亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物工藝及資源化利用

李　武，鄭龍玉，李　慶，劉學林，李明順，張衍林，張吉斌，喻子牛

(1.華中農業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；2.華中農業(yè)大學 農業(yè)微生物學國家重點實驗室微生物農藥國家工程研究中心，湖北 武漢 430070)

近年來，餐館、酒店、食堂產生的餐廚剩余物與日俱增，如何有效處理餐廚剩余物一直是社會關注的問題。目前國內飼料供應不足，進口蛋白質原料接近70%，而餐廚剩余物經(jīng)過處理可成為優(yōu)質飼料，利用餐廚剩余物生產優(yōu)質飼料具有較大的發(fā)展?jié)摿1]。昆蟲可作為蛋白質和能源的可再生資源，通過農業(yè)、工業(yè)和城市副產品飼養(yǎng)來積累大量的脂肪并轉化為生物柴油，同時昆蟲蛋白也能作為飼養(yǎng)動物的蛋白來源[2]。亮斑扁角水虻屬雙翅目水虻科昆蟲，具有轉化有機廢棄物的特性。作者在此介紹了餐廚剩余物的特性及其處理方式，重點探討了亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物工藝，提供了一條經(jīng)濟有效處理餐廚剩余物的途徑。

1　餐廚剩余物特性及其處理方式

餐廚剩余物是主要的生活垃圾，被稱為泔水、餐廚垃圾、廚余，含有油、水、固體殘渣(如菜蔬、果皮、果核、米面、魚、肉、骨以及廢餐具、紙巾)等。餐廚剩余物含有大量的淀粉和纖維素等有機成分，并且富含油脂和鹽分，還含有少量含鈣、鎂、鉀、鐵等微量元素的無機鹽[3]。

餐廚剩余物直接飼喂畜禽，危害較大，能引起人細菌性食物中毒、傳播人畜共患傳染病、使人感染食源性寄生蟲病,同時畜禽產品中殘留化學污染物對人體有較大危害[4]。因此，餐廚剩余物需要通過無害化處理來達到資源化利用。目前，餐廚剩余物的資源化利用方式主要有厭氧消化、生物堆肥、飼料化、生物處理等。

餐廚剩余物厭氧消化處理是厭氧微生物在厭氧環(huán)境下分解餐廚剩余物并產生氣體，厭氧發(fā)酵后的固體剩余物中含有適于農作物生長的氮、磷、鉀等元素,可作為肥料的原料；而厭氧發(fā)酵后產生的沼氣用途廣泛，可用作汽車燃料、供熱和發(fā)電，因此，厭氧消化越來越受到人們重視,已成為社會認可的一種能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的技術[5]。但厭氧消化處理餐廚剩余物也存在一定的問題,如厭氧菌的生長對pH值和溫度等條件要求嚴格，且有毒物質對厭氧菌影響嚴重,因而難以保證發(fā)酵過程的穩(wěn)定進行,影響產氣穩(wěn)定性[6]。

餐廚剩余物生物堆肥處理是將餐廚剩余物堆積在地面，或放置于發(fā)酵裝置中,結合微生物逐步降解餐廚剩余物中易降解有機物,從而得到穩(wěn)定的腐殖質[6]。堆肥后的餐廚剩余物產品既可以改良土壤,也可作為高品質的肥料[7]。但餐廚剩余物的高含油量和高含鹽量限制了堆肥過程微生物的生長,影響堆肥工藝的處理效果。

餐廚剩余物飼料化處理主要分為直接干燥和生物處理。其中直接干燥是在對餐廚剩余物進行分揀、脫水和脫油等預處理后，對餐廚剩余物采用濕熱或干熱干燥工藝，利用高溫達到滅菌和干燥的效果，然后通過后續(xù)相關處理獲得飼料和飼料添加劑[8]，但直接干燥能耗大，是制約其大規(guī)模應用的主要因素。

餐廚剩余物生物處理是微生物利用餐廚剩余物進行發(fā)酵，將餐廚剩余物中營養(yǎng)物質轉變?yōu)樽陨砩L和繁殖所需的能源和物質[9]，提高微生物自身營養(yǎng)價值，通過生物處理能達到餐廚剩余物代替大豆、魚粉等蛋白飼料的目的。

2　亮斑扁角水虻處理有機廢棄物的潛力

2.1　亮斑扁角水虻的生長繁殖

溫度、濕度和光照是亮斑扁角水虻生長繁殖的必需條件。亮斑扁角水虻世代發(fā)育經(jīng)歷卵、幼蟲、蛹和成蟲4個蟲態(tài)，繁殖能力強。成蟲交尾后，雌成蟲1～2 d開始產卵，產卵約9 d，產卵量約900粒，完成后死亡。剛孵化的幼蟲呈不透明的乳白色，頭部呈栗色，靠身體波浪式蠕動前行，孵化后至一周內，攝食量增大，體重成倍增加[10]。亮斑扁角水虻幼蟲取食范圍非常廣泛，可以新鮮豬糞、雞糞、腐爛水果和蔬菜等有機廢棄物為食。進入預蛹期后，體色從乳白色轉化成深褐色，預蛹約7 d，蛹8～9 d，羽化約7 d，適宜條件下28～30 d能完成一代。有研究對亮斑扁角水虻蟲卵進行表面消毒獲得無菌幼蟲，測定在喂食相同無菌人工飼料條件下無菌幼蟲與正常幼蟲生活史特性的差異，證實了卵表細菌對于水虻幼蟲生長發(fā)育至關重要[11]。

亮斑扁角水虻在適宜的生長環(huán)境，如熱帶季風氣候條件下，可以全年連續(xù)傳代，其蟲卵在熱帶季風氣候的飼養(yǎng)房間中孵化需要2～6 d，經(jīng)20～23 d幼蟲化蛹，8～11 d后羽化，成蟲在2 m×1.8 m×1 m蚊帳中交配和產卵，每日可收獲蟲卵數(shù)百孔[12]。

2.2　亮斑扁角水虻處理有機廢棄物的潛力

Newton等[13]用畜禽糞便飼養(yǎng)亮斑扁角水虻，發(fā)現(xiàn)其幼蟲干質量為42%～43%；其干質量中，粗蛋白占42%～44%，脂肪占31%～35%，灰分占11%～15%，鈣質占4.8%～5.1%，磷占0.60%～0.63%。亮斑扁角水虻預蛹干質量中，粗蛋白占42%～44%，脂肪占28%～35%， 灰分占14.6%，還含有5%的鈣和1.51%的磷。利用糞便飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻，幼蟲和預蛹中含有大量必需氨基酸和礦物質，可以作為家禽、家畜和特種魚類養(yǎng)殖的良好飼料來源[14]。亮斑扁角水虻飼養(yǎng)過程中，在最佳接種密度條件下，經(jīng)水虻幼蟲生物轉化豬糞后，豬糞中各種元素特別是銅、鋅、錳等重金屬元素大幅減少，同時豬糞中全氮減少率為58%，全磷減少率為30%[12]。周芬[15]研究美國德州、中國武漢、廣州3種不同地方品系亮斑扁角水虻對豬糞、雞糞、牛糞3種糞便的生物轉化，發(fā)現(xiàn)武漢品系亮斑扁角水虻轉化糞便效果最好，其次是廣州品系，美國德州品系亮斑扁角水虻轉化的效果最差，利用武漢品系亮斑扁角水虻處理畜禽糞便有更大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ涟弑饨撬悼勺鳛樘娲暳?，St-Hilaire等[16]利用亮斑扁角水虻處理豬糞，收集亮斑扁角水虻預蛹，用其部分替代虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)飼料配方中的魚粉和魚油，發(fā)現(xiàn)利用亮斑扁角水虻預蛹替代飼料中15%的蛋白，沒有影響虹鱒魚的飼料消費率，且利用亮斑扁角水虻脂肪能減少38%的魚油使用量。亮斑扁角水虻油脂含量高達30%～35%，作為提取生物柴油原料，提煉出的油脂可93%轉化為生物柴油，并且符合EN14214標準[17]。

通過農業(yè)廢棄物飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲，增加蟲體生物量，既減少農業(yè)廢棄物累積，還得到以轉化后剩余的底料和蟲體生產的肥料和飼料[18]。亮斑扁角水虻具有處理有機廢棄物、作為動物蛋白飼料、用于提煉生物柴油的潛力。

3　亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的轉化條件及工藝

3.1　亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物工藝的條件選擇

采用武漢品系亮斑扁角水虻幼蟲用于餐廚剩余物的轉化。在亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物過程中，適宜的環(huán)境溫度和濕度、光照、幼蟲接種量、接種蟲齡、餐廚剩余物含水量等參數(shù)對提高亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的效率有重要意義。

3.1.1光源

不同光源對亮斑扁角水虻生活史的影響[19]見表1。

表1　不同光源對亮斑扁角水虻生活史的影響/d

由表1可知，碘鎢燈的光強度或質量能滿足亮斑扁角水虻交配對光照的需求，能夠部分替代太陽光，且碘鎢燈的照射對亮斑扁角水虻的生活史不會產生不良影響。

3.1.2接種量

取餐廚剩余物干物質250 g，調節(jié)其含水量為55%，設置5個接種密度梯度，每個梯度3個重復。不同接種量亮斑扁角水虻幼蟲轉化餐廚剩余物后的蟲體指標[20]見表2。

表2　不同接種量亮斑扁角水虻幼蟲轉化餐廚剩余物后的蟲體指標(n=3)

由表2可知，隨著接種量的增加，轉化率也逐漸增大，且轉化率在接種量為1 250頭時達到最大，1 500頭時轉化率降低。因此，選擇亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的最適接種密度為1 000～1 250頭·(250 g干物質)-1，即4 000～5 000頭·(kg干物質)-1。

3.1.3蟲齡

亮斑扁角水虻幼蟲前4 d體重變化不明顯，因此，選擇從第4 d開始，每隔2 d 1個時間梯度，共設置4組，每組3個平行。接種幼蟲1 250頭，處理250 g餐廚剩余物干物質，不同蟲齡亮斑扁角水虻幼蟲轉化餐廚剩余物后的蟲體指標[20]見表3。

表3　不同蟲齡亮斑扁角水虻幼蟲轉化餐廚剩余物　后的蟲體指標(n=3)

由表3可知，6日齡幼蟲的成活率和轉化率最高，分別為97.13%、18.38%，故選擇6日齡亮斑扁角水虻幼蟲轉化餐廚剩余物。

3.1.4餐廚剩余物含水量

取餐廚剩余物干物質250 g，設置含水量為50%、55%、60%、65% 4個梯度，每組設定3個平行，每個平行接種6日齡亮斑扁角水虻幼蟲(不透明乳白色)1 250頭，待幼蟲50%變黑時，轉化完成，將幼蟲和殘料分開。亮斑扁角水虻幼蟲轉化不同含水量餐廚剩余物后的蟲體指標[20]見表4。

表4　亮斑扁角水虻幼蟲轉化不同含水量餐廚剩余物后的蟲體指標(n=3)

由表4可知，按蟲體增重從高到低的餐廚剩余物含水量依次為65%>60%>55%>50%，各組之間差異性顯著，說明含水量較高時有利于蟲體生物量的積累；不同含水量餐廚剩余物對亮斑扁角水虻幼蟲成活率和轉化率有顯著影響，60%含水量時幼蟲的成活率和轉化率均最高，因此，亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的最適含水量為60%。

3.1.5透氣性

透氣性對亮斑扁角水虻轉化過程也有較大影響，在轉化過程中，亮斑扁角水虻聚集在餐廚剩余物底部，生命活動旺盛，會產生大量熱量，熱量過高會使其生命活動衰弱，因而轉化過程需要有一定的透氣性來達到散熱效果。本工藝選擇在轉化過程中一天翻堆一次進行散熱。

確定亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物工藝條件為：環(huán)境溫度25～28 ℃、空氣濕度60%～80%、接種密度為4 000～5 000頭·(kg干物質)-1、接種蟲齡為6日齡、餐廚剩余物含水量為60%左右，一天翻堆一次。在此條件下，餐廚剩余物的平均轉化率可達到17%～20%，干物質減少率達到50%～60%，轉化周期為11 d。

3.2　亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物工藝流程

餐廚剩余物飼料化處理較多，但后期干燥處理能耗大一直是餐廚剩余物經(jīng)濟有效處理的阻礙?，F(xiàn)有的餐廚剩余物處理工藝，經(jīng)過脫水、除雜、破碎、固液分離前處理，得到餐廚廢水和固形物。餐廚廢水經(jīng)油水分離，得到地溝油和污水，地溝油生產生物柴油或直接銷售，污水則通過城市污水管網(wǎng)處理。固形物的傳統(tǒng)處理方法是直接干燥，然后進行后續(xù)飼料化處理。而亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的工藝通過加入亮斑扁角水虻進行轉化，亮斑扁角水虻幼蟲生長利用的水分和產生的熱量可將餐廚剩余物含水量從75%降低到15%，減少餐廚剩余物干燥所耗的能量，避免直接干燥耗能。亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的工藝流程見圖1。

圖1　亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的工藝流程

餐廚剩余物在固液分離后得到固形物，經(jīng)過粉碎后，成為含水量約60%的漿狀物，達到亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物的最適條件。然后在25～28 ℃的環(huán)境溫度和60%～80%的空氣濕度下，接種密度4 000～5 000頭·(kg干物質)-1，接種蟲齡6日齡，亮斑扁角水虻幼蟲轉化含水量約60%的餐廚漿狀物，約11 d完成轉化。在大批量轉化餐廚剩余物時，采用分批進料方式，將需要轉化的總的餐廚漿狀物分成7～8等分，將約5 mm長6日齡亮斑扁角水虻幼蟲加入其中一等分中，根據(jù)幼蟲取食情況連續(xù)投料其它等分，直至出現(xiàn)少量亮斑扁角水虻幼蟲變黑，此時轉化完成。

轉化完成底物中，餐廚漿狀物轉變?yōu)樗缮⒌男☆w粒狀殘渣，而此時亮斑扁角水虻預蛹蟲體長約15 mm。混合的餐廚剩余物殘渣和預蛹蟲體可直接烘干制粒成復合蛋白飼料；或經(jīng)過蟲渣分離得到亮斑扁角水虻預蛹蟲體和餐廚剩余物殘渣(在飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲時，發(fā)現(xiàn)亮斑扁角水虻幼蟲生長不同于蠅蛆幼蟲的分散生長，具有聚攏性，聚集成一小堆，覆蓋在食料下面，這樣便于亮斑扁角水虻預蛹蟲體和餐廚剩余物殘渣的分離)。轉化完成的預蛹蟲體經(jīng)烘干后，提取蟲體中油脂制取生物柴油或直接制取蛋白飼料。

4　亮斑扁角水虻處理有機廢棄物的經(jīng)濟分析

利用昆蟲轉化有機廢棄物，得到昆蟲高蛋白，而剩下的殘渣可用作有機肥等。比如采用畜禽糞便喂養(yǎng)家蠅幼蟲、蚯蚓、蝸牛等低等動物，生物轉化效果較好。亮斑扁角水虻取食范圍廣泛，繁殖快，具有轉化有機廢棄物的特性，且飼養(yǎng)成本低廉。有機廢棄物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲富含蛋白質和油脂，能作為理想的動物飼料[21]。豆粕、魚粉和轉化不同有機廢棄物的亮斑扁角水虻干燥老熟幼蟲的營養(yǎng)成分含量比較見表5[14]。

表5　豆粕、魚粉和轉化不同有機廢棄物的亮斑扁角水虻干燥老熟幼蟲的營養(yǎng)成分含量比較/%

由表5可知，不同的有機廢棄物飼養(yǎng)后的亮斑扁角水虻粗蛋白和粗脂肪含量分別在40%和30%左右。亮斑扁角水虻幼蟲和預蛹粗蛋白含量和豆粕相近，低于魚粉；亮斑扁角水虻幼蟲和預蛹的粗脂肪含量遠遠高于豆粕和魚粉。

有機廢棄物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻具有成為動物飼料的潛力，且較高的粗脂肪含量使其能作為提取生物柴油的原料。1 kg餐廚剩余物飼養(yǎng)的近1 000頭亮斑扁角水虻幼蟲油脂提取的生物柴油約23.6 g[22]。利用不同有機廢棄物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲油脂制取的生物柴油的參數(shù)見表6。

由表6可知，利用不同有機廢棄物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲油脂制取的生物柴油的密度、黏度、甲酯含量、含水量、閃點、十六烷值都達到國家標準。

表6　利用不同有機廢棄物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲油脂制取生物柴油的參數(shù)分析

生物柴油作為典型的綠色能源，是一種以生物質資源為原料、通過酯交換反應而生產的可替代柴油的液體燃料。具有燃燒完全、無毒和可生物降解的特性[24]。作為制取原料的油料作物和大豆的種植規(guī)模限制了生物柴油產業(yè)化推進[25]。利用有機廢棄物飼養(yǎng)腐食性昆蟲，通過大規(guī)模生產，獲得昆蟲源脂肪，是制備生物柴油的有效技術路線。經(jīng)過飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲油脂含量達30%左右，可成為制取生物柴油的油料作物和大豆的替代物。

與此同時，亮斑扁角水虻幼蟲對有機廢棄物中細菌的滋生有抑制作用。亮斑扁角水虻加速了沙門氏菌的減少，在利用廢棄物作為農業(yè)肥料方面，亮斑扁角水虻對腸桿菌科動物疾病有去除作用，降低了疾病傳染到畜禽和人類的風險[22]。

5　展望

利用餐廚剩余物飼養(yǎng)亮斑扁角水虻，可實現(xiàn)餐廚剩余物的資源化、無害化和減量化，是解決中國城市日益嚴峻的餐廚剩余物危害的新思路，也遵循了可持續(xù)發(fā)展的要求。不僅可處理日產量相當大的餐廚剩余物，而且通過昆蟲資源化處理方法可獲得蛋白飼料和生物柴油。同時，亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物可避免病菌的傳播，提高衛(wèi)生水平，保障人們身體健康。利用亮斑扁角水虻轉化餐廚剩余物工藝資源化利用餐廚剩余物，不僅在原有餐廚剩余物處理的基礎上得到地溝油、餐廚剩余物飼料，還可由亮斑扁角水虻蟲體得到蛋白飼料和生物柴油，帶來額外經(jīng)濟效益，為國內餐廚剩余物的工業(yè)化處理提供新思路。

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