快速无害化处理对农村废弃物农用特征及重金属形态变化的影响研究

摘要

随着我国农村废弃物排放量日益增加,无害化处理与资源化利用率低的突出问题,已成为制约我国农村生态建设、农业可持续发展的重要因素之一。采用生物发酵方法处理畜禽粪等农村废弃物,制作有机肥料以实现资源化利用,是目前我国较为普遍的废弃物处理方法,但该法存在处理周期长、占地面积大、处理过程臭气排放对周边影响大等局限性。浙江省农业科学院最新研发的化学法快速处理农村废弃物新技术,其核心首先是利用碱性消毒剂对废弃物进行杀毒,其次是利用酸碱中和反应调节pH值,利用混化反应器内产生的瞬时高温环境,再次杀灭有机废弃物中的病原微生物,驱除小分子臭气及水分,从而快速实现有机废弃物的无害化和减量化。
　　 本文采用室内模拟试验,研究化学法快速处理过程对农村废弃物农用性状及重金属形态变化的影响,并采用田间定位及盆栽试验相结合的方法,研究施用快速处理后的有机肥对作物产量和品质、土壤肥力及重金属积累的影响,以期为快速处理法最佳处理组合的筛选及有机肥的合理施用提供理论依据。研究主要结论如下:
　　 1、本实验所采用的石灰石粉和浓硫酸各处理剂组合,对供试的生活垃圾、猪粪和鸡粪中蛔虫卵及大肠杆菌均有很强的杀灭效果。经不同组合化学试剂处理后,蛔虫卵死亡率和大肠菌值等均能达到粪便无害化卫生标准(GB7959-1987)的要求；经快速无害化处理的生活垃圾除了含N量较低外,P2O5、K2O和有机质含量均高于城镇垃圾农用控制标准(GB8172-87)；猪粪和鸡粪的总养分和有机质含量等指标均高于有机肥料行业标准(NY525-2002)。随着石灰石粉的用量由3％增加到7％,有机物料中的有机氮转化为NH3的趋势增加,浓硫酸处理可抑制有机物料中NH3的产生,其中以4％添加量效果最佳；综合高效、保氮、节本等因素,推荐以3％石灰石粉+4％浓硫酸为化学法快速处理剂的最佳组合。
　　 2、生活垃圾经不同组合处理剂处理后,重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr含量都略有下降,总的趋势是随着加入处理剂用量的增加而降低,这与加入处理剂的稀释作用有关。采用Tessier连续提取法对生活垃圾中Cu、Zn、Cr、Cd和Pb的化学形态进行分析发现,石灰石粉显著降低生活垃圾中较为稳定的有机结合态(OM)和残余态(RES)Cu、Zn、Cr、Cd和Pb的含量,增加不稳定的交换态(EXE)、碳酸盐结合态(CAR)重金属含量,其中以CAR重金属含量增加最为显著,可能与石灰石粉加入垃圾后引起有机质的分解有关；铁锰氧化物结合态(FeMnOx)重金属变化受石灰石粉加入的影响不明显。在石灰石粉处理的基础上,用浓硫酸中和处理进一步降低生活垃圾中有机结合态(OM)和残余态(RES)重金属含量；EXE形态重金属略有下降的趋势,但差异不显著；CAR形态重金属含量下降,可能与浓硫酸促进了碳酸盐的溶解有关。外源添加重金属后的试验结果与上述结论基本一致。
　　 3、大豆-大豆-蚕豆轮作连续三季田间试验表明,与常规化肥处理比较,施用快速处理有机肥或有机无机复合肥对前二茬作物产量影响不明显,第三茬作物产量表现出明显的差异。垃圾有机肥、猪粪有机肥处理蚕豆产量分别比常规肥料处理增产16.4％和20.6％,两种有机无机复合肥比常规肥料处理增产6.1％和7.7％,增产达到显著水平。无论是经化学法快速处理的垃圾有机肥或由垃圾有机肥复配的有机无机复合肥,其肥效与常规猪粪有机肥相当。从作物品质性状及重金属含量分析,经过快速处理的垃圾有机肥或垃圾有机无机复合肥,连续施用三季对农作物产品仍是安全的。
　　 4、盆栽试验也表明,施用土壤重量5％、10％和15％的生物发酵鸡粪有机肥或化学法快速处理垃圾有机肥对红壤及潮土中苋菜生长均有明显的促进作用,鸡粪肥效高于垃圾有机肥。与化肥处理相比,潮土中施用两类有机肥使苋菜植株Cu和Zn含量分别增加26.3％-36.0％和1.2％-20.3％,但未超出国家食品卫生标准对Cu和Zn的允许含量；Cd、Cr和Pb含量都较对照降低,没有出现积累现象。红壤施用两类有机肥,苋菜植株中Zn、Cd和Pb分别下降.42.7％-59.9％、0-48.9％和4.1％-71.3％,达到显著水平。
　　 5、田间试验与盆栽试验均表明,施用有机肥均可增加土壤有机质、有效磷、速效钾含量,改善土壤肥力,化学法快速处理垃圾有机肥的效果与常规有机肥相当。三季作物连续施用有机肥,土壤中的Cd、Pb、Cr、Hg、As等均比原始土壤有所提高。盆栽试验中有机肥的施入量为土壤重量的5％时,红壤和潮土中重金属都没有出现明显积累；当施入量为10％和15％时,两类土壤中Cu、Cd、Cr和Pb总量显著增加,出现明显积累趋势。
　　 6、将苋菜收获后的盆栽土壤进行Tessier法连续提取,分析不同施肥处理后潮土和红壤中重金属Cu、Zn、Cr和Pb的化学形态的变化。结果表明,施用化学法处理的垃圾有机肥和鸡粪均降低土壤中生物活性最强的交换态(EXE)重金属,增加土壤中较稳定的有机结合态(OM)和残余态(RES)的重金属比例。土壤中碳酸盐结合态(CAR)和铁锰氧化物结合态(FeMnOx)重金属受pH影响较大,鸡粪处理降低CAR-Cu和FeMnOx-Cu含量,而垃圾升高CAR-Cu和FeMnOx-Cu含量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 农村废弃物的概况

1.2 农村废弃物的无害化处理技术

1.2.1 畜禽粪便的无害化处理技术

1.2.2 生活垃圾的无害化处理技术

1.2.3 生活垃圾和畜禽粪便的化学无害化处理技术

1.3 施用有机肥对土壤理化性状影响的研究

1.4 施用有机肥对作物产量及品质影响的研究

1.5 施用有机肥对土壤重金属积累影响的研究

1.5.1 重金属元素的主要形态

1.5.2 施用农村废弃物对土壤重金属形态影响的研究

1.5.3 土壤重金属化学形态分析的意义

1.6 课题研究的背景、目的和技术路线

1.6.1 课题研究的背景

1.6.2 课题研究的目的

1.6.3 课题研究的技术路线

第二章 快速无害化处理对农村废弃物卫生指标及理化性状影响的研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 处理方案

2.2.3 分析测定项目及方法

2.2.4 统计分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 化学处理对有机物料卫生指标的影响

2.3.2 化学处理对有机物料理化性状的影响

2.3.3 最佳处理剂组合的确定

2.4 小结

第三章 快速无害化处理对农村废弃物重金属含量及形态变化影响的研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 试验材料

3.2.2 快速处理方案及样品采集

3.2.3 外源添加重金属试验

3.2.4 分析测定项目及方法

3.2.5 统计分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 化学处理对生活垃圾重金属含量的影响

3.3.2 化学处理对生活垃圾中重金属形态的影响

3.4 小结

第四章 施用化学快速处理有机肥对作物产量及品质的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 田间试验

4.2.2 盆栽试验

4.2.3 考查及分析测定项目

4.2.4 统计分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 不同施肥处理对豆类作物产量与品质的影响

4.3.2 不同施肥处理对豆类作物重金属积累的影响

4.3.3 不同施肥处理对苋菜农艺性状的影响

4.3.4 不同施肥处理对苋菜植株重金属积累的影响

4.4 小结

第五章 施用化学快速处理有机肥对土壤理化性状及重金属积累的影响

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 田间试验

5.2.2 盆栽试验

5.2.3 考查及分析测定项目

5.2.4 统计分析

5.3 结果与讨论

5.3.1 施用有机肥对土壤肥力的影响

5.3.2 施用有机肥对土壤重金属含量的影响

5.3.3 施用有机肥对土壤重金属形态的影响

5.4 小结

第六章 全文小结

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢