豬場沼液熱處理對病原微生物殺滅的關(guān)鍵因素研究

陳騰， 董紅敏， 張萬欽， 尹福斌

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

厭氧發(fā)酵作為農(nóng)業(yè)廢棄物處理和資源化利用的有效技術(shù)手段，已成為規(guī)?；i場廢棄物處理過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。厭氧發(fā)酵多采用中溫或常溫運行條件[2]，但是這種運行情況下產(chǎn)生的沼液可能會攜帶一部分病原微生物[3]，直接利用存在生物學(xué)風(fēng)險問題。為此，國內(nèi)外對沼液或養(yǎng)殖污水的消毒技術(shù)進行了一定研究，開發(fā)了多種物理和化學(xué)消毒方法，并對其消毒效果進行比較[4-5]。紫外線消毒技術(shù)在水質(zhì)條件較好情況下消毒效率較高、無需添加任何化學(xué)試劑、不產(chǎn)生副產(chǎn)物，但存在燈管壽命短、易出現(xiàn)光復(fù)活或暗復(fù)活現(xiàn)象、對水的透射率要求高的局限性，進入紫外線消毒裝置的污水透射率(T254)應(yīng)不小于60%[6-8]；臭氧消毒技術(shù)具有氧化性強、消毒能力強、可脫色除臭、無二次污染的優(yōu)勢，但存在臭氧不穩(wěn)定易分解、設(shè)備管理復(fù)雜、對水中懸浮物要求高等問題，懸浮物(suspended solid，SS)含量越小(<5 mg·L-1)，消毒效果越好[9]；二氧化氯消毒技術(shù)具有消毒效果好、廣譜性強的優(yōu)勢，是國際上公認(rèn)的氯系消毒劑中最理想的更新替代產(chǎn)品，但二氧化氯不穩(wěn)定，運輸不便，現(xiàn)場制備無法滿足大型污水處理，且產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物，色度、SS和化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)偏高影響消毒效果[10]。但是，如果用以上三種消毒技術(shù)對沼液進行消毒的話，沼液需進行預(yù)處理，才能達到較好的消毒效果。電解水消毒技術(shù)具有消毒效率高、廣譜性強的優(yōu)勢，但無論酸性電解水或中性電解水，其最終殺菌機理是通過電解產(chǎn)生氯氣溶于水生成次氯酸進行消毒[11]。超聲波消毒技術(shù)可去除有機物，對原水濃度要求低，無副產(chǎn)物，與其他工藝聯(lián)用效果倍增，但超聲波只能改變細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，而不能破壞其DNA，存在能量利用率低、消毒物品量小、難以大規(guī)模應(yīng)用、需與其他工藝聯(lián)用的局限性[12]。熱處理消毒技術(shù)具有消毒效果好、無副產(chǎn)物、工藝相對簡單的優(yōu)勢，但存在能耗相對較高、耐熱性強的微生物不易殺滅的局限性[13]。

沼液或養(yǎng)殖污水原液的SS一般在500 mg·L-1以上，上清液濁度在200 NTU以上，色度高，紫外線透射率(T254)基本為0。紫外線、二氧化氯、臭氧消毒技術(shù)對水質(zhì)要求較高，為了保證消毒效果，沼液必須進行預(yù)處理，從而提高了消毒成本[14-16]。二氧化氯、電解水消毒技術(shù)存在易產(chǎn)生副產(chǎn)物的問題[17-18]。超聲波消毒技術(shù)能量利用率低，很難在實際中大規(guī)模獨立應(yīng)用，與其他工藝聯(lián)合作用才能達到較好的效果[19]。相比之下，熱處理消毒技術(shù)憑借其消毒效果好、對水質(zhì)要求低、無消毒副產(chǎn)物、工藝相對簡單的優(yōu)勢，可作為強化沼氣工程后處理階段的消毒方式，彌補中/常溫厭氧發(fā)酵處理對沼液病原微生物處理不徹底的不足。歐盟動物副產(chǎn)物法規(guī)(EC 1774/2002)規(guī)定經(jīng)處理的糞肥和糞肥產(chǎn)品上市銷售，必須來自根據(jù)本條例經(jīng)主管當(dāng)局批準(zhǔn)的設(shè)有巴氏消毒/衛(wèi)生裝置的技術(shù)工廠、沼氣工廠或堆肥工廠處理，且必須經(jīng)過70 ℃以上加熱至少60 min的熱處理[20]。但是，Watanabe等[21]研究得出，對厭氧發(fā)酵后的有機廢物進行低于70 ℃的熱處理，也可有效殺滅發(fā)酵原料中大腸桿菌、沙門氏菌和腸球菌等。Coultry等[22]研究得出，60 ℃加熱60 min，70 ℃加熱60 min和80 ℃加熱30 min的熱處理都可以成功去除厭氧發(fā)酵后有機物中所有存活的大腸桿菌。Sahlstr?m等[13]研究得出，沼氣工廠的副產(chǎn)品在70 ℃熱處理30和60 min可有效減少病原菌、蛔蟲卵、豬水皰疹病毒以及指示生物。Turner和Burton[23]研究表明，熱處理消毒是最適合動物廢水的消毒技術(shù)，60 ℃維持30 min就足以使大多數(shù)病毒失活。但是，由于國外沼氣工程受補貼政策的影響，一般以生產(chǎn)能源為主，大多采用混合原料發(fā)酵，總固體含量一般在6%以上，為此，目前熱處理消毒相關(guān)研究中，熱處理的消毒對象或殺滅病原微生物種類較為寬泛，但一般溫度較高、時間也長、能耗相對較高。針對此問題，本研究以我國豬場沼液為試驗對象，通過考察熱處理消毒對不同總固體含量的沼液中特定病原微生物的消毒效果，探討在滿足熱處理消毒殺滅要求的前提下，降低熱處理消毒加熱溫度和時間，達到節(jié)能的目的，以期為規(guī)?；i場沼液深度處理及消毒處理后安全回用提供參考。

為了確保公共衛(wèi)生和環(huán)境安全，必須對沼液中病原微生物進行有效殺滅，歐盟熱處理消毒標(biāo)準(zhǔn)對處理后消化原料中病原微生物含量要求以及國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)病原微生物指標(biāo)參數(shù)如表1所示[20，24-27]，其中《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL368-2006)[24]再生水回用于農(nóng)業(yè)的要求最嚴(yán)格，要求糞大腸菌群數(shù)小于等于10·mL-1。本研究中沼液熱處理消毒病原微生物殺滅要求按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,糞大腸菌群數(shù)量單位用最大可能數(shù)(most probable number，MPN)表示，單位“MPN·mL-1”可近似等同于“·mL-1”，同時要求沙門氏菌每25 g不得檢出，蛔蟲卵≤2·L-1。

表1 部分污水處理標(biāo)準(zhǔn)中病原微生物指標(biāo)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自北京市順義區(qū)某沼氣服務(wù)站沼氣工程厭氧發(fā)酵夏季出水，沼液溫度(35±1)℃，為維持沼液中病原微生物的穩(wěn)定性，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，沼液當(dāng)天取樣，取回實驗室后通過添加去離子水將總固體含量(total solid，TS)分別調(diào)節(jié)至2%、4%、6%，該過程中未添加任何試劑，然后置于4 ℃冰箱中保存直至使用，以減少溫度對樣品的影響，6 h內(nèi)完成試驗并檢測。服務(wù)站沼氣工程連續(xù)運行，每隔15 d左右取用沼液一次，故各批次試驗沼液水質(zhì)存在一定差異。試驗用沼液水質(zhì)指標(biāo)見表2，可見，本研究豬場厭氧發(fā)酵沼液大腸菌群數(shù)平均為(1.02×105±3.99×104)CFU·mL-1、糞大腸菌群數(shù)平均為(9.90×104±6.11×104)MPN·mL-1，沙門氏菌每25 g未檢出，蛔蟲卵每10 L未檢出。由于沙門氏菌和蛔蟲卵未檢出，故本研究中沼液熱處理消毒效果只考察大腸菌群和糞大腸菌群兩種病原微生物指標(biāo)。

表2 試驗沼液水質(zhì)特性指標(biāo)

1.2 試驗裝置

由水浴鍋與500 mL燒杯組成熱處理消毒裝置，通過水浴加熱控制試驗沼液在不同加熱溫度和不同加熱時間下進行熱處理消毒。其中水浴鍋采用BioprocessXT 5018 GP精密高溫恒溫水浴鍋(瑞典碧普公司)，外形尺寸為480 mm×280 mm×200 mm(長×寬×高)，功率為1 500 W，溫控范圍及調(diào)溫精度為10～90 ℃和±0.05 ℃，溫度控制系統(tǒng)選用高精度傳感器和集成元件，性能穩(wěn)定。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1預(yù)試驗 首先進行總固體含量為4%的豬場沼液熱處理消毒預(yù)試驗，設(shè)置加熱溫度為50、60、70、80 ℃，從35 ℃升溫至設(shè)定試驗溫度后持續(xù)加熱，使4個設(shè)定溫度沼液維持15、30、45、60 min，以測定不同溫度、維持不同恒溫時間的殺菌效果。預(yù)試驗結(jié)果如表3所示。50 ℃維持60 min的沼液中大腸菌群數(shù)為(2.65×104±6.36×103)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(2.90×104±2.83×103)MPN·mL-1，無法達到《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL368-2006)再生水回用于農(nóng)業(yè)(以下簡稱“農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)”)中病原微生物殺滅要求。剛剛升溫至60 ℃時，沼液中大腸菌群數(shù)為(10±1.41)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(15.65±8.98)MPN·mL-1，如果不保持一定時間，也無法達到農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求；60 ℃維持30 min的沼液中大腸菌群數(shù)小于1 CFU·mL-1、糞大腸菌群數(shù)小于0.03 MPN·mL-1，可滿足農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求。升溫至70或80 ℃時，經(jīng)加熱處理后沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量均可滿足農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 不同加熱溫度、不同恒溫時間處理后沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量變化

1.3.2加熱溫度對沼液中病原微生物殺滅效果試驗 沼液TS含量為4%，從35 ℃升溫至設(shè)定試驗溫度，設(shè)置加熱溫度分別為52.5、55、57.5、60 ℃，進行豬場沼液熱處理試驗，各處理3次重復(fù)。

1.3.3加熱時間對沼液中病原微生物殺滅效果試驗 沼液TS含量為4%，加熱溫度分別為52.5、55、57.5、60 ℃，設(shè)置加熱時間分別為從35 ℃升溫至設(shè)定試驗溫度所用時間、維持15 min、維持30 min，進行豬場沼液熱處理試驗，各處理3次重復(fù)。

1.3.4沼液總固體對沼液中病原微生物殺滅效果試驗 沼液從35 ℃升溫至設(shè)定試驗溫度，加熱溫度分別為52.5、55、57.5、60 ℃，設(shè)置沼液TS含量分別為2%、4%、6%，進行豬場沼液熱處理試驗，各處理3次重復(fù)。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用STST程序?qū)?shù)據(jù)進行方差分析，該程序根據(jù)《田間試驗和統(tǒng)計方法》[34]中提供的方法編制，統(tǒng)計分析各因素對熱處理消毒效果的影響以及各因素間的交互作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 加熱溫度對沼液中病原微生物殺滅效果的影響

不同加熱溫度條件下沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量結(jié)果(圖1)顯示，隨著加熱溫度的升高，沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量呈逐漸降低趨勢。沼液由35 ℃開始加熱升溫，分別升溫至52.5、55 ℃時，沼液中大腸菌群數(shù)分別為(64 333.33±49 810.31)和(40 500.00±13 457.34)CFU·mL-1、糞大腸菌群數(shù)分別為(61 166.67±51 289.05)和(41 933.33±40 063.83)MPN·mL-1，無法滿足農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求；升溫至57.5 ℃時，沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量迅速減少，大腸菌群數(shù)為(316.67±166.57)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(480.00±234.52)MPN·mL-1，仍無法滿足農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求；升溫至60 ℃，沼液中大腸菌群數(shù)為(8.67±15.95)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(7.50±7.87)MPN·mL-1，可滿足農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求。加熱溫度對沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量影響的顯著性分析結(jié)果見表4，可見，加熱溫度因素對沼液熱處理的消毒效果有極顯著影響(P<0.01)，是沼液熱處理消毒的重要影響因素。

圖1 不同加熱溫度下沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量變化

表4 加熱溫度對沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量的影響

2.2 加熱時間對沼液中病原微生物殺滅效果的影響

不同加熱時間的沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量結(jié)果(圖2)顯示，同一加熱溫度條件下，隨著加熱時間的增加，沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量呈逐漸降低趨勢，當(dāng)加熱溫度在57.5 ℃及其以下時，較長的加熱時間仍無法滿足農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求。52.5 ℃維持30 min的沼液中大腸菌群數(shù)為(14 000±6 603.03)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(9 116.67±3 479.32)MPN·mL-1；55 ℃維持30 min的沼液中大腸菌群數(shù)為(2 418.33±1 772.57)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(3 688.33±3 148.72)MPN·mL-1；57.5 ℃維持30 min的沼液中大腸菌群數(shù)為(144.17±85.70)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(220.50±114.39)MPN·mL-1。升溫至60 ℃，沼液中大腸菌群數(shù)為(8.67±15.95)CFU·mL-1，糞大腸菌群數(shù)為(7.50±7.87)MPN·mL-1，達到農(nóng)業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)要求；60 ℃ 維持15 min，沼液中大腸菌群數(shù)小于 1 CFU·mL-1、糞大腸菌群數(shù)小于0.03 MPN·mL-1；60 ℃維持30 min，沼液中大腸菌群數(shù)和糞大腸菌群數(shù)無明顯變化。加熱時間對沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量影響的顯著性分析結(jié)果見表5，加熱時間因素對沼液熱處理消毒效果有極顯著影響(P<0.01)，是沼液熱處理消毒的重要影響因素。綜上，60 ℃維持15 min為豬場沼液熱處理的最佳消毒條件。

圖2 不同加熱溫度下不同加熱時間的沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量變化

表5 加熱時間對沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量的影響

2.3 沼液總固體含量對沼液中病原微生物殺滅效果的影響

TS含量為2%、4%、6%的沼液升溫至不同設(shè)定試驗溫度條件下沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量結(jié)果如表6所示，不同TS含量的沼液樣品升溫至不同設(shè)定試驗溫度，沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量隨沼液TS含量的升高呈上升趨勢。沼液TS含量對沼液中大腸菌群、糞大腸菌群數(shù)量影響的顯著性分析結(jié)果顯示，沼液TS含量因素對沼液熱處理消毒效果無顯著影響(P>0.05)。但在數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)，沼液TS含量對熱處理消毒過程中沼液升溫速度存在極顯著影響(P<0.01)(表7)。不同TS含量的沼液從35 ℃升溫至不同設(shè)定試驗溫度所耗時間結(jié)果(圖3)顯示，試驗所用300 mL TS含量為2%、4%、6%的沼液樣品在維持60 ℃的恒溫水浴鍋中從35 ℃升溫至60 ℃分別需要(17.7±0.58)(22.3±0.58)和(28±1)min?？梢?，不同TS含量的沼液樣品從35 ℃升溫至相同溫度所需時間不同。由此可推斷，在相同設(shè)定試驗溫度條件下，沼液TS含量越大，升溫速度越慢，所需加熱時間越長，能耗越高。

圖3 總固體含量對沼液升溫速度的影響

表6 不同加熱溫度下不同總固體含量的沼液中大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量

表7 總固體含量對沼液升溫時間的影響

3 討論

國內(nèi)現(xiàn)有的豬場沼氣工程多為中溫發(fā)酵，35～38 ℃的發(fā)酵條件難以將料液中病原微生物完全殺滅。本研究中，豬場沼氣工程厭氧發(fā)酵沼液中的大腸菌群數(shù)為(1.02×105±3.99×104)CFU·mL-1、糞大腸菌群數(shù)為(9.90×104±6.11×104)MPN·mL-1，存在較大的生物學(xué)風(fēng)險。采用熱處理消毒技術(shù)，當(dāng)加熱溫度達到60 ℃，維持15 min時，沼液病原微生物指標(biāo)檢測結(jié)果為大腸菌群數(shù)小于1 CFU·mL-1、糞大腸菌群數(shù)小于0.03 MPN·mL-1，滿足《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL368-2006)再生水回用于農(nóng)業(yè)病原微生物殺滅要求。與歐盟70 ℃條件下維持60 min的熱處理消毒標(biāo)準(zhǔn)相比，在保證消毒效果的前提下，降低了能耗。

從熱處理溫度角度分析，本研究發(fā)現(xiàn)，熱處理溫度60 ℃可以對大腸菌群、糞大腸菌群起到有效殺滅作用。Neyens和Baeyens[35]指出，當(dāng)溫度高于60 ℃，微生物的細(xì)胞即可被破壞。且有研究表明不同溫度下細(xì)胞被破壞的部位不同：在45～65 ℃時，細(xì)胞膜破裂，rRNA被破壞；50～70 ℃時，DNA被破壞；在65～90 ℃時，細(xì)胞壁被破壞；70～95 ℃，蛋白質(zhì)變性[36]。因此，當(dāng)病原微生物考察對象為大腸菌群和糞大腸菌群時，60 ℃的熱處理溫度可以滿足殺滅要求。從熱處理時間角度分析，與歐盟動物副產(chǎn)物法規(guī)(EC 1774/2002)70 ℃維持60 min的熱處理消毒標(biāo)準(zhǔn)相比，60 ℃維持15 min的熱處理時間較短。分析試驗過程可知，沼液從厭氧發(fā)酵出料溫度加熱至60 ℃的升溫時間沒有計算在內(nèi)，故本研究實際的沼液熱處理時間為升溫時間與恒溫時間(15 min)之和，而沼液升溫時間與熱處理沼液的體積以及TS含量存在直接關(guān)系，沼液體積和TS含量越大，所需升溫時間越長。本研究中TS含量為2%、4%、6%的沼液60 ℃熱處理消毒的升溫時間分別為17.7、22.3、和28 min，因此實際持續(xù)加熱時間為32.7、37.3、和45 min。