黑水虻处理城市剩余污泥技术的初探

张永恒　于文晴　朱子佳

摘 要：城市剩余污泥的安全处置已经成为一个全球性的难题，在发展资源循环型和环境友好型社会的背景下，剩余污泥的资源化与减量化成为当今污泥处理的必然选择。本研究采用单因素实验设计，通过喂养不同比例污泥饲料来探究黑水虻生长发育状况、重金属迁移情况及污泥的减重情况，确定了黑水虻處理剩余污泥的最佳污泥投放比例为40%。为今后黑水虻的有效利用及城市剩余污泥的资源化处理提供理论基础和实践依据。

关键词：城市剩余污泥;黑水虻;生长特性;重金属转移;污泥减重

随着我国城镇化进程的加速，城镇污水处理厂的数量急剧增加，剩余污泥作为污水处理的必然产物，其产生量也在不断增加，污泥处置已成为我国一个突出的环境问题。据统计，2018年中国污泥总产量为5665万吨，GEPResearch预期到2020年中国污泥总产量将达到6177万吨[1]。剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体[2]，其中含有一定的有毒重金属成分，重金属作为一种持久性潜在有毒污染物[3]，一旦进入环境后，容易污染土壤、地下水和动植物，具有潜在生态风险[4，5，6]。因此，对污泥中重金属污染特征进行研究，并评价其潜在风险及健康风险应引起高度重视。

目前我国现有的污泥处置方式如海洋投弃、土地填埋等均会产生一系列的环境问题。在发展资源循环型和环境友好型社会的背景下，剩余污泥的资源化与减量化成为当今污泥处理的必然选择[7，8]。

黑水虻作为一种腐食性生物，近年来被广泛应用于厨余垃圾、鸡粪、猪粪等一些腐殖质含量较高的残余垃圾的处理[8]，实现了固体废弃物的无害化、资源化。剩余污泥中含有大量的有机质等成分，可以为黑水虻提供适宜的生活环境，因此，提出利用黑水虻对城市剩余污泥进行处理。剩余污泥经简单处理后可作为黑水虻幼虫的饲料，虫粪可作为有机肥直接用于农作物，实现生化污泥的资源化利用[8，9，10]。

本研究主要通过对黑水虻在剩余污泥中的生活习性、生长状况以及在不同污泥投加比例下重金属的转移情况进行观察、测定，探究黑水虻对剩余污泥资源化、减量化及转移污泥中重金属的可行性，并确定黑水虻处理剩余污泥的最佳污泥投放比例。

1.材料与方法

1.1实验材料

（1）黑水虻虫卵

购自菏泽市曹县克迈拉生物科技有限公司，形态上径约1毫米，长椭圆形，初产时呈淡黄色到奶色，后期逐渐加深，每个卵团大约包含有500个卵（用麦麸培养7d后作为实验用黑水虻幼虫）。

（2）剩余污泥

取自山东省泰安市第一污水处理厂，采用AAO工艺从二次沉淀池排泥系统排出的的活性污泥，再经带式压滤机脱水后得到的固态剩余污泥。

（3）干麦麸

购于饲料原料经营店，是小麦加工面粉副产品，麦黄色，片状或粉状，实验中既可以作为黑水虻幼虫的饲料，又可作为蓬松剂使用，延缓剩余污泥的板结。

1.2实验方法

1.2.1黑水虻的饲养

将黑水虻幼虫饲养在1000ml聚丙烯容器内，室内环境条件控制为温度30℃±，相对湿度70%-80%，无强光照射。

羽化后的成虫饲养在蒙古包式蚊帐中，放入绿植及沾有蜂蜜水的海绵（为成虫补充养分），羽化时室内环境条件控制为温度27℃±，相对湿度70%-75%。

实验共设置6个实验组，编号为1～6，各实验组污泥及麸皮投加比例见表1.1。

各实验组分别加入5g7-9日龄黑水虻幼虫，分别在9d，17d，27d时添加污泥麸皮混合物，每组每次添加量均为为200g，共计600g。

1.2.2.指标的测定

测定指标包括各龄期黑水虻的生长状况（虫重和虫长）、黑水虻体内重金属含量、处理后污泥混合物减重。

（1）黑水虻生长状况

采用直接测量法，分别在幼虫生长至9d、16d、26d、35d时随机挑取10只幼虫，测量虫重和虫长;

（2）重金属含量

采用石墨炉原子吸收法，分别对处理前、后污泥中重金属含量及预蛹期黑水虻体内的重金属含量进行测定;

（3）处理后污泥混合物减重

当出现90%黑水虻幼虫生长到预蛹期时，分离黑水虻预蛹和剩料，对处理后污泥混合物的减重进行测量，具体方法为：

m=∑m1-m2

其中：∑m1—各时期投加的饲料总重（干重）

m2—预蛹期分离后剩余饲料的质量

2.结果与讨论

2.1各阶段黑水虻幼虫的体重变化

由表2.1及图2.1可知，第1阶段（9d-16d），6个组的幼虫虫重相差不明显，在16d时第2组最重，第1组次之，第6组最轻;第2阶段（16d-26d），仍是第2组最重，第6组最轻，1、2、3组与4、5、6组差异显著;第3阶段（26d-35d），第3组幼虫最重，而第6组迅速增长，到35d时总重已经超过第二组，仅次于3、4组。由实验结果可知黑水虻幼虫发育状态为：1、2、3组混合污泥中生长发育最好，个体比较饱满，其次是第4、5组也较好，而第6组的幼虫比较瘦小，前期发育较慢，而后期总重却很大。这可能是因为幼虫本身发育速度慢、消化能力弱、各种器官发育水平不完善，混合污泥中有害物质或者重金属的抑制等因素造成的。而到后期幼虫一定程度上适应了这种环境[11]，另外60%污泥配比的人工饲料密度较大，由于污泥粘性较大在称量时有少量污泥粘附在虫体表面致使称量结果偏重。可见，黑水虻幼虫体重的变化与不同污泥比例之间具有一定的相关性。

2.2各阶段黑水虻幼虫的虫长变化

由表2.2及图2.2可知，在第1阶段（9d-16d），第2、3组黑水虻幼虫虫长变化最大，其他几组发育相差不大;在第2阶段（16d-26d），第2组黑水虻幼虫虫长变化最大，其次依次是3、1、4、5组，第6组虫长变化最小;在第3阶段（26d-35d），前四组黑水虻虫长变化大，与后两组比较差异显著。总体来看，黑水虻幼虫在20%-40%污泥配比的人工饲料中发育较好，而污泥比例过高时，会使黑水虻生活环境产生一定偏差，对黑水虻的生长有一定抑制作用[11，12]。

2.3各阶段黑水虻体内重金属的转移量

由图2.3-图2.8知，重金属Cu、Cr在黑水虻体内的迁移量与污泥占比呈正相关，污泥占比为60%时虫体内重金属含量达到最高;重金属Cd迁移量分布不均匀，最佳污泥占比为45%-50%;重金属Pb迁移到黑水虻体内最佳污泥占比为50%-60%;重金属Ni迁移到黑水虻体内最佳污泥占比为20%-35%。经过与初始剩余污泥中重金属含量的比对发现，处理后的重金属基本转移到虫体内和残留的虫沙中[13]。

2.4污泥混合物处理后的减量

通过对实验数据分析发现不同配合比实验组减重情况如下：第4组减重最多为127.82g，可达约21.3%，明显高于其他组实验;其次是第1组其减量为95.98g，第2、3、5组的减重量相差不大，依次为77.51g、87.01g、93.01g;而减量最少的是第6组减重量为49.65g，减重率为8.27%，这可能是由于污泥占比较多到饲养后期污泥板结使重量相比其他组会偏重，因此减重分析结果偏小。通过对不同比例饲料处理后的减量分析可以看出在污泥添加量为40%时，饲料的减重最佳。

3.结论

经实验研究可知不同污泥投放比例会影响黑水虻幼虫的体重及虫长，但其生长状况并不是完全随着污泥添加量占比递增而线性减弱的。在26d前以污泥添加量为20%-40%饲养效果最好，26d后到爬蛹之间的幼虫以为30%-40%饲养效果为最佳，这表明后期适量的增加污泥添加量占比有利于黑水虻幼虫的生长。

黑水虻对不同投放比例污泥中的各种重金属处理效果不尽相同，采用40%左右的污泥投放比例可使黑水虻处理各种重金属效果都保持较高水平。当污泥投放比例为60%的幼虫生长不理想，无论从虫重、虫长分析均比其他组的瘦小干瘪，但对污泥中的重金属Cu、Cr具有较好的处理能力[8]。随着污泥投放比例的递增，黑水虻的生长受到抑制，但由于饲料中重金属等物质含量也相应增加，对于物质的迁移却有不错的效果。

剩余污泥的减重分析表明污泥投放比例为40%时饲料的减重最佳，这与后期幼虫生长发育较快，体重变化大是一致的，因此从黑水虻幼虫的生长状况、重金属的转移情况、污泥减重等多个角度综合分析，初步认为污泥占比为40%的饲料为最佳污泥投放比例。

参考文献

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