黑水虻生物轉化過程典型污染氣體釋放規(guī)律分析

＊馬 聰

（上海城投老港基地管理有限公司 上海 202106）

我國每年濕垃圾產(chǎn)生量巨大，約為5000萬噸，厭氧消化是濕垃圾集中式資源化處理的重要途徑。厭氧消化工藝中，濕垃圾通過設備分選后的大部分有機質(zhì)進入?yún)捬跸到y(tǒng)產(chǎn)沼氣，另有一定比例的有機固渣進入排渣系統(tǒng)到焚燒廠處置，資源沒有得到再利用，是目前餐廚垃圾處理行業(yè)的痛點。

黑水虻是雙翅目水虻科昆蟲[1]，能夠快速消化餐廚垃圾，強效殺滅垃圾中的病菌，并將餐廚垃圾中的有機質(zhì)轉換成自身物質(zhì)具有周期短、資源利用率高，且經(jīng)濟效益顯著[2-3]。徐齊云等[4]研究證明，適宜條件下，前5d幼蟲的體重增加了94.33倍，6～10d增長了7倍，在后10d增長了0.95倍，從孵化出幼蟲到進入預蛹期，幼蟲的體重增長了1486.67倍。此外，水虻幼蟲還能夠?qū)崿F(xiàn)自我收集，可以直接用來養(yǎng)雞、鴨、蛙、龜?shù)萚5]，也可以干燥粉碎替代魚粉、豆粕等作為其它牲畜的飼料蛋白來源[6]?？梢?，利用黑水虻來處理餐廚垃圾是一項“環(huán)境友好型技術”。

在黑水虻養(yǎng)殖過程中，車間內(nèi)會產(chǎn)生大量的惡臭氣體。Ermolaev等[7]在0.036m2小規(guī)模養(yǎng)殖盒中研究黑水虻轉化廢棄食物過程中溫室氣體、氨氣的釋放情況，發(fā)現(xiàn)在小規(guī)模轉化過程中并未檢測到氨氣的釋放。Parodi等[8]研究了黑水虻養(yǎng)殖過程中溫室氣體和氨氣的釋放情況，發(fā)現(xiàn)由氨氣釋放而損失的氮素占總氮質(zhì)量的1%。目前還沒有研究者對于黑水虻處理廚余垃圾的過程中產(chǎn)生的廢氣組分以及各個組分產(chǎn)生、變化的規(guī)律進行系統(tǒng)性的研究。

1.實驗與方法

（1）原料來源。本實驗開展所用沼渣來源于上海老港生物質(zhì)能源廠，廚余垃圾三相分離過程產(chǎn)生的沼渣。

（2）實驗設計。設置6個養(yǎng)殖箱實驗，分別編號為A1、A2、A3、B1、B2、B3，每個養(yǎng)殖箱里面鋪設7cm的濕垃圾固渣。其中A1、A2、A3按照實際工程配比（1g蟲卵:15000g物料），投放黑水虻蟲卵；B1、B2、B3作為對照，無蟲卵。

（3）實驗條件。為保障臭源的有效監(jiān)測，三個試驗組與三個空白對照組分別放置培養(yǎng)系統(tǒng)的兩側。培養(yǎng)系統(tǒng)空氣盡量保持暢通，同時實驗環(huán)境采用空調(diào)保溫，溫度恒定在26～28℃。

（4）檢測方法。本實驗對過程中硫化氫、氨氣、臭度、VOC、甲硫醇五種氣體進行測定。檢測儀器為便攜式檢測儀，檢測儀器為GRAYWOLF多功能環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

2.結果與討論

（1）臭氣濃度變化。由圖1可知，在4月21日12:00到4月26日12:00之間，各組的臭氣濃度總體出現(xiàn)一個先上升后下降的較大波動。4月23日12:00時，A3的臭氣濃度達到最高值7529.200mg/m3，A1和A2也出現(xiàn)第二個小高峰，濃度超過了3000mg/m3，而未加黑水虻的B1、B2、B3三組的臭氣濃度均處于低濃度狀態(tài)。

圖1 各組臭氣濃度-時間變化規(guī)律

對空白組和試驗組平均氣體濃度計算可知，加入黑水虻的A組臭氣濃度相對高于未加黑水虻的B組，并且在峰值時的臭氣濃度（＞4000mg/m3）遠高于空白對照組（＜2000mg/m3）。

（2）氨氣濃度變化。由圖2可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期間，前三天各組的NH3濃度基本相同，并且變化趨勢一致。但是，在接下來的幾天各組的NH3濃度隨時間的變化波動相對較大，并且變化趨勢出現(xiàn)明顯的不同。其中A1、A2、A3的濃度和峰值相對更高，均達到了48.344mg/m3，除各別時間存在差異外，三組變化趨勢基本一致。而未加黑水虻的B1、B2、B3三組NH3濃度變化波動大，總體濃度基本低于A組。

圖2 各組NH3濃度-時間變化規(guī)律

（3）硫化氫濃度變化。由圖3可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期間，6組實驗的整體H2S濃度變化趨勢基本一致。在4月20日12:00時，各組均達到一個H2S濃度波峰水平。其中濃度最高的是B1組，達到了3.601mg/m3；濃度最低的為A3組，濃度同樣也有1.783mg/m3。從整體上看，排除個別時間點，無論是否加入黑水虻，對于車間內(nèi)H2S濃度的影響變化不大，變化幅度基本保持一致。

圖3 各組硫化氫濃度-時間變化規(guī)律

（4）甲硫醇濃度變化。由圖4可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期間，各組的CH4S濃度總體變化趨勢一致，但是波動較大。其中，在4月26日12:00前，基本上A組的CH4S濃度均大于B組，并且在4月22日12:00時，A1組的濃度達到1.025mg/m3，為各組的最高值。由圖中數(shù)據(jù)可得出，盡管各組的CH4S濃度差異并不太大，基本上小于1mg/m3。但是在實驗前期，可以明顯看到加入黑水虻組的CH4S濃度普遍高于未加黑水虻的對照組，而在4月26日之后，加入黑水虻的車間CH4S濃度基本上比未加組的濃度更低。

圖4 各組CH4S濃度-時間變化規(guī)律

（5）VOC濃度變化。由圖5可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期間，6組實驗的VOC濃度變化趨勢一致，各組間的差異不大。在4月21日12:00之前，B組的VOC濃度相對略高于A組；之后，A組的VOC濃度則高于B組，并且兩者間的濃度差較前者大一些?？傮w上VOC的濃度呈現(xiàn)一個波動變化，濃度不斷降低的趨勢，但是在后期含有黑水虻的組分VOC濃度相對高一點，差異不大。

圖5 各組VOC濃度-時間變化規(guī)律

3.結果與討論

(1)結果

①與未加黑水虻蟲卵的空白對照組相比，實驗室氨氣、硫化氫、甲硫醇、臭度、VOC五種典型氣體濃度明顯偏高，其濃度是空白對照組的1.2～4.6倍。表明，黑水虻生物轉化是惡臭氣體產(chǎn)生的主要原因。

②實驗組中，氨氣是主要污染氣體，表明三相分離固渣生物轉化過程中，氮素一部分轉化為黑水虻幼蟲的生物體蛋白，另外一部分轉化為氨氣。

(2)討論

黑水虻幼蟲可減少有機物中揮發(fā)性有機化合物，降低有機垃圾發(fā)酵過程中惡臭氣味化合物的水平。Chen等[9]通過實驗得出，與傳統(tǒng)堆肥相比，黑水虻幼蟲可降低72.63%～99.99%的CH4、99.68%～99.91%的N2O和82.30%～89.92%的NH3排放。因此，對于黑水虻生物轉化過程中產(chǎn)生的污染氣體需要及時的采取措施進行去除。