黑水虻生物轉化過程典型污染氣體釋放規律分析

＊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進入厭氧系統產沼氣，另有一定比例的有機固渣進入排渣系統到焚燒廠處置，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轉換成自身物質具有周期短、資源利用率高，且經濟效益顯著[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，水虻幼蟲還能夠實現自我收集，可以直接用來養雞、鴨、蛙、龜等[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]。可見，利用黑水虻來處理餐廚垃圾是一項“環境友好型技術”。

在黑水虻養殖過程中，車間內會產生大量的惡臭氣體。Ermolaev等[7]在0.036m2小規模養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，發現在小規模轉化過程中并未檢測到氨氣的釋放。Parodi等[8]研究了黑水虻養殖過程中溫室氣體和氨氣的釋放情況，發現由氨氣釋放而損失的氮素占總氮質量的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生的廢氣組分以及各個組分產生、變化的規律進行系統性的研究。

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能源廠，廚余垃圾三相分離過程產生的沼渣。

（2）實驗設計。設置6個養殖箱實驗，分別編號為A1、A2、A3、B1、B2、B3，每個養殖箱里面鋪設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測，三個試驗組與三個空白對照組分別放置培養系統的兩側。培養系統空氣盡量保持暢通，同時實驗環境采用空調保溫，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多功能環境空氣質量監測系統。

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。

圖1 各組臭氣濃度-時間變化規律

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。由圖中數據可得出，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。總體上VOC的濃度呈現一個波動變化，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性有機化合物，降低有機垃圾發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生的污染氣體需要及時的采取措施進行去除。