黑水虻處理城市剩余污泥技術(shù)的初探

張永恒　于文晴　朱子佳

摘 要：城市剩余污泥的安全處置已經(jīng)成為一個全球性的難題，在發(fā)展資源循環(huán)型和環(huán)境友好型社會的背景下，剩余污泥的資源化與減量化成為當(dāng)今污泥處理的必然選擇。本研究采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計，通過喂養(yǎng)不同比例污泥飼料來探究黑水虻生長發(fā)育狀況、重金屬遷移情況及污泥的減重情況，確定了黑水虻處理剩余污泥的最佳污泥投放比例為40%。為今后黑水虻的有效利用及城市剩余污泥的資源化處理提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市剩余污泥;黑水虻;生長特性;重金屬轉(zhuǎn)移;污泥減重

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城鎮(zhèn)污水處理廠的數(shù)量急劇增加，剩余污泥作為污水處理的必然產(chǎn)物，其產(chǎn)生量也在不斷增加，污泥處置已成為我國一個突出的環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國污泥總產(chǎn)量為5665萬噸，GEPResearch預(yù)期到2020年中國污泥總產(chǎn)量將達(dá)到6177萬噸[1]。剩余污泥是由多種微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成的集合體[2]，其中含有一定的有毒重金屬成分，重金屬作為一種持久性潛在有毒污染物[3]，一旦進(jìn)入環(huán)境后，容易污染土壤、地下水和動植物，具有潛在生態(tài)風(fēng)險[4，5，6]。因此，對污泥中重金屬污染特征進(jìn)行研究，并評價其潛在風(fēng)險及健康風(fēng)險應(yīng)引起高度重視。

目前我國現(xiàn)有的污泥處置方式如海洋投棄、土地填埋等均會產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題。在發(fā)展資源循環(huán)型和環(huán)境友好型社會的背景下，剩余污泥的資源化與減量化成為當(dāng)今污泥處理的必然選擇[7，8]。

黑水虻作為一種腐食性生物，近年來被廣泛應(yīng)用于廚余垃圾、雞糞、豬糞等一些腐殖質(zhì)含量較高的殘余垃圾的處理[8]，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的無害化、資源化。剩余污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)等成分，可以為黑水虻提供適宜的生活環(huán)境，因此，提出利用黑水虻對城市剩余污泥進(jìn)行處理。剩余污泥經(jīng)簡單處理后可作為黑水虻幼蟲的飼料，蟲糞可作為有機(jī)肥直接用于農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)生化污泥的資源化利用[8，9，10]。

本研究主要通過對黑水虻在剩余污泥中的生活習(xí)性、生長狀況以及在不同污泥投加比例下重金屬的轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行觀察、測定，探究黑水虻對剩余污泥資源化、減量化及轉(zhuǎn)移污泥中重金屬的可行性，并確定黑水虻處理剩余污泥的最佳污泥投放比例。

1.材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

（1）黑水虻蟲卵

購自菏澤市曹縣克邁拉生物科技有限公司，形態(tài)上徑約1毫米，長橢圓形，初產(chǎn)時呈淡黃色到奶色，后期逐漸加深，每個卵團(tuán)大約包含有500個卵（用麥麩培養(yǎng)7d后作為實(shí)驗(yàn)用黑水虻幼蟲）。

（2）剩余污泥

取自山東省泰安市第一污水處理廠，采用AAO工藝從二次沉淀池排泥系統(tǒng)排出的的活性污泥，再經(jīng)帶式壓濾機(jī)脫水后得到的固態(tài)剩余污泥。

（3）干麥麩

購于飼料原料經(jīng)營店，是小麥加工面粉副產(chǎn)品，麥黃色，片狀或粉狀，實(shí)驗(yàn)中既可以作為黑水虻幼蟲的飼料，又可作為蓬松劑使用，延緩剩余污泥的板結(jié)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1黑水虻的飼養(yǎng)

將黑水虻幼蟲飼養(yǎng)在1000ml聚丙烯容器內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境條件控制為溫度30℃±，相對濕度70%-80%，無強(qiáng)光照射。

羽化后的成蟲飼養(yǎng)在蒙古包式蚊帳中，放入綠植及沾有蜂蜜水的海綿（為成蟲補(bǔ)充養(yǎng)分），羽化時室內(nèi)環(huán)境條件控制為溫度27℃±，相對濕度70%-75%。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置6個實(shí)驗(yàn)組，編號為1～6，各實(shí)驗(yàn)組污泥及麩皮投加比例見表1.1。

各實(shí)驗(yàn)組分別加入5g7-9日齡黑水虻幼蟲，分別在9d，17d，27d時添加污泥麩皮混合物，每組每次添加量均為為200g，共計600g。

1.2.2.指標(biāo)的測定

測定指標(biāo)包括各齡期黑水虻的生長狀況（蟲重和蟲長）、黑水虻體內(nèi)重金屬含量、處理后污泥混合物減重。

（1）黑水虻生長狀況

采用直接測量法，分別在幼蟲生長至9d、16d、26d、35d時隨機(jī)挑取10只幼蟲，測量蟲重和蟲長;

（2）重金屬含量

采用石墨爐原子吸收法，分別對處理前、后污泥中重金屬含量及預(yù)蛹期黑水虻體內(nèi)的重金屬含量進(jìn)行測定;

（3）處理后污泥混合物減重

當(dāng)出現(xiàn)90%黑水虻幼蟲生長到預(yù)蛹期時，分離黑水虻預(yù)蛹和剩料，對處理后污泥混合物的減重進(jìn)行測量，具體方法為：

m=∑m1-m2

其中：∑m1—各時期投加的飼料總重（干重）

m2—預(yù)蛹期分離后剩余飼料的質(zhì)量

2.結(jié)果與討論

2.1各階段黑水虻幼蟲的體重變化

由表2.1及圖2.1可知，第1階段（9d-16d），6個組的幼蟲蟲重相差不明顯，在16d時第2組最重，第1組次之，第6組最輕;第2階段（16d-26d），仍是第2組最重，第6組最輕，1、2、3組與4、5、6組差異顯著;第3階段（26d-35d），第3組幼蟲最重，而第6組迅速增長，到35d時總重已經(jīng)超過第二組，僅次于3、4組。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知黑水虻幼蟲發(fā)育狀態(tài)為：1、2、3組混合污泥中生長發(fā)育最好，個體比較飽滿，其次是第4、5組也較好，而第6組的幼蟲比較瘦小，前期發(fā)育較慢，而后期總重卻很大。這可能是因?yàn)橛紫x本身發(fā)育速度慢、消化能力弱、各種器官發(fā)育水平不完善，混合污泥中有害物質(zhì)或者重金屬的抑制等因素造成的。而到后期幼蟲一定程度上適應(yīng)了這種環(huán)境[11]，另外60%污泥配比的人工飼料密度較大，由于污泥粘性較大在稱量時有少量污泥粘附在蟲體表面致使稱量結(jié)果偏重?？梢?，黑水虻幼蟲體重的變化與不同污泥比例之間具有一定的相關(guān)性。

2.2各階段黑水虻幼蟲的蟲長變化

由表2.2及圖2.2可知，在第1階段（9d-16d），第2、3組黑水虻幼蟲蟲長變化最大，其他幾組發(fā)育相差不大;在第2階段（16d-26d），第2組黑水虻幼蟲蟲長變化最大，其次依次是3、1、4、5組，第6組蟲長變化最小;在第3階段（26d-35d），前四組黑水虻蟲長變化大，與后兩組比較差異顯著?？傮w來看，黑水虻幼蟲在20%-40%污泥配比的人工飼料中發(fā)育較好，而污泥比例過高時，會使黑水虻生活環(huán)境產(chǎn)生一定偏差，對黑水虻的生長有一定抑制作用[11，12]。

2.3各階段黑水虻體內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)移量

由圖2.3-圖2.8知，重金屬Cu、Cr在黑水虻體內(nèi)的遷移量與污泥占比呈正相關(guān)，污泥占比為60%時蟲體內(nèi)重金屬含量達(dá)到最高;重金屬Cd遷移量分布不均勻，最佳污泥占比為45%-50%;重金屬Pb遷移到黑水虻體內(nèi)最佳污泥占比為50%-60%;重金屬Ni遷移到黑水虻體內(nèi)最佳污泥占比為20%-35%。經(jīng)過與初始剩余污泥中重金屬含量的比對發(fā)現(xiàn)，處理后的重金屬基本轉(zhuǎn)移到蟲體內(nèi)和殘留的蟲沙中[13]。

2.4污泥混合物處理后的減量

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不同配合比實(shí)驗(yàn)組減重情況如下：第4組減重最多為127.82g，可達(dá)約21.3%，明顯高于其他組實(shí)驗(yàn);其次是第1組其減量為95.98g，第2、3、5組的減重量相差不大，依次為77.51g、87.01g、93.01g;而減量最少的是第6組減重量為49.65g，減重率為8.27%，這可能是由于污泥占比較多到飼養(yǎng)后期污泥板結(jié)使重量相比其他組會偏重，因此減重分析結(jié)果偏小。通過對不同比例飼料處理后的減量分析可以看出在污泥添加量為40%時，飼料的減重最佳。

3.結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究可知不同污泥投放比例會影響黑水虻幼蟲的體重及蟲長，但其生長狀況并不是完全隨著污泥添加量占比遞增而線性減弱的。在26d前以污泥添加量為20%-40%飼養(yǎng)效果最好，26d后到爬蛹之間的幼蟲以為30%-40%飼養(yǎng)效果為最佳，這表明后期適量的增加污泥添加量占比有利于黑水虻幼蟲的生長。

黑水虻對不同投放比例污泥中的各種重金屬處理效果不盡相同，采用40%左右的污泥投放比例可使黑水虻處理各種重金屬效果都保持較高水平。當(dāng)污泥投放比例為60%的幼蟲生長不理想，無論從蟲重、蟲長分析均比其他組的瘦小干癟，但對污泥中的重金屬Cu、Cr具有較好的處理能力[8]。隨著污泥投放比例的遞增，黑水虻的生長受到抑制，但由于飼料中重金屬等物質(zhì)含量也相應(yīng)增加，對于物質(zhì)的遷移卻有不錯的效果。

剩余污泥的減重分析表明污泥投放比例為40%時飼料的減重最佳，這與后期幼蟲生長發(fā)育較快，體重變化大是一致的，因此從黑水虻幼蟲的生長狀況、重金屬的轉(zhuǎn)移情況、污泥減重等多個角度綜合分析，初步認(rèn)為污泥占比為40%的飼料為最佳污泥投放比例。

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