餐廚垃圾含水率和碳氮比對黑水虻幼蟲養(yǎng)殖過程中氣體釋放的影響

葉 牧，孔祥平，葉小梅，杜 靜，王 聰，奚永蘭，張 敏

(1.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，江蘇南京 210014；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210095)

目前，我國城市有機廢棄物年產(chǎn)量已達1.6億t，有機廢棄物資源循環(huán)利用對經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國有機廢棄物的處置主要遵循“減量化、無害化、資源化”的原則[1]，處理有機廢棄物的主要方式為焚燒、填埋、厭氧發(fā)酵及好氧堆肥。近年來，利用昆蟲(黑水虻、蠅蛆和黃粉蟲等)轉(zhuǎn)化有機廢棄物來生產(chǎn)飼用蛋白、油脂表現(xiàn)出了顯著的經(jīng)濟效益優(yōu)勢[2]。

亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.)俗稱黑水虻，屬雙翅目水虻科，是一種起源于南美草原的食腐性昆蟲[3]。研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻幼蟲體內(nèi)含有32%～58%蛋白質(zhì)和15%～39%脂質(zhì)，其在畜禽、水產(chǎn)飼料添加劑領(lǐng)域有著廣闊的市場前景。由黑水虻轉(zhuǎn)化形成的蟲糞可進行二次堆肥，形成富含腐殖質(zhì)的有機肥產(chǎn)品[4-7]。利用黑水虻轉(zhuǎn)化有機廢棄物具有轉(zhuǎn)化周期短、資源利用效率高和經(jīng)濟效益顯著的特點。例如，餐廚垃圾經(jīng)過黑水虻轉(zhuǎn)化7～9 d，可產(chǎn)出200～250 kg/t幼蟲、100～150 kg/t蟲糞有機肥，餐廚垃圾綜合經(jīng)濟效益可達600～800元/t。

目前，黑水虻轉(zhuǎn)化有機廢棄物的研究主要集中在不同有機廢棄物對蟲體生長和營養(yǎng)組成的影響、微生物與黑水虻協(xié)同降解有機廢棄物、黑水虻源蛋白飼料對動物生長性能的影響等方面。為了評估黑水虻養(yǎng)殖過程中的碳排放潛力及其對環(huán)境的影響，Ermolaev等在0.036 m2小規(guī)模養(yǎng)殖盒中研究黑水虻轉(zhuǎn)化廢棄食物過程中溫室氣體、氨氣的釋放情況，發(fā)現(xiàn)在小規(guī)模轉(zhuǎn)化過程中并未檢測到氨氣的釋放[8]。Parodi等基于物質(zhì)平衡計算研究了黑水虻養(yǎng)殖過程中溫室氣體和氨氣的釋放情況，結(jié)果表明，由氨氣釋放而損失的氮素占總氮質(zhì)量的1%[9]。在實際生產(chǎn)過程中初始物料的營養(yǎng)組成、含水率是決定黑水虻轉(zhuǎn)化物料效率的關(guān)鍵因素[10]，黑水虻依據(jù)物料特性來調(diào)節(jié)其生長、代謝速率[4，8]。Rehman等用牛糞和豆腐渣的混合物來調(diào)節(jié)基質(zhì)的碳氮比(C/N)，由此進行黑水虻的轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明，將2種特性互補的廢棄物混合飼喂黑水虻有助于降低廢棄物的質(zhì)量，同時提高幼蟲的生長速率[11]。

傳統(tǒng)堆肥過程中的含水率、C/N是影響堆肥進程的關(guān)鍵因素，其對堆肥中微生物的生長代謝活動及最終的肥料品質(zhì)具有決定性作用。物料含水率、C/N同樣對黑水虻生長、微生物繁殖及餐廚垃圾的生物轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用。本研究擬考察餐廚垃圾初始含水率、C/N對黑水虻養(yǎng)殖過程中氣體排放的影響，以期為黑水虻轉(zhuǎn)化有機廢棄物過程中的氣體治理技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年6—7月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所進行。亮斑扁角水虻蟲卵和黑水虻蟲糞均由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所提供，黑水虻幼蟲經(jīng)多個世代繼代養(yǎng)殖。餐廚垃圾由南京貝克依環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，經(jīng)勻漿機處理后的餐廚垃圾含水率為73%。稻殼來自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田種植的水稻，用粉碎機粉碎，經(jīng)20目篩網(wǎng)篩分后存于陰涼處備用。相關(guān)試驗原料的理化特性見表1。

1.2 試驗方法

取當(dāng)日收集的黑水虻蟲卵，置于溫度為30 ℃、相對濕度為70%的恒溫恒濕孵化箱中孵化3 d以獲得黑水虻幼蟲蟲苗。以按質(zhì)量比7 ∶3配制的麥麩和玉米粉混合物料(含水率為65%)作為開口料飼養(yǎng)黑水虻幼蟲蟲苗。將幼蟲蟲苗養(yǎng)殖4 d后作為轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的蟲苗。采用下底長40 cm、寬28 cm、高22 cm的藍色養(yǎng)殖盒開展餐廚垃圾轉(zhuǎn)化試驗。在含水率(HSL)組內(nèi)盒中加入6 kg/盒餐廚垃圾，并加入適量稻殼粉或純水來調(diào)節(jié)物料含水率，本試驗共設(shè)置65%、70%、75% 3個含水率試驗組。碳氮比(TD)組按不同碳氮比加入6 kg/盒餐廚垃圾和淀粉的混合物料，本試驗共設(shè)置3個碳氮比試驗組，分別為11.61(原始餐廚)、20.00、30.00，每個處理分別設(shè)置3個平行，具體試驗參數(shù)設(shè)置見表2。養(yǎng)殖物料為餐廚垃圾或餐廚垃圾和淀粉的混合物。

表1 餐廚垃圾、稻殼粉的初始理化性質(zhì)

表2 各處理組初始物料的梯度設(shè)置

1.3 測試指標(biāo)

使用如圖1所示設(shè)備采集氣體樣品，將4個氣泵連接密閉養(yǎng)殖箱的4個進氣口，將1個出氣口連接流量計，由橡膠管通入吸收液中進行氣體的吸收。采用0.001 mol/L硫酸溶液連續(xù)吸收1 h，用于測定氨氣釋放量，并用納氏試劑分光光度法測定、分析吸收液中的NH3濃度。在氨氣吸收完成后繼續(xù)使用500 mL真空氣袋[12]通過流量計以 0.8 L/min 的速度采集30 s(400 mL氣體)，通過氣相色譜采用熱導(dǎo)檢測器檢測CO2濃度，分別用電子捕獲檢測器、火焰離子化檢測器檢測N2O、CH4的濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率、碳氮比對NH3釋放的影響

含水率不僅會影響轉(zhuǎn)化體系中的微生物種類、活性，還會影響物料中的氧氣含量、溫度[13]。由圖2可以看出，不同含水率的物料對轉(zhuǎn)化過程中NH3釋放速率的影響明顯。各處理組的NH3釋放速率在轉(zhuǎn)化過程中呈現(xiàn)出逐漸提高的趨勢，HSL-1組的NH3釋放速率在轉(zhuǎn)化6 d后達到峰值，為 27 887.72 μg/h。物料溫度在試驗后6 d迅速提高到(44.5±0.41) ℃，NH3的快速釋放可能由于 HSL-1 組在轉(zhuǎn)化過程中的溫度迅速提高(圖3-A)。由于HSL-1組中的物料含水率為65%，加速了自然堆肥的進程，促進了物料升溫，物料中的含氮有機物被微生物快速降解為銨態(tài)氮并進一步轉(zhuǎn)化為NH3。到轉(zhuǎn)化后期，HSL-2、HSL-3組的溫度才逐漸超過40 ℃，同時產(chǎn)生大量NH3，由此可見，NH3的釋放與轉(zhuǎn)化過程中物料的溫度密切相關(guān)，調(diào)節(jié)初始物料的含水率可以延緩物料升溫，進而抑制了NH3的釋放。同時，黑水虻轉(zhuǎn)化有機廢棄物過程中的物料pH值逐漸升高，轉(zhuǎn)化中后期的物料pH值可達9左右，堿性物料、高溫環(huán)境促進了氨氣的釋放。Pang等也發(fā)現(xiàn)，物料pH值的提升是促進NH3排放的主要原因[9]。

此外，NH3釋放速率變化曲線表明碳氮比對NH3排放影響較明顯，各處理組在試驗過程中均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(圖2)。在轉(zhuǎn)化后12 d，NH3釋放速率開始下降，TD-1組的NH3釋放速率明顯高于TD-2、TD-3組，TD-1組的氨氣釋放速率最高達到10 373.63 μg/h，而TD-2、TD-3組的氨氣釋放速率最高分別達到2 767.1、5 231.11 μg/h，物料C/N的提升降低了NH3的排放速率。各處理組的溫度峰值分別達到(41.5±0.24)、(37±0.41)、(33±0.41) ℃(圖3-B)。

2.2 含水率、碳氮比對CO2釋放的影響

由圖4可以看出，含水率對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中CO2釋放速率變化的影響非常顯著，HSL-1 組的CO2濃度在轉(zhuǎn)化后7 d達到峰值，可能由于較低的含水率(65%)易導(dǎo)致自然堆肥快速啟動，使微生物快速增殖并產(chǎn)生大量的CO2。其他試驗組CO2濃度的變化趨勢較為平緩，可能是由于高含水率的餐廚垃圾抑制了自然堆肥過程和黑水虻的代謝活動，從而減少了CO2的產(chǎn)生。

與不同含水率組CO2的釋放速率趨勢不同，不同碳氮比對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中CO2釋放量的影響與對氨氣釋放量的影響相似。TD-2組的CO2釋放速率峰值可達(3 242.69±67.09) mg/h(圖4)，分別比TD-1、TD-3組的CO2釋放速率峰值高79.55%、54.11%。合適的C/N有利于黑水虻和轉(zhuǎn)化體系中微生物的生長代謝，進而使得CO2釋放速率提高。

2.3 含水率和碳氮比對CH4釋放的影響

由圖5可以看出，在黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的過程中，CH4釋放速率均為0.5 mg/h左右，并出現(xiàn)多個峰值，最大速率峰值由高到低分別為HSL-3、HSL-2、HSL-1組。初始物料含水率過高，造成物料中下層處于厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致試驗初期產(chǎn)氣中的CH4釋放速率較高。隨著幼蟲的不斷蠕動，使物料

變得蓬松，增加了物料中的氧氣含量，減少了厭氧區(qū)域，從而抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，最終導(dǎo)致CH4釋放速率逐漸降低。由圖5還可以看出，不同碳氮比對黑水虻轉(zhuǎn)化過程中CH4的釋放均沒有明顯影響，CH4釋放速率的變化趨勢也基本一致，在轉(zhuǎn)化后6 d達到最大值，碳氮比為11.61、20.00、30.00時甲烷釋放速率的最大值分別為(0.49±0.018)、(0.48±0.023)、(0.48±0.049) mg/h。

2.4 含水率和碳氮比對N2O釋放的影響

由圖6可以看出，不同含水率對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中N2O釋放速率的影響較小，各試驗組的N2O釋放速率相對較低，均低于0.3 mg/h。與含水率不同，碳氮比對N2O釋放速率的影響相對較大，在試驗的0～9 d，各處理組均在6 d時達到峰值，TD-2組的釋放速率峰值是TD-1組的1.21倍(圖6)。由此可見，高C/N(添加的淀粉含量高)會導(dǎo)致物料較為黏稠，造成物料通透性差，可能是導(dǎo)致N2O釋放速率增加的主要原因[14-15]。

2.5 含水率、碳氮比對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中氮素平衡的影響

由表3可以看出，隨著物料含水率的提升，NH3的釋放總量占物料總氮含量的比例降低，當(dāng)含水率從65%提高到75%時，NH3釋放量占比下降了53.71%；當(dāng)碳氮比從11.61提高到20.00時，可降低61.95%的氨氣釋放量。在研究發(fā)現(xiàn)中，初始物料中39.57%～45.98%的氮素被黑水虻吸收利用并轉(zhuǎn)化為昆蟲蛋白。轉(zhuǎn)化后的蟲糞中仍含有大量氮素(含量為49.40%～58.65%)，為后續(xù)高氮有機肥產(chǎn)品的開發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在不同含水率和C/N的試驗條件下，通過NH3釋放造成的氮損失僅占初始物料總氮含量的1.87%～4.04%。由此可見，不同初始物料理化特征對于黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中NH3釋放的影響明顯，調(diào)節(jié)物料的含水率和碳氮比可以有效控制轉(zhuǎn)化過程中的氮損失。

表3 黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中的氮素轉(zhuǎn)化對比

2.6 不同含水率和碳氮比對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中幼蟲生長發(fā)育的影響

由表4可以看出，HSL-1、HSL-2、HSL-3組收獲的幼蟲總質(zhì)量分別為(1.12±0.01)、(1.14±0.01)、(1.15±0.01) kg，可見物料初始含水率對黑水虻產(chǎn)量的影響較小。然而在低含水率物料轉(zhuǎn)化過程中，氮素的大量損失導(dǎo)致最終蟲體中的粗蛋白含量下降了5%左右，而粗脂肪含量提高了2%左右。初始物料含水率對蟲體灰分含量的影響較小，灰分含量穩(wěn)定在14%左右。

黑水虻可以在較寬泛的C/N范圍內(nèi)生長發(fā)育，物料的C/N對黑水虻產(chǎn)量的影響非常明顯。用3種不同C/N的物料養(yǎng)殖黑水虻發(fā)現(xiàn)，收獲的幼蟲總質(zhì)量有明顯差異。與TD-3組相比，TD-1組收獲的總蟲質(zhì)量提高了70.59%。提高物料的C/N會直接影響黑水虻幼蟲的生長發(fā)育，雖然能在一定程度上控制氣體排放，但是不利于提高黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程的經(jīng)濟效益。

表4 不同初含水率、碳氮比對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中幼蟲生長發(fā)育的影響

3 討論與結(jié)論

研究表明，不同初始物料特征對于黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中氣體釋放的影響明顯。CO2是黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中產(chǎn)生的主要氣體產(chǎn)物，CO2的產(chǎn)生速率可以間接表明底物的生物降解率[8，16]。HSL-1組由于含水率較低，溫度迅速上升，間接導(dǎo)致CO2、NH3大量釋放。此外，與CO2、NH3釋放相比，N2O、CH4的釋放速率均較低。由于CH4是在厭氧環(huán)境下由多種微生物協(xié)同作用的代謝產(chǎn)物[17]，初始物料含水率對于前期CH4排放的影響顯著，含水率的升高會造成CH4釋放速率的上升。

初始物料中的C/N會顯著影響黑水虻轉(zhuǎn)化過程中的氣體釋放。當(dāng)C/N為10～20時，對黑水虻轉(zhuǎn)化過程中CO2、N2O的產(chǎn)生有促進作用，而在C/N高于20時會對CO2、N2O的產(chǎn)生產(chǎn)生抑制作用，這與Lǚ等的研究結(jié)果不同，他們的研究發(fā)現(xiàn)，C/N在城市污泥蚯蚓堆肥中對N2O釋放起著重要作用，并且N2O排放與C/N呈明顯的負相關(guān)關(guān)系[18]。本研究的結(jié)果表明，C/N在一定范圍內(nèi)與N2O的釋放呈正相關(guān)關(guān)系，N2O可以在厭氧區(qū)域反硝化細菌的作用下產(chǎn)生[10，19]。不同C/N對于CH4的釋放無明顯影響，Jiang等用玉米秸稈混合豬糞進行堆肥的研究也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果[20]。結(jié)果表明，C/N是影響微生物同化作用的關(guān)鍵因素，碳源不僅可為微生物提供能量來源，也是構(gòu)成微生物細胞的主要物質(zhì)來源，而氮主要被用于合成蛋白質(zhì)等物質(zhì)。當(dāng)物料的 C/N 越低時，過量的氮素不被用于微生物細胞合成，則易被分解為氨氣釋放到環(huán)境中[21]。

對黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中的氮素平衡進行分析發(fā)現(xiàn)，NH3釋放量占總氮的比例較小，黑水虻能夠?qū)⑽锪现械牡卮罅课詹⑥D(zhuǎn)化為自身的蛋白質(zhì)以實現(xiàn)資源化利用。而傳統(tǒng)好氧堆肥中由于NH3排放所損失的氮約占初始總氮量的22.1%～33.3%[22]。由此可見，與傳統(tǒng)好氧堆肥相比，黑水虻轉(zhuǎn)化技術(shù)在減少氮損失方面有較大潛力。然而，黑水虻生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的過程存在氨氣釋放周期集中、釋放期間氨氣濃度較高等特點，后續(xù)工廠化生產(chǎn)應(yīng)注重后期轉(zhuǎn)化區(qū)內(nèi)的NH3治理。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同初始物料的含水率、C/N對幼蟲發(fā)育的影響較大，Cammack等也報道了類似的情況，他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)物料中水分含量過高時，氧氣在基質(zhì)中的擴散受限，空氣不流通，從而抑制黑水虻的生長甚至導(dǎo)致其死亡[23]。隨著含水率的上升，幼蟲蟲體的粗蛋白含量增加，粗脂肪含量隨之降低。Lalander等指出，物料中的養(yǎng)分含量是控制幼蟲生長的關(guān)鍵因素[2]。C/N的提升減少了物料中氮素的供給，直接影響了幼蟲發(fā)育，各項指標(biāo)(總蟲質(zhì)量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、灰分含量)均呈現(xiàn)下降趨勢。

綜上所述，黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中的主要釋放氣體為CO2、NH3，CH4、N2O的排放量相對較少。CO2、NH3的釋放速率與黑水虻幼蟲的生長發(fā)育密切相關(guān)，物料含水率較低，會導(dǎo)致蟲體發(fā)育較好，而物料溫度升高會加快幼蟲、微生物的代謝，從而使得CO2、NH3大量產(chǎn)生。此外，較高的C/N可以明顯降低NH3、CO2的釋放量，使得N2O、CH4在整個轉(zhuǎn)化過程中的總釋放量相對較低。在傳統(tǒng)堆肥過程中，N2O的釋放機制非常復(fù)雜，涉及多種影響因素，其中包括硝化作用、反硝化作用[18]。黑水虻轉(zhuǎn)化體系中的N2O釋放模式與傳統(tǒng)堆肥、蚯蚓堆肥明顯不同，傳統(tǒng)堆肥、蚯蚓堆肥在初始階段會立即釋放出相對較高濃度的N2O[24-25]。本研究結(jié)果表明，基于物料特性開發(fā)適宜的養(yǎng)殖工藝可以在工廠化養(yǎng)殖黑水虻的過程中有效減少臭氣、溫室氣體的排放。