（環(huán)境工程專業(yè)論文）生物活性水技術機理及應用研究.pdf

摘要 摘要 本論文研究的是一種畜禽糞便廢水資源化利用技術 該技術處理畜禽糞便廢水 的出水具有 生物活性 應用在種植業(yè)可以促進農(nóng)作物生長 并可抑制病蟲害 從 而減少甚至避免了農(nóng)藥的施用 不僅減少了環(huán)境污染 還能在區(qū)域內(nèi)形成循環(huán)型農(nóng) 業(yè) 促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展 首先 研究了生物活性水對水稻 小麥在種子萌發(fā)階段的影響 結果表明 生 物活性水能顯著提高水稻 小麥種子發(fā)芽率 發(fā)芽勢以及幼苗葉片葉綠素a 葉綠 素b 和葉綠素總量 通過大田試驗探索生物活性水應用于有機水稻的種植方法 多 次重復試驗驗證生物活性水浸種處理能有效的促進了種子萌發(fā) 稀釋1 0 0 倍生物活 性水 浸種1 2 小時條件下 效果最好 可以作為實際水稻種植的參考依據(jù) 在育 秧期生物活性水有壯秧作用 移栽后 不同種植密度條件下生物活性水都能增加葉 齡 而且對紋枯病有一定抑制作用 但對葉面積指數(shù) 平均每株綠葉數(shù)呈現(xiàn)負面影 響 雖然生物活性水處理對產(chǎn)量增加不是很明顯 但增加了大米食味值 為了解釋生物活性水的機理 研究了工藝過程中主要有機物的降解 并用凝膠 色譜分析了工藝過程中有機物數(shù)均分子量m n 重均分子量m w 和分子量分布 工 藝過程中m n 和m w 呈增加趨勢 而分子量分布系數(shù)m w m n 比值卻從2 2 3 2 降到 6 1 進一步研究表明 工藝過程中胡敏酸h a 富里酸f a 含量呈逐步增加趨勢 h a 仃d c 與f a 廠r o c 分別從最初的3 4 8 0 和1 5 2 2 增加到5 2 1 2 和2 6 8 9 對 腐殖化指標和主要易降解有機物含量進行了相關性分析 發(fā)現(xiàn)多糖含量與各腐殖化 指標 h s t o c h a t o c f a 廠r o c 沒有相關性 p 0 0 5 但蛋白質 油脂 單糖 氨基酸含量與h s t o c h a r o c f a 廠r o c 存在強負相關性 p 0 0 1 氨基酸與h h s 存在相關性 p 0 0 5 與f 觚i s 存在負相關性 p 0 0 5 利 用紫外一可見光譜和熒光光譜分析了工藝各段分離的h a f a 樣品 測定了e 4 e 6 e g r e b z z s o l n a y 指數(shù) k a l b i t z 指數(shù) m i l o r i 指數(shù)等指標 通過高效反向液相色譜 分析 發(fā)現(xiàn)生物活性水中含有生物胺 腐胺 精胺 亞精胺 可能是其 活性 的原因之一 輕石作為工藝中填料起了重要作用 通過場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡s e m 觀 察發(fā)現(xiàn) 輕石在使用過程中 坑蝕 現(xiàn)象顯著 而且x 射線粉末多晶衍射x r d 分析 表明輕石相結構發(fā)生了變化 表觀結晶度降低 這與s e m 觀察結果一致 都表明 輕石在損耗 有礦物質營養(yǎng)溶出 s e m e d s 表明 輕石含f e n a m g a i s i k 等元素 這些元素當中m g k 是植物必需礦物質營養(yǎng) 輕石比表面積大 多孔 是微生物吸附棲息的場所 同時輕石釋放出礦物質可以刺激微生物生長 并 摘要 提供了礦物質營養(yǎng) 特別是植物需要的必需元素和有益元素 這可能是生物活性水 活性 的另外一個原因 關鍵詞 生物活性水技術種子萌發(fā)有機水稻腐殖物質生物胺礦物質 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 廠r 0 c f a 廠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 廠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 節(jié)y e 卅巳6 e e t 壓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 學位論文版權使用授權書 本人完全了解同濟大學關于收集 保存 使用學位論文的規(guī)定 同意如下各項內(nèi)容 按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版 本 學校有權保存學位論文的印刷本和電子版 并采用影印 縮印 掃描 數(shù)字化或其它手段保存論文 學校有權提供目錄檢索以及提 供本學位論文全文或者部分的閱覽服務 學校有權按有關規(guī)定向國 家有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版 在不以贏利為目 的的前提下 學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術活 動 學位論文作者簽名 彳才孟踅 勿移年2 月彩日 經(jīng)指導教師同意 本學位論文屬于保密 在年解密后適用 本授權書 指導教師簽名 學位論文作者簽名 年月日年月日 同濟大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師指導下 進 行研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本學位 論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的 已公開發(fā)表或者沒有公開 發(fā)表的作品的內(nèi)容 對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個 人和集體 均已在文中以明確方式標明 本學位論文原創(chuàng)性聲明的 法律責任由本人承擔 簽名 何炙迄 伽埤z 月嬲日 一 第1 章緒論 1 1 研究背景 第1 章緒論 在我國 由于過量和不合理使用化肥 農(nóng)藥 使得面源污染上升為農(nóng)業(yè)環(huán)境的 主要污染源 而集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展和畜禽排污的大幅增加 使得畜禽養(yǎng) 殖污染對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境構成了嚴重威脅 成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要組成部分之一 隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)營方式和飼養(yǎng)規(guī)模發(fā)生的重大變化 畜禽養(yǎng)殖業(yè)日益朝著規(guī)模 化方向發(fā)展 規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞便污水量大而集中 常常未經(jīng)妥善利用 與處理即直接予以排放 養(yǎng)殖場周圍沒有相應的土地對畜禽糞便進行消化 傳統(tǒng)的 有機肥被大量的化肥代替 畜禽糞便還田利用率低 種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)相分離 使得 畜禽糞便由農(nóng)業(yè)的 寶 變?yōu)榄h(huán)境的 廢 致使農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題同益嚴重 如 果能實現(xiàn)畜禽糞便變 廢 為 寶 不僅僅解決了點源污染問題 而且減少化肥 用量 逐步改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境 農(nóng)藥用量也會逐步降低 農(nóng)業(yè)面源污染也會逐步減 少 最后實現(xiàn)健康的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境 在2 0 世紀8 0 年代 日本學者提出b m w b a c t e r i a 微生物 m i n e r a l 礦物質 w a t e r 水 技術處理畜禽糞便污水 同時生產(chǎn) 生物活性水 借助自然界中微生 物 礦物質及水的力量 創(chuàng)造出類似于自然凈化系統(tǒng)的人工循環(huán)系統(tǒng) b m w 技術 不僅能有效的處理畜禽糞便污水 出水還具有活性 b m w 技術因此也稱生物活性 水技術 應用在種植業(yè)可以使農(nóng)作物或蔬菜瓜果品質 產(chǎn)量雙雙提高 并且可以 抑制病蟲害 從而減少甚至避免了化肥和農(nóng)藥的施用 不僅減少環(huán)境負擔 還能在 區(qū)域內(nèi)形成循環(huán)型農(nóng)業(yè) 促進有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展 生物活性水技術在日本被利用已有近2 0 年的歷史了 據(jù)2 0 0 7 年1 1 月的統(tǒng)計數(shù) 己建立了2 0 0 多個設施 應用該技術的有農(nóng)戶 農(nóng)場 畜牧場 甚至是一個地區(qū) 為促進生物活性水技術健全發(fā)展 日本還建立了b m w 技術協(xié)會 1 9 9 5 年韓國從日 本引進生物活性水技術 并成立了韓國b m w 技術協(xié)會 目前已建立了2 0 個設施 除韓國之外 泰國 菲律賓 越南也相繼引進了生物活性水技術 目前日本b m w 技術協(xié)會擬在上海市崇明縣長江農(nóng)場推廣該技術 我國已經(jīng)開始重視生態(tài)農(nóng)業(yè)的建設 大力發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè) 但是 循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā) 展戰(zhàn)略必須依靠高新技術作為支撐 在此大背景下 同濟大學環(huán)境科學與工程學院 顧國維課題組擬對生物活性水技術做深入研究 而且 雖然生物活性水在日本應用 已有2 0 多年 廣泛應用于有機種植 改良土壤 改善畜禽飲用水 改善畜禽棚舍微 生物環(huán)境 但是 對其機理仍然不清楚 至今沒有查閱到報道生物活性水性質 作 第1 章緒論 用機理的文獻 而且生物活性水用于農(nóng)業(yè)實踐的專業(yè)化研究也檢索不到 據(jù)日本 b m w 技術協(xié)會技術負責人介紹 生物活性水技術直接被日本農(nóng)場企業(yè)或農(nóng)民采用 感性上認為該技術有良好效果 但缺乏相關數(shù)據(jù) 因此對生物活性制作過程的研究 生物活性水的各種應用及其機理的研究十分必要 1 2 生物活性水技術概述 1 2 1 生物活性水應用領域 畜禽糞便污染 農(nóng)藥 化肥的不恰當施用 給農(nóng)業(yè)環(huán)境和人類的食品安全帶 來了巨大威脅 一方面我們需要治理環(huán)境污染 一方面我們需要安全的農(nóng)產(chǎn)品 這兩方面的壓力使我們不得不重新思考畜禽糞便的處理思路 畜禽糞便處理不僅 僅是污水處理的問題 還是一個生態(tài)農(nóng)業(yè)全局性的問題 變 廢 為 寶 迫在 眉睫 解決畜禽糞便污染的同時 需要扭轉肥料施用化肥的主導地位 提高土壤 的長效肥力 發(fā)展有機農(nóng)業(yè) 建立和恢復農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和良性循環(huán) 以維持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 綜上所述 畜禽糞便處理技術的發(fā)展方向就是生態(tài)處理體系的建立 一方面 保護環(huán)境 凈化農(nóng)業(yè) 畜牧業(yè)中產(chǎn)生的廢棄物 使農(nóng)業(yè)生態(tài)得到恢復和保護 另 一方面制造有機肥 發(fā)展有機農(nóng)業(yè) 在區(qū)域內(nèi)形成循環(huán)型農(nóng)業(yè) 生物活性水技術 也稱b m w 技術 b a c t e r i a 微生物 m i n e r a l 礦物質 w a t e r 水 正是這種反思的結晶 它不是在 末端治理 思路下開發(fā)的畜禽糞便處理技 術 而是符合 循環(huán)經(jīng)濟 思想的一種廢物資源化利用技術 在處理畜禽糞便的同 時 出水具有生物活性作用 是應用廣泛的副產(chǎn)品 實現(xiàn)了廢物的資源化利用 生 物活性水技術是日本最近二十年應用于畜牧業(yè) 種植業(yè) 農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)等各種有機 廢棄物循環(huán)利用的一種新型技術 通過模仿自然生態(tài)系統(tǒng) 試圖參照生態(tài)系統(tǒng)物質 循環(huán)和能量流動規(guī)律來重構農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)逐步納入自然生態(tài)的循環(huán) 過程之中 實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展 它遵循循環(huán)經(jīng)濟思想 不僅僅是一種簡單的 環(huán)境保護技術 而是一種生態(tài)技術 一種典型的農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟范式 見圖1 1 它是根據(jù)自然界中自然凈化系統(tǒng) 見圖1 2 的原理 借助于自然中原有的微生物 礦物質及水的力量 創(chuàng)造出類似于自然凈化系統(tǒng)的人工循環(huán)系統(tǒng) 見圖1 3 以 此來凈化農(nóng)業(yè) 畜牧業(yè)中產(chǎn)生的廢棄物 區(qū)域內(nèi)形成循環(huán)型農(nóng)業(yè) 促進綠色農(nóng)業(yè)以 及有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展 2 第1 章緒論 環(huán)境方面 1 能減少環(huán)境負擔還有修復被破壞的環(huán)境的能力 2 區(qū)域內(nèi)形成循環(huán)型農(nóng)業(yè) 促進有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展 如圖1 1 經(jīng)濟方面 1 品質和產(chǎn)量雙提高 從而達到增收增利 2 抑制了病蟲害 從而降低了農(nóng)業(yè)成本 食品 j 糸材料 糞尿 畜牧業(yè) j 發(fā)酵飼料 林業(yè) i 飼料i 覆料謄 圖1 1 生物活性水技術應用示意圖 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 章緒論 圖1 2 天然的廢棄物處理系統(tǒng) 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 圖1 3 生物活性水技術的廢棄物處理系統(tǒng) 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 具體的講 生物活性水技術是一種處理畜禽糞便的污水處理工藝 處理畜禽糞 便污水的同時 其出水具有生物活性作用 在日本對于該工藝處理畜禽糞便污水的 出水 生物活性水 應用非常廣泛 根據(jù)日本農(nóng)民2 0 年實際應用經(jīng)驗 總結如下 1 應用于水稻栽培 用于水稻種子浸種 灌溉以及葉面噴霧 可以增加種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率 出苗齊 苗根強壯 水稻抗病害能力提高 而且單穗的顆粒數(shù)增加 水稻產(chǎn)量和稻米品質均有提高 4 第1 章緒論 2 蔬菜栽培 用于蔬菜澆灌 可以促進蔬菜生長 提高蔬菜的品質 同時蔬菜耐旱性增加 葉菜類的菜葉增厚 同時增強葉菜類對枯萎病的抵抗力 一般的病害不易發(fā)生 即使發(fā)生了也不易傳播開 應用于菠菜等 蔬菜澀味消失 口味變好 果菜類的花 大 結果好 糖度增加 蔬菜保鮮日增長 3 應用于養(yǎng)雞場 用生物活性水作為雞的飲用水 清洗雞舍 噴霧 一一雞舍 一 減少了不必要的消毒 堿輕了惡臭 抑制了蒼蠅的繁殖 一產(chǎn)蛋雞 肉雞 一 不需使用抗生素 腸內(nèi)的各類細菌齊全 抵抗力增強 不易得病 破蛋率減 低 產(chǎn)蛋率增加 蛋的質量增加 育成率增加 肉的質量增加 4 應用于養(yǎng)豬場 豬尿液可以用生物活性水工藝處理制作生物活性水 豬糞可以堆肥 生物活性 水噴灑可以降低堆肥的臭味 生物活性水可以改善豬的飲用水 也可以清洗豬舍 一一豬舍 減少了不必要的消毒 減輕了惡臭 抑制了蒼蠅的繁殖 一一豬 一 幼豬期以外不需使用抗生素 腸內(nèi)的各類細菌齊全 抵抗力增強 沒有豬所 特有的臭味 肉的質量增加 豬肉的脂肪融點提高 肉的味道更好 育成率向上 子豬的大腸菌性下痢等病減少 5 應用于奶牛場 奶牛尿液可以通過生物活性水技術處理制作生物活性水 干糞可以堆肥 一牛舍 一一 減少了不必要的消毒 減輕了惡臭 抑制了蒼蠅的繁殖 一一孚l 牛 一 不需使用抗生素 子牛的大腸菌性下痢等病減少 產(chǎn)乳量增加 生產(chǎn)時事故 減少 發(fā)育正常 6 家庭使用 花冉澆灌 廁所寵物除臭 該工藝可以處理畜禽尿液 出水是副產(chǎn)品生物活性水 也可以用畜禽糞的堆肥 專門制作生物活性水用于農(nóng)作物的有機栽培和有機養(yǎng)殖業(yè) 是一項因地制宜的畜禽 糞尿處理 促進有機農(nóng)業(yè)的技術 生物活性水技術在凈化農(nóng)業(yè) 畜牧業(yè)中產(chǎn)生的廢棄物同時 還會使該地區(qū)自然 第1 章緒論 界的微生物生態(tài)系逐漸恢復 不僅能減少環(huán)境負擔還有修復被破壞的環(huán)境的能力 對于構建區(qū)域循環(huán)型農(nóng)業(yè) 促進有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展有非常重要的意義 同時 生物活 性水技術還能帶來高經(jīng)濟效益 可以使農(nóng)產(chǎn)品品質 產(chǎn)量雙提高 抑制病蟲害 降 低有機種植 有機養(yǎng)殖成本 增收增利 但是這項在日本廣泛應用的循環(huán)農(nóng)業(yè)技術 其科研工作卻檢索不到 所以對生物活性水技術工藝過程研究 生物活性水的各種 應用及其機理的研究十分必要 1 2 2 生物活性水工藝描述 利用生物活性水技術構建循環(huán)性農(nóng)業(yè)示意圖如圖1 4 生物活性水制作與循環(huán)型農(nóng)業(yè) 箭舍堆肥 圖1 4 生物活性水技術構建循環(huán)型農(nóng)業(yè)示意圖 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 生物活性水技術工藝流程圖見圖1 5 和圖1 6 6 第1 章緒論 圖1 5 生物活性水技術r 藝示意圖 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 圖1 6 生物活性水技術i 藝流程圖 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 文獻綜述 1 3 1 畜禽糞便處理理念的轉變 生態(tài)系統(tǒng)有降解 消除污染物的自凈作用 但當有害物質的量超出其自凈能力 時 將造成環(huán)境污染 破壞生態(tài)平衡 過去 分散 副業(yè)性的畜牧生產(chǎn) 廢棄物量 少 常常畜禽糞便是很受歡迎的有機肥 將畜禽糞便進行簡單的堆肥后或甚至直接 第1 章緒論 施用在土地上 不僅不會引起環(huán)境污染 還會提高土地肥力 有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 此 時畜禽糞便是由 廢 變 寶 但是隨著我國畜牧業(yè)的迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構的調(diào) 整 畜禽養(yǎng)殖已向區(qū)域化 集約化方向發(fā)展 畜禽糞便的量遠遠超出了附近土地所 能承受的負荷 廢 不但不是 寶 而且還引起了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞 亞洲地區(qū)畜禽業(yè)的飛速發(fā)展帶來了經(jīng)濟的快速發(fā)展 同時 畜禽糞便也帶來了 嚴重的環(huán)境污染問題 日本早在2 0 世紀7 0 年代就遭受畜禽糞便污染 目前亞洲地 區(qū)各國均面i 臨這一難題i l j o 我國迅速發(fā)展起來的規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖帶來的污染問題日漸突出 據(jù)國家環(huán)?？?局2 0 0 0 年對全國2 3 個省j 自治區(qū) 直轄市規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的調(diào)查 1 9 9 9 年全國畜 禽糞便產(chǎn)生量約為1 9 億噸 而當年全國產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物為7 8 億噸 畜禽糞便 產(chǎn)生量是工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量的2 4 倍i 其中規(guī)模養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便相當于工業(yè) 固體廢棄物的2 7 山東 廣東 湖南等地區(qū)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖物的糞便產(chǎn)生量已相 當于本地區(qū)工業(yè)國體廢物的4 0 全國畜禽糞便的c o d 總量達7 1 1 8 萬噸 遠遠超 過工業(yè)廢水和生活廢水c o d 排放量之總和 畜禽糞便進入水體流失率高達2 5 3 0 c o d 排放接近工業(yè)廢水 b o d 排放總量 n p 流失量大于化肥流失量 是 農(nóng)村面源污染的主要污染原因之一i3 1 由于絕大多數(shù)養(yǎng)殖場沒有污水處理設施直接 超標排入農(nóng)業(yè)環(huán)境 畜禽污染造成了水體富營養(yǎng)化 水質惡化 致使土壤板結和鹽 漬化 上海是我國畜牧業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)之一 良好的地理和氣候條件 十分有利于 各種畜禽的生長發(fā)育 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大 上海市各郊縣畜禽糞便污染環(huán)境的問 題也日益突出 據(jù)統(tǒng)計 全市1 6 0 0 多個大中型規(guī)模畜禽場年產(chǎn)糞尿水約7 0 0 多萬 噸 每年流失的畜禽糞尿折算有機污染指標c o d 達8 9 5 萬噸 b o d 5 達2 8 1 萬噸 n h 3 n 達0 7 5 6 萬噸 未治理的畜禽場產(chǎn)生的龐大的有機污染物 己成為上海市郊 區(qū)最嚴重 最主要的污染源 對上海市郊的環(huán)境造成嚴重的污染 就上海市長江農(nóng) 場而言 仍有6 0 廢棄的畜禽糞便任其雨淋日曬 嚴重造成了河水 土壤 大氣的 污染 據(jù)對上海郊區(qū)7 2 9 個大中型畜禽場周圍環(huán)境調(diào)查 其中6 2 7 個畜禽場周圍河 道夏季發(fā)黑發(fā)臭 有的甚至常年發(fā)黑發(fā)臭 有機污染指標超過國家地面水水質標準 影響了郊區(qū)的生態(tài)環(huán)境和衛(wèi)生狀況 影響了當?shù)鼐用竦恼Ｉ詈蜕眢w健康 另有 部分畜禽場分布在黃浦江上游水源地區(qū) 也威脅著市區(qū)自來水廠取水口的安全 畜 禽糞便對環(huán)境的污染問題已成為上海畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的制約因素 如果治理不好 將成為上海市郊環(huán)境的一大危害因烈 1 9 9 9 2 0 0 2 年上海計劃共治理4 3 9 個大中型畜禽場 其中1 9 9 9 年治理1 1 2 個大 中型畜禽場 5 1 但是 大規(guī)模地治理畜禽場污染在我國畢竟是一項前人從未做過的 工作 上海畜禽場畜禽糞便治理也沒有真正取得突破性的進展 8 第1 章緒論 隨著畜禽糞便污染問題日益突出 方法很多 如活性污泥法 生物膜法 對污染物的去除效果 其處理技術也層出不窮 畜禽糞便污水處理 簡易曝氣法等 表1 1 表示了各種處理方法 表1 1不同處理方法對污染物的去除效果 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 在畜禽糞便污水處理技術中 氧化塘 人工濕地 的模式也不少 馬里蘭大 學c r o n k 對構建濕地系統(tǒng)處理奶牛場和豬場廢水進行了研究 他的研究表明濕地處 理畜禽廢水是經(jīng)濟 生態(tài)的方法 但是受氣候和廢水特性的影響較大 而且濕地處 理前必須預處理 否則達不到好的效果 7 j 對于畜禽糞便廢水處理的設施 厭氧消化法也很普遍 k a r i m 等人 8 j 研究了沼 氣攪拌和反應器高度對畜禽糞便厭氧消化效果的影響 在美國低溫厭氧消化 操作 溫度為1 0 c 2 5 c 的研究也越來越熱 2 1 s a f l e ya n dw e s t e r m a n 對低溫厭氧消化 做了大量研究 h i l l 等人對奶牛場和豬場糞便的低溫厭氧消化的數(shù)學模擬進行了研 究 處理畜禽糞便的厭氧消化技術也越來越成熟 目前已經(jīng)到了對畜禽廢水厭氧處 理過程進行數(shù)學模擬的水平l l 厭氧好氧結合的工藝美國也有嘗試 夏威夷大學對豬場廢水的處理進行了研究 工藝系統(tǒng)包括固液分離 厭氧反應器 好氧反應器 巖石床過濾 厭氧單元甲烷產(chǎn) 氣率為0 7 5 m 3 m 3 d a y is 去除率為7 2 7 好氧單元c o d 和氨氮去除率可分別達 到9 4 和9 1 巖石床過濾單元c o d 氨氮 硝酸鹽態(tài)氮分別減少3 2 8 2 6 8 6 8 4 l s l 在干糞處理利用方面 一般是堆肥然后施用到土地 1 9 2 0 1 也有將畜禽糞便作為 燃料來進行利用的 使用牲畜糞便作為燃料可以解決廢物處置問題 也具有能源效 益 s w e e t e n 等阻矧 s a m i t 馴等對畜禽糞與煤混合做燃料進行了研究 9 第1 章緒論 但是以上處理方法基本都是將城市污水 工業(yè)廢水處理工藝照搬套用 這是在 末端治理 思想指導下的產(chǎn)物 在構建農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的大背景下 如何在解決畜 禽糞便污染的同時 變廢為寶 目前仍然是一個嚴峻的問題 應用什么樣的畜禽糞 便處理體系是一個關系到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵 而且由于飼養(yǎng)規(guī)模的擴大 飼養(yǎng)方式發(fā)生了變化 伴隨著添加劑 助長劑的使 用 除了耗氧有機物 n p 污染外 還在畜禽糞便和畜禽飼養(yǎng)場附近水體中發(fā)現(xiàn) 了內(nèi)分泌干擾素 e d s 抗生素等污染物 這說明惡性污染物有可能通過食物鏈 危機人體健康 農(nóng)產(chǎn)品安全問題也要求我們對防治畜禽業(yè)的環(huán)境污染需要進行更系 統(tǒng)的考慮 在治理畜禽業(yè)污染時 往往將畜禽糞便當作廢物來處理 處理尾水達標排放 從畜禽廢水處理工藝來看 從普通活性污泥法 到帶脫氮除磷功能的s b r 法 再到 具有能源意義的厭氧處理 厭氧好氧結合處理 都是如此思路 另一方面 肥料施 用由有機肥為主轉變?yōu)榛收贾鲗У匚?而且畜禽糞含水量大 惡臭 帶來處理 運輸 施用極不方便 直接還田難度大 畜禽養(yǎng)殖場畜禽糞便沒有實現(xiàn)由 廢 變 寶 農(nóng)藥 化肥的施用 農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染 給人類的食品安全問題帶來了巨大威脅 一方面我們需要治理環(huán)境污染 一方面我們需要無農(nóng)藥等化學投入的有機食品 這 兩方面的壓力使我們不得不重新思考畜禽糞便的處理思路 畜禽糞便處理不僅僅是 污水處理的問題 是一個生態(tài)農(nóng)業(yè)全局性的問題 變 廢 為 寶 迫在眉睫 解 決畜禽糞便污染的同時 扭轉肥料施用化肥的主導地位 提高土壤的長效肥力 發(fā) 展有機農(nóng)業(yè) 建立和恢復農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和良性循環(huán) 以維持農(nóng)業(yè)的可 持續(xù)發(fā)展 綜上所述 畜禽糞便處理技術的發(fā)展方向就是的生態(tài)處理體系的建立 一方面 保護環(huán)境 凈化農(nóng)業(yè) 畜牧業(yè)中產(chǎn)生的廢棄物 使農(nóng)業(yè)生態(tài)得到恢復和保護 另一 方面制造有機肥 發(fā)展有機農(nóng)業(yè) 在區(qū)域內(nèi)形成循環(huán)型農(nóng)業(yè) 1 3 2 腐殖物質生物活性研究進展 腐殖物質 h u m i cs u b s t a n c e s 來源于動植物殘體腐殖化反應 h u m i f i c a t i o n 或者 說來源于微生物的生物活動 自然腐殖物質的主要組成部分是腐殖酸 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 富里酸也稱之為黃腐酸 腐殖酸廣泛存 在于環(huán)境中 土壤 自然水體中都有腐殖酸的存在 1 陸生腐殖質 1 e r r e s t r i a lh u m i cs u b s t a n c e s 在遠古時代農(nóng)業(yè)科學家就認識到土壤有機質 s o i lo r g a n i cm a t t e r 對作物生長 的重要意義 至今這依然是爭論和研究的課題 近代農(nóng)業(yè)科學家對土壤腐殖質的研 第1 章緒論 究持續(xù)了2 0 0 多年 但是腐殖質依然是分子結構未知的一類有機化合物 土壤有機質 s o m 包括不降解的生物 植物 動物 微生物 殘體 部分殘 體的分解產(chǎn)品 以及土壤中的生物體 如圖1 7 所示 已知的高分子量有機物 譬如多聚糖和蛋白質 比較簡單的物質 譬如糖 氨基酸和其它小分子有機物 腐 殖物質 圖1 7 土壤中的有機物 f i g u r e1 7o r g a n i cm a t t e r si ns o i l 腐殖物質 相對分子量較大棕色至黑色 在動植物殘體分解過程中產(chǎn)生的一 類次級代謝產(chǎn)物 根據(jù)其在酸堿中的溶解性質可以分類為 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 非腐殖物質 指已知物質 如 碳水化合物 脂類 蛋白質 氨基酸等 2 水成腐殖質 a q u a t i ch u m i cs u b s t a n c e s 植物 動物以及微生物的生物體 在水環(huán)境中分解時 會釋放簡單的有機物到 水中 這些小分子有機物會經(jīng)過生化反應變成難溶物質 腐殖質 見圖1 8 地 表水中超過8 0 的溶解性有機碳以腐殖質的形式存在 根據(jù)t h u r m a n 的研究 水成 腐殖質來源于三個方面 1 來源于外來的陸生腐殖質 2 帶有芳香集團的母 體在酶催化或者光氧化下發(fā)生聚合反應 3 微生物固有生物體降解 內(nèi)源代謝 產(chǎn)生腐殖質 矧 1 1 第1 章緒論 機佝亭宦恤 礎均幔 奉 il 小 f f 帆物 1 i 群蚺 蚜城 j 擴群峋掰愛 i 一 上 瞄罐豫 甜l 鼬求 ll l 寓型艘隊0 喪q 端杈i ni 圖1 8 腐殖物質的來源 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 腐殖物質生物活性概述 腐殖質能夠改良土壤 對發(fā)展高產(chǎn)農(nóng)業(yè) 有機農(nóng)業(yè)有重要作用 在農(nóng)業(yè)實踐 中 許多腐殖酸鹽被用作肥料 也有商業(yè)性腐殖質用作植物激素和畜牧業(yè)飼料添 加劑 腐殖質表現(xiàn)出的生物活性長期以來一直被土壤化學家 植物生理學家 環(huán) 境科學家廣泛關注 許多研究和綜述評論文章報道了腐殖質對植物生長的促進作 用以及對植物生理的影響 2 6 2 9 也有腐殖質應用于畜牧業(yè)的報道 土耳其安卡拉 大學k u c u k e r s a n 等研究發(fā)現(xiàn)腐殖酸有助于畜禽的生長和健康i 圳 腐殖質生物活 性各種表現(xiàn)見表1 2 表1 2 腐殖物質生物活性的各種表現(xiàn) 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 腐植酸類物質生物活性現(xiàn)象 參考文獻 植物 刺激種子萌發(fā)和生長 刺激生物量的增長 刺激n 的吸收 刺激礦物質元素的吸收 刺激葉綠素的生物合成 p 1 3 4 l 蜘 p s 弛l 隅捌 i 刪 1 2 第1 章緒論 刺激蛋白質的合成 刺激植物的代謝過程 緩沖和解毒功能 抗不利條件 3 s 4 1 4 2 j 4 3 動物 刺激生物量的增長 免疫調(diào)節(jié)活性 抗癌 解毒功能 毒性 4 4 1 4 4 l 4 5 4 州 7 4 8 1 刪 微生物 刺激微生物生長 解毒功能 影響微