黑水虻對不同濕垃圾分選固渣的生物轉(zhuǎn)化效能研究

摘要：采用黑水虻生物轉(zhuǎn)化技術(shù)能夠提升濕垃圾厭氧處理的效率。為驗(yàn)證餐飲垃圾、廚余垃圾及其預(yù)處理固渣作為黑水虻飼養(yǎng)基質(zhì)的可行性，開展黑水虻養(yǎng)殖效能研究。結(jié)果表明，6種濕垃圾固渣均可滿足黑水虻的基本生長需求，但轉(zhuǎn)化速率存在差異；物料的含水率、粒徑、脂肪、總營養(yǎng)量對黑水虻高產(chǎn)蟲率具有正向影響，物料的脂肪含量和碳氮比與蟲體脂肪含量呈正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：濕垃圾處理；黑水虻；效能研究

中圖分類號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.029

Study on the Bioconversion Efficacy of Black Soldier Fly for Different Sorting Solid Residues of Kitchen Waste

ZHOU Yongquan1，2， TAI Jun1，2， OUYANG Chuang1，2

（1. Shanghai Environmental amp; Sanitary Engineering Design Institute Co.， Ltd.;

2. Shanghai MSW Treatment and Resource Recycling Engineering Technology Research Center， Shanghai 200232， China）

Abstract： The use of black soldier fly biotransformation technology can improve the efficiency of anaerobic treatment of wet garbage. To verify the feasibility of using catering waste， kitchen waste， and their pre treated solid residue as substrates for breeding black soldier flies， a study was conducted on the breeding efficiency of black soldier flies. The results showed that all six types of wet garbage solid residues could meet the basic growth needs of black soldier flies， but there were differences in conversion rates. The moisture content， particle size， fat content， and total nutrient content of materials have a positive impact on the high yield of black soldier flies， and the fat content and carbon nitrogen ratio of the material are positively correlated with the fat content of the fly body.

Keywords： kitchen waste disposal; black soldier fly; efficacy study

“十四五”期間，隨著垃圾分類政策的推動(dòng)，濕垃圾處置市場持續(xù)快速釋放。預(yù)計(jì)到2025年，全國濕垃圾處置產(chǎn)能將達(dá)到35萬t/d[1]。目前，濕垃圾主要采用機(jī)械預(yù)處理+厭氧產(chǎn)沼工藝。該工藝的資源化產(chǎn)品主要為油脂和沼氣，但殘留35%的固渣仍需焚燒協(xié)同處置，濕垃圾固渣中的有機(jī)質(zhì)未得到充分利用，可能成為我國垃圾分類資源化的短板。

黑水虻生物轉(zhuǎn)化工藝在有機(jī)固渣減量化、資源化利用、經(jīng)濟(jì)效益方面表現(xiàn)出較好的潛力，在環(huán)衛(wèi)行業(yè)內(nèi)逐漸應(yīng)用，被視為提升厭氧工藝整體資源化率的有效抓手[2]。目前，關(guān)于黑水虻養(yǎng)殖技術(shù)、生長環(huán)境影響、物料性質(zhì)等方面的研究已有很多，然而大多為實(shí)驗(yàn)室研究，所涉及的物料多來自餐館、學(xué)校食堂，與工程實(shí)際運(yùn)行過程中所產(chǎn)的固渣特性差距較大[3-4]。因此，有必要進(jìn)一步開展黑水虻生物轉(zhuǎn)化不同濕垃圾分選固渣的效能研究。

基于濕垃圾厭氧產(chǎn)沼項(xiàng)目，利用6類典型固渣養(yǎng)殖黑水虻，分析不同濕垃圾分選固渣對黑水虻的影響，探究物料特性、組分與黑水虻產(chǎn)蟲率、蟲體特性之間的相關(guān)性，以期為黑水虻生物轉(zhuǎn)化濕垃圾厭氧處理殘?jiān)膶?shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料均取自上海市某濕垃圾厭氧處理廠的原料坑及預(yù)處理車間各環(huán)節(jié)分選后的固渣，其理化特性如表1所示。餐飲原料：未經(jīng)預(yù)處理的餐飲垃圾原料，取自餐飲線原料坑。二相固渣：餐飲垃圾經(jīng)大物質(zhì)分選、精分制漿后，分離出的纖維雜質(zhì)。三相固渣：餐飲垃圾經(jīng)雜質(zhì)分選、加熱脫油、脫水后剩余的固渣。廚余原料：未經(jīng)預(yù)處理的廚余垃圾原料，取自廚余線原料坑。碟后固渣：廚余垃圾經(jīng)大物質(zhì)分選后，分離出的有機(jī)雜質(zhì)。擠壓固渣：廚余垃圾經(jīng)大物質(zhì)分選、高壓脫水后剩余的固渣，主要成分為大纖維物、塑料等雜質(zhì)。黑水虻蟲卵由武漢市某黑水虻養(yǎng)殖基地提供，利用“麥麩+三相固渣”養(yǎng)殖至3齡蟲期后投入不同固渣養(yǎng)殖試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

固渣投加比為1∶10 000，環(huán)境溫度控制在27～32 ℃，環(huán)境濕度控制在65%，鋪料厚度控制在10～12 cm。將6種養(yǎng)殖原料進(jìn)行預(yù)處理，包括研磨破碎、80 ℃加熱10 min等，黑水虻培養(yǎng)蟲齡選擇3齡蟲至5齡蟲階段。養(yǎng)殖7 d后將蟲體和蟲糞分離稱重，并在實(shí)驗(yàn)第3 d、第5 d、第7 d隨機(jī)取100只黑水虻鮮蟲進(jìn)行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)及方法

1.3.1 蟲體生長情況統(tǒng)計(jì)方法

平均生長速率的計(jì)算公式為

V=（Wn+t-Wn）/t（1）

式中：V為平均生長速率，g/d；Wn+t為第n+t天的蟲體平均質(zhì)量，g；Wn為第n天的蟲體平均質(zhì)量，g；t為養(yǎng)殖時(shí)間，d。

產(chǎn)蟲率的計(jì)算公式為

（2）

式中：R為產(chǎn)蟲率，%；M1為蟲體質(zhì)量，g；M2為固渣原料質(zhì)量，g。

蛋白產(chǎn)率的計(jì)算公式為

（3）

式中：P為蛋白產(chǎn)率，%；N1為蟲體粗蛋白總量，g；N2為原料粗蛋白總量，g。

脂肪產(chǎn)率的計(jì)算公式為

（4）

式中：F為脂肪產(chǎn)率，%；B1為蟲體粗脂肪總量，g；B2為原料粗脂肪總量，g。

1.3.2 蟲體、固渣特性測定及相關(guān)性分析

粗脂肪、粗蛋白、灰分、淀粉等指標(biāo)采用相關(guān)食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定，有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)參照《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）進(jìn)行測定。采用IBM SPSS Statistics計(jì)算產(chǎn)蟲率、蟲體脂肪及蛋白含量與固渣特性之間的Spearman相關(guān)系數(shù)，當(dāng)顯著性系數(shù)P＜0.05時(shí)，相關(guān)性顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同物料養(yǎng)殖黑水虻效果分析

2.1.1 蟲體體重分析

為探究廚余垃圾與餐飲垃圾及其預(yù)處理階段的分選固渣作為黑水虻飼養(yǎng)基質(zhì)的可行性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得出結(jié)果，如圖1所示。從圖1可以看出，不同原料養(yǎng)殖的黑水虻幼蟲體重存在明顯差異。在養(yǎng)殖5 d后，僅餐飲原料組和擠壓固渣組有明顯增長趨勢。此時(shí)，餐飲原料組的黑水虻幼蟲體重達(dá)到0.19 g/只，而擠壓固渣組幼蟲體重最小，僅為0.05 g/只，發(fā)育明顯緩慢。在養(yǎng)殖7 d后，黑水虻體重增加量從大到小的物料分別為餐飲原料、廚余原料、碟后固渣、餐飲二相固渣、餐飲三相、擠壓固渣。

進(jìn)一步分析黑水虻在不同物料養(yǎng)殖下，三齡蟲到五齡蟲階段的平均生長速率，如圖2所示。在黑水虻三齡期中，采用碟后固渣養(yǎng)殖的黑水虻的生長速率較快，而黑水虻在四齡期和五齡期，采用餐飲原料則表現(xiàn)出更快的生長速率，這可能與物料的初始含水率有關(guān)。當(dāng)黑水虻生長到五齡期時(shí)，在餐飲三相、餐飲二相、廚余原料飼養(yǎng)下的黑水虻生長速率幾乎為0，黑水虻體重不再增加，這可能是由于物料內(nèi)易被黑水虻利用的營養(yǎng)物質(zhì)不足。

2.1.2 產(chǎn)蟲率分析

黑水虻的產(chǎn)量和蟲體品質(zhì)是項(xiàng)目營收的主要評價(jià)指標(biāo)。不同物料養(yǎng)殖黑水虻的產(chǎn)率如圖3所示，6種物料按產(chǎn)蟲率從大到小分別為碟后固渣（22.5%）、餐飲二相（22.0%）、餐飲原料（20.4%）、廚余原料（18.7%）、餐飲三相（17.2%）、擠壓固渣（12.3%），6種濕垃圾固渣均滿足黑水虻的生長基本需求，但生長速率存在明顯差異。擠壓固渣主要成分為大物質(zhì)纖維，可能存在營養(yǎng)成分不足問題，導(dǎo)致黑水虻的轉(zhuǎn)化效率較低，因此不建議單獨(dú)利用擠壓固渣養(yǎng)殖黑水虻，可通過摻混其他固渣共同飼養(yǎng)黑水虻。

在蟲體品質(zhì)方面，如表2所示，粗蛋白含量從大到小分別為擠壓固渣（42.2%）、廚余原料（40.6%）、餐飲二相（39.2%）、餐飲原料（37.1%）、碟后固渣（37.0%）、餐飲三相（33.9%）。相較于其他物料，采用餐飲原料養(yǎng)殖黑水虻具有顯著高油脂含量（36.2%），這是由于其養(yǎng)料同樣具有高油脂組分（20%）所致，說明物料組分與黑水虻生物轉(zhuǎn)化后的蟲體組分可能存在潛在的相關(guān)性。

2.2 養(yǎng)料組分對黑水虻轉(zhuǎn)化性能的影響研究

黑水虻對廚余垃圾的取食速率取決于垃圾的粒徑、含水率等因素，然而物料的營養(yǎng)組分同樣是影響黑水虻規(guī)?；a(chǎn)效益的重要因素，包括物料中蛋白、脂肪含量以及非纖維性碳水化合物[5]。通過將物料特性與產(chǎn)蟲率、蟲體蛋白及脂肪含量等評價(jià)黑水虻養(yǎng)殖效能的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以找到潛在的黑水虻養(yǎng)殖原料關(guān)鍵參數(shù)。如圖4所示，物料的含水率、粒徑、脂肪、總營養(yǎng)量對黑水虻高產(chǎn)蟲率具有正向影響，物料的脂肪含量和碳氮比與蟲體脂肪含量呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)R=0.89）。以上結(jié)果表明，物料組分、粒徑、營養(yǎng)比例等對黑水虻的生長過程具有顯著影響。

2.2.1 養(yǎng)料主營養(yǎng)量對產(chǎn)蟲率的影響

結(jié)合表1分析可得，不同物料的主營養(yǎng)量與黑水虻生物轉(zhuǎn)化效能存在潛在關(guān)聯(lián)。如圖5所示，物料主營養(yǎng)量越大，黑水虻的產(chǎn)蟲率基本維持在較高水平。其中，主營養(yǎng)量最高的養(yǎng)料為碟后固渣（73%），產(chǎn)蟲率也為最大值。然而，同樣具有高營養(yǎng)量的餐飲三相固渣，產(chǎn)蟲率并未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。造成這一結(jié)果的主要原因是餐飲三相固渣的粒徑過小，整體黏度較大、纖維組分較多，易發(fā)生團(tuán)聚，不利于黑水虻快速取食，從而導(dǎo)致其整體轉(zhuǎn)化效能較低。因此，高營養(yǎng)含量是實(shí)現(xiàn)黑水虻高性能轉(zhuǎn)化的必要條件，同時(shí)物料的整體物理結(jié)構(gòu)（粒徑）也是重要影響因素之一。針對三相固渣高營養(yǎng)含量、低生物轉(zhuǎn)化性能的問題，可通過與擠壓固渣、二相固渣等粗物料進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)其高效協(xié)同轉(zhuǎn)化濕垃圾固渣的潛力。

2.2.2 蟲體營養(yǎng)組分轉(zhuǎn)化效率分析

從圖4可以看出，物料蛋白組分與蟲體蛋白含量并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。黑水虻蟲體的蛋白含量主要與其發(fā)育階段有關(guān)，在3齡蟲到5齡蟲階段，黑水虻的蟲體蛋白含量逐漸升高。如圖6所示，養(yǎng)料的主營養(yǎng)量與蛋白產(chǎn)率的變化趨勢近似。

從圖4可以看出，蟲體脂肪含量與物料的粗脂肪含量、碳氮比之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。如圖7所示，養(yǎng)料主營養(yǎng)量對脂肪產(chǎn)率的影響趨勢與蛋白產(chǎn)率近似。此外，在相同工況下，不同物料養(yǎng)殖的黑水虻具有不同的發(fā)育速度，蟲體積累的脂肪含量與發(fā)育速度呈正相關(guān)。因此，為提高黑水虻脂肪產(chǎn)率，在優(yōu)化養(yǎng)殖工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，可選用或混合含高油脂的物料。

3 結(jié)論

黑水虻生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)濕垃圾資源化的有效途徑。使用廚余、餐飲垃圾及其固渣均可滿足黑水虻的生長需求，但轉(zhuǎn)化速率存在差異。廚余碟后固渣和餐飲二相固渣的黑水虻產(chǎn)率最高，而擠壓固渣產(chǎn)率最低。物料的含水率、粒徑、脂肪、總營養(yǎng)量對黑水虻高產(chǎn)蟲率具有正向影響，物料的脂肪含量和碳氮比與蟲體脂肪含量呈正相關(guān)關(guān)系。因此，建議通過混合不同固渣改善物料結(jié)構(gòu)特性。針對三相固渣高營養(yǎng)含量、低生物轉(zhuǎn)化性能問題，可通過與擠壓固渣、二相固渣等粗物料進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)黑水虻高效協(xié)同轉(zhuǎn)化濕垃圾固渣，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。面向黑水虻蟲油利用產(chǎn)業(yè)，可通過優(yōu)化養(yǎng)殖工藝技術(shù)，并選用或混合油脂含量物料，提高黑水虻蟲體油脂的產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)

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