黑水虻生物转化过程典型污染气体释放规律分析

＊马 聪

（上海城投老港基地管理有限公司 上海 202106）

我国每年湿垃圾产生量巨大，约为5000万吨，厌氧消化是湿垃圾集中式资源化处理的重要途径。厌氧消化工艺中，湿垃圾通过设备分选后的大部分有机质进入厌氧系统产沼气，另有一定比例的有机固渣进入排渣系统到焚烧厂处置，资源没有得到再利用，是目前餐厨垃圾处理行业的痛点。

黑水虻是双翅目水虻科昆虫[1]，能够快速消化餐厨垃圾，强效杀灭垃圾中的病菌，并将餐厨垃圾中的有机质转换成自身物质具有周期短、资源利用率高，且经济效益显著[2-3]。徐齐云等[4]研究证明，适宜条件下，前5d幼虫的体重增加了94.33倍，6～10d增长了7倍，在后10d增长了0.95倍，从孵化出幼虫到进入预蛹期，幼虫的体重增长了1486.67倍。此外，水虻幼虫还能够实现自我收集，可以直接用来养鸡、鸭、蛙、龟等[5]，也可以干燥粉碎替代鱼粉、豆粕等作为其它牲畜的饲料蛋白来源[6]。可见，利用黑水虻来处理餐厨垃圾是一项“环境友好型技术”。

在黑水虻养殖过程中，车间内会产生大量的恶臭气体。Ermolaev等[7]在0.036m2小规模养殖盒中研究黑水虻转化废弃食物过程中温室气体、氨气的释放情况，发现在小规模转化过程中并未检测到氨气的释放。Parodi等[8]研究了黑水虻养殖过程中温室气体和氨气的释放情况，发现由氨气释放而损失的氮素占总氮质量的1%。目前还没有研究者对于黑水虻处理厨余垃圾的过程中产生的废气组分以及各个组分产生、变化的规律进行系统性的研究。

1.实验与方法

（1）原料来源。本实验开展所用沼渣来源于上海老港生物质能源厂，厨余垃圾三相分离过程产生的沼渣。

（2）实验设计。设置6个养殖箱实验，分别编号为A1、A2、A3、B1、B2、B3，每个养殖箱里面铺设7cm的湿垃圾固渣。其中A1、A2、A3按照实际工程配比（1g虫卵:15000g物料），投放黑水虻虫卵；B1、B2、B3作为对照，无虫卵。

（3）实验条件。为保障臭源的有效监测，三个试验组与三个空白对照组分别放置培养系统的两侧。培养系统空气尽量保持畅通，同时实验环境采用空调保温，温度恒定在26～28℃。

（4）检测方法。本实验对过程中硫化氢、氨气、臭度、VOC、甲硫醇五种气体进行测定。检测仪器为便携式检测仪，检测仪器为GRAYWOLF多功能环境空气质量监测系统。

2.结果与讨论

（1）臭气浓度变化。由图1可知，在4月21日12:00到4月26日12:00之间，各组的臭气浓度总体出现一个先上升后下降的较大波动。4月23日12:00时，A3的臭气浓度达到最高值7529.200mg/m3，A1和A2也出现第二个小高峰，浓度超过了3000mg/m3，而未加黑水虻的B1、B2、B3三组的臭气浓度均处于低浓度状态。

图1 各组臭气浓度-时间变化规律

对空白组和试验组平均气体浓度计算可知，加入黑水虻的A组臭气浓度相对高于未加黑水虻的B组，并且在峰值时的臭气浓度（＞4000mg/m3）远高于空白对照组（＜2000mg/m3）。

（2）氨气浓度变化。由图2可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期间，前三天各组的NH3浓度基本相同，并且变化趋势一致。但是，在接下来的几天各组的NH3浓度随时间的变化波动相对较大，并且变化趋势出现明显的不同。其中A1、A2、A3的浓度和峰值相对更高，均达到了48.344mg/m3，除各别时间存在差异外，三组变化趋势基本一致。而未加黑水虻的B1、B2、B3三组NH3浓度变化波动大，总体浓度基本低于A组。

图2 各组NH3浓度-时间变化规律

（3）硫化氢浓度变化。由图3可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期间，6组实验的整体H2S浓度变化趋势基本一致。在4月20日12:00时，各组均达到一个H2S浓度波峰水平。其中浓度最高的是B1组，达到了3.601mg/m3；浓度最低的为A3组，浓度同样也有1.783mg/m3。从整体上看，排除个别时间点，无论是否加入黑水虻，对于车间内H2S浓度的影响变化不大，变化幅度基本保持一致。

图3 各组硫化氢浓度-时间变化规律

（4）甲硫醇浓度变化。由图4可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期间，各组的CH4S浓度总体变化趋势一致，但是波动较大。其中，在4月26日12:00前，基本上A组的CH4S浓度均大于B组，并且在4月22日12:00时，A1组的浓度达到1.025mg/m3，为各组的最高值。由图中数据可得出，尽管各组的CH4S浓度差异并不太大，基本上小于1mg/m3。但是在实验前期，可以明显看到加入黑水虻组的CH4S浓度普遍高于未加黑水虻的对照组，而在4月26日之后，加入黑水虻的车间CH4S浓度基本上比未加组的浓度更低。

图4 各组CH4S浓度-时间变化规律

（5）VOC浓度变化。由图5可知，在2023年4月19日至2023年5月6日期间，6组实验的VOC浓度变化趋势一致，各组间的差异不大。在4月21日12:00之前，B组的VOC浓度相对略高于A组；之后，A组的VOC浓度则高于B组，并且两者间的浓度差较前者大一些。总体上VOC的浓度呈现一个波动变化，浓度不断降低的趋势，但是在后期含有黑水虻的组分VOC浓度相对高一点，差异不大。

图5 各组VOC浓度-时间变化规律

3.结果与讨论

(1)结果

①与未加黑水虻虫卵的空白对照组相比，实验室氨气、硫化氢、甲硫醇、臭度、VOC五种典型气体浓度明显偏高，其浓度是空白对照组的1.2～4.6倍。表明，黑水虻生物转化是恶臭气体产生的主要原因。

②实验组中，氨气是主要污染气体，表明三相分离固渣生物转化过程中，氮素一部分转化为黑水虻幼虫的生物体蛋白，另外一部分转化为氨气。

(2)讨论

黑水虻幼虫可减少有机物中挥发性有机化合物，降低有机垃圾发酵过程中恶臭气味化合物的水平。Chen等[9]通过实验得出，与传统堆肥相比，黑水虻幼虫可降低72.63%～99.99%的CH4、99.68%～99.91%的N2O和82.30%～89.92%的NH3排放。因此，对于黑水虻生物转化过程中产生的污染气体需要及时的采取措施进行去除。