黑水虻處理城市剩余污泥技術的初探

張永恒　于文晴　朱子佳

摘 要：城市剩余污泥的安全處置已經成為一個全球性的難題，在發展資源循環型和環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今污泥處理的必然選擇。本研究采用單因素實驗設計，通過喂養不同比例污泥飼料來探究黑水虻生長發育狀況、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和實踐依據。

關鍵詞：城市剩余污泥;黑水虻;生長特性;重金屬轉移;污泥減重

隨著我國城鎮化進程的加速，城鎮污水處理廠的數量急劇增加，剩余污泥作為污水處理的必然產物，其產生量也在不斷增加，污泥處置已成為我國一個突出的環境問題。據統計，2018年中國污泥總產量為5665萬噸，GEPResearch預期到2020年中國污泥總產量將達到6177萬噸[1]。剩余污泥是由多種微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體[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]，一旦進入環境后，容易污染土壤、地下水和動植物，具有潛在生態風險[4，5，6]。因此，對污泥中重金屬污染特征進行研究，并評價其潛在風險及健康風險應引起高度重視。

目前我國現有的污泥處置方式如海洋投棄、土地填埋等均會產生一系列的環境問題。在發展資源循環型和環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，近年來被廣泛應用于廚余垃圾、雞糞、豬糞等一些腐殖質含量較高的殘余垃圾的處理[8]，實現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質等成分，可以為黑水虻提供適宜的生活環境，因此，提出利用黑水虻對城市剩余污泥進行處理。剩余污泥經簡單處理后可作為黑水虻幼蟲的飼料，蟲糞可作為有機肥直接用于農作物，實現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性、生長狀況以及在不同污泥投加比例下重金屬的轉移情況進行觀察、測定，探究黑水虻對剩余污泥資源化、減量化及轉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實驗材料

（1）黑水虻蟲卵

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

（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排出的的活性污泥，再經帶式壓濾機脫水后得到的固態剩余污泥。

（3）干麥麩

購于飼料原料經營店，是小麥加工面粉副產品，麥黃色，片狀或粉狀，實驗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。

1.2實驗方法

1.2.1黑水虻的飼養

將黑水虻幼蟲飼養在1000ml聚丙烯容器內，室內環境條件控制為溫度30℃±，相對濕度70%-80%，無強光照射。

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

實驗共設置6個實驗組，編號為1～6，各實驗組污泥及麩皮投加比例見表1.1。

各實驗組分別加入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.指標的測定

測定指標包括各齡期黑水虻的生長狀況（蟲重和蟲長）、黑水虻體內重金屬含量、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蛹期黑水虻體內的重金屬含量進行測定;

（3）處理后污泥混合物減重

當出現90%黑水虻幼蟲生長到預蛹期時，分離黑水虻預蛹和剩料，對處理后污泥混合物的減重進行測量，具體方法為：

m=∑m1-m2

其中：∑m1—各時期投加的飼料總重（干重）

m2—預蛹期分離后剩余飼料的質量

2.結果與討論

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時總重已經超過第二組，僅次于3、4組。由實驗結果可知黑水虻幼蟲發育狀態為：1、2、3組混合污泥中生長發育最好，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，前期發育較慢，而后期總重卻很大。這可能是因為幼蟲本身發育速度慢、消化能力弱、各種器官發育水平不完善，混合污泥中有害物質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了這種環境[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果偏重。可見，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。總體來看，黑水虻幼蟲在20%-40%污泥配比的人工飼料中發育較好，而污泥比例過高時，會使黑水虻生活環境產生一定偏差，對黑水虻的生長有一定抑制作用[11，12]。

2.3各階段黑水虻體內重金屬的轉移量

由圖2.3-圖2.8知，重金屬Cu、Cr在黑水虻體內的遷移量與污泥占比呈正相關，污泥占比為60%時蟲體內重金屬含量達到最高;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遷移到黑水虻體內最佳污泥占比為50%-60%;重金屬Ni遷移到黑水虻體內最佳污泥占比為20%-35%。經過與初始剩余污泥中重金屬含量的比對發現，處理后的重金屬基本轉移到蟲體內和殘留的蟲沙中[13]。

2.4污泥混合物處理后的減量

通過對實驗數據分析發現不同配合比實驗組減重情況如下：第4組減重最多為127.82g，可達約21.3%，明顯高于其他組實驗;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后期污泥板結使重量相比其他組會偏重，因此減重分析結果偏小。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.結論

經實驗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%飼養效果最好，26d后到爬蛹之間的幼蟲以為30%-40%飼養效果為最佳，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含量也相應增加，對于物質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、重金屬的轉移情況、污泥減重等多個角度綜合分析，初步認為污泥占比為40%的飼料為最佳污泥投放比例。

參考文獻

[1]《全球及中國污泥處理處置行業發展研究報告（2018）》.

[2]高廷耀，顧國維，周琪.水污染控制工程：下冊[M].3版.北京：高等教育出版社，2007.

[3]ReyndersH，BervoetsL，GeldersM，etal.2008.Accumulationandeffectofmetalsincagedcarpandresidentroachalongametalpollutiongradient.[J].ScienceoftheTotalEnvironment，391（1）：82-95.

[4]路慶斌，周立祥.污泥生物脫毒后土地利用對農作物及土壤環境的影響研究：田間實驗[J].環境科學學報，2007，27（10）：1663-1668.LUQing-bin，ZHOULi-xiang.Effectsoflandutilizationofbioleachingsludgeoncropgrowthandsoilproperties：Afieldtrial[J].ActaScientiaeCircumstantiae，2007，27（10）：1663-1668.

[5]ZhengN，LiuJS，WangQC，etal.2011.Mercurycontaminationduetzincsmeltingandchlor-alkaliproductioninNEChina[J].AppliedGeochemistry，26（2）：188-193.

[6]OlawoyinR，OyewoleSA，GraysonRL.2012.PotentialriskeffectfromelevatedlevelsofsoilheavymetalsonhumanhealthintheNigedelta.[J].EcotoxicologyandEnvironmentalSafety，85：120-130.

[7]陳傳政.超聲破解剩余活性污泥的實驗與理論研究[D].東北大學，2013.

[8]蕭鴻發，王國霞，彭凱，黃燕華.黑水虻生物學特點及其應用研究進展[J].廣東畜牧獸醫科技，2020，45（02）：27-33.

[9]紀佳雨，鄧玲聰，李廣東，李佩玉，許道軍.黑水虻的資源價值化及其開發應用研究進展[J/OL].經濟動物學報：1-9[2020-04-26].https：//doi.org/10.13326/j.jea.2019.1409

[10]胡志軍，劉寶鑒.生物污泥的特點及資源化的研究探討[J].浙江科技學院學報，2008，20（04）：279-283.

[11]馬加康，郭浩然，王立新.新鮮鴨糞對黑水虻幼蟲生長發育及糞便轉化率的影響[J].安徽科技學院學報，2016，30（01）：12-18.

[12]陳兆強，繆菲，孫錚，李榮，陳偉，趙建國.黑水虻幼蟲在不同比例牛糞與麩皮混合基質中生長規律的研究[J].熱帶農業工程，2018，42（02）：7-10.

[13]高紅莉，張硌，李洪濤，周文宗.黃粉蟲幼蟲對城市污泥重金屬的積累作用[J].中國生態農業學報，2011，19（01）：150-154.