周嶺, 李治宇, 石長(zhǎng)青, 劉飛, 孫金龍, 秦翠蘭, 王磊元

1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院, 阿拉爾 843300

2. 新疆維吾爾自治區(qū)教育廳現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 阿拉爾 843300

3. 塔里木大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院, 阿拉爾 843300

4. 塔里木大學(xué)南疆農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究中心, 阿拉爾 843300

基于灰色系統(tǒng)理論的木醋液對(duì)牛糞堆制中重金屬(Cu、Zn)鈍化作用預(yù)測(cè)模型

周嶺1,2, 李治宇1, 石長(zhǎng)青3*, 劉飛2, 孫金龍2, 秦翠蘭4, 王磊元4

1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院, 阿拉爾 843300

2. 新疆維吾爾自治區(qū)教育廳現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 阿拉爾 843300

3. 塔里木大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院, 阿拉爾 843300

4. 塔里木大學(xué)南疆農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究中心, 阿拉爾 843300

為了使畜禽糞便資源化、無(wú)害化, 探討鈍化劑對(duì)畜禽糞便堆肥過(guò)程中重金屬鈍化效果的影響規(guī)律。該文利用牛糞進(jìn)行高溫好氧堆肥, 研究棉稈木醋液對(duì)牛糞堆肥發(fā)酵中重金屬Cu和Zn形態(tài)的影響。由于堆肥過(guò)程是多種因素一體的復(fù)雜的過(guò)程, 因素空間難以窮盡, 運(yùn)行機(jī)制不明確, 又缺乏確定關(guān)系的信息, 灰色系統(tǒng)理論描述了系統(tǒng)內(nèi)部的物理或化學(xué)過(guò)程的本質(zhì), 為解決此類問(wèn)題提供了新的思路。試驗(yàn)結(jié)果表明： 添加棉稈木醋液對(duì)重金屬Cu和Zn的鈍化效果與對(duì)照組相比均高度顯著, 對(duì) Cu的鈍化能力依次為 T4＞T3＞T4＞T2＞T1＞CK; 對(duì) Zn的鈍化能力依次為 T4＞T3＞T5＞T2＞T1＞CK; 其中棉稈木醋液添加比例為0.65%時(shí)重金屬Cu和Zn鈍化效果最好的, 其值分別為21.72%和33.11%; Cu的灰色預(yù)測(cè)模型為, 預(yù)測(cè)模型的精度為Ⅰ級(jí); 而 Zn的灰色預(yù)測(cè)模型為預(yù)測(cè)模型的精度為Ⅰ級(jí)。

堆肥; 木醋液; GM(1,1); 重金屬; 牛糞

1 前言

近年來(lái), 我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)入了規(guī)?；⒓s化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展階段, 導(dǎo)致規(guī)?；B(yǎng)殖過(guò)程中畜禽糞便污染物的大量排放[1], 加之各種重金屬微量元素廣泛應(yīng)用于飼料添加劑的生產(chǎn), 導(dǎo)致大量的銅、鐵、鋅等重金屬伴隨著畜禽糞便排放到環(huán)境中。調(diào)查表明, 畜禽糞便中重金屬Cu和Zn等元素普遍超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)[2], 造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。堆肥是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便重金屬鈍化的有效途徑[3], 其主要原理是利用畜禽廢棄物有機(jī)物形態(tài)變化絡(luò)合固定重金屬, 使堆肥物料中重金屬活性被鈍化, 生物有效性降低[4]。不同的鈍化材料均起到了一定的重金屬鈍化作用, 然而仍存在效果不佳, 成本較高等問(wèn)題;且目前仍未有關(guān)于棉桿木醋液對(duì)重金屬形態(tài)影響的研究。本研究以農(nóng)業(yè)廢棄物棉稈轉(zhuǎn)化產(chǎn)品作為鈍化劑, 研究其對(duì)牛糞堆肥過(guò)程中重金屬形態(tài)的影響,選取普遍超標(biāo)的Cu和Zn元素, 研究鈍化添加劑對(duì)重金屬的鈍化效果, 同時(shí)由于堆肥化過(guò)程是一個(gè)集物理反應(yīng)、生化反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)及時(shí)空變換等多種因素一體的復(fù)雜的過(guò)程, 既含有已知信息, 又含有未知信息, 尤其是堆肥過(guò)程中因素空間難以窮盡,運(yùn)行機(jī)制尚不明確, 又缺乏建立確定關(guān)系的信息,灰色系統(tǒng)理論及方法為解決此類問(wèn)題提供了新的思路?；疑到y(tǒng)理論, 記為GM(Grey Model), 是鄧聚龍教授于20世紀(jì)80代提出來(lái)的[5-8], 目前已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、能源和石油眾等多領(lǐng)域,成功地解決了生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的大量實(shí)際問(wèn)題。如美國(guó)賓州州立SR大學(xué)的Forrest, J. 教授做灰色模型的研究、我國(guó)徐忠祥教授等完成的新疆塔里木盆地油氣圈閉灰色綜合預(yù)測(cè)、林昌榮高工完成的南海西部油氣儲(chǔ)量分布灰色預(yù)測(cè)等, 產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[9-11]。在生物質(zhì)資源利用領(lǐng)域還未見報(bào)道, 所以將灰色系統(tǒng)理論引入到農(nóng)林廢棄物資源化利用中可為畜禽糞便堆肥化過(guò)程中重金屬的鈍化技術(shù)研發(fā)提供理論依據(jù), 對(duì)生態(tài)和社會(huì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中的棉稈木醋液由生物質(zhì)熱裂解實(shí)驗(yàn)裝置熱解得到, 該裝置功率為12 kw, 一次最大可放4 kg物料, 最高溫度可加熱到 600 ℃。棉稈木醋液的制取是將風(fēng)干棉稈直接放入熱解裝置內(nèi), 每次進(jìn)料1 kg, 起始溫度20 ℃, 終止溫度500 ℃, 熱解2 h,氣體經(jīng)冷凝裝置冷凝為液體, 在出口收集到的木醋液為粗木醋液, 經(jīng)靜置沉淀后, 取上清液體, 即為試驗(yàn)所用棉稈木醋液, 棉稈木醋液的理化指標(biāo), 見表1。

供試的牛糞原料來(lái)源于塔里木大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院的養(yǎng)牛場(chǎng), 鋸末來(lái)自校外的木材加工廠。將牛糞與鋸末按C/N比30的比例均勻的混合[12]。堆肥原材料的基本理化性狀見表2。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于塔里木大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院養(yǎng)殖基地進(jìn)行,堆肥試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理。即： 處理1： 牛糞+0.00%木醋液; 處理 2： 牛糞+0.2%木醋液; 處理 3： 牛糞+ 0.35%木醋液; 處理 4： 牛糞+0.5%木醋液; 處理 5：牛糞+0.65%木醋液; 處理6： 牛糞+0.8%木醋液。處理1作為對(duì)照組, 分別命名為CK、T1、T2、T3、T4和T5。其中, 木醋液添加量為木醋液與堆肥牛糞鮮重的比值。木醋液用量確定以后, 在添加時(shí)需要加 1500 mL的蒸餾水進(jìn)行稀釋, 同時(shí)對(duì)照組也加1500 mL的蒸餾水。

表1 木醋液理化性質(zhì)Tab. 1 The physical and chemical properties of cotton stalk wood vinegar

表2 堆肥物料的基本理化性質(zhì)Tab. 2 The basic physical and chemical properties of composting materials

2.3 堆制工藝

堆肥試驗(yàn)采用靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)+翻堆的方式進(jìn)行,堆體溫度超過(guò)60 ℃時(shí)通風(fēng)30 min, 前4周, 每周翻堆一次, 以后每?jī)芍芊岩淮? 第 5周以后停止翻堆, 直至堆肥結(jié)束, 堆肥時(shí)長(zhǎng)共計(jì)63 d。

2.4 堆肥裝置

堆肥裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器內(nèi)部尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m, 外部尺寸為1 m×1 m×1 m,保溫層材料為聚乙烯泡沫板。在堆體中心距離底部15 cm、30 cm和45 cm處放置溫度傳感器(Pt100電阻); 在距離桶底1 cm出開一個(gè)孔, 孔的直徑是2 cm;將直徑2 cm的PVC管插入里面, 同時(shí)在桶里面放一個(gè)2 cm高的支撐架, 上面放上一個(gè)箅子, 同時(shí)鋪一層透氣性很好的塑料編制膜, 反應(yīng)器底部有通風(fēng)管道, 然后將PVC管接上鼓風(fēng)機(jī), 對(duì)其通風(fēng)供氧。

2.5 采樣方法

采樣在堆肥前后進(jìn)行采集(遇到翻堆時(shí), 須在翻堆前采集), 堆體分成上、中和下三層, 取樣時(shí)間為早上 11：00, 采取堆體不同層的試樣, 每一層隨機(jī)取點(diǎn)采集3個(gè)次級(jí)樣品, 然后將這3個(gè)次級(jí)樣品混合成一個(gè)待測(cè)樣品, 樣品經(jīng)自然風(fēng)干, 研磨后, 過(guò) 60目篩, 并保存在4 ℃下, 以待被測(cè)。溫度： 每天分別于上午11：00, 下午16：00測(cè)定堆肥。

圖1 堆肥試驗(yàn)裝置Fig. 1 Composting experiment device

2.6 測(cè)定方法

Cu和Zn總量待測(cè)液： 將樣品儲(chǔ)存于聚乙烯瓶中備用, 稱取 0.5 g(精確至 0.0002 g), 然后采用HNO3∶HCl∶HF=1∶1∶2進(jìn)行微波(濕法)消解[13],經(jīng)過(guò)濾后用去離子水定容。

DTPA提取態(tài)Cu和Zn有效態(tài)待測(cè)液： 將消解后的待測(cè)樣品按按固液比(W∶V)1∶5提取劑, 加入0.005 mol·L-1的DTPA(二乙基三胺五乙酸)、0.1 mol·L-1的TEA(三乙醇胺)溶液調(diào)整pH至7.30后, 機(jī)械振蕩2 h[14,15]。DTPA提取態(tài)Cu和Zn分配系數(shù)計(jì)算公式[3]：

以堆肥過(guò)程Cu和Zn分配系數(shù)差值的變化情況來(lái)衡量堆肥過(guò)程對(duì)其鈍化效果[16], 分配系數(shù)差值即鈍化效果用初始分配系數(shù)減去堆肥過(guò)程中任一取樣時(shí)間樣品的分配系數(shù)求得。

Cu和Zn含量測(cè)定： 用原子吸收光譜法測(cè)重金屬Cu和Zn的總量和DTPA提取態(tài)含量。

2.7 灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)的基本原理

GM(1,1)模型是GM(1,N)模型中N=1的特例, 是單序列一階線性動(dòng)態(tài)模型, 是適用性廣的灰色預(yù)測(cè)模型[17]。在處理技術(shù)上, 灰色過(guò)程是通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的整理來(lái)找數(shù)列的規(guī)律, 而其他的一些處理方法則是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律和先驗(yàn)規(guī)律來(lái)處理數(shù)據(jù)。按統(tǒng)計(jì)規(guī)律和先驗(yàn)規(guī)律處理數(shù)據(jù)的方法建立在大樣本量的基礎(chǔ)上, 而且要求數(shù)據(jù)規(guī)律是典型的規(guī)律, 而對(duì)于非典型的規(guī)律則難以處理。而灰色過(guò)程卻沒(méi)有這樣的限制, 并且灰色模型通常只需要 4個(gè)以上的數(shù)據(jù)就可以建模, 而且不必知道原始數(shù)據(jù)的先驗(yàn)特征。

2.8 數(shù)據(jù)處理與分析

灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型建立均采用 MATLAB軟件進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 堆肥過(guò)程的溫度變化

堆肥過(guò)程中, 溫度控制的目標(biāo)是極大地使堆肥無(wú)害化和穩(wěn)定化, 其變化反映了堆體內(nèi)微生物的活性變化, 能很好地反映堆肥過(guò)程所達(dá)到的狀態(tài)[18]。Miller認(rèn)為堆肥溫度的上升過(guò)程是堆肥起始溫度、微生物新陳代謝產(chǎn)熱過(guò)程及堆體保溫效應(yīng)綜合作用的結(jié)果, 堆體一般要經(jīng)歷升溫過(guò)程, 高溫持續(xù)過(guò)程和降溫過(guò)程[19]。

由圖2可知, 處理組的溫度整體上高于對(duì)照組,添加木醋液后堆體內(nèi)部溫度在堆肥3 d后就分別上升至 50 ℃以上, 圖中箭頭的地方表示翻堆的時(shí)間,且翻堆后, 各處理堆溫均逐漸回升, 主要是由于翻堆, 提高堆體的孔隙度, 疏松堆料, 減少物料結(jié)塊,保證充分與氧氣接觸, 改善了堆肥的物理性質(zhì)。堆體溫度在55 ℃條件下保持3 d以上(或50 ℃以上保持 5—7 d), 是殺滅糞便中的致病菌和寄生蟲卵, 保證堆肥的衛(wèi)生指標(biāo)合格和堆肥腐熟的重要條件[20,21]。堆肥結(jié)束時(shí), 本試驗(yàn)中各處理堆體溫度均接近環(huán)境溫度, 堆肥均已達(dá)到無(wú)害化要求。研究結(jié)果表明, 添加木醋液能有助于微生物活性的提高, 增加微生物活動(dòng), 能促進(jìn)堆體內(nèi)好氧堆肥和堆體物料的降解,加快堆肥化進(jìn)程。

3.2 重金屬鈍化作用灰色預(yù)測(cè)模型的建立

3.2.1 Cu鈍化作用灰色預(yù)測(cè)模型的建立

通過(guò)棉稈木醋液對(duì)牛糞堆肥的處理, 得到相應(yīng)的棉稈木醋液處理堆肥前后重金屬Cu和Zn的總濃度、DTPA提取態(tài)及分配系數(shù)的差值, 見表3。

圖2 堆肥溫度變化Fig. 2 The change of compost temperature

表3 牛糞堆肥過(guò)程重金屬Cu和Zn的總濃度及DTPA提取態(tài)變化Tab. 3 The total concentration and DTPA extractable change of heavy metals Cu and Zn during cow dung compost process

通過(guò)以上分析可知, 棉稈木醋液在牛糞堆肥處理過(guò)程中對(duì)Cu的鈍化效果是顯著的; 由于添加的棉稈木醋液的比例有限, 為了更好地了解分析, 棉桿木醋液的添加比例對(duì)堆肥中重金屬的鈍化效果, 通過(guò)灰色系統(tǒng)理論對(duì)表 3的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色預(yù)測(cè), 得出了重金屬Cu的預(yù)測(cè)值和模型檢驗(yàn)的有關(guān)參數(shù), 見表4; 其中經(jīng)計(jì)算得出重金屬Cu的鈍化效果灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型參數(shù)為a=-0.1067, u=11.6212, 得到灰色預(yù)測(cè)的GM(1,1)模型的響應(yīng)函數(shù)模型為

式(1)經(jīng)變換得到灰色預(yù)測(cè)模型為

②本文在投稿以后，筆者于2017年11月18日參加“2017《旅游學(xué)刊》中國(guó)旅游研究年會(huì)”時(shí)，第一次聆聽了李承哲先生的報(bào)告并拜讀了其發(fā)表在2017年《旅游學(xué)刊》第11期上的文章《DRD4基因多態(tài)性與旅游行為關(guān)聯(lián)性初探》，該文從分子遺傳學(xué)的角度，探討了基因與“探求新奇”行為之間的關(guān)聯(lián)。筆者認(rèn)為此項(xiàng)微觀和實(shí)證層面的研究與本文宏觀層面的論證相輔相成，并為本文論點(diǎn)的證實(shí)提供了一個(gè)全新的視角和希望。這個(gè)視角是筆者以前所沒(méi)有想到的。

指標(biāo)C和P是后驗(yàn)差檢驗(yàn)的兩個(gè)重要指標(biāo), 指標(biāo)C越小越好, C越小表示S1大且S2越小。S1大表示原始數(shù)據(jù)方差大, S2小表示殘方差小, 即殘差離散程度小, C小就表明原始數(shù)據(jù)很離散, 而模型所得計(jì)算值與實(shí)際值之差并不太離散。指標(biāo)P越大越好, P越大表明殘差與殘差平均值之差小于給定值0.6745S1的點(diǎn)較多, 即擬合值(或預(yù)測(cè)值)分布均勻,按 C和P兩個(gè)指標(biāo), 可綜合評(píng)定預(yù)測(cè)模型的進(jìn)度,模型的精度由后驗(yàn)差和小誤差概率共同刻劃, 一般將模型的精度分為四級(jí), 見表5。結(jié)合表7來(lái)綜合劃分模型預(yù)測(cè)精度的等級(jí), 結(jié)果顯示 q=-0.028＜0.01, C=0.242＜0.35, 表明模型所得預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之差并不太離散, P=1＞0.95表明所有點(diǎn)的殘差與殘差平均值之差均小于給定值 0.6745S1, 綜合衡量該預(yù)測(cè)模型的等級(jí)為Ⅰ級(jí), 即該灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型好, 并繪制相應(yīng)的灰色預(yù)測(cè)模型值與觀測(cè)值對(duì)比圖, 見圖3。

3.2.2 Zn鈍化作用灰色預(yù)測(cè)模型的建立

同理可得, 重金屬Zn的預(yù)測(cè)值和模型檢驗(yàn)的有關(guān)參數(shù), 見表4; 計(jì)算得出重金屬Zn的鈍化效果灰色預(yù)測(cè)模型參數(shù)為a=-0.1386, u=16.0257, 得到灰色預(yù)測(cè)的GM(1,1)模型的響應(yīng)函數(shù)模型為

式(3)經(jīng)變換得到灰色預(yù)測(cè)模型為

同理, 結(jié)合表 5來(lái)綜合劃分模型預(yù)測(cè)精度的等級(jí), 結(jié)果顯示q=-0.028＜0.01, C=0.176＜0.35表明模型所得預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之差并不太離散, P=1＞0.95表明所有點(diǎn)的殘差與殘差平均值之差均小于給定值0.6745S1, 綜合衡量該預(yù)測(cè)模型的等級(jí)為Ⅰ級(jí), 即該灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型好, 并繪制相應(yīng)的灰色預(yù)測(cè)模型值與觀測(cè)值對(duì)比圖, 見圖3。

表4 Cu和Zn的鈍化效果觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值及有關(guān)參數(shù)Tab. 4 The observation values, forecast values and the relevant parameters about the passivation effect of heavy Metal Cu and Zn

表5 灰色模型精度檢驗(yàn)對(duì)照表[22]Tab. 5 Gray model accuracy test comparison table

4 討論

重金屬是否能給生態(tài)環(huán)境和人畜健康帶來(lái)危害,關(guān)鍵是其生物有效性。一般而言堆肥中重金屬存在的形態(tài)可分為水溶態(tài)、交換態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽和硫化物結(jié)合態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)等形態(tài)存在, 其中前 3種形態(tài)的生物有效性較高, 而后 2種形態(tài)的生物有效性較低[23-25]。重金屬生物有效性與重金屬的形態(tài)有密切關(guān)系： 可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞鐵錳氧化態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞殘?jiān)鼞B(tài)[22]。由于重金屬離子的生物有效性的大小即能被植物吸收的重金屬的多少?zèng)Q定著重金屬毒性的, 而植物能夠吸收的重金屬離子一般為水溶態(tài)和交換態(tài), 其他形態(tài)的重金屬離子則不易被植物吸收[17]。水溶態(tài)是重金屬中移動(dòng)性最強(qiáng)的形態(tài),是植物最易吸收也是對(duì)食物鏈污染潛力最大的形態(tài)[26]。DTPA提取態(tài)的重金屬含量與其生物有效性有很好的相關(guān)性, 所以被廣泛應(yīng)用于重金屬生物有效性。

目前對(duì)污泥等固體廢棄物堆肥過(guò)程中的重金屬污染狀況比較關(guān)注, 許多學(xué)者嘗試向污泥堆肥中添加不同的重金屬鈍化劑, 如石灰[27]、沸石[28]、風(fēng)化煤[16]、粉煤灰[29,30]、膨潤(rùn)土[31]等, 以減小其生物有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 并取得了大量卓有成效的研究結(jié)果。但對(duì)畜禽糞便中重金屬進(jìn)行鈍化的研究則較少見[32]。蔣強(qiáng)勇等[28]指出向豬糞中添加不同組合的鈍化劑沸石、粉煤灰、磷礦粉、鈣鎂磷肥等進(jìn)行堆肥, 均能提高對(duì)重金屬的鈍化能力。劉浩榮等[33]研究了添加沸石、海泡石和膨潤(rùn)土對(duì)高溫好氧堆肥處理中豬糞重金屬的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)堆肥處理后, 重金屬生物有效性降低。

已有研究表明, 竹醋液能顯著影響豬糞堆肥中重金屬形態(tài)的變化[34]。木醋液具有機(jī)酸、醛、酮、醇、酚及其衍生物等多種有機(jī)化合物, 因此具有很高的反應(yīng)活性, 能與環(huán)境中的重金屬離子發(fā)生絡(luò)合等作用, 對(duì)重金屬離子的生物活性具有很大影響。不同種類木醋液對(duì)不同重金屬有不同程度的影響,最佳鈍化劑料因重金屬種類而異。本研究中, 棉稈木醋液作為添加劑能夠有效地降低重金屬的活性, 能夠使遷移性較強(qiáng)的水溶態(tài)含量降低, 抑制生物的有效性, 對(duì)重金屬Cu和Zn的鈍化有積極的作用, 其中T4處理對(duì)重金屬Cu和Zn的鈍化效果均達(dá)到最好,分別為21.72%和33.11%。可能是由于棉稈木醋液含有的多種有機(jī)化合物, 對(duì)重金屬具有稀釋和中和的效果, 使之轉(zhuǎn)變成生物有效性更低的各種鹽類化合物, 說(shuō)明在一定范圍內(nèi), 添加比例越大轉(zhuǎn)換成化合物的重金屬就越多, 生物有效性就越低, 危害就越小。

圖3 重金屬Cu和Zn的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值Fig. 3 The forecast value and observation value of heavy metal Cu and Zn

灰色系統(tǒng)理論建模的主要任務(wù)是根據(jù)具體灰色系統(tǒng)的行為特征數(shù)據(jù), 充分開發(fā)并利用不多的數(shù)據(jù)中的顯信息和隱信息, 尋找因素間或因素本身的數(shù)學(xué)關(guān)系。事實(shí)上, 微分方程的系統(tǒng)描述了我們所希望辨識(shí)的系統(tǒng)內(nèi)部的物理或化學(xué)過(guò)程的本質(zhì)。試驗(yàn)結(jié)果顯示, 重金屬Cu的灰色預(yù)測(cè)模型為其模型精度合格; 重金屬Zn的灰色預(yù)測(cè)模型為其模型精度好。通過(guò)灰色預(yù)測(cè)模型可知, 該模型的適應(yīng)力強(qiáng), 模型的預(yù)測(cè)精度較高, 可以很好地棉稈木醋液對(duì)牛糞堆肥中重金屬的鈍化效果。

在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中, 除了考慮處理效果外, 還要考慮鈍化劑的原料來(lái)源。由于木醋液是農(nóng)林剩余物經(jīng)熱裂解后制得; 從來(lái)源上講, 我國(guó)農(nóng)林剩余物十分豐富[35], 這些剩余物為木醋液制取提供了充足的原料,用木醋液作為鈍化劑不僅可以變廢為寶, 還可以循環(huán)利用廢棄物資源, 對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。總之, 選擇棉稈木醋液作為鈍化劑是切實(shí)可行的; 采用灰色預(yù)測(cè)模型是合格的, 它有可能成為人們認(rèn)識(shí)客觀系統(tǒng)改造客觀系統(tǒng)的一個(gè)新型的理論工具。

5 結(jié)論

1) 牛糞堆肥處理時(shí), 棉稈木醋液作為鈍化劑對(duì)重金屬Cu和Zn鈍化效果均高度顯著對(duì)照組, 其中0.65%的棉稈木醋液添加比例對(duì)Cu和Zn的鈍化效果最好, 分別達(dá)到21.72%和33.11%。

3) 綜合而言, 可根據(jù)牛糞中所含重金屬情況,有針對(duì)性的選擇木醋液作為鈍化劑; 灰色系統(tǒng)理論系統(tǒng)描述了我們所希望辨識(shí)的系統(tǒng)內(nèi)部的物理或化學(xué)過(guò)程的本質(zhì), 故將鈍化劑與灰色系統(tǒng)理論結(jié)合起來(lái)的為重金屬處理技術(shù)提供理論依據(jù)。

[1] 田宜水. 中國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便資源沼氣生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(8)： 230-234.

[2] 王飛, 趙立欣, 沈玉君, 等. 華北地區(qū)畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬含量及溯源分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(19)：202-208.

[3] 鄭國(guó)砥, 陳同斌, 高定, 等. 好氧高溫堆肥處理對(duì)豬糞中重金屬形態(tài)的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2005, 25(1)： 6-9.

[4] 沈秀麗, 楊增玲, 韓魯佳. 畜禽糞便引發(fā)的重金屬污染的研究現(xiàn)狀[C]//中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 2011.

[5] 鄧聚龍. 灰色系統(tǒng)基本方法[M]. 武漢： 華中工學(xué)院出版社, 1987.

[6] 鄧聚龍. 多維灰色規(guī)劃[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)出版社, 1989.

[7] 鄧聚龍. 灰色系統(tǒng)理論教程[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)出版社, 1990

[8] 鄧聚龍. 灰色系統(tǒng)理論教程[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)出版社, 1990, 1-20.

[9] 劉思峰, 郭天榜, 黨耀國(guó). 灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用(第二版)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1999, 1-18.

[10] 劉思峰. 灰色系統(tǒng)理論的產(chǎn)生與發(fā)展[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 36(2)： 267-272.

[11] 劉思峰, 徐忠祥. 灰色系統(tǒng)研究新進(jìn)展[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)出版社, 1996, 1-10.

[12] 李吉進(jìn), 郝晉氓, 鄒國(guó)元, 等. 畜禽糞便高溫堆肥及工廠化生產(chǎn)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)導(dǎo)報(bào), 2004, 6(3)： 50-53.

[13] CANCAR J, MILACIC R, STRAZAR M, et al. Total metal concentrate-ons and partitioning of Cd, Cr, Cu, Fe, Ni and Zn in sewage sludge[J]. Science of Total Environment, 2000, 250： 9-19.

[14] LINDSAY W L, NORVELL W A. Development of a DTPA soil test for Zinc, Iron, Manganese and Copper[J]. Soil Science Society of America Journal, 1978, 42： 421-428.

[15] NAVARRO A F, CEGARRA J, ROIG, A, et al. Relationships between organic matter and carbon contents of organic wastes[J]. Bioresource Technology, 1993, 44(3)： 203-207.

[16] 張樹清, 張夫道, 劉秀梅, 等. 高溫堆肥對(duì)畜禽糞中抗生素降解和重金屬鈍化的作用[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(2)： 337-343.

[17] 宋新山, 鄧偉, 張琳. MATLAB在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2008, 204-205.

[18] 楊國(guó)義, 夏鐘文, 李芳柏, 等. 不同通風(fēng)方式對(duì)豬糞高溫堆肥氮素和碳素變化的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 04： 463-467.

[19] CAMPBELL C D, DARBYSHIRE J F. The composting of tree-bark in small reactors adiabatic and fixed temperature experiments[J]. Biological Wastes, 1990, 31(3)： 175-185.

[20] GB7959-87, 糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].

[21] 湯仲恩, 朱文玲, 吳啟堂. 環(huán)境條件對(duì)豬糞好氧堆肥過(guò)程的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2006, 05： 467-471.

[22] 卓金武, 魏永生, 秦健, 等. MATLAB在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011, 45-46.

[23] BLAIS J F, AUCLAIR J C, TYAGI R D, et al. Cooperation between two thiobacillus strains for heavy-metal removal from municipal sludge[J]. Canadian Journal of Microbiology, 1993, 38： 181-187.

[24] 何增明, 劉強(qiáng), 謝桂先, 等. 好氧高溫豬糞堆肥中重金屬砷、銅、鋅的形態(tài)變化及鈍化劑的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(10)： 2659-2665.

[25] 榮湘民, 宋海星, 何增明, 等. 幾種重金屬鈍化劑及其不同添加比例對(duì)豬糞堆肥重金屬(As, Cu, Zn)形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2009, 23(4)： 136-140.

[26] CHANG A C, PAGE A L, WARNEKE J E, et al. Sequential extraction of soil heavy metals following a sludge application[J]. Journal of Environmental Quality, 1984, 13(1)： 33-3.

[27] WONG J W C, FUNG S O, SELVAM A. Coal fly ash and lime addition en-hances the rate and efficiency of decomposition of food waste during composting[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(13)： 3324-3331.

[28] 蔣強(qiáng)勇, 劉強(qiáng), 榮湘民, 等. 不同鈍化劑對(duì)豬糞堆肥處理重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008, 34(6)： 708-712.

[29] 李國(guó)學(xué), 孟凡喬, 姜華, 等. 添加鈍化劑對(duì)污泥堆肥處理中重金屬(Cu、Zn、Mn)形態(tài)影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 5(1)： 105-111.

[30] 生駿, 陸文靜, 王洪濤. 粉煤灰對(duì)污泥堆肥過(guò)程和土地施用后交換態(tài)重金屬(Cu, Zn , Pb)的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2007, 28(6)： 1367-1371.

[31] 姚嵐, 王成端. 不同鈍化劑對(duì)污泥堆肥過(guò)程中重金屬形態(tài)的影響研究[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2008, 16(2)： 8-10.

[32] 李榮華, 張萌, 秦睿, 等. 粉煤灰和豬糞好氧混合堆肥過(guò)程中銅鋅化學(xué)形態(tài)的變化[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2012, 30(6)： 186-193.

[33] 劉浩榮, 宋海星, 榮湘民, 等. 鈍化劑對(duì)好氧高溫堆肥處理豬糞重金屬含量及形態(tài)的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2008, 24(3)： 74-80.

[34] 李國(guó)學(xué), 張福鎖. 固體廢棄物堆肥化與有機(jī)復(fù)混肥生產(chǎn)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.

[35] 劉榮章, 曾玉榮, 翁志輝, 等. 我國(guó)生物質(zhì)能源開發(fā)技術(shù)與策略[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2006, 04： 40-45.

The passivation effect prediction model of wood vinegar on heavy metals (Cu, Zn) during cow dung compost process based on gray system theory

ZHOU Ling1,2, LI Zhiyu1, SHI Changqing3*, LIU Fei2, SUN Jinlong2, QIN Cuilan4, WANG Leiyuan4

1. College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China
2. The Key Laboratory of Modern Agricultural Engineering under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar 843300, China
3. College of Animal Science, Tarim University, Alar 843300, China
4. Southern Agricultural Mechanization Research Center of Tarim University, Alar 843300, China

In order to make the resource and harmless of animal manure, and to explore the influence rule of passivation effect of heavy metals during cow dung composting, we used cow dung for high temperature aerobic composting to research the effect of cotton stalk wood vinegar on heavy metals Cu and Zn. Because the composting process was one of the complicated processes of many factors,the factors space was hard to end, operation mechanism was not clear, and lack of information to determine the relationship. The grey system theory described the nature of the physical or chemical process within the system, offered a new way to solve such problems. The experimental results showed that cotton stalk wood vinegar added to heavy metals Cu and Zn passivation effect were highly significant as compared with the control group. Passivation ability of Cu was T4＞T3＞T4＞T2＞T1＞CK. Passivation ability of Zn was T4＞T3＞T5＞T2＞T1＞CK. Among them, the best passivation effect of heavy metal Cu and Zn was the cotton wood vinegar adding proportion of 0.65%, the values were 21.72% and 33.11%. Grey prediction model for Cu wasthe precision of the prediction model for Ⅰ level. Grey prediction model for Zn wathe precision of the prediction model for Ⅰ level.

composting; wood vinegar; GM(1,1); heavy metals; cow dung

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.023

S216

A

1008-8873(2016)01-147-07

2015-01-20;

2015-05-30

國(guó)家自然基金(51266014); 兵團(tuán)博士資金(2011BB012)資助

周嶺(1972—), 女, 四川人, 博士, 教授, 主要從事生物質(zhì)資源化利用工程。E-mail： zhoul-007@163.com*通信作者：石長(zhǎng)青, 男, 碩士, 副教授, 主要從事動(dòng)物醫(yī)學(xué)及畜禽糞便去污處理。E-mail： 1500584958@qq.com

周嶺, 李治宇, 石長(zhǎng)青, 等. 基于灰色系統(tǒng)理論的木醋液對(duì)牛糞堆制中重金屬(Cu、Zn)鈍化作用預(yù)測(cè)模型[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 147-153.

ZHOU Ling, LI Zhiyu, SHI Changqing, et al. The passivation effect prediction model of wood vinegar on heavy metals (Cu, Zn) during cow dung compost process based on gray system theory[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 147-153.