沼液臭氧滅菌效果及對養(yǎng)分的影響

孫加祥　吳華山　朱偉　李保全　邵春榮

摘要：利用臭氧對5個(gè)不同沼液處理[T1（原始新鮮沼液，從厭氧發(fā)酵罐直接排出，沒有經(jīng)過存放），T2（沼液經(jīng)過厭氧發(fā)酵罐排出后，存放1個(gè)月），T3（150目過濾貯存沼液，即將T2沼液經(jīng)過150目過濾），T4（50%T3沼液+50%水），T5（25%T3沼液+75%水）]進(jìn)行糞大腸桿菌滅活檢測。結(jié)果表明：T1～T5完全滅菌所需的時(shí)間分別為13、9、8、7、6 min；沼液經(jīng)臭氧滅菌后，全氮、全磷、全鉀和可溶性有機(jī)碳含量變化均不顯著，但其銨態(tài)氮含量和化學(xué)需氧量顯著減少。

關(guān)鍵詞：臭氧；滅菌；沼液

中圖分類號(hào)： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）01-0304-03

收稿日期：2013-05-27

基金項(xiàng)目：江蘇省南京市科技計(jì)劃（編號(hào)：201201023 ）。

作者簡介：孫加祥（1972—），男，江蘇大豐人，碩士，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)科技管理。E-mail：ofa@jaas.ac.cn。根據(jù)全國畜禽養(yǎng)殖量[1]和王方浩等關(guān)于中國畜禽糞便產(chǎn)生量估算方法[2]可知，2011年全國畜禽糞便年產(chǎn)生量已經(jīng)達(dá)到36億t左右，約為當(dāng)年固體廢棄物的2.6倍[3]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的主要污染源和污染防治的重點(diǎn)之一[4]。沼氣工程技術(shù)在處理有機(jī)廢棄物與得到可再生能源的同時(shí)，還能回收部分養(yǎng)分和碳物質(zhì)，并且有殺滅病原體的功能[5]。因此，它既是一項(xiàng)提供清潔能源、潛力巨大的生物質(zhì)能源工程[6]，也是改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要紐帶[7]。沼液中含有氮磷鉀等營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)及多種微量元素、氨基酸、激素、維生素等物質(zhì)[8-9]，在貯放中極易孳生有害病菌。目前，關(guān)于沼液中病原菌的研究還很少。Salminen等綜述了厭氧發(fā)酵工藝對有害生物的影響，認(rèn)為厭氧消化能夠殺滅病菌，高溫厭氧消化比中溫更有效，高溫型的厭氧消化能使糞大腸菌與沙門氏菌100%殺滅，而中溫型的消化池僅能使部分糞大腸菌與沙門氏菌殺滅[10]。根據(jù)葉小梅等調(diào)查結(jié)果可知，在常溫條件下，厭氧發(fā)酵僅能殺滅豬糞中93%的大腸桿菌，90%以上排放沼液中大腸桿菌數(shù)量超過國家標(biāo)準(zhǔn)[11]。2011年，歐洲出血性大腸桿菌疫情震驚了世界，疫情不僅造成4 000多例感染，而且給歐洲農(nóng)業(yè)帶來了巨大損失，疫情的致病菌株是一種罕見的大腸桿菌，至今疫情的源頭仍未查明[12-13]。因此，畜禽糞便與沼液農(nóng)田施用的安全性已引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。

直接關(guān)于沼液滅菌的研究鮮有報(bào)道，但關(guān)于污水滅菌的報(bào)道較多。由于沼液是污水發(fā)酵后的產(chǎn)物，因此也可以參照污水除菌方法。目前，幾種主流的污水滅菌方法為液氯滅菌[14]、二氧化氯滅菌[15]、紫外滅菌[16]和臭氧滅菌[17]。由于沼液滅菌后的用途主要是用于農(nóng)業(yè)灌溉或施肥，過量的氯會(huì)危害作物和土壤，顯然不能使用液氯和二氧化氯。紫外滅菌受水質(zhì)影響較大[18]，沼液有較高的濁度和色度，不適合紫外線滅菌。因此，只有臭氧滅菌相對適合。本研究以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地的沼液為研究對象，利用臭氧滅菌，研究臭氧對沼液的滅菌效果，為沼液的安全利用提供參考。

1材料與方法

1.1研究對象

沼液采自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地規(guī)?；i場的沼氣工程，該豬場采用“干清糞，水沖洗”的方法處理排泄物，清理出的糞便進(jìn)入肥料廠堆肥加工，糞尿及豬場沖圈水進(jìn)入沼氣工程厭氧發(fā)酵。沼氣工程反應(yīng)器為500 m3的UASB和CSTR厭氧發(fā)酵罐，水力滯留期（HRT）為10 d。本研究所用的沼液是從UASB厭氧發(fā)酵罐排出的沼液。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)5個(gè)處理：T1，原始新鮮沼液，從厭氧發(fā)酵罐直接排出，存放不超過12 h；T2，沼液經(jīng)過厭氧發(fā)酵罐排出后，存放1個(gè)月；T3，150目過濾貯存沼液，即將T2沼液經(jīng)過150目過濾；T4，50%T3沼液+50%水；T5，25%T3沼液+75%水。

不同處理沼液的pH值為7.2～7.8，為減少pH值對臭氧殺菌效果產(chǎn)生的影響，所有處理的pH值均用稀硫酸調(diào)至7.2。

1.3滅菌方式

利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧滅菌，環(huán)境溫度為17 ℃，臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)生量為20 g/h；利用50 L的塑料桶裝滿沼液，桶內(nèi)液面高度50 cm；則通入桶中的流量為6.67 mg/（L·min）。

1.4分析方法

分析樣品中的pH值、糞大腸桿菌群落數(shù)、懸浮物含量、全氮含量、銨態(tài)氮含量、全磷含量、全鉀含量、化學(xué)需氧量（COD）和可溶性有機(jī)碳（DOC）含量均按《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行分析。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SAS和Excel統(tǒng)計(jì)分析軟件。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理的理化性狀

將不同處理進(jìn)行理化分析，只分析T1、T2、T3等3個(gè)處理，其余2個(gè)處理均根據(jù)T3按比例折算，結(jié)果見表1。由表1可知，初始沼液（T1）的糞大腸桿菌群落數(shù)少于T2、T3，但T1的其余指標(biāo)均最高。沼液經(jīng)過濾后，懸浮物幾乎全部去除，但全氮、全磷、全鉀含量變化不顯著，表明養(yǎng)分幾乎都在沼液之中；COD和DOC含量顯著減少，主要是因?yàn)閼腋∥镆杂袡C(jī)成分為主。表1不同

2.2不同處理沼液中糞大腸桿菌殺滅效果

將臭氧發(fā)生器的管道通入沼液桶內(nèi)最底部，桶上部用保鮮膜封好，確保臭氧與沼液接觸時(shí)間最長。每通氣1 min，立即取少量沼液對其糞大腸桿菌群數(shù)進(jìn)行分析，得到該時(shí)段臭氧對糞大腸桿菌的滅菌率，結(jié)果見圖1。環(huán)境溫度、水體的pH值、有機(jī)物含量、濁度、無機(jī)離子含量等均對臭氧滅菌有一定的影響，臭氧可以降低水體中的COD和還原性[19-23]。由圖1可知，各處理臭氧滅菌時(shí)間越長，滅菌率越高。不同處理臭氧完全滅菌所用的時(shí)間差距較大，T1～T5完全滅菌所需的時(shí)間分別為13、9、8、7、6 min。雖然T1的大腸桿菌數(shù)不是最多，但完全滅菌所需的時(shí)間最長，這是因?yàn)樾迈r沼液剛經(jīng)過厭氧發(fā)酵，含有大量的還原性物質(zhì)，且COD較高，因此降低了臭氧的滅菌效果。從圖1還可以看出，在前2 min內(nèi)，T1沼液中的糞大腸桿菌含量幾乎沒有下降，可能是因?yàn)槌粞鮾?yōu)先與沼液中的還原性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，待還原性物質(zhì)逐步被氧化后，臭氧才對糞大腸桿菌具有殺滅作用。沼液經(jīng)過1個(gè)月的貯存后，其還原性大幅度降低，懸浮物含量和COD也減少，因此臭氧滅菌效率開始提高，從圖1可以看出，除T1外，其余處理在通臭氧開始，糞大腸桿菌就開始死亡。沼液經(jīng)過濾并稀釋后，進(jìn)一步降低了沼液中的有機(jī)物質(zhì)濃度，因此滅菌效果也相應(yīng)提高。雖然將過濾后的沼液稀釋了1、3倍，但臭氧滅菌時(shí)間并沒有按比例縮短，例如T4雖然是將T3稀釋1倍，但滅菌時(shí)間僅比T3縮短了1 min。因此，提高臭氧對沼液的滅菌效率并不是稀釋倍數(shù)越高越好，在本試驗(yàn)中對沼液不稀釋或僅稀釋1倍是比較合理的選擇。endprint

2.3通入臭氧后的養(yǎng)分變化

對T3處理滅菌前后的理化指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。表2顯示，經(jīng)過滅菌后，沼液全氮、全磷、全鉀和DOC的含量并沒有顯著變化。雖然根據(jù)已有的研究[19-23]可知臭氧會(huì)氧化水體中的有機(jī)物質(zhì)，但在本試驗(yàn)中DOC含量沒有顯著降低，這與朱世云等的研究結(jié)果[24]一致，說明在本試驗(yàn)條件下，表2T3沼液處理滅菌前后的理化指標(biāo)對比結(jié)果

由于臭氧發(fā)生量較小，與水體接觸時(shí)間較短，因而不能氧化沼液中的可溶性有機(jī)碳。

沼液中的銨態(tài)氮含量和COD顯著降低，銨態(tài)氮屬于還原性無機(jī)物質(zhì)，在臭氧的作用下易被氧化；COD是指在一定嚴(yán)格的條件下水中還原性物質(zhì)在外加強(qiáng)氧化劑的作用下被氧化分解時(shí)所消耗的氧化劑數(shù)量，它反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度，這些物質(zhì)包括有機(jī)物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等。但本試驗(yàn)沼液中的可溶性有機(jī)碳并沒有顯著變化，說明主要是沼液中的還原性無機(jī)鹽被氧化，從而降低了COD。

3結(jié)論

剛從厭氧發(fā)酵罐排出的新鮮沼液含有大量的還原性物質(zhì)，臭氧對其滅菌效果差，在通臭氧的前2 min內(nèi)幾乎沒有滅菌效果。沼液貯存1個(gè)月后，還原性物質(zhì)大量減少，滅菌時(shí)間顯著縮短；沼液經(jīng)過過濾和稀釋后，滅菌效果更好，但滅菌時(shí)間的縮短并不與沼液稀釋的倍數(shù)成正比例，建議選擇合適的稀釋倍數(shù)，避免浪費(fèi)。沼液經(jīng)臭氧滅菌后，其全氮、全磷和全鉀含量沒有顯著變化；銨態(tài)氮含量和COD顯著降低，但影響COD的主要指標(biāo)DOC含量卻沒有顯著變化，說明臭氧主要與沼液中的還原性無機(jī)鹽發(fā)生反應(yīng)。

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