生物炭负载绿色合成铁纳米复合材料在猪粪好氧堆肥中对镉的钝化机制研究

推荐：针对猪粪中重金属镉(Cd)污染问题，研究人员开发了以猪粪生物炭(PBC)为载体、茶树废叶提取物还原合成的铁纳米复合材料(PBC@G-nFe)，应用于堆肥过程。结果表明，5%添加量可使Cd残渣态含量提升31.91%，生物有效性降低57.65%，通过形成金属磷酸盐沉淀和有机络合实现钝化，为农业废弃物安全利用提供新方案。

　　

随着我国生猪养殖规模跃居全球首位，每年产生的40亿吨畜禽粪便中超过40%未经科学处理，而饲料添加剂导致猪粪中重金属污染问题尤为突出。其中镉(Cd)因其高迁移性和生态风险指数(RI)成为重点管控对象，东北和华东地区污染尤为严重。传统堆肥法虽能通过有机物分解产生的腐殖质钝化重金属，但存在辅料运输成本高、钝化效率低等瓶颈。

福建某研究机构团队创新性地提出"以废治废"策略，利用猪粪制备生物炭(PBC)作为载体，结合茶树修剪废料提取液还原合成的绿色纳米铁(G-nFe)，开发出PBC@G-nFe复合材料。该研究通过20天的恒温好氧堆肥实验发现，5%添加量可使Cd残渣态(Res)含量显著提升31.91%，生物有效性因子(BF)降低57.65%。相关成果发表于《Environmental Technology》，为源头控制农业面源污染提供了兼具经济性和生态性的解决方案。

研究采用扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料形貌，通过BCR连续提取法分析Cd形态转化，结合X射线衍射(XRD)解析钝化机制。实验设置6组对比，包括不同PBC@G-nFe添加量(0-5%)和Cd(II)浓度(0-0.6%)组合，监测堆肥过程中挥发固体(VSs)、有效磷(AP)等参数变化。

材料表征显示，PBC@G-nFe中铁纳米颗粒(50-100nm)均匀分散于生物炭孔隙，XPS证实零价铁和Fe₂O₃共存。堆肥动力学表明，添加组挥发性固体(VSs)降解率达24.86-25.94%，腐殖化指数(HA/FA)提升至2.14，显著高于对照组1.97。XPS磷精细谱证实，堆肥后期金属磷化物(128.5eV)完全转化为磷酸盐(133eV)，XRD显示P₂O₅峰消失，证实Cd₃(PO₄)₂沉淀形成。相关性分析揭示pH与Cd生物有效性呈显著负相关(r=-0.989)，而AP释放量与钝化效率正相关(r=0.992)。

该研究创新点在于：首次将绿色合成纳米技术与废弃物资源化相结合，开发的PBC@G-nFe兼具碳源补充和重金属钝化双重功能。成本核算显示，每吨堆肥产品增加成本8.6-25.3美元，显著低于微生物菌剂方案，且可产出高附加值铁肥。未来研究需优化工业化生产设备，并开展大田试验评估对土壤微生物组的长期影响。这项工作为构建"养殖-废弃物-改良剂"闭环体系提供了关键技术支撑，对推动农业绿色可持续发展具有重要实践意义。