒙脱石的处理高出5 ℃，且高温期持续时间更长。王义祥等[14]研究发现，多孔的生物炭有利于堆体氧气传输，且表面附着的微生物能提高微生物代谢活动，从而延长堆体高温期。蒙脱石是一种天然的层状铝硅酸盐矿物，具有较大的比表面积和孔隙率，有利于氧气在堆体中的传输和分布。同时，蒙脱石对微生物具有优异的吸附性能，可促进有机质的降解，放出大量的热，促使堆体温度迅速上升。

在堆肥的前14 d，添加蒙脱石的堆肥处理水分下降率高于不添加蒙脱石的处理；但在堆肥后期，含蒙脱石的堆体含水率均高于不添加蒙脱石的处理。其原因是，在堆肥前期微生物快速分解有机物产生热量，使堆体水分蒸发，由于添加蒙脱石的堆体温度更高，因而水分蒸发更快；在堆肥后期，各堆体温度均下降，此阶段的含水率下降主要是由鼓风造成的，由于蒙脱石具有多孔结构，能有效锁住水分，因此在堆肥后期仍能保持较高的含水率，从而利于微生物的代谢活动，促进有机质的降解[16]。

3.2 添加蒙脱石对重金属钝化的影响

重金属的生物活性与其形态密切相关。可交换态重金属活性较高，最容易被植物吸收从而抑制其生长，而氧化态和还原态重金属则相对较稳定。本研究结果显示，堆肥后各处理的可交换态Cu和Zn的分配率均有所降低，其原因是堆肥过程中有机物分解的产物可络合固定重金属，使其生物活性降低。

蒙脱石具有较大的孔隙率和比表面积，对重金属具备较强的吸附能力，从而能够降低堆肥中重金属的生物有效性。有研究表明，钙基膨润土能通过物理吸附和络合作用降低堆肥中Cu和Zn的活性，并能有效抑制土壤-堆肥体系中Zn的活化，减少连茬种植过程中青菜和白菜对Zn的吸收[24]。作者团队在前期的研究中也发现，在污泥好氧堆肥过程中添加蒙脱石能有效抑制重金属的活化，对Cu、Pb和Zn的钝化效果分别达到30.6%、38.3%和19.6%[16]。在本研究中，添加适量蒙脱石能进一步降低重金属Cu和Zn的活性，其添加量为猪类干质量的5%时对可交换态Cu和Zn的钝化效果最好，分别为23.7%和17.2% ，比不添加蒙脱石的处理高出21.6和15.6个百分点。这是因为蒙脱石具有很大的阳离子交换量，其层电荷分布在铝氧八面体和Si-O四面体中，对层间阳离子的库仑引力比较弱，介质中的金属离子易与层间的阳离子发生交换反应。

4 结论

本研究表明：(1)添加蒙脱石可提高猪粪好氧堆肥温度且延长高温期，能有效促进堆肥腐熟，提升堆肥品质。在本研究条件下，当蒙脱石的添加量为猪类干质量的5%时，种子发芽指数可达92%，堆肥效果最好。(2)堆体中添加适量蒙脱石可显著提高重金属钝化效果。当蒙脱石添加量为猪类干质量的5%时，对可交换态Cu和Zn的钝化效果最佳，分别达到23.7%和17.2%。