沼液臭氧灭菌效果及对养分的影响

孙加祥　吴华山　朱伟　李保全　邵春荣

摘要：利用臭氧对5个不同沼液处理[T1（原始新鲜沼液，从厌氧发酵罐直接排出，没有经过存放），T2（沼液经过厌氧发酵罐排出后，存放1个月），T3（150目过滤贮存沼液，即将T2沼液经过150目过滤），T4（50%T3沼液+50%水），T5（25%T3沼液+75%水）]进行粪大肠杆菌灭活检测。结果表明：T1～T5完全灭菌所需的时间分别为13、9、8、7、6 min；沼液经臭氧灭菌后，全氮、全磷、全钾和可溶性有机碳含量变化均不显著，但其铵态氮含量和化学需氧量显著减少。

关键词：臭氧；灭菌；沼液

中图分类号： X703文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）01-0304-03

收稿日期：2013-05-27

基金项目：江苏省南京市科技计划（编号：201201023 ）。

作者简介：孙加祥（1972—），男，江苏大丰人，硕士，副研究员，研究方向为农学与农业科技管理。E-mail：ofa@jaas.ac.cn。根据全国畜禽养殖量[1]和王方浩等关于中国畜禽粪便产生量估算方法[2]可知，2011年全国畜禽粪便年产生量已经达到36亿t左右，约为当年固体废弃物的2.6倍[3]。畜禽养殖业已经成为农村生态环境的主要污染源和污染防治的重点之一[4]。沼气工程技术在处理有机废弃物与得到可再生能源的同时，还能回收部分养分和碳物质，并且有杀灭病原体的功能[5]。因此，它既是一项提供清洁能源、潜力巨大的生物质能源工程[6]，也是改善农村生态环境、发展循环农业的重要纽带[7]。沼液中含有氮磷钾等营养元素、有机质及多种微量元素、氨基酸、激素、维生素等物质[8-9]，在贮放中极易孳生有害病菌。目前，关于沼液中病原菌的研究还很少。Salminen等综述了厌氧发酵工艺对有害生物的影响，认为厌氧消化能够杀灭病菌，高温厌氧消化比中温更有效，高温型的厌氧消化能使粪大肠菌与沙门氏菌100%杀灭，而中温型的消化池仅能使部分粪大肠菌与沙门氏菌杀灭[10]。根据叶小梅等调查结果可知，在常温条件下，厌氧发酵仅能杀灭猪粪中93%的大肠杆菌，90%以上排放沼液中大肠杆菌数量超过国家标准[11]。2011年，欧洲出血性大肠杆菌疫情震惊了世界，疫情不仅造成4 000多例感染，而且给欧洲农业带来了巨大损失，疫情的致病菌株是一种罕见的大肠杆菌，至今疫情的源头仍未查明[12-13]。因此，畜禽粪便与沼液农田施用的安全性已引起了社会的广泛关注。

直接关于沼液灭菌的研究鲜有报道，但关于污水灭菌的报道较多。由于沼液是污水发酵后的产物，因此也可以参照污水除菌方法。目前，几种主流的污水灭菌方法为液氯灭菌[14]、二氧化氯灭菌[15]、紫外灭菌[16]和臭氧灭菌[17]。由于沼液灭菌后的用途主要是用于农业灌溉或施肥，过量的氯会危害作物和土壤，显然不能使用液氯和二氧化氯。紫外灭菌受水质影响较大[18]，沼液有较高的浊度和色度，不适合紫外线灭菌。因此，只有臭氧灭菌相对适合。本研究以江苏省农业科学院六合基地的沼液为研究对象，利用臭氧灭菌，研究臭氧对沼液的灭菌效果，为沼液的安全利用提供参考。

1材料与方法

1.1研究对象

沼液采自江苏省农业科学院六合动物科学基地规模化猪场的沼气工程，该猪场采用“干清粪，水冲洗”的方法处理排泄物，清理出的粪便进入肥料厂堆肥加工，粪尿及猪场冲圈水进入沼气工程厌氧发酵。沼气工程反应器为500 m3的UASB和CSTR厌氧发酵罐，水力滞留期（HRT）为10 d。本研究所用的沼液是从UASB厌氧发酵罐排出的沼液。

1.2试验设计

设5个处理：T1，原始新鲜沼液，从厌氧发酵罐直接排出，存放不超过12 h；T2，沼液经过厌氧发酵罐排出后，存放1个月；T3，150目过滤贮存沼液，即将T2沼液经过150目过滤；T4，50%T3沼液+50%水；T5，25%T3沼液+75%水。

不同处理沼液的pH值为7.2～7.8，为减少pH值对臭氧杀菌效果产生的影响，所有处理的pH值均用稀硫酸调至7.2。

1.3灭菌方式

利用臭氧发生器产生臭氧灭菌，环境温度为17 ℃，臭氧发生器的臭氧产生量为20 g/h；利用50 L的塑料桶装满沼液，桶内液面高度50 cm；则通入桶中的流量为6.67 mg/（L·min）。

1.4分析方法

分析样品中的pH值、粪大肠杆菌群落数、悬浮物含量、全氮含量、铵态氮含量、全磷含量、全钾含量、化学需氧量（COD）和可溶性有机碳（DOC）含量均按《水和废水监测分析方法》进行分析。

1.5数据处理

数据处理采用SAS和Excel统计分析软件。

2结果与分析

2.1不同处理的理化性状

将不同处理进行理化分析，只分析T1、T2、T3等3个处理，其余2个处理均根据T3按比例折算，结果见表1。由表1可知，初始沼液（T1）的粪大肠杆菌群落数少于T2、T3，但T1的其余指标均最高。沼液经过滤后，悬浮物几乎全部去除，但全氮、全磷、全钾含量变化不显著，表明养分几乎都在沼液之中；COD和DOC含量显著减少，主要是因为悬浮物以有机成分为主。表1不同

2.2不同处理沼液中粪大肠杆菌杀灭效果

将臭氧发生器的管道通入沼液桶内最底部，桶上部用保鲜膜封好，确保臭氧与沼液接触时间最长。每通气1 min，立即取少量沼液对其粪大肠杆菌群数进行分析，得到该时段臭氧对粪大肠杆菌的灭菌率，结果见图1。环境温度、水体的pH值、有机物含量、浊度、无机离子含量等均对臭氧灭菌有一定的影响，臭氧可以降低水体中的COD和还原性[19-23]。由图1可知，各处理臭氧灭菌时间越长，灭菌率越高。不同处理臭氧完全灭菌所用的时间差距较大，T1～T5完全灭菌所需的时间分别为13、9、8、7、6 min。虽然T1的大肠杆菌数不是最多，但完全灭菌所需的时间最长，这是因为新鲜沼液刚经过厌氧发酵，含有大量的还原性物质，且COD较高，因此降低了臭氧的灭菌效果。从图1还可以看出，在前2 min内，T1沼液中的粪大肠杆菌含量几乎没有下降，可能是因为臭氧优先与沼液中的还原性物质发生反应，待还原性物质逐步被氧化后，臭氧才对粪大肠杆菌具有杀灭作用。沼液经过1个月的贮存后，其还原性大幅度降低，悬浮物含量和COD也减少，因此臭氧灭菌效率开始提高，从图1可以看出，除T1外，其余处理在通臭氧开始，粪大肠杆菌就开始死亡。沼液经过滤并稀释后，进一步降低了沼液中的有机物质浓度，因此灭菌效果也相应提高。虽然将过滤后的沼液稀释了1、3倍，但臭氧灭菌时间并没有按比例缩短，例如T4虽然是将T3稀释1倍，但灭菌时间仅比T3缩短了1 min。因此，提高臭氧对沼液的灭菌效率并不是稀释倍数越高越好，在本试验中对沼液不稀释或仅稀释1倍是比较合理的选择。endprint

2.3通入臭氧后的养分变化

对T3处理灭菌前后的理化指标进行分析，结果见表2。表2显示，经过灭菌后，沼液全氮、全磷、全钾和DOC的含量并没有显著变化。虽然根据已有的研究[19-23]可知臭氧会氧化水体中的有机物质，但在本试验中DOC含量没有显著降低，这与朱世云等的研究结果[24]一致，说明在本试验条件下，表2T3沼液处理灭菌前后的理化指标对比结果

由于臭氧发生量较小，与水体接触时间较短，因而不能氧化沼液中的可溶性有机碳。

沼液中的铵态氮含量和COD显著降低，铵态氮属于还原性无机物质，在臭氧的作用下易被氧化；COD是指在一定严格的条件下水中还原性物质在外加强氧化剂的作用下被氧化分解时所消耗的氧化剂数量，它反映了水中受还原性物质污染的程度，这些物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。但本试验沼液中的可溶性有机碳并没有显著变化，说明主要是沼液中的还原性无机盐被氧化，从而降低了COD。

3结论

刚从厌氧发酵罐排出的新鲜沼液含有大量的还原性物质，臭氧对其灭菌效果差，在通臭氧的前2 min内几乎没有灭菌效果。沼液贮存1个月后，还原性物质大量减少，灭菌时间显著缩短；沼液经过过滤和稀释后，灭菌效果更好，但灭菌时间的缩短并不与沼液稀释的倍数成正比例，建议选择合适的稀释倍数，避免浪费。沼液经臭氧灭菌后，其全氮、全磷和全钾含量没有显著变化；铵态氮含量和COD显著降低，但影响COD的主要指标DOC含量却没有显著变化，说明臭氧主要与沼液中的还原性无机盐发生反应。

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