1、DOI：10.19965/ki.iwt.2022-0885第 43 卷第 7 期2023年 7 月Vol.43 No.7Jul.，2023 工业水处理Industrial Water Treatment62黑水虻幼虫生物转化技术处理污水厂污泥的研究进展强敬雯1，武双1，2，唐曼玉1，王晚晴1，2，华威1，2，甄新1，李春庚1，程艳玲1，2（1.北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023；2.生物质废弃物资源化利用北京市重点实验室，北京 100023）摘要 目前，用于处理污水厂污泥的化学处理、热处理、厌氧消化等处理技术存在成本较高的问题，阻碍了其在实际工程中的应用。黑水虻幼虫（BSFL）生
2、物转化技术具有对设备要求低、工艺简单、成本较低、可将污泥营养物质转化为生物量的优点，因此可作为无害化处理污泥的低成本替代技术，以减轻污泥处理的经济压力。综述了BSFL 生物转化技术处理污水厂污泥的现状、性能和局限性，详细讨论了其在碳回收、氮保存、减量化、病原菌抵抗力、重金属抗性等方面的性能，并针对污水厂污泥特性提出了添加共基质或采用发酵法以提高 BSFL生物转化率的策略，以期在减少产品碳足迹的同时，降低运行成本，进而实现污泥的资源化利用。关键词 黑水虻；污泥；生物转化；产品碳足迹；资源化利用中图分类号 X799.3；X703；X174 文献标识码 A 文章编号 1005-829X（2023）0
3、7-0062-08Research progress of the black soldier fly larvae biotransformation technology for sewage sludge treatmentQIANG Jingwen1，WU Shuang1，2，TANG Manyu1，WANG Wanqing1，2，HUA Wei1，2，ZHEN Xin1，LI Chungeng1，CHENG Yanling1，2（1.College of Biochemical Engineering，Beijing Union University，Beijing 100023，C
4、hina；2.Beijing Biomass Wastes Resource Utilization Key Laboratory，Beijing 100023，China）Abstract：At present，chemical treatment，heat treatment，anaerobic digestion and other treatment technologies used to treat sewage sludge have high cost problems，which hinder their application in practical engineerin
5、g.The biotransformation technology of black solider fly larvae（BSFL）has the advantages of low requirements for equipment，simple process，low cost，and can transform sludge nutrients into biomass.Therefore，it can be used as a low-cost alternative technology for harmless sludge treatment，so as to reduce
6、 the economic pressure of sludge treatment.The current status，performance and limitations of BSFL biotransformation technology in treating sewage sludge were reviewed.And its performance in carbon recovery，nitrogen conservation，reduction，pathogen resistance，heavy metal resistance and other aspects w
7、ere discussed in detail.According to the characteristics of sewage sludge，the strategy of adding co-substrate or adopting fermentation method to improve the biological transformation rate of BSFL was proposed.It was expected to reduce the carbon footprint of the product，reduce the operation cost，and
8、 then realize the resource utilization of sludge.Key words：black solider fly；sludge；biotransformation；product carbon footprint；resource utilization常规污水处理厂一般产生两类污泥，即初级污泥和二级污泥。二者在未经处理的情况下均含有大肠杆菌、沙门氏菌和肠球菌等大量病原体和细菌1，且其有机质和重金属含量较高，若直接施用于土壤，可能会导致有机物和重金属淋滤到土壤中，最终渗入地下水2。此外，污泥还会自然进行厌氧消化，并释放 NH3和 H2S 等挥发性化合物，
9、从而产生难闻的气味3。基金项目 国家重点研发计划重点专项（2022YFC3902403）；北京市教委科技计划项目（KM201711417001）；北京市优秀人才培养项目（2018000020124G074）；北京联合大学绿色校园专项（ZK50202101）；北京联合大学研究生科研创新资助项目（YZ2020K001）；北京联合大学科研项目（ZK130202103，JB202101，XP202004）开放科学（资源服务）标识码（OSID）：63工业水处理 2023-07，43（7）强敬雯，等：黑水虻幼虫生物转化技术处理污水厂污泥的研究进展污泥处理技术可分为3大类，即化学处理、热处理和生物处理，表1
10、总结了这3类方法的优点和局限性2-4。由表1可知，化学处理法污泥残渣产量高，操作成本高，而热处理法也存在成本较高的问题，导致其在发展中国家的采用率较低4。生物处理法可利用细菌、蠕虫和昆虫幼虫等活生物体加速污泥中有机物的分解5，与热处理相比，它不仅具有强减重能力，且运行所需成本更低，还能回收碳源并将其转化为生物燃料，亦可将氮保留在处理过的污泥残渣中6。在生物处理法中，相比厌氧消化和好氧堆肥技术，黑水虻幼虫（Black soldier fly larvae，BSFL）生物转化技术具有对设备要求较低，可降低工艺复杂性和成本的优点7，同时，BSFL吸食污泥后可将营养转化为昆虫生物量，且其脂肪和蛋白质含
11、量较高，因而可用于生产高蛋白家禽饲料8。因此，使用BSFL技术处理污泥是一种潜在的低成本生物处理方法。表 2对比了厌氧消化、好氧堆肥两种污泥资源化处理技术与 BSFL 生物转化技术的一般优缺点9-10。基于以上，笔者阐述了采用 BSFL生物转化技术减少和转化污泥的现状、局限性及改进领域，从碳回收、氮保存、减量化方面评估了 BSFL 生物转化技术的增值性能，并分析了污泥及其含有的重金属对BSFL 生长的影响，以期为应用 BSFL 生物转化技术作为污泥处理低成本替代方案的可行性提供参考，助力实现污泥的可持续性管理。1 黑水虻全生命周期及其应用1.1黑水虻全生命周期黑水虻（Black solider
12、 fly，BSF）通常生活在热带和温带地区，多以腐烂的蔬菜、水果、植物凋落物和粪 便 等 腐 烂 的 有 机 物 为 食11。BSF 的 寿 命 约 为54 d，如图 112-13所示，其生命周期始于雌性成虫的产卵。一只雌性成虫会将大约 320620颗卵产于有机物附近，经 24 d后孵化，孵化后的幼虫则以分解的有机物为食。BSFL从 1龄到 5龄的生长持续时间会因食物来源、BSFL 体重和生长环境而异，一般为1552 d不等14。待 BSFL体内的蛋白质和脂类积累到足以完成羽化过程后其就会进入 6龄期，即转化为预蛹并停止进食，之后其嘴部慢慢变成钩状结构，开始寻找干燥、黑暗的区域，为化蛹而栖息，
13、结茧约 1周后羽化成蝇。BSF通常在羽化 2 d后进行交配繁殖，雌性成虫会在29 d内完成产卵并因疲劳而死15。表 1污泥处理方法的优点和局限性Table 1 Advantages and limitations of sludge treatment methods处理方法化学处理热处理生物处理碳回收-+氮保存+-+减量化-+病原菌抵抗力+V重金属稳定性+V优点操作便捷，pH=12可抑制病原菌，处理后污泥中氮滞留量小通过生产沼气、生物柴油、生物炭实现碳回收，处理时间短，可彻底消灭病原体碳回收能力因生物处理法类型而异，厌氧消化以产沼的形式进行碳回收，蚯蚓堆肥可通过蠕虫进食对碳进行转化，黑水虻幼
14、虫生物转化技术则通过黑水虻幼虫生产生物柴油实现碳回收；氮素保存量高局限性污泥残渣产量高，操作成本高投资成本高、技术复杂，能源需求量、消耗量大，高温易使氮素挥发流失处理时间长，蚯蚓堆肥和黑水虻幼虫生物转化技术在抑制病原体及稳定重金属方面尚无定论，厌氧消化成本高、操作复杂注：+表示利于，-表示不利于，V表示因方法而异。表 2厌氧消化、好氧堆肥与 BSFL生物转化技术的一般优缺点Table 2 General advantages and disadvantages of anaerobic digestion，aerobic composting and BSFL biotransformatio
15、n technology处理技术厌氧消化技术好氧堆肥技术黑水虻生物转化技术优点占地面积小，可减少臭气，生产净能量降解快速，成本较低，堆肥后残渣可作土壤改良剂对设备要求低，效率高，所生成生物质营养价值全面、生态安全性高，可做蛋白饲料缺点降解相对缓慢，系统不稳定，成本较高，消化液后处理复杂具有臭气污染，产生渗滤液，为净能耗过程高盐、高油条件不利于黑水虻生长专论与综述工业水处理 2023-07，43（7）641.2黑水虻幼虫生物转化污泥污泥可作为饲养 BSFL 的良好基质16。Hanwen GUO等17的研究表明，BSF处于幼虫期时，会快速摄取有机物并将其以蛋白质和脂肪的形式储存，这有利于维持 BS
16、F在预蛹期和成虫期的发育，使得 BSFL处理污泥后体内所含蛋白质和脂肪质量分数分别高达 41%和 47%，可作为一种理想的动物饲料来源，且其排放的固体排泄物，即虫沙，也可用作肥料。Y.B.KIM 等18也证实了 BSFL 的油脂可以改善肉鸡的肠道菌群并增强其抗氧化能力。同时，BSFL利用唾液腺和肠道消化酶对污泥进行分解，其体内的抗菌肽能抑制污泥中大肠杆菌和肠道沙门氏菌的数量，故 BSFL可提高污泥处理效率、减少气味并抑制细菌生长19。此外，BSFL 的饲养操作简便、养殖周期较短，故其在环境、经济等领域具有诸多应用优势，如利用 BSFL生产的生物柴油有望代替传统柴油，从而助力“碳减排”20。1.3污泥减量化污泥减量化的结果通常以干物质减少量来表示。C.LALANDER 等21使用 BSFL 分别处理 3 种不同类型的污泥，即初级污泥、活性污泥和消化污泥。其中，处理后初级污泥和活性污泥的干重分别减少了 63.3%和 49.2%，而 消 化 污 泥 的 干 重 仅 减 少 了13.2%。这是由于消化污泥中的大部分挥发性固体（Volatile solid，VS）在厌氧消化过程中被释放，而不可生
