本地铁铝副产物减少肉鸡养殖场通风扇附近烟尘沉积的磷流失外文翻译资料

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本地铁铝副产物减少肉鸡养殖场通风扇附近烟尘沉积的磷流失

Sheri L. Herron1, Andrew N. Sharpley2*, Kristofor R. Brye2, David M. Miller2

1Ecosustain, LLC, Dripping Springs, TX, USA

2Department of Crop, Soil, and Environmental Sciences, University of Arkansas, Fayetteville, AR, USA

环境保护学报,1026 - 1036

摘要

过量磷输入导致的流失引起诸多问题，富营养化引发的淡水危害仍然是普遍的环境问题。水流中磷和氮去除效率随时间降低是设计去除氮磷系统的常见问题。为了克服这个问题，如果在养分源头去除，从粉尘中去除磷会更有效。本文选择本地生产轮胎钢铁的副产物富铁红泥和饮用水处理厂的副产物铝渣进行除磷效果研究。使用57-L渗滤柱测试4cm、8cm和12 cm厚度的副产物的除磷效果。这些柱子先填充了指定厚度的副产品，在表面施加3 mm厚的鸡场粉尘，并且每隔1天接受6次、30 min模拟降雨（7 cm∙h^-1）。在6个模拟降雨事件中，RM和WT的8 cm厚度在增加的肉鸡房屋粉尘释放磷的吸附量方面优于其他厚度，分别去除了99％和96％的添加磷。RM和WT的12 cm厚度相比8 cm厚度的磷去除没有更多的益处。由于4 cm厚的WT处理不太有效（除去添加的磷的89％），8 cm厚度是现场测试的最佳厚度。具有大吸附容量的当地来源的材料能提供便利的、相对便宜的替代物，可用于从肉鸡舍排出的粉尘受影响的区域去除磷。

关键词

磷径流，家禽生产，赤泥，水质，水处理残余

1.介绍

尽管普遍采取了保护措施，但由于营养物质输入增加，特别是磷, 富营养化引起的淡水利用问题仍然存在^{[1] [2] [3]}。例如，在Lake Erie西部^{[4] [5]}和Florida^{[6] [7]}以及Gulf of Mexico北部的缺氧^{[8] [9] [10]}，有害藻华都与过量的磷有关。

在家禽生产设施周围土地的磷和氮流失主要有两个潜在污染源，一是从鸡舍排出的灰尘^[11]，二是清除和清理肉鸡时发现的垃圾^[7]。虽然粉尘和肉鸡垃圾具有相似的总磷浓度，但是由于粉尘磷的水溶性平均比垃圾中的水溶性高三倍，所以通风扇粉尘释放磷的影响更大^[12]。在雨水离开家禽生产区之前，从径流水中去除营养物可能是最经济的就地缓解做法。同样地，为了尽可能降低对环境的危害，在知道污染源的时候，在流域级别降低营养盐浓度的策略，要比在接受水体时去除营养盐成功的多。^{[13] [14] [15]}。

有大量研究已经评估了能吸收大量磷的材料以及包含这种材料的结构^{[16] [17]}。为了节省费用，磷固定材料最好产于当地，易于使用且便宜。基于此，两种副产品可以分组应用，一是称作赤泥（RM）或含铁滤饼，其主要由氧化铁和羟基氧化物组成，二是明矾基水处理（WT）残余物。

在这项研究中使用的副产品是来自 Arkansas西北部一家公司制造轮胎钢条过程产生的的铁滤饼RM，和由 Arkansas西北部的the Beaver Water District 在城市源头供水悬浮絮凝期间产生的明矾基WT。目前，这些材料的主要部分是土地填埋。这些材料的磷吸附特性和水力特性已被证明可以作为现场吸收磷的库^[11]。例如，Herron等人^[11] 报道，在用于固定肉鸡舍通风粉尘中的磷之前，RM和WT可分别吸附25和10 g P kg-1的副产物，其水力传导率为8.0和15.4 cm∙min-1 ^[18]。 但是，最好在接近实际环境条件下评估这些材料吸收固定通风粉尘里的磷的能力。

在模拟连续降雨到渗滤柱的条件下（7厘米∙hr^-1），本研究的目的是评估不同厚度（即，4 cm、8 cm和12 cm）RM和WT体积副产品能够吸附和保留从鸡舍风扇灰尘释放磷和氮的能力的。预计这两个副产品效果接近，但副产品的最佳厚度需要确定。

2.材料和方法

2.1 实验设计

具体假设是设计一个农场营养物去除系统，通过捕集源头营养物质，将雨水径流中的营养物质减少到可接受限度内。为验证这一假设，我们使用降雨模拟和小规模围护结构来测试从肉鸡房粉尘（BHD）中去出营养物质的各种副产品厚度。容器结构（即渗滤柱）是通过调整包含RM和WT副产物的56.8 -L桶而设计的。在每个渗滤柱的副产物表面施加灰尘，然后模拟降雨。收集的渗沥液用于化学分析。

2.2 列配置

RM和WT副产品的先前测试表明RM的直径为6 mm颗粒的水力传导率为123 cm 30 min^-1，而WT的6 mm颗粒的水力传导率为138 cm 30 min^-1。在一个25-yr, 30min的风暴事件期间（即每30分钟33厘米），这些水力传导率确定足以传输需要的落在邻近肉鸡房扇地面的降雨量。

使用56.8-L渗滤柱测试三种副产品厚度（即4 cm、8 cm和12 cm）。通过拆除27个56.8-L桶的底部来做柱子，桶的剩余部分留作指定的副产物厚度和顶部的7.6 cm的开放空间。将1.27 cm开口的焊接钢丝网连接到桶的底部，并将景观织物放置在钢丝网的顶部。副产品被放置在景观织物上。切割的桶放在未切割的56.8 L桶中，每个桶在侧面穿孔以让气流在实验期间捕获渗滤液（图1）。对每个副产物厚度处理组合做三次浸出实验，包括对没有粉尘和粉尘处理（即无副产物）。

根据Herron等人的描述，将来自Arkansas西北部的四个肉鸡设施的风扇百叶窗收集起来的粉尘完全混合^[12]。实验的粉尘施用率是基于直接测量在鸟类的一个生长周期（大约6周）期间沉降在邻近风扇出口地面上的粉尘厚度，平均每个群体3.2mm 。根据渗滤柱的表面积（638 cm^-2）和粉尘的估算容积密度（0.23 g·cm^-3），每种副产品厚度处理组合施用45.43 g粉尘。阿肯色大学农业诊断研究所对粉尘进行了分析，其中包含水溶态磷4312 mg·kg^-1,总磷10400 mg·kg^-1，铵态氮3785 mg·kg^-1，硝态氮277 mg·kg^-1和总氮 97600 mg·kg^-1。用手将粉尘均匀施加到每一列副产物的表面上。无副产品处理则将灰尘直接均匀施加到景观织物上。

2.3 降雨模拟

实验使用的降雨模拟器是基于Miller（1987）的设计。模拟器下方的区域尺寸为宽2.0 m长1.5 m。该框架由中空金属管构成，上面安装有直径25 mm的聚氯乙烯（PVC）供水管。聚氯乙烯挡风玻璃附在四周来限制风对降雨分布的影响。供水管上安装了由城市供水系统供水的供水管道。将210 mL·sec^-1流速的单个固定喷嘴（TeeJetTM 1 / 2HH-SS-5OWSQ，TeeJet，Glendale Heights，IL）安装在供水管道上，中心位于该框架顶部、渗滤液柱表面以上3 m处 ^[19]。使用低压调节器和充油压力表将水压保持在37.9 kPa（5.5 PSI）。在供水管中放置一个内联过滤器以防在输水过程中有颗粒堵塞管道和喷嘴。

将渗滤液柱随机放置在降雨模拟器下三个区域，每个处理组合的重复组（图2，图3）为一个区域。通过三次在渗滤柱的放置区域的模拟降雨验证降雨强度，确定分布均匀性，并测量降雨量。然后根据降雨均匀性测试的结果选择三个区域的确切位置。用Christiansen ^[20]描述的方法确定均匀系数，用百分数表示，公式为均匀系数= 100 *（1.0 - Sigma;d/ m * n），其中d是个体观测值的标准差，n是观测值^[21]。

根据国家磷研究项目^[19]，基于2-year 24 h的风暴速率以7 cm∙hr^-1的强度进行降雨模拟，总共收集30 min渗滤液。在第一次粉尘处理之前，渗滤柱进行30 min的模拟降雨量使其含水量相等。在第一次降雨模拟之后，将粉尘施加到每个柱的副产品表面，然后模拟降雨。六次连续粉尘施加后，以7cm∙hr^-1的速率进行30 min模拟降雨，同一组合在一天内处理。在典型实验的一年时间内（即生产六群鸡; ^[12]），施加粉尘量近似接近在肉鸡舍外的土壤上沉积的灰尘量。

2.4 化学分析

在每次模拟降雨后，从柱底部收集渗滤液。测定渗滤液量，在4℃贮存一个1-L子样品并在收集的24小时内分析。收集模拟降雨的水源样品，并同样保留用于分析。过滤40 ml渗滤液（0.45 um的膜），收集后立即在4℃贮存直至用钼蓝比色法^[22]分析水溶活性磷（DRP）。铵态氮（NH4-N）和硝态氮（NO3-N）通过流动注射比色分析(La-chat Instruments QuikChem 8500, Loveland, CO)。用12滴浓硫酸将125ml渗滤液酸化至pHle;2以保存样品，并在过硫酸盐 - 高压釜消化后分析总磷和总氮 ^[23]。总磷（TP）是由分光光度法测定 (Beckman Coulter, Pasadena, CA) ，总氮（TN）通过流动注射分析(Lachat Instruments QuickChem 8500, Loveland, CO)测定。125 ml样品在105℃烘箱干燥12个小时后，对固体颗粒进行重量分析。

2.5 统计分析

测试了TP并进行了均匀方差分析。因此，对TP浓度做双因素方差分析（ANOVA）来评估的副产物、副产物的厚度以及它们相互作用的影响。由于非均质方差，对DRP，NH4-N，NO3-N和TN的渗滤液浓度分别做单因素ANOVA分别评估副产品的各种厚度和各厚度不同副产品的影响。在plt;0.05的水平上所有的关系有统计学意义，除非另有说明。所有的统计分析使用Wolfram Mathematica (online beta ver-sion 2014, Wolfram, Champaign, IL)。

3 结果与讨论

3.1 模拟降雨分布

1、2和3区域中，由均匀系数决定的平均降雨量均匀性为分别为95％，94％和87%（表1）。另外，3个30 min，7 cm∙hr^-1的连续降雨的均匀系数为93％。因此，在模拟器覆盖区和单个模拟降雨事件中，降雨模拟器的渗滤柱配置有统一并可重复的降雨。例如，Humphry et al. ^[21] 和Miller ^[24] 认为均匀性系数在90％至93％之间是很好的，并且国家磷研究项目协议^[19]建议在标准化降雨模拟中均匀系数为85%或以上时使用与本研究相同的降雨模拟设备。

3.2 鸡舍粉尘处理副产物降雨模拟研究

RM所有厚度的渗沥液浓度范围为0.001-1.8 mg DRP L^-1, 0.28-16.7 mg TP L^-1, 0.6-442.5 mg NH 4 -N L^-1，0.0-4.8 mg NO 3 -N L^-1和5.5- 450.2 mg TN L^-1（表2）。WT所有厚度的渗沥液浓度范围为0.03至9.8 mg DRP L^-1，0.43至23.3 mg TP L^-1,51至307.3 mg NH 4 -N L^-1,0.0至114.0 mg NO 3 -N L^-1，以及0.4至346.6 mg TN L^-1（表2）。当不同厚度和副产品一起比较时，厚度、副产物类型以及它们的相互作用都会影响DRP、TP、NH4-N、NO3-N和TN的浓度（表2）（pgt; 0.05）。然而，当分别比较副产品的厚度和类型时，对4 cm和12 cm

副产品厚度（表2），RM的DRP浓度低于WT（p lt;0.05）。同样，对8 cm的副产品厚度，RM的NH4-N浓度也低于WT（p = 0.02）（表2）。此外，对于8 cm和12 cm的副产品厚度，RM的NO3-N浓度低于WT（p lt;0.002）。对比没有副产品和有副产品处理的粉尘渗滤液分析，这两种副产品8 cm厚的处理均有效减少了渗滤液TP，其中RM的粉尘吸收高达94%，WT高达87%（表3）。而对于氮，RM在减少渗滤液NH4-N

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