本发明涉及一种猪粪好氧发酵过程中重金属钝化技术，属于农村能源与环保技术领域。
背景技术：
随着我国现代农业的迅速发展，畜禽养殖的饲料中普遍含有高铜高锌等微量元素添加剂，畜禽对重金属的消化吸收利用率极低，而生物的富集作用使得粪便中重金属含量比饲料中高达2-7倍，90％以上的重金属不能被机体吸收而随粪便排除。据统计，我国每年使用的微量元素添加剂为15～18万吨，大约有10万吨左右未被动物利用而随畜禽粪便排入到环境中。大量研究表明，畜禽粪便重金属普遍存在超标现象，其中以猪粪中cu、zn、pb超标最为严重。这些重金属随着有机肥施用进入农田，必然导致农田重金属污染，最终影响农产品的生产安全。好氧发酵可以降低重金属活性，研究发现，在好氧发酵过程中通过“内源-外源”方式的合理调控可实现重金属钝化。
内源调控是在好氧发酵过程中通过对鼓风速率、物料的c/n、含水率、发酵周期数等工艺参数的优化而加速重金属钝化进程。内源调控将影响堆肥过程中温度、ph值、腐殖质和其他指标，也会影响重金属的分布和形态，并最终影响产品的质量。因此，确定降低和控制粪便堆肥中重金属活性的最佳参数对控制粪肥、重金属污染和提高有机肥料的土地利用率尤为重要。
外源调控是在好氧发酵过程中添加钝化剂，常用钝化剂主要包括物理钝化剂、化学钝化剂、生物钝化剂等。生物炭、沸石、膨润土、斑脱土等物理钝化剂具有较大的静电力和空腔表面，能对重金属进行有效吸附，降低其生物有效性。化学钝化剂如粉煤灰、钙镁磷肥等主要通过与重金属发生表面络合、沉淀和离子交换等化学反应，改变其在畜禽粪便中的化学形态及赋存状态，从而降低重金属活性。此外堆肥过程中重金属的形态变化与腐殖质的形成具有一定的相关性，腐殖质和重金属离子的作用主要是络合反应，堆肥过程中的腐殖化进程对重金属的迁移性及生物有效性的降低具有促进作用。生物钝化剂通过生物吸附、重金属还原、胞外沉淀、生物矿化等作用实现重金属钝化。另外，微生物强化对于腐殖质的形成具有促进作用，而腐殖质依靠羧基官能团可以结合大量重金属，改变生物可利用性。
本发明通过对好氧发酵过程中的“内源-外源”方式的合理有效调控，为有效降低猪粪中重金属生物有效性提供一种钝化方法，既能有效缓解农业面源污染及农产品安全问题，又能提供一种无害化、资源化的有机肥，为有机肥生产和安全使用提供科学支持。
技术实现要素：
本发明为解决猪粪中重金属活性较高等问题而提供一种猪粪好氧发酵过程中重金属钝化方法。
本发明提供的方法是由猪粪、调理剂、钝化剂混合后好氧发酵，包括如下步骤：
1)将原料粉碎晾干处理得到调理剂和钝化剂；
2)将一定量的猪粪、调理剂、钝化剂混合均匀后置于发酵床内，在一定发酵条件下好氧发酵一定时间(一次发酵)。
3)将一次发酵产物于发酵床内取出，置于二次发酵场内，加入一定量的钝化剂，采用自然通风翻堆，发酵一定的时间。
上述方法步骤1)中，所述调理剂包括粉碎的农作物秸秆、木屑和稻壳等农业废弃物中的至少一种；
所述调理剂的含水率低于20％，粒径可为1～5cm；
所述钝化剂为生物炭、改性生物炭、生物腐植酸、复合菌剂的一种或两种；
制备所述生物炭的原料可为花生壳、木屑、玉米秸秆或生物质颗粒；
所述生物炭按照本领域公知的方法制备，上述生物炭的炭化温度可为400～700℃，炭化时间可为0.5～2h；
所述生物炭的粒度为60～80目；
所述改性生物炭的制备方法为：
将生物炭与fecl3·6h2o按质量比为10～30:1(以纯铁质量计)进行改性，取fecl3·6h2o溶于一定体积的蒸馏水中，按比例加入生物炭混合均匀，蒸干，80℃烘至恒重。
上述方法步骤2)中，所述猪粪、调理剂、钝化剂需先测定其单一物料含水率和碳氮含量，然后用所述调理剂和钝化剂调整混合物料的含水率和碳氮含量；
所述猪粪的质量含水率可为65％～85％；
所述混合物料的碳氮含量比可为25～30：1；
所述混合物料的含水率可为60％～70％；
所述生物炭或改性生物炭投加量可为猪粪干物质量的6％～24％；
所述猪粪与腐植酸的干物质量比可为2.5％～5％；
所述复合菌剂为乳酸菌群、酵母菌群、芽孢杆菌群及放线菌群混合菌剂，其配比可为5～10:5～10:15～30:1～5；
本发明中，所述干物质量指的是本领域公知的以单位质量无水固体为基准表示湿固体中的水分时，称为干物质量；
所述好氧发酵的工艺采用智能控制好氧发酵工艺，发酵床底设穿孔曝气，根据预设条件控制鼓风机进行鼓风曝气；
所述预设条件为升温期(0～50℃)每隔40min鼓风曝气一次，高温期(>50℃)每隔20min鼓风曝气一次，降温期(<50℃)每隔30min鼓风曝气一次。
通风时间可为5～7min，通风量可为0.05～0.3m3·min-1·m-3，所述好氧发酵的时间为20天。
上述步骤3)中，所述的钝化剂的种类步骤2)中所述相同，添加量为步骤2)中所述的1/3～1/2；
所述翻堆为3～7天翻堆一次；
所述发酵时间为30天。
本发明具有以下优点：
1、本发明中重金属钝化剂由生物炭、生物腐植酸、复合菌剂的一种或两种组成，其组分均能提升堆肥品质、改良土壤，能够较好的改良土壤并减少有机肥料对环境的危害。
2、本发明针对猪粪好氧发酵过程中重金属含量高、钝化效果差、周期长等问题，研发“内源-外源”重金属快速钝化技术，既对通风时间、通风速率等发酵工艺进行了优化，又对重金属钝化剂的种类及添加量进行了规范，加速了猪粪中重金属钝化进程，提升残渣态含量。
3、本发明中采用了二次发酵技术，延长了高温期的同时，利用一次发酵所产生的腐植酸等大分子物质对重金属起到了更好的钝化效果。
4、本发明不仅可以利用大量的村镇生产生活废弃物，同时得到为农业生产提供一种优质的有机肥料，提升农业综合效益。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：
将晒干的玉米秸秆(测得c/n比为55.48，含水率22.71％)粉碎，粉碎程度为1～3cm，作为调理剂与猪粪(测得c/n比为15.58，含水率66.3％)混合，混合物料含水率调节为65％，c/n比为28.5，添加比例为9:2；加入猪粪干物质量12％的生物炭(原料为木屑)，炭化温度为400℃，炭化时间为2h，将混合物堆制置于发酵床内，升温期(<50℃)每隔40min鼓风曝气一次，高温期(>50℃)每隔20min鼓风曝气一次，降温期(<50℃)每隔30min鼓风曝气一次。通风时间为5min，通风量为0.2m3·min-1·m-3，发酵20天后于发酵床内取出，置于二次发酵场内，加入与一次发酵相同的生物炭，添加量为一次发酵时所添加的1/2，混合均匀，每7天翻堆一次，经过30天二次好氧发酵，发酵产物外观呈茶褐色、结构疏松，发酵完成。
堆前堆后在发酵场内不同点位采集混合物料混合均匀，测定混合物料中重金属cu、zn、pb的不同形态，采取修正的bcr连续提取方法提取(表1)。
表1修正的bcr连续提取方法
计算公式为：
(1)
(2)
本实施例重金属钝化参数如下(表2)：
表2猪粪好氧发酵前后重金属形态变化及钝化效果
实施例2：
将晒干的玉米秸秆(测得c/n为45.57，含水率12.71％)粉碎，粉粹程度为1～3cm，作为调理剂与猪粪(测得c/n为15.58，含水率58.53％)混合，混合物料含水率调节为68.00％，c/n为28.52，添加比例为8:1；加入猪粪干物质量15‰的复合微生物菌剂和24％的生物炭(原料为花生壳)，炭化温度可为500℃，炭化时间为2h，将混合物料堆制置于发酵床内，升温期(<50℃)每隔40min鼓风曝气一次，高温期(>50℃)每隔20min鼓风曝气一次，降温期(<50℃)每隔30min鼓风曝气一次。通风时间为5min，通风量为0.1m3·min-1·m-3，发酵20天后于发酵床内取出，置于二次发酵场内，加入与一次发酵相同的菌剂和生物炭，添加量为一次发酵时所添加的1/3，混合均匀，每3天翻堆一次，经过30天二次好氧发酵，发酵产物外观呈茶褐色、结构疏松，发酵完成。
其他同实例1。
本实施例重金属钝化参数如下(表3)：
表3猪粪好氧发酵前后重金属形态变化及钝化效果
实施例3：
将晒干的玉米秸秆(测得c/n为51.74，含水率13.37％)粉粹，粉粹程度为1～3cm，作为调理剂与猪粪(测得c/n为14.42，含水率66.33％)混合，混合物料含水率调节为65.00％，c/n为26.52，添加比例为7:1；加入猪粪干物质量2.5‰的生物腐殖酸，将混合物料堆制置于好氧发酵床内，升温期(<50℃)每隔40min鼓风曝气一次，高温期(>50℃)每隔20min鼓风曝气一次，降温期(<50℃)每隔30min鼓风曝气一次，通风时间为5min，通风量为0.15m3·min-1·m-3，发酵20天后于发酵床内取出，置于二次发酵场内，加入与一次发酵相同的生物腐植酸，添加量为一次发酵时所添加的1/3，混合均匀，每4天翻堆一次，经过30天二次好氧发酵，发酵产物外观呈茶褐色、结构疏松，发酵完成。
其他同实例1。
本实施例重金属钝化参数如下(表4)：
表4猪粪好氧发酵前后重金属形态变化及钝化效果
在此次试验中未检测出可交换态pb，故本次钝化效果以还原态计算，具体参数如表5。
表5猪粪好氧发酵前后重金属形态变化及钝化效果
注：n.d表示未检测出该形态
实施例4：
将晒干的玉米秸秆(测得c/n为55.48，含水率12.55％)粉粹，粉粹程度为1～3cm，作为调理剂与猪粪(测得c/n为14.42，含水率72.35％)混合，混合物料含水率调节为68.00％，c/n为28.52，添加比例为44:5；加入猪粪干物质量15‰的复合微生物菌剂和24％的改性生物炭(原料为花生壳)，炭化温度可为500℃，炭化时间为2h，将1.5mol/l的fecl3·6h2o溶液100ml，加入20g生物炭，搅拌均匀，蒸干，将得到的固体烘干升温至600℃恒温2h。将混合物料堆制置于好氧发酵床内，升温期(<50℃)每隔40min鼓风曝气一次，高温期(>50℃)每隔20min鼓风曝气一次，降温期(<50℃)每隔30min鼓风曝气一次，通风时间为5min，通风量为0.2m3·min-1·m-3，发酵20天后于发酵床内取出，置于二次发酵场内，加入与一次发酵相同的改性生物炭和菌剂，添加量为一次发酵时所添加的1/3，混合均匀，每3天翻堆一次，经过30天二次好氧发酵，发酵产物外观呈茶褐色、结构疏松，发酵完成。
其他同实例1。
本实施例重金属钝化参数如下(表6)：
表6猪粪好氧发酵前后重金属形态变化及钝化效果
注：n.d表示未检测出该形态
实施例5：
将晒干的玉米秸秆(测得c/n为51.74，含水率13.37％)粉粹，粉粹程度为1～3cm，作为调理剂与猪粪(测得c/n为14.42，含水率66.33％)混合，混合物料含水率调节为65.00％，c/n为26.52，添加比例为7:1，将混合物料堆制置于好氧发酵场内进行自然发酵，每7天翻堆一次，发酵时间为30天(此次发酵不添加钝化剂，不做强制通风处理，不进行二次发酵)。
其他同实例1。
本实施例重金属钝化参数如下(表7)：
表7猪粪好氧发酵前后重金属形态变化及钝化效果