蠅蛆生物轉(zhuǎn)化廚余殘渣過程中的除臭方法研究＊

史東曉， 張樂樂，張小仙，陸燕中，徐 剛，王中秋

（1.常州市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，江蘇 常州 213171；2.常州維爾利生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 常州 213171）

1 引言

目前，國內(nèi)外廚余殘渣主流處理工藝主要有厭氧消化、好氧堆肥、飼料化、填埋和焚燒。昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是一種較新型的廚余殘渣處理工藝，由于其較高的減量化、資源化程度最近幾年受到越來越多的關(guān)注和研究。昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用蠅蛆、黑水虻和蚯蚓等資源性昆蟲，通過自身的取食行為和消化作用，將廚余殘渣中的有機成分在體內(nèi)腹化分解后用于自身生長發(fā)育［1-2］，經(jīng)采食后的廚余殘渣會以蟲沙形式從幼蟲體外排出，在此過程中廚余殘渣得到資源化利用。處置完成后的剩余物經(jīng)篩分得到幼蟲和蟲糞。幼蟲富含較高的蛋白質(zhì)，可用來加工制備高附加值的昆蟲蛋白飼料，以作為復(fù)合飼料中魚粉的替代品。同時，幼蟲也富含較高脂肪，可用于深加工生物柴油［3-5］。蟲糞經(jīng)過腐熟堆肥處理后得到有機肥。因此，昆蟲生物轉(zhuǎn)化廚余殘渣技術(shù)是一種資源化程度較高的技術(shù)。

近些年，隨著昆蟲生物處理廚余垃圾產(chǎn)業(yè)化的逐步推進，其弊端也逐漸顯現(xiàn)。其中養(yǎng)殖區(qū)域的惡臭污染情況十分明顯且污染范圍較大，對無害化處置車間和廠區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境均產(chǎn)生一定程度的影響。惡臭氣體組分復(fù)雜，主要以含硫類有機物和胺類物質(zhì)為主，其中氨氣是臭氣的主要成分之一。氨氣是無色且有強烈臭味的氣體，對呼吸道黏膜和眼睛有刺激性［6-8］。臭氣物質(zhì)的嗅覺閾值較低，極易被人體的嗅覺器官感知，因此即使在較低濃度依然能讓人產(chǎn)生不悅的情緒，嚴(yán)重的則會引起惡心和嘔吐等癥狀［9-11］。因此，昆蟲生物轉(zhuǎn)化廚余殘渣過程中的臭氣控制至關(guān)重要，且臭氣問題逐漸成為制約產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外處理惡臭氣體的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物處理法［12-13］。物理方法除臭的研究主要集中在活性炭吸附方面。張景輝等［14］利用活性炭材料對廚余垃圾處理尾氣進行吸附，除臭效率高達(dá)99%?；瘜W(xué)除臭方法是利用氧化、燃燒等化學(xué)反應(yīng)使惡臭物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無味的物質(zhì)。單寧等［15］用高能離子氧化性除臭技術(shù)對污水處理廠進行除臭，結(jié)果顯示經(jīng)處理后氨氣、硫化氫和臭氣濃度均達(dá)到了國家排放標(biāo)準(zhǔn)。除物理法和化學(xué)法之外，近年來，生物處理方法作為一種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其中微生物除臭技術(shù)是近年來發(fā)展最快、除臭較為有效的新型除臭技術(shù)，其處理速度較快，除適應(yīng)性廣外還有抗菌功效，不會造成二次污染［16］。微生物除臭劑可利用微生物的新陳代謝作用降解惡臭、有毒有害氣體。Matusiak 等［17］利用3 株植物乳桿菌作為微生物菌劑對雞糞處理96 h 的結(jié)果顯示，甲胺、氨氣、異丁酸、硫化氫、三甲胺的降解率分別為73.1%、67.1%、60.9%、59.4%、59.2%。Li 等［18］利用Pseudomonas fluorescens、Enterococcus faecium、Bacillus subtilis、Bacillus megaterium、Leuconostoc mesenteroides、Lactobacillus plantarum等菌株制成微生物菌劑，結(jié)果顯示48 h 后對氨氣、硫化氫的降解率分別為94%、60%。Wang 等［19］利用硫桿菌Thiobacillus sp.Au7在pH =7、溫度為30 ℃條件下進行除臭實驗，結(jié)果顯示24 h 其對二甲基硫醚的降解率為100%。

因此，本實驗采用化學(xué)和生物方法進行蠅蛆生物轉(zhuǎn)化廚余殘渣過程除臭探究，以期改善養(yǎng)殖環(huán)境，同時為蠅蛆生物轉(zhuǎn)化廚余殘渣的產(chǎn)業(yè)化降本增效，進一步推進產(chǎn)業(yè)化向著更好的方向發(fā)展，為廚余殘渣的資源化處理掃清障礙。

2 材料和方法

2.1 實驗材料

蠅蛆小幼蟲和廚余殘渣均由常州維爾利餐廚廢棄物處理有限公司提供；輔料使用破碎后的細(xì)糠（稻殼），由常州雪堰鎮(zhèn)大米加工廠提供，含水率約為12%；長方形不銹鋼養(yǎng)殖槽，規(guī)格為9 m×1.2 m×0.2 m，由常州金源機械設(shè)備有限公司提供；生物活性菌種由江蘇飛慕有限公司提供。其他實驗儀器有：氨氣氣體分析儀GT3000-NH3，測量量程為0～75.8 mg/m3，分辨率可達(dá)0.007 mg/m3；日本新宇宙臭氣濃度測定儀XP-329，測量范圍為0～2 000；Edda Air PS-501T9 等離子殺菌除臭消毒機；噴霧器（3 L）；移液管5 mL。

2.2 實驗方法

將廚余殘渣50 kg、育雛料約5 kg 以及輔料麥麩4 kg 進行混合，調(diào)節(jié)原料含水率約為70%，通過多次加料方式，加入蠅蛆蟲卵75 g 進行養(yǎng)殖。在養(yǎng)殖過程中分別采用離子發(fā)生器除臭法、活性菌噴淋除臭法和固態(tài)發(fā)酵除臭法進行除臭效果對比。在養(yǎng)殖期間控制車間內(nèi)平均溫度約36 ℃，環(huán)境平均濕度62%，槽內(nèi)平均溫度42 ℃。實驗分為4 組。

空白對照組：即不采用任何除臭方法利用廚余殘渣養(yǎng)殖蠅蛆，每隔2 h 檢測氨氣濃度和臭氣濃度，記為0#。

離子發(fā)生器除臭法：即在實驗組旁邊放置1臺落地式Edda Air PS-501T9 等離子殺菌除臭消毒機，等離子殺菌除臭消毒機會產(chǎn)生各種活性粒子，這些活性粒子和臭氣分子碰撞結(jié)合，在電場作用下，使臭氣分子處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)臭氣分子獲得的能量大于其分子鍵能的結(jié)合能時，臭氣分子的化學(xué)鍵斷裂，直接分解成單質(zhì)原子或由單一原子構(gòu)成的無害氣體分子。同時產(chǎn)生的大量·OH、·HO2、·O等活性自由基和氧化性極強的O3，與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生成無害產(chǎn)物，從而達(dá)到除臭的目的。本次實驗每隔2 h 檢測氨氣濃度和臭氣濃度，記為1-1#。

活性菌噴淋除臭法：在養(yǎng)殖過程中將活性菌液均勻噴灑在物料表面?；钚跃凑站鷦盟?1∶1 000 的比例溶解于水中，裝在噴霧器中，搖勻后進行噴灑。噴灑量按照廚余殘渣∶除臭劑=3（kg）∶100（mL），噴灑時間為4 h/次。為了對比只噴灑水對除臭效果的影響，設(shè)置只噴灑水的對照組。只噴灑水組記為2-1#，噴灑活性菌劑組記為2-2#。

固態(tài)發(fā)酵除臭法：在廚余殘渣中加入1‰EM菌，常溫密閉發(fā)酵2～3 d 后，再開始養(yǎng)殖。在養(yǎng)殖過程中，每日添加混有除臭菌種的養(yǎng)料喂養(yǎng)蠅蛆。養(yǎng)料成分為EM 菌種∶紅糖∶玉米粉=1∶25∶1 000，將5‰ 養(yǎng)料拌入廚余殘渣中。投喂頻次為4 h/次。為了對比前期發(fā)酵對除臭效果的影響，設(shè)置只發(fā)酵不加除臭菌種的對照組。然后每隔2 h 檢測氨氣濃度和臭氣濃度。只發(fā)酵不加除臭菌種的對照組記為3-1#，發(fā)酵后加除臭菌種的實驗組記為3-2#。

2.3 測定指標(biāo)及方法

2.3.1 氨氣濃度和臭氣濃度分析

蠅蛆轉(zhuǎn)化廚余殘渣過程中產(chǎn)生的主要惡臭氣體為氨氣、硫化氫、二硫化碳、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚等，這類臭氣分子的濃度作為國家惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一個重要指標(biāo)，其削減率也是衡量除臭效果的指標(biāo)。本研究將選取臭氣濃度以及典型臭氣氨氣的凈化效率作為衡量除臭效果的重要指標(biāo)。在養(yǎng)殖期間，每天間隔2 h 檢測氨氣濃度和臭氣濃度。測定點位為距物料高約2 cm 處，每個點位在長度方向間隔約20 cm，每組試驗測試4～6 個點位，取數(shù)據(jù)平均值作為最后測評結(jié)果。

氨氣濃度參照HJ 533—2009 環(huán)境空氣和廢氣氨的測定納氏試劑分光光度法測試分析；臭氣濃度參照GB/T 14675—1993 空氣質(zhì)量惡臭的測定三點比較式臭袋法測試分析。

2.3.2 鮮蟲產(chǎn)量及品質(zhì)

蠅蛆生物轉(zhuǎn)化周期結(jié)束后，采用覆膜方式將蟲糞和蠅蛆幼蟲分離。蠅蛆幼蟲的質(zhì)量即為鮮蟲產(chǎn)量；蠅蛆幼蟲的水分、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維分別按GB/T 6435—2014 飼料中水分的測定、GB/T 6432—2018 飼料中粗蛋白的測定凱氏定氮法、GB/T 6433—2006 飼料中粗脂肪的測定和GB/T 6434—2006 飼料中粗纖維的含量測定過濾法進行測定。

2.3.3 廚余殘渣減量率

式中：M0、M1、M2、M3分別為處理前廚余殘渣質(zhì)量、育雛料量、輔料（麩皮）量、除臭劑量，M4為蟲糞質(zhì)量。

2.3.4 蟲糞安全性和營養(yǎng)指標(biāo)

蟲糞中的含水率、有機質(zhì)和總養(yǎng)分含量按NY 525—2012 有機肥料中的方法進行測定，蟲糞中的糞大腸菌群和蛔蟲卵死亡率分別按GB/T 19524.1—2004 肥料中糞大腸菌群的測定和GB/T 19524.2—2004 肥料中蛔蟲卵死亡率的測定中的方法進行測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 氨氣濃度和臭氣濃度分析

由圖1 可知，在養(yǎng)殖蠅蛆過程中，在第1 個夜間迎來第1 個氨濃度高峰值，在第3 天（即蠅蛆成熟時）達(dá)到峰值，同時可看出在夜間氨氣濃度數(shù)值偏大，結(jié)合蠅蛆的生長習(xí)性，可以判斷蠅蛆在代謝過程中，代謝越快產(chǎn)生的氨氣越多。因此在今后的實際生產(chǎn)中，對于除臭的時間和劑量選擇上，可以在夜間和蠅蛆成熟期加大除臭劑劑量，使除臭效果更好。

由圖1 和表1 可知，利用3 種除臭方法對廚余殘渣養(yǎng)殖蠅蛆過程進行除臭后，其氨氣濃度和臭氣濃度都有不同程度的降低。其中，離子發(fā)生器除臭法相比空白對照組（0#）對氨氣濃度的去除率為10.64%，對臭氣濃度的去除率達(dá)27.84%。這表明，離子發(fā)生器不僅去除了部分氨氣，同時對其他種類的臭氣有一定的去除效果。這一結(jié)果符合離子發(fā)生器的除臭原理。活性菌噴淋除臭法中的兩組試驗，相比空白對照組（0#）對氨氣濃度和臭氣濃度都有明顯的去除效果，這表明噴灑水和噴灑菌劑都有一定的除臭效果，但是噴灑菌劑組（2-2#）去除效果明顯高于只噴灑水組（2-1#）。這表明，噴灑活性菌劑對廚余殘渣養(yǎng)殖蠅蛆過程中產(chǎn)生臭味的去除效果更好。經(jīng)過計算可知，噴灑活性菌劑（2-2#）相比只噴灑水組（2-1#），其氨氣濃度的去除率提高了76.39%，對臭氣濃度的去除率提高了40.58%。固態(tài)發(fā)酵除臭法中的兩組試驗，相比空白對照組（0#）對氨氣濃度和臭氣濃度也都有明顯的去除效果，且發(fā)酵后再添加固態(tài)菌種養(yǎng)料組（3-2#）比只發(fā)酵不添加固態(tài)菌種養(yǎng)料組（3-1#）的去除效果更優(yōu)。經(jīng)過計算可知，3-2#組的氨氣濃度去除率相比3-1#組提升約39.66%，臭氣濃度去除率提高約19.43%。這表明廚余殘渣經(jīng)過菌種發(fā)酵后可以在一定程度上減少臭氣的產(chǎn)生，發(fā)酵后再添加活性菌劑的除臭效果更好。但是與活性菌噴淋組（2-2#）相比，噴淋活性菌除臭法效果最好。

圖1 不同除臭方法的氨氣濃度變化和臭氣濃度變化Figure 1 Change of ammonia concentration and odor index by different deodorization methods

通過表1 綜合對比可發(fā)現(xiàn)，3 種除臭方法對臭氣濃度去除率的最大值并沒有顯著差異，而噴淋活性菌除臭法（2-2#）的氨氣濃度的去除率相比空白對照組（0#）最高，可達(dá)65.84%，顯著高于其他除臭方法，因此，噴淋活性菌除臭法（2-2#）的除臭效果最佳。但是在實驗過程中，利用活性菌噴淋除臭時，會有部分蠅蛆爬出養(yǎng)殖槽，這可能是由于水的加入導(dǎo)致物料含水率偏高造成的。在實驗過程中，采用添加輔料以及在養(yǎng)殖槽上方加裝風(fēng)扇來控制蠅蛆外逃現(xiàn)象，效果較好。

表1 不同除臭方法的平均氨氣濃度和臭氣濃度去除率Table 1 Average ammonia concentration and odor index removal rate of different deodorization methods

3.2 鮮蟲產(chǎn)量及品質(zhì)

由表2 可知，采用3 種除臭方法所得鮮蟲產(chǎn)量與空白對照組相比并無明顯差異，但是采用活性菌除臭法的兩組實驗，無論是噴淋水組還是噴淋菌劑組，鮮蟲產(chǎn)量相比其他兩種除臭方法都有一定程度的降低，同時蟲糞含水率明顯偏高。這可能是由于活性菌除臭法的兩組實驗中均采用噴淋形式加入了相同量的水，導(dǎo)致物料含水率偏高，在實驗過程中可觀察到有部分蠅蛆外逃，從而導(dǎo)致鮮蟲產(chǎn)量有所降低。在實際工程應(yīng)用中可以考慮添加輔料來調(diào)節(jié)物料含水率從而避免蠅蛆外逃。且活性菌噴淋除臭組的鮮蟲產(chǎn)量和固態(tài)發(fā)酵、離子發(fā)生器除臭組差異并不顯著。同時以上各組中的鮮蟲粗蛋白含量為13.38%～13.52%，粗脂肪含量為7.17%～7.25%，粗纖維含量為3.26%～3.31%，蟲體含水率為72.6%～74.6%，各組蠅蛆鮮蟲的營養(yǎng)價值無明顯差異，這表明不同的除臭方法對鮮蟲的營養(yǎng) 組成無顯著影響，不影響后續(xù)鮮蟲的加工利用。

表2 不同除臭方法的鮮蟲產(chǎn)量與品質(zhì)Table 2 Fresh worm yield and quality of different deodorization methods

3.3 廚余殘渣減量率

由表3 可知，3 種除臭方法的廚余殘渣減量率與空白對照組相比差異并不顯著。其中活性菌噴淋除臭法的2-2#組廚余殘渣減量率最低，為73.4%，這可能是由于其噴淋方式導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)濕度增大，不利于蠅蛆的生長，減弱了蠅蛆對物料的代謝轉(zhuǎn)化，因此使得廚余殘渣的減量率有一定程度的降低。但是降低并不顯著，其減量率仍可以達(dá)到70% 以上，因此，活性菌噴淋除臭法對廚余殘渣的減量率影響甚微。

表3 不同除臭方法組的廚余殘渣濕質(zhì)量減量率Table 3 Reduction rate of wet mass of kitchen waste residue of different deodorization methods

3.4 蟲糞安全性指標(biāo)

不同除臭方法組的蟲糞有機肥安全性指標(biāo)見表4。其有機質(zhì)含量為80.2%～82.6%，含水率為28.98%～33.68%，總養(yǎng)分含量為5.66%～6.07%，pH 約為7.6，蛔蟲卵死亡率100%，糞大腸菌群數(shù)＜3.0 個/g，重金屬含量都達(dá)標(biāo)，可作為優(yōu)質(zhì)的有機肥原料使用。因此，3 種除臭方法對蟲糞的安全性指標(biāo)無顯著影響。

表4 不同除臭方法組的蟲糞有機肥安全性指標(biāo)Table 4 Safety index of insect manure organic fertilizer of different deodorization methods

4 總結(jié)

在蠅蛆轉(zhuǎn)化廚余殘渣過程中，離子發(fā)生器除臭、活性菌噴淋除臭和固態(tài)發(fā)酵除臭3 種除臭方法都有一定的除臭效果，但是活性菌噴淋除臭法總體來說對氨氣和臭氣的去除效果相對優(yōu)于另外兩種除臭方法。噴淋活性菌除臭對氨氣的去除率高達(dá)65.84%，對臭氣的去除率達(dá)21.32%。若需進一步提高除臭效果，可采用化學(xué)、生物等多種組合除臭方法，這有待深入研究。同時3 種除臭方法對鮮蟲產(chǎn)量、廚余殘渣減量率和蟲糞安全性都無顯著負(fù)面影響，不影響后續(xù)蟲和蟲糞的加工利用，因此，活性菌噴淋除臭法在理論上可用于蠅蛆轉(zhuǎn)化廚余殘渣車間除臭。但是活性菌噴淋除臭法也可能會導(dǎo)致蠅蛆外逃，產(chǎn)蟲率偏低或者蟲糞含水率偏高等問題，還需繼續(xù)探索研究，保證除臭的同時蠅蛆不會外逃。