蝇蛆生物转化厨余残渣过程中的除臭方法研究＊

史东晓， 张乐乐，张小仙，陆燕中，徐 刚，王中秋

（1.常州市环境卫生管理中心，江苏 常州 213171；2.常州维尔利生态农业发展有限公司，江苏 常州 213171）

1 引言

目前，国内外厨余残渣主流处理工艺主要有厌氧消化、好氧堆肥、饲料化、填埋和焚烧。昆虫生物转化技术是一种较新型的厨余残渣处理工艺，由于其较高的减量化、资源化程度最近几年受到越来越多的关注和研究。昆虫生物转化技术是利用蝇蛆、黑水虻和蚯蚓等资源性昆虫，通过自身的取食行为和消化作用，将厨余残渣中的有机成分在体内腹化分解后用于自身生长发育［1-2］，经采食后的厨余残渣会以虫沙形式从幼虫体外排出，在此过程中厨余残渣得到资源化利用。处置完成后的剩余物经筛分得到幼虫和虫粪。幼虫富含较高的蛋白质，可用来加工制备高附加值的昆虫蛋白饲料，以作为复合饲料中鱼粉的替代品。同时，幼虫也富含较高脂肪，可用于深加工生物柴油［3-5］。虫粪经过腐熟堆肥处理后得到有机肥。因此，昆虫生物转化厨余残渣技术是一种资源化程度较高的技术。

近些年，随着昆虫生物处理厨余垃圾产业化的逐步推进，其弊端也逐渐显现。其中养殖区域的恶臭污染情况十分明显且污染范围较大，对无害化处置车间和厂区周边的生态环境均产生一定程度的影响。恶臭气体组分复杂，主要以含硫类有机物和胺类物质为主，其中氨气是臭气的主要成分之一。氨气是无色且有强烈臭味的气体，对呼吸道黏膜和眼睛有刺激性［6-8］。臭气物质的嗅觉阈值较低，极易被人体的嗅觉器官感知，因此即使在较低浓度依然能让人产生不悦的情绪，严重的则会引起恶心和呕吐等症状［9-11］。因此，昆虫生物转化厨余残渣过程中的臭气控制至关重要，且臭气问题逐渐成为制约产业化发展的关键问题。目前国内外处理恶臭气体的方法主要有物理法、化学法和生物处理法［12-13］。物理方法除臭的研究主要集中在活性炭吸附方面。张景辉等［14］利用活性炭材料对厨余垃圾处理尾气进行吸附，除臭效率高达99%。化学除臭方法是利用氧化、燃烧等化学反应使恶臭物质转化为无味的物质。单宁等［15］用高能离子氧化性除臭技术对污水处理厂进行除臭，结果显示经处理后氨气、硫化氢和臭气浓度均达到了国家排放标准。除物理法和化学法之外，近年来，生物处理方法作为一种新技术被广泛应用，其中微生物除臭技术是近年来发展最快、除臭较为有效的新型除臭技术，其处理速度较快，除适应性广外还有抗菌功效，不会造成二次污染［16］。微生物除臭剂可利用微生物的新陈代谢作用降解恶臭、有毒有害气体。Matusiak 等［17］利用3 株植物乳杆菌作为微生物菌剂对鸡粪处理96 h 的结果显示，甲胺、氨气、异丁酸、硫化氢、三甲胺的降解率分别为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剂，结果显示48 h 后对氨气、硫化氢的降解率分别为94%、60%。Wang 等［19］利用硫杆菌Thiobacillus sp.Au7在pH =7、温度为30 ℃条件下进行除臭实验，结果显示24 h 其对二甲基硫醚的降解率为100%。

因此，本实验采用化学和生物方法进行蝇蛆生物转化厨余残渣过程除臭探究，以期改善养殖环境，同时为蝇蛆生物转化厨余残渣的产业化降本增效，进一步推进产业化向着更好的方向发展，为厨余残渣的资源化处理扫清障碍。

2 材料和方法

2.1 实验材料

蝇蛆小幼虫和厨余残渣均由常州维尔利餐厨废弃物处理有限公司提供；辅料使用破碎后的细糠（稻壳），由常州雪堰镇大米加工厂提供，含水率约为12%；长方形不锈钢养殖槽，规格为9 m×1.2 m×0.2 m，由常州金源机械设备有限公司提供；生物活性菌种由江苏飞慕有限公司提供。其他实验仪器有：氨气气体分析仪GT3000-NH3，测量量程为0～75.8 mg/m3，分辨率可达0.007 mg/m3；日本新宇宙臭气浓度测定仪XP-329，测量范围为0～2 000；Edda Air PS-501T9 等离子杀菌除臭消毒机；喷雾器（3 L）；移液管5 mL。

2.2 实验方法

将厨余残渣50 kg、育雏料约5 kg 以及辅料麦麸4 kg 进行混合，调节原料含水率约为70%，通过多次加料方式，加入蝇蛆虫卵75 g 进行养殖。在养殖过程中分别采用离子发生器除臭法、活性菌喷淋除臭法和固态发酵除臭法进行除臭效果对比。在养殖期间控制车间内平均温度约36 ℃，环境平均湿度62%，槽内平均温度42 ℃。实验分为4 组。

空白对照组：即不采用任何除臭方法利用厨余残渣养殖蝇蛆，每隔2 h 检测氨气浓度和臭气浓度，记为0#。

离子发生器除臭法：即在实验组旁边放置1台落地式Edda Air PS-501T9 等离子杀菌除臭消毒机，等离子杀菌除臭消毒机会产生各种活性粒子，这些活性粒子和臭气分子碰撞结合，在电场作用下，使臭气分子处于激发态。当臭气分子获得的能量大于其分子键能的结合能时，臭气分子的化学键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成的无害气体分子。同时产生的大量·OH、·HO2、·O等活性自由基和氧化性极强的O3，与有害气体分子发生化学反应，最终生成无害产物，从而达到除臭的目的。本次实验每隔2 h 检测氨气浓度和臭气浓度，记为1-1#。

活性菌喷淋除臭法：在养殖过程中将活性菌液均匀喷洒在物料表面。活性菌按照菌剂∶水=1∶1 000 的比例溶解于水中，装在喷雾器中，摇匀后进行喷洒。喷洒量按照厨余残渣∶除臭剂=3（kg）∶100（mL），喷洒时间为4 h/次。为了对比只喷洒水对除臭效果的影响，设置只喷洒水的对照组。只喷洒水组记为2-1#，喷洒活性菌剂组记为2-2#。

固态发酵除臭法：在厨余残渣中加入1‰EM菌，常温密闭发酵2～3 d 后，再开始养殖。在养殖过程中，每日添加混有除臭菌种的养料喂养蝇蛆。养料成分为EM 菌种∶红糖∶玉米粉=1∶25∶1 000，将5‰ 养料拌入厨余残渣中。投喂频次为4 h/次。为了对比前期发酵对除臭效果的影响，设置只发酵不加除臭菌种的对照组。然后每隔2 h 检测氨气浓度和臭气浓度。只发酵不加除臭菌种的对照组记为3-1#，发酵后加除臭菌种的实验组记为3-2#。

2.3 测定指标及方法

2.3.1 氨气浓度和臭气浓度分析

蝇蛆转化厨余残渣过程中产生的主要恶臭气体为氨气、硫化氢、二硫化碳、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚等，这类臭气分子的浓度作为国家恶臭污染物排放标准的一个重要指标，其削减率也是衡量除臭效果的指标。本研究将选取臭气浓度以及典型臭气氨气的净化效率作为衡量除臭效果的重要指标。在养殖期间，每天间隔2 h 检测氨气浓度和臭气浓度。测定点位为距物料高约2 cm 处，每个点位在长度方向间隔约20 cm，每组试验测试4～6 个点位，取数据平均值作为最后测评结果。

氨气浓度参照HJ 533—2009 环境空气和废气氨的测定纳氏试剂分光光度法测试分析；臭气浓度参照GB/T 14675—1993 空气质量恶臭的测定三点比较式臭袋法测试分析。

2.3.2 鲜虫产量及品质

蝇蛆生物转化周期结束后，采用覆膜方式将虫粪和蝇蛆幼虫分离。蝇蛆幼虫的质量即为鲜虫产量；蝇蛆幼虫的水分、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维分别按GB/T 6435—2014 饲料中水分的测定、GB/T 6432—2018 饲料中粗蛋白的测定凯氏定氮法、GB/T 6433—2006 饲料中粗脂肪的测定和GB/T 6434—2006 饲料中粗纤维的含量测定过滤法进行测定。

2.3.3 厨余残渣减量率

式中：M0、M1、M2、M3分别为处理前厨余残渣质量、育雏料量、辅料（麸皮）量、除臭剂量，M4为虫粪质量。

2.3.4 虫粪安全性和营养指标

虫粪中的含水率、有机质和总养分含量按NY 525—2012 有机肥料中的方法进行测定，虫粪中的粪大肠菌群和蛔虫卵死亡率分别按GB/T 19524.1—2004 肥料中粪大肠菌群的测定和GB/T 19524.2—2004 肥料中蛔虫卵死亡率的测定中的方法进行测定。

3 结果与分析

3.1 氨气浓度和臭气浓度分析

由图1 可知，在养殖蝇蛆过程中，在第1 个夜间迎来第1 个氨浓度高峰值，在第3 天（即蝇蛆成熟时）达到峰值，同时可看出在夜间氨气浓度数值偏大，结合蝇蛆的生长习性，可以判断蝇蛆在代谢过程中，代谢越快产生的氨气越多。因此在今后的实际生产中，对于除臭的时间和剂量选择上，可以在夜间和蝇蛆成熟期加大除臭剂剂量，使除臭效果更好。

由图1 和表1 可知，利用3 种除臭方法对厨余残渣养殖蝇蛆过程进行除臭后，其氨气浓度和臭气浓度都有不同程度的降低。其中，离子发生器除臭法相比空白对照组（0#）对氨气浓度的去除率为10.64%，对臭气浓度的去除率达27.84%。这表明，离子发生器不仅去除了部分氨气，同时对其他种类的臭气有一定的去除效果。这一结果符合离子发生器的除臭原理。活性菌喷淋除臭法中的两组试验，相比空白对照组（0#）对氨气浓度和臭气浓度都有明显的去除效果，这表明喷洒水和喷洒菌剂都有一定的除臭效果，但是喷洒菌剂组（2-2#）去除效果明显高于只喷洒水组（2-1#）。这表明，喷洒活性菌剂对厨余残渣养殖蝇蛆过程中产生臭味的去除效果更好。经过计算可知，喷洒活性菌剂（2-2#）相比只喷洒水组（2-1#），其氨气浓度的去除率提高了76.39%，对臭气浓度的去除率提高了40.58%。固态发酵除臭法中的两组试验，相比空白对照组（0#）对氨气浓度和臭气浓度也都有明显的去除效果，且发酵后再添加固态菌种养料组（3-2#）比只发酵不添加固态菌种养料组（3-1#）的去除效果更优。经过计算可知，3-2#组的氨气浓度去除率相比3-1#组提升约39.66%，臭气浓度去除率提高约19.43%。这表明厨余残渣经过菌种发酵后可以在一定程度上减少臭气的产生，发酵后再添加活性菌剂的除臭效果更好。但是与活性菌喷淋组（2-2#）相比，喷淋活性菌除臭法效果最好。

图1 不同除臭方法的氨气浓度变化和臭气浓度变化Figure 1 Change of ammonia concentration and odor index by different deodorization methods

通过表1 综合对比可发现，3 种除臭方法对臭气浓度去除率的最大值并没有显著差异，而喷淋活性菌除臭法（2-2#）的氨气浓度的去除率相比空白对照组（0#）最高，可达65.84%，显著高于其他除臭方法，因此，喷淋活性菌除臭法（2-2#）的除臭效果最佳。但是在实验过程中，利用活性菌喷淋除臭时，会有部分蝇蛆爬出养殖槽，这可能是由于水的加入导致物料含水率偏高造成的。在实验过程中，采用添加辅料以及在养殖槽上方加装风扇来控制蝇蛆外逃现象，效果较好。

表1 不同除臭方法的平均氨气浓度和臭气浓度去除率Table 1 Average ammonia concentration and odor index removal rate of different deodorization methods

3.2 鲜虫产量及品质

由表2 可知，采用3 种除臭方法所得鲜虫产量与空白对照组相比并无明显差异，但是采用活性菌除臭法的两组实验，无论是喷淋水组还是喷淋菌剂组，鲜虫产量相比其他两种除臭方法都有一定程度的降低，同时虫粪含水率明显偏高。这可能是由于活性菌除臭法的两组实验中均采用喷淋形式加入了相同量的水，导致物料含水率偏高，在实验过程中可观察到有部分蝇蛆外逃，从而导致鲜虫产量有所降低。在实际工程应用中可以考虑添加辅料来调节物料含水率从而避免蝇蛆外逃。且活性菌喷淋除臭组的鲜虫产量和固态发酵、离子发生器除臭组差异并不显著。同时以上各组中的鲜虫粗蛋白含量为13.38%～13.52%，粗脂肪含量为7.17%～7.25%，粗纤维含量为3.26%～3.31%，虫体含水率为72.6%～74.6%，各组蝇蛆鲜虫的营养价值无明显差异，这表明不同的除臭方法对鲜虫的营养 组成无显著影响，不影响后续鲜虫的加工利用。

表2 不同除臭方法的鲜虫产量与品质Table 2 Fresh worm yield and quality of different deodorization methods

3.3 厨余残渣减量率

由表3 可知，3 种除臭方法的厨余残渣减量率与空白对照组相比差异并不显著。其中活性菌喷淋除臭法的2-2#组厨余残渣减量率最低，为73.4%，这可能是由于其喷淋方式导致养殖区湿度增大，不利于蝇蛆的生长，减弱了蝇蛆对物料的代谢转化，因此使得厨余残渣的减量率有一定程度的降低。但是降低并不显著，其减量率仍可以达到70% 以上，因此，活性菌喷淋除臭法对厨余残渣的减量率影响甚微。

表3 不同除臭方法组的厨余残渣湿质量减量率Table 3 Reduction rate of wet mass of kitchen waste residue of different deodorization methods

3.4 虫粪安全性指标

不同除臭方法组的虫粪有机肥安全性指标见表4。其有机质含量为80.2%～82.6%，含水率为28.98%～33.68%，总养分含量为5.66%～6.07%，pH 约为7.6，蛔虫卵死亡率100%，粪大肠菌群数＜3.0 个/g，重金属含量都达标，可作为优质的有机肥原料使用。因此，3 种除臭方法对虫粪的安全性指标无显著影响。

表4 不同除臭方法组的虫粪有机肥安全性指标Table 4 Safety index of insect manure organic fertilizer of different deodorization methods

4 总结

在蝇蛆转化厨余残渣过程中，离子发生器除臭、活性菌喷淋除臭和固态发酵除臭3 种除臭方法都有一定的除臭效果，但是活性菌喷淋除臭法总体来说对氨气和臭气的去除效果相对优于另外两种除臭方法。喷淋活性菌除臭对氨气的去除率高达65.84%，对臭气的去除率达21.32%。若需进一步提高除臭效果，可采用化学、生物等多种组合除臭方法，这有待深入研究。同时3 种除臭方法对鲜虫产量、厨余残渣减量率和虫粪安全性都无显著负面影响，不影响后续虫和虫粪的加工利用，因此，活性菌喷淋除臭法在理论上可用于蝇蛆转化厨余残渣车间除臭。但是活性菌喷淋除臭法也可能会导致蝇蛆外逃，产虫率偏低或者虫粪含水率偏高等问题，还需继续探索研究，保证除臭的同时蝇蛆不会外逃。