（环境工程专业论文）生物活性水技术机理及应用研究.pdf

摘要 摘要 本论文研究的是一种畜禽粪便废水资源化利用技术 该技术处理畜禽粪便废水 的出水具有 生物活性 应用在种植业可以促进农作物生长 并可抑制病虫害 从 而减少甚至避免了农药的施用 不仅减少了环境污染 还能在区域内形成循环型农 业 促进农业可持续发展 首先 研究了生物活性水对水稻 小麦在种子萌发阶段的影响 结果表明 生 物活性水能显著提高水稻 小麦种子发芽率 发芽势以及幼苗叶片叶绿素a 叶绿 素b 和叶绿素总量 通过大田试验探索生物活性水应用于有机水稻的种植方法 多 次重复试验验证生物活性水浸种处理能有效的促进了种子萌发 稀释1 0 0 倍生物活 性水 浸种1 2 小时条件下 效果最好 可以作为实际水稻种植的参考依据 在育 秧期生物活性水有壮秧作用 移栽后 不同种植密度条件下生物活性水都能增加叶 龄 而且对纹枯病有一定抑制作用 但对叶面积指数 平均每株绿叶数呈现负面影 响 虽然生物活性水处理对产量增加不是很明显 但增加了大米食味值 为了解释生物活性水的机理 研究了工艺过程中主要有机物的降解 并用凝胶 色谱分析了工艺过程中有机物数均分子量m n 重均分子量m w 和分子量分布 工 艺过程中m n 和m w 呈增加趋势 而分子量分布系数m w m n 比值却从2 2 3 2 降到 6 1 进一步研究表明 工艺过程中胡敏酸h a 富里酸f a 含量呈逐步增加趋势 h a 仃d c 与f a 厂r o c 分别从最初的3 4 8 0 和1 5 2 2 增加到5 2 1 2 和2 6 8 9 对 腐殖化指标和主要易降解有机物含量进行了相关性分析 发现多糖含量与各腐殖化 指标 h s t o c h a t o c f a 厂r o c 没有相关性 p 0 0 5 但蛋白质 油脂 单糖 氨基酸含量与h s t o c h a r o c f a 厂r o c 存在强负相关性 p 0 0 1 氨基酸与h h s 存在相关性 p 0 0 5 与f 觚i s 存在负相关性 p 0 0 5 利 用紫外一可见光谱和荧光光谱分析了工艺各段分离的h a f a 样品 测定了e 4 e 6 e g r e b z z s o l n a y 指数 k a l b i t z 指数 m i l o r i 指数等指标 通过高效反向液相色谱 分析 发现生物活性水中含有生物胺 腐胺 精胺 亚精胺 可能是其 活性 的原因之一 轻石作为工艺中填料起了重要作用 通过场发射环境扫描电子显微镜s e m 观 察发现 轻石在使用过程中 坑蚀 现象显著 而且x 射线粉末多晶衍射x r d 分析 表明轻石相结构发生了变化 表观结晶度降低 这与s e m 观察结果一致 都表明 轻石在损耗 有矿物质营养溶出 s e m e d s 表明 轻石含f e n a m g a i s i k 等元素 这些元素当中m g k 是植物必需矿物质营养 轻石比表面积大 多孔 是微生物吸附栖息的场所 同时轻石释放出矿物质可以刺激微生物生长 并 摘要 提供了矿物质营养 特别是植物需要的必需元素和有益元素 这可能是生物活性水 活性 的另外一个原因 关键词 生物活性水技术种子萌发有机水稻腐殖物质生物胺矿物质 a b s t r a c t a b s t r a c t am a n u r ew a s t ew a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yw a ss t u d i e di nt h ep a p e r w h i c hc 柚p r o d u c eb i o a c t i v ew a t e r b w a tt h es a m et i m eo fm a n u r ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t b wc a np r o m o t et h eg r o w t ho fc r o p sa n dc u r bd i s e a s ea n dp e s t i fb i o a c t i v e w a t e ri sa p p l i e do np l a n ta g r i c u l t u r e t h e r e b yp e s t i c i d ei n p u tm a yb ei nr e d u c t i o no re v e n a v o i d w h i c hn o to n l yr e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n b u ta l s o p r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fs u s t a i n a b l ea g r i c u l t u r e t h ee f f e c t so fb i o a c t i v ew a t e ro ns e e dg e r m i n a t i o np a r a m e t e r so fr i c e o r y z as a t i v a l a n d w h e a t t r i t i c u m a e s t i v u m w a s i n v e s t i g a t e d i n t h ee x p e r i m e n t a l lb i o a c t i v e w a t e r t r e a t m e n t sn o to n l ye n h a n c e dg e r m i n a t i o ne n e r g ya n df m a lg e r m i n a t i o np e r c e n t a g eo f w h e a ta n dr i c es e e d s b u ta l s og r e a t l yi m p r o v e dc h l o r o p h y l ls y n t h e s i si nw h e a ta n dr i c c s e e d l i n gl e a v e s t h em e t h o d so fb i o a c t i v ew a t e ra p p l i c a t i o no no r g a n i cr i c ec u l t i v a t i o n w e r e e x p l o r e dt h r o u g h f i e l d e x p e r i m e n t s b i o a c t i v e w a t e rt r e a t m e n t se x e r t e d h o r m o n e l i k ea c t i v i t yf o re n h a n c es e e dg e r m i n a t i o no fr i c ea n d1 b i o a e t i v ew a t e r t r e a t m e n tb yd i l u t i n gb ww i t hc l e a nw a t e r s o a k i n gf o r1 2h o u r s m o s th i g l l l ys t i m u l a t e d t h es e e dg e r m i n a t i o no fr i c e w h i c hc a nb cas u i t a b l er e f e r e n c ef o rr i c ec u l t i v a t i o n b i o a c t i v ew a t e rt r e a t m e n ti m p r o v e dt h er i c e s e e d l i n g i n s e e d l i n gp e r i o d a f t e r t r a n s p l a n t i n g b i o a c t i v ew a t e rt r e a t m e n ti n c r e a s e ds e e d l i n ga g ei nv a r i o u sp l a n td e n s i t i e s a n dw a se f f e c t i v ef o rp r e v e n t i o nf r o mr i c es h e a t hb l i i g h tt os o m ee x t e n t b u th a ds o m e n e g a t i v ei m p a c t so nl e a fa r e ai n d e xa n da v e r a g en u m b e ro fg r e e nl e a v e sp e rp l a n t a l s o b i o a c t i v ew a t e rt r e a t m e n ti m p r o v e dt a s t ev a l u ea l t h o u g hh a dl i t t l ee f f e c to ny i e l d t h ed e g r a d a t i o no fa v a i l a b l ee a s i l y d e g r a d a b l es u b s t a n c e ss u c ha sc a r b o h y d r a t e p r o t e i n a n dl i p i di nt h er e a c t o rw e r es t u d i e d w e i g h t a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t m w n u m b e r a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t s i n a n dt h er a t i om w m no fd i s s o l v e do r g a n i c m a t t e r si nd i f f e r e n t s t a g e s o ft h e p r o c e s sw e r e m e a s u r e d b yg e lp e r m e a t i o n c h r o m a t o g r a p h y a n dt h er e s u l td e m o n s t r a t e dt h ei n c r e a s eo fm na n dm wa n dt h ed e c e a s e o ft h er a t i om w m nf r o m2 2 3 3t o6 1 t h eo r g a n i cm a t t e r sw e r ei nc o n t i n u o u sd e c r e a s e a sar e s u l to fd e g r a d a t i o na n da q u a t i ch u m i cs u b s t a n c e s h s a l s oa r i s e df r o mm i c r o b i a l p r o d u c t i o nf r o md e c o m p o s i n ga u t o c h t h o n o u sb i o m a s s t h eh a d o ca n df a d o c i n c r e a s ef r o ma ni n i t j a l3 4 8 0 1 5 2 2 t of m a lv a l u e so f5 2 1 2 2 6 8 9 i nt h ep r o c e s s r e f l e c t e dt h ef o r m a t i o no fc o m p l e xm o l e c u l e sf r o mm o r es i m p l em o l e c u l e s t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ed e g r a d a t i o na n dh u m i f i c a t i o np r o c e s sw h i c ht h eo r g a n i cm a t t e r a b s t r a c t u n d e r w e n td u r i n gt h ep r o c e s sw e r ea n a l y z e d n o t y p eo fc o r r e l a t i o nw a so b s e r v e d b e t w e e nt h ew a t e r s o l u b l ec a r b o h y d r a t ec o n t e n ta n dt h eh u m i f i c a t i o ni n d i c e s h s f r o c h a 厂r 0 c f a 厂r 0 c 1 a ni n v e r s es t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep r o t e i n l i p i d m o n o s a e c h a r i d e a m i n oa c i d sa n ds o m eo ft h eh u m i f i c a t i o ni n d i c e sc o n s i d e r e ds u c ha s h s 厂r o c h a t o c f a r r 0 cw a sf o u n df p 0 0 1 t h e r ew e r ea ni n v e r s ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ea m i n oa c i d sa n dr v h s 佃 0 o s b u ta m i n oa c i d sw e r es t r o n g l yc o r r e l a t e d w i t hh 山 h s p 0 0 5 u v v i s i b l ea n df l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p i e sw e r eu s e dt oe v a l u a t e t h eh u m i f i c a t i o nd e g r e eo fh aa n df af r o mt h ev a r i o u ss t a g e so ft h ep r o c e s s a n dt h e d i f f e r e n c e i n h u m i f i c a t i o nd e g r e e o f h a a n d f a w a sr e f l e c t e d 节y e 卅巳6 e e t 压b z z s o i n a y i n d e x k a l b i t zi n d e x m i l o r ii n d e x w h i c hw a si na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so fo t h e r r e s e a r c h t h em a j o rp o l y a m i n e s p l a n tr e g u l a t o r s p u t r e s c i n e s p e r m i d i n e a n ds p e r m i n e w e r ef o u n di nb i o a c f i v ew a t e r t h ee f f l u e n to ft h ep r o c e s s b yah i g hp e r f o r r a a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h yf h e l c m e t h o d m a ye x p l a i nt h eh o r m o n e l i k ea c t i v i t ym e c h a n i s mo f b i o a c t i v ew a t e r t h ep u m i c es t o n ep l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s s t h ep h e n o m e n o no f p i t t i n gc o r r o s i o no ft h ep u m i c es t o n ef r o mt h ep r o c e s sw a sf o u n do b v i o u s l yt h r o u g hs e m o b s e r v a t i o n a n dx r da n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ew a sac h a n g ei nt h es t r u c t u r ea n d c r y s t a l l i n i t yo ft h es t o n e t h eo b s e r v a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tm i n e r a l sn u t r i t i o nh a v e b e e nd i s s o l v e df r o mt h es t o n ec o n t a i n i n gf e n a m g a 1 s i ka n do t h e re l e m e n t s i n w h i c hm g ki sn e c e s s a r yt op l a n t t h el a r g es u r f a c ea r e ao ft h ep u m i c es t o n ew a st h e a d s o r p t i o ns i t e sf o rm i c r o b i a lh a b i m t s t h em i n e r a l sr e l e a s e df r o mt h es t o n ec a ns t i m u l a t e m i c r o b i a lg r o w t h w h i l ep r o v i d i n gt h em i n e r a l sf o rt h ep l a n t sn e e d w h i c hm a yb ea n o t h e r r e a s o nf o r t h em e c h a n i s mo fb i o a c t i v ew a t e r k e yw o r d s b i o a c t i v ew a t e rt e c h n o l o g y s e e dg e r m i n a t i o n o r g a n i cr i c ec u l t i v a t i o n h u m i cs u b s t a n c e s b i o g e n i cr i l l i n e s m i n e r a l i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目 的的前提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动 学位论文作者签名 彳才孟踅 勿移年2 月彩日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 学位论文作者签名 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担 签名 何炙迄 伽埤z 月嬲日 一 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 在我国 由于过量和不合理使用化肥 农药 使得面源污染上升为农业环境的 主要污染源 而集约化畜禽养殖业的迅速发展和畜禽排污的大幅增加 使得畜禽养 殖污染对农业生态环境构成了严重威胁 成为农业面源污染的主要组成部分之一 随着畜禽养殖业的经营方式和饲养规模发生的重大变化 畜禽养殖业日益朝着规模 化方向发展 规模化的畜禽养殖场产生的粪便污水量大而集中 常常未经妥善利用 与处理即直接予以排放 养殖场周围没有相应的土地对畜禽粪便进行消化 传统的 有机肥被大量的化肥代替 畜禽粪便还田利用率低 种植业与养殖业相分离 使得 畜禽粪便由农业的 宝 变为环境的 废 致使农业环境污染问题同益严重 如 果能实现畜禽粪便变 废 为 宝 不仅仅解决了点源污染问题 而且减少化肥 用量 逐步改善农业生态环境 农药用量也会逐步降低 农业面源污染也会逐步减 少 最后实现健康的农业生态环境 在2 0 世纪8 0 年代 日本学者提出b m w b a c t e r i a 微生物 m i n e r a l 矿物质 w a t e r 水 技术处理畜禽粪便污水 同时生产 生物活性水 借助自然界中微生 物 矿物质及水的力量 创造出类似于自然净化系统的人工循环系统 b m w 技术 不仅能有效的处理畜禽粪便污水 出水还具有活性 b m w 技术因此也称生物活性 水技术 应用在种植业可以使农作物或蔬菜瓜果品质 产量双双提高 并且可以 抑制病虫害 从而减少甚至避免了化肥和农药的施用 不仅减少环境负担 还能在 区域内形成循环型农业 促进有机农业的发展 生物活性水技术在日本被利用已有近2 0 年的历史了 据2 0 0 7 年1 1 月的统计数 己建立了2 0 0 多个设施 应用该技术的有农户 农场 畜牧场 甚至是一个地区 为促进生物活性水技术健全发展 日本还建立了b m w 技术协会 1 9 9 5 年韩国从日 本引进生物活性水技术 并成立了韩国b m w 技术协会 目前已建立了2 0 个设施 除韩国之外 泰国 菲律宾 越南也相继引进了生物活性水技术 目前日本b m w 技术协会拟在上海市崇明县长江农场推广该技术 我国已经开始重视生态农业的建设 大力发展循环农业 但是 循环农业的发 展战略必须依靠高新技术作为支撑 在此大背景下 同济大学环境科学与工程学院 顾国维课题组拟对生物活性水技术做深入研究 而且 虽然生物活性水在日本应用 已有2 0 多年 广泛应用于有机种植 改良土壤 改善畜禽饮用水 改善畜禽棚舍微 生物环境 但是 对其机理仍然不清楚 至今没有查阅到报道生物活性水性质 作 第1 章绪论 用机理的文献 而且生物活性水用于农业实践的专业化研究也检索不到 据日本 b m w 技术协会技术负责人介绍 生物活性水技术直接被日本农场企业或农民采用 感性上认为该技术有良好效果 但缺乏相关数据 因此对生物活性制作过程的研究 生物活性水的各种应用及其机理的研究十分必要 1 2 生物活性水技术概述 1 2 1 生物活性水应用领域 畜禽粪便污染 农药 化肥的不恰当施用 给农业环境和人类的食品安全带 来了巨大威胁 一方面我们需要治理环境污染 一方面我们需要安全的农产品 这两方面的压力使我们不得不重新思考畜禽粪便的处理思路 畜禽粪便处理不仅 仅是污水处理的问题 还是一个生态农业全局性的问题 变 废 为 宝 迫在 眉睫 解决畜禽粪便污染的同时 需要扭转肥料施用化肥的主导地位 提高土壤 的长效肥力 发展有机农业 建立和恢复农业生态系统的生物多样性和良性循环 以维持农业的可持续发展 综上所述 畜禽粪便处理技术的发展方向就是生态处理体系的建立 一方面 保护环境 净化农业 畜牧业中产生的废弃物 使农业生态得到恢复和保护 另 一方面制造有机肥 发展有机农业 在区域内形成循环型农业 生物活性水技术 也称b m w 技术 b a c t e r i a 微生物 m i n e r a l 矿物质 w a t e r 水 正是这种反思的结晶 它不是在 末端治理 思路下开发的畜禽粪便处理技 术 而是符合 循环经济 思想的一种废物资源化利用技术 在处理畜禽粪便的同 时 出水具有生物活性作用 是应用广泛的副产品 实现了废物的资源化利用 生 物活性水技术是日本最近二十年应用于畜牧业 种植业 农产品加工业等各种有机 废弃物循环利用的一种新型技术 通过模仿自然生态系统 试图参照生态系统物质 循环和能量流动规律来重构农业系统 使传统的农业系统逐步纳入自然生态的循环 过程之中 实现人与自然的和谐发展 它遵循循环经济思想 不仅仅是一种简单的 环境保护技术 而是一种生态技术 一种典型的农业循环经济范式 见图1 1 它是根据自然界中自然净化系统 见图1 2 的原理 借助于自然中原有的微生物 矿物质及水的力量 创造出类似于自然净化系统的人工循环系统 见图1 3 以 此来净化农业 畜牧业中产生的废弃物 区域内形成循环型农业 促进绿色农业以 及有机农业的发展 2 第1 章绪论 环境方面 1 能减少环境负担还有修复被破坏的环境的能力 2 区域内形成循环型农业 促进有机农业的发展 如图1 1 经济方面 1 品质和产量双提高 从而达到增收增利 2 抑制了病虫害 从而降低了农业成本 食品 j 糸材料 粪尿 畜牧业 j 发酵饲料 林业 i 饲料i 覆料誊 图1 1 生物活性水技术应用示意图 f i g u r e1 1t h ed i a g r a mf o ra p p l i c a t i o n so fb i o a c t i v ew a t e rt e c h n o l o g y 食品 原材料 第1 章绪论 图1 2 天然的废弃物处理系统 f i g u r e1 2n a t u r a lw a s t e st r e a t m e n ts y s t e m 图1 3 生物活性水技术的废弃物处理系统 f i g u r e1 3w a s t e st r e a t m e n ts y s t e mw i t hb i o a c t i v ew a t e rt e c h n o l o g y 具体的讲 生物活性水技术是一种处理畜禽粪便的污水处理工艺 处理畜禽粪 便污水的同时 其出水具有生物活性作用 在日本对于该工艺处理畜禽粪便污水的 出水 生物活性水 应用非常广泛 根据日本农民2 0 年实际应用经验 总结如下 1 应用于水稻栽培 用于水稻种子浸种 灌溉以及叶面喷雾 可以增加种子的发芽势和发芽率 出苗齐 苗根强壮 水稻抗病害能力提高 而且单穗的颗粒数增加 水稻产量和稻米品质均有提高 4 第1 章绪论 2 蔬菜栽培 用于蔬菜浇灌 可以促进蔬菜生长 提高蔬菜的品质 同时蔬菜耐旱性增加 叶菜类的菜叶增厚 同时增强叶菜类对枯萎病的抵抗力 一般的病害不易发生 即使发生了也不易传播开 应用于菠菜等 蔬菜涩味消失 口味变好 果菜类的花 大 结果好 糖度增加 蔬菜保鲜日增长 3 应用于养鸡场 用生物活性水作为鸡的饮用水 清洗鸡舍 喷雾 一一鸡舍 一 减少了不必要的消毒 碱轻了恶臭 抑制了苍蝇的繁殖 一产蛋鸡 肉鸡 一 不需使用抗生素 肠内的各类细菌齐全 抵抗力增强 不易得病 破蛋率减 低 产蛋率增加 蛋的质量增加 育成率增加 肉的质量增加 4 应用于养猪场 猪尿液可以用生物活性水工艺处理制作生物活性水 猪粪可以堆肥 生物活性 水喷洒可以降低堆肥的臭味 生物活性水可以改善猪的饮用水 也可以清洗猪舍 一一猪舍 减少了不必要的消毒 减轻了恶臭 抑制了苍蝇的繁殖 一一猪 一 幼猪期以外不需使用抗生素 肠内的各类细菌齐全 抵抗力增强 没有猪所 特有的臭味 肉的质量增加 猪肉的脂肪融点提高 肉的味道更好 育成率向上 子猪的大肠菌性下痢等病减少 5 应用于奶牛场 奶牛尿液可以通过生物活性水技术处理制作生物活性水 干粪可以堆肥 一牛舍 一一 减少了不必要的消毒 减轻了恶臭 抑制了苍蝇的繁殖 一一孚l 牛 一 不需使用抗生素 子牛的大肠菌性下痢等病减少 产乳量增加 生产时事故 减少 发育正常 6 家庭使用 花冉浇灌 厕所宠物除臭 该工艺可以处理畜禽尿液 出水是副产品生物活性水 也可以用畜禽粪的堆肥 专门制作生物活性水用于农作物的有机栽培和有机养殖业 是一项因地制宜的畜禽 粪尿处理 促进有机农业的技术 生物活性水技术在净化农业 畜牧业中产生的废弃物同时 还会使该地区自然 第1 章绪论 界的微生物生态系逐渐恢复 不仅能减少环境负担还有修复被破坏的环境的能力 对于构建区域循环型农业 促进有机农业的发展有非常重要的意义 同时 生物活 性水技术还能带来高经济效益 可以使农产品品质 产量双提高 抑制病虫害 降 低有机种植 有机养殖成本 增收增利 但是这项在日本广泛应用的循环农业技术 其科研工作却检索不到 所以对生物活性水技术工艺过程研究 生物活性水的各种 应用及其机理的研究十分必要 1 2 2 生物活性水工艺描述 利用生物活性水技术构建循环性农业示意图如图1 4 生物活性水制作与循环型农业 箭舍堆肥 图1 4 生物活性水技术构建循环型农业示意图 f i g u r e l 4t h es k e t c ho fc i r c u l a ra g r i c u l t u r eu n d e rc o n s t r u c t i o nw i t hb i o a c t i v ew a t e rt e c h n o l o g y 生物活性水技术工艺流程图见图1 5 和图1 6 6 第1 章绪论 图1 5 生物活性水技术r 艺示意图 f i g u r e1 5s c h e m a t i cd i a g r a mt h ep r o c e s so f b i o a c t i v ew a t e rt e c h n o l o g y h 1 一 g 燃亨 一 l 图1 6 生物活性水技术i 艺流程图 f i g u r e1 6t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo fb i o a c t i v ew a t e rt e c h n o l o g y 1 3 文献综述 1 3 1 畜禽粪便处理理念的转变 生态系统有降解 消除污染物的自净作用 但当有害物质的量超出其自净能力 时 将造成环境污染 破坏生态平衡 过去 分散 副业性的畜牧生产 废弃物量 少 常常畜禽粪便是很受欢迎的有机肥 将畜禽粪便进行简单的堆肥后或甚至直接 第1 章绪论 施用在土地上 不仅不会引起环境污染 还会提高土地肥力 有利于农业生产 此 时畜禽粪便是由 废 变 宝 但是随着我国畜牧业的迅速发展和产业结构的调 整 畜禽养殖已向区域化 集约化方向发展 畜禽粪便的量远远超出了附近土地所 能承受的负荷 废 不但不是 宝 而且还引起了农业生态环境的破坏 亚洲地区畜禽业的飞速发展带来了经济的快速发展 同时 畜禽粪便也带来了 严重的环境污染问题 日本早在2 0 世纪7 0 年代就遭受畜禽粪便污染 目前亚洲地 区各国均面i 临这一难题i l j o 我国迅速发展起来的规模化畜禽养殖带来的污染问题日渐突出 据国家环保总 局2 0 0 0 年对全国2 3 个省j 自治区 直辖市规模化畜禽养殖的调查 1 9 9 9 年全国畜 禽粪便产生量约为1 9 亿吨 而当年全国产生的工业固体废物为7 8 亿吨 畜禽粪便 产生量是工业固体废弃物产生量的2 4 倍i 其中规模养殖产生的粪便相当于工业 固体废弃物的2 7 山东 广东 湖南等地区规模化畜禽养殖物的粪便产生量已相 当于本地区工业国体废物的4 0 全国畜禽粪便的c o d 总量达7 1 1 8 万吨 远远超 过工业废水和生活废水c o d 排放量之总和 畜禽粪便进入水体流失率高达2 5 3 0 c o d 排放接近工业废水 b o d 排放总量 n p 流失量大于化肥流失量 是 农村面源污染的主要污染原因之一i3 1 由于绝大多数养殖场没有污水处理设施直接 超标排入农业环境 畜禽污染造成了水体富营养化 水质恶化 致使土壤板结和盐 渍化 上海是我国畜牧业比较发达的地区之一 良好的地理和气候条件 十分有利于 各种畜禽的生长发育 随着生产规模的扩大 上海市各郊县畜禽粪便污染环境的问 题也日益突出 据统计 全市1 6 0 0 多个大中型规模畜禽场年产粪尿水约7 0 0 多万 吨 每年流失的畜禽粪尿折算有机污染指标c o d 达8 9 5 万吨 b o d 5 达2 8 1 万吨 n h 3 n 达0 7 5 6 万吨 未治理的畜禽场产生的庞大的有机污染物 己成为上海市郊 区最严重 最主要的污染源 对上海市郊的环境造成严重的污染 就上海市长江农 场而言 仍有6 0 废弃的畜禽粪便任其雨淋日晒 严重造成了河水 土壤 大气的 污染 据对上海郊区7 2 9 个大中型畜禽场周围环境调查 其中6 2 7 个畜禽场周围河 道夏季发黑发臭 有的甚至常年发黑发臭 有机污染指标超过国家地面水水质标准 影响了郊区的生态环境和卫生状况 影响了当地居民的正常生活和身体健康 另有 部分畜禽场分布在黄浦江上游水源地区 也威胁着市区自来水厂取水口的安全 畜 禽粪便对环境的污染问题已成为上海畜牧业可持续发展的制约因素 如果治理不好 将成为上海市郊环境的一大危害因烈 1 9 9 9 2 0 0 2 年上海计划共治理4 3 9 个大中型畜禽场 其中1 9 9 9 年治理1 1 2 个大 中型畜禽场 5 1 但是 大规模地治理畜禽场污染在我国毕竟是一项前人从未做过的 工作 上海畜禽场畜禽粪便治理也没有真正取得突破性的进展 8 第1 章绪论 随着畜禽粪便污染问题日益突出 方法很多 如活性污泥法 生物膜法 对污染物的去除效果 其处理技术也层出不穷 畜禽粪便污水处理 简易曝气法等 表1 1 表示了各种处理方法 表1 1不同处理方法对污染物的去除效果 6 t a b l e1 1t h er e m o v a lo fp o l l u t a n t so fd i f f e r e n ta p p r o a c h e s 在畜禽粪便污水处理技术中 氧化塘 人工湿地 的模式也不少 马里兰大 学c r o n k 对构建湿地系统处理奶牛场和猪场废水进行了研究 他的研究表明湿地处 理畜禽废水是经济 生态的方法 但是受气候和废水特性的影响较大 而且湿地处 理前必须预处理 否则达不到好的效果 7 j 对于畜禽粪便废水处理的设施 厌氧消化法也很普遍 k a r i m 等人 8 j 研究了沼 气搅拌和反应器高度对畜禽粪便厌氧消化效果的影响 在美国低温厌氧消化 操作 温度为1 0 c 2 5 c 的研究也越来越热 2 1 s a f l e ya n dw e s t e r m a n 对低温厌氧消化 做了大量研究 h i l l 等人对奶牛场和猪场粪便的低温厌氧消化的数学模拟进行了研 究 处理畜禽粪便的厌氧消化技术也越来越成熟 目前已经到了对畜禽废水厌氧处 理过程进行数学模拟的水平l l 厌氧好氧结合的工艺美国也有尝试 夏威夷大学对猪场废水的处理进行了研究 工艺系统包括固液分离 厌氧反应器 好氧反应器 岩石床过滤 厌氧单元甲烷产 气率为0 7 5 m 3 m 3 d a y is 去除率为7 2 7 好氧单元c o d 和氨氮去除率可分别达 到9 4 和9 1 岩石床过滤单元c o d 氨氮 硝酸盐态氮分别减少3 2 8 2 6 8 6 8 4 l s l 在干粪处理利用方面 一般是堆肥然后施用到土地 1 9 2 0 1 也有将畜禽粪便作为 燃料来进行利用的 使用牲畜粪便作为燃料可以解决废物处置问题 也具有能源效 益 s w e e t e n 等阻矧 s a m i t 驯等对畜禽粪与煤混合做燃料进行了研究 9 第1 章绪论 但是以上处理方法基本都是将城市污水 工业废水处理工艺照搬套用 这是在 末端治理 思想指导下的产物 在构建农业循环经济的大背景下 如何在解决畜 禽粪便污染的同时 变废为宝 目前仍然是一个严峻的问题 应用什么样的畜禽粪 便处理体系是一个关系到农业可持续发展的关键 而且由于饲养规模的扩大 饲养方式发生了变化 伴随着添加剂 助长剂的使 用 除了耗氧有机物 n p 污染外 还在畜禽粪便和畜禽饲养场附近水体中发现 了内分泌干扰素 e d s 抗生素等污染物 这说明恶性污染物有可能通过食物链 危机人体健康 农产品安全问题也要求我们对防治畜禽业的环境污染需要进行更系 统的考虑 在治理畜禽业污染时 往往将畜禽粪便当作废物来处理 处理尾水达标排放 从畜禽废水处理工艺来看 从普通活性污泥法 到带脱氮除磷功能的s b r 法 再到 具有能源意义的厌氧处理 厌氧好氧结合处理 都是如此思路 另一方面 肥料施 用由有机肥为主转变为化肥占主导地位 而且畜禽粪含水量大 恶臭 带来处理 运输 施用极不方便 直接还田难度大 畜禽养殖场畜禽粪便没有实现由 废 变 宝 农药 化肥的施用 农业环境的污染 给人类的食品安全问题带来了巨大威胁 一方面我们需要治理环境污染 一方面我们需要无农药等化学投入的有机食品 这 两方面的压力使我们不得不重新思考畜禽粪便的处理思路 畜禽粪便处理不仅仅是 污水处理的问题 是一个生态农业全局性的问题 变 废 为 宝 迫在眉睫 解 决畜禽粪便污染的同时 扭转肥料施用化肥的主导地位 提高土壤的长效肥力 发 展有机农业 建立和恢复农业生态系统的生物多样性和良性循环 以维持农业的可 持续发展 综上所述 畜禽粪便处理技术的发展方向就是的生态处理体系的建立 一方面 保护环境 净化农业 畜牧业中产生的废弃物 使农业生态得到恢复和保护 另一 方面制造有机肥 发展有机农业 在区域内形成循环型农业 1 3 2 腐殖物质生物活性研究进展 腐殖物质 h u m i cs u b s t a n c e s 来源于动植物残体腐殖化反应 h u m i f i c a t i o n 或者 说来源于微生物的生物活动 自然腐殖物质的主要组成部分是腐殖酸 包含胡敏酸 h u m i ca c i d s 和富里酸 f u i v i ca c i d s 富里酸也称之为黄腐酸 腐殖酸广泛存 在于环境中 土壤 自然水体中都有腐殖酸的存在 1 陆生腐殖质 1 e r r e s t r i a lh u m i cs u b s t a n c e s 在远古时代农业科学家就认识到土壤有机质 s o i lo r g a n i cm a t t e r 对作物生长 的重要意义 至今这依然是争论和研究的课题 近代农业科学家对土壤腐殖质的研 第1 章绪论 究持续了2 0 0 多年 但是腐殖质依然是分子结构未知的一类有机化合物 土壤有机质 s o m 包括不降解的生物 植物 动物 微生物 残体 部分残 体的分解产品 以及土壤中的生物体 如图1 7 所示 已知的高分子量有机物 譬如多聚糖和蛋白质 比较简单的物质 譬如糖 氨基酸和其它小分子有机物 腐 殖物质 图1 7 土壤中的有机物 f i g u r e1 7o r g a n i cm a t t e r si ns o i l 腐殖物质 相对分子量较大棕色至黑色 在动植物残体分解过程中产生的一 类次级代谢产物 根据其在酸碱中的溶解性质可以分类为 胡敏酸h a h u m i ca c i d s 富里酸f a f u l v i c a c i d s 胡敏素 h u m i n s 非腐殖物质 指已知物质 如 碳水化合物 脂类 蛋白质 氨基酸等 2 水成腐殖质 a q u a t i ch u m i cs u b s t a n c e s 植物 动物以及微生物的生物体 在水环境中分解时 会释放简单的有机物到 水中 这些小分子有机物会经过生化反应变成难溶物质 腐殖质 见图1 8 地 表水中超过8 0 的溶解性有机碳以腐殖质的形式存在 根据t h u r m a n 的研究 水成 腐殖质来源于三个方面 1 来源于外来的陆生腐殖质 2 带有芳香集团的母 体在酶催化或者光氧化下发生聚合反应 3 微生物固有生物体降解 内源代谢 产生腐殖质 矧 1 1 第1 章绪论 机佝亭宦恤 础均幔 奉 il 小 f f 帆物 1 i 群蚺 蚜城 j 扩群峋掰爱 i 一 上 瞄罐豫 甜l 鼬求 ll l 寓型艘队0 丧q 端杈i ni 图1 8 腐殖物质的来源 f i g u r e1 8t h es o u r c eo fh u m i cs u b s t a n c e s 3 腐殖物质生物活性概述 腐殖质能够改良土壤 对发展高产农业 有机农业有重要作用 在农业实践 中 许多腐殖酸盐被用作肥料 也有商业性腐殖质用作植物激素和畜牧业饲料添 加剂 腐殖质表现出的生物活性长期以来一直被土壤化学家 植物生理学家 环 境科学家广泛关注 许多研究和综述评论文章报道了腐殖质对植物生长的促进作 用以及对植物生理的影响 2 6 2 9 也有腐殖质应用于畜牧业的报道 土耳其安卡拉 大学k u c u k e r s a n 等研究发现腐殖酸有助于畜禽的生长和健康i 圳 腐殖质生物活 性各种表现见表1 2 表1 2 腐殖物质生物活性的各种表现 t a b l e1 2t h eb e h a v eo fk i n d so fb i o l o g i c a la c t i v i t yo fh u m i cs u b s t a n c e s 腐植酸类物质生物活性现象 参考文献 植物 刺激种子萌发和生长 刺激生物量的增长 刺激n 的吸收 刺激矿物质元素的吸收 刺激叶绿素的生物合成 p 1 3 4 l 蜘 p s 弛l 隅捌 i 删 1 2 第1 章绪论 刺激蛋白质的合成 刺激植物的代谢过程 缓冲和解毒功能 抗不利条件 3 s 4 1 4 2 j 4 3 动物 刺激生物量的增长 免疫调节活性 抗癌 解毒功能 毒性 4 4 1 4 4 l 4 5 4 州 7 4 8 1 删 微生物 刺激微生物生长 解毒功能 影响微