黑水虻對不同工段廚余固渣的生物轉(zhuǎn)化效率研究

鄧 舟， 連紅民， 彭 沖， 胡益銘， 曹 寧， 吳瑞峰

(1.深圳市利賽環(huán)保科技有限公司， 廣東 深圳 518100； 2.四川深藍(lán)環(huán)?？萍加邢薰荆?四川 成都 610041)

根據(jù)《生活垃圾分類標(biāo)志》(GB/T 19095—2019)的定義，廚余垃圾表示易腐爛的、含有機質(zhì)的生活垃圾，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大型城市人口聚集，城市固體廢棄物持續(xù)大量產(chǎn)生，給城市的可持續(xù)發(fā)展帶來壓力。廚余垃圾是城市固體垃圾中占比較高的一種，按照14億人口進(jìn)行估算，我國廚余垃圾年產(chǎn)量超過6000萬噸[1]。廚余垃圾的成分和性質(zhì)隨地域、居民飲食習(xí)慣、季節(jié)的變化而變化，總體上具有成分復(fù)雜、含水率高、有機質(zhì)占比高、易腐爛等特點，若不妥善處置，會嚴(yán)重危害城市環(huán)境衛(wèi)生[2]。常見的廚余垃圾處理方法有飼料化處理、好氧堆肥和厭氧發(fā)酵，其中厭氧發(fā)酵工藝占地面積較小，最終產(chǎn)物惡臭味較輕，產(chǎn)生的甲烷和氫氣可作為清潔能源，同時垃圾的減量率較高，能夠?qū)崿F(xiàn)“減量化、資源化、無害化”的目的，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的廚余垃圾處理方法[3]。我國在工程中應(yīng)用較多的是濕式連續(xù)中溫厭氧發(fā)酵工藝，該工藝的常見流程為：廚余垃圾經(jīng)分揀挑除大雜質(zhì)后，剩余物料進(jìn)入破碎和壓榨脫水系統(tǒng)，得到固渣和油水混合物；油水混合物經(jīng)三相分離得到油脂、水相和細(xì)渣，油脂資源化回收或進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵，水相進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)或制備碳源資源化產(chǎn)品；發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷用作清潔能源，發(fā)酵殘渣經(jīng)脫水后，產(chǎn)生污水和沼渣，污水由污水廠進(jìn)行最終處理[4]。上述不同工段產(chǎn)生的廚余固渣，其成分、粒徑、有機質(zhì)含量和含水率等性質(zhì)各不相同，需要根據(jù)固渣性質(zhì)和各地條件選擇好氧堆肥、焚燒、填埋等方式進(jìn)行最終處置，處置前還往往需要對固渣進(jìn)行烘干、濕熱水解、調(diào)質(zhì)等預(yù)處理。廚余固渣處理的復(fù)雜性導(dǎo)致了厭氧發(fā)酵整體工藝較復(fù)雜，周期較長，運營成本高。因此，尋求一種高效、高附加值的廚余固渣處理技術(shù)，是降低厭氧發(fā)酵廠運行成本，提高資源回收效率的迫切需求。

在此背景下，利用昆蟲強大的繁殖能力和高效的有機質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化能力，回收利用有機廢物，為廚余垃圾資源化處置提供了新思路。黑水虻是一種雙翅目水虻科扁角水虻屬腐生昆蟲，廣泛分布于熱帶和溫帶地區(qū)，其幼蟲能夠食用從水果、蔬菜到動物殘骸的各種腐爛有機物，食性雜，食量大，在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為自身成分，體重增長上千倍[5]。利用這一特性，黑水虻被應(yīng)用于處理雞糞、豬糞、廚余垃圾等有機廢棄物。同時，黑水虻養(yǎng)殖產(chǎn)品具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。成蟲富含高質(zhì)量的動物蛋白(41%～44%)和脂肪(15%～49%)，可用作動物飼料或制生物柴油[6]。黑水虻體內(nèi)的氨基酸、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分種類豐富，可用來加工提取抗氧化食品、生物藥劑如抗菌肽和殼聚糖等生物制劑[7]。黑水虻的排泄物也是一種有機肥，其總腐殖酸含量是普通有機肥的2倍至3倍，能直接應(yīng)用于有機農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)[8]。

目前，關(guān)于黑水虻的孵化、養(yǎng)殖和生長性能的研究已見諸報道，但是大多為實驗室研究，所用廚余垃圾原料多來自餐館、學(xué)校食堂等處，經(jīng)人工分揀、研磨等處置后用以養(yǎng)殖黑水虻，其成分和性質(zhì)較為穩(wěn)定[9-12]。但在實際生產(chǎn)中，廚余垃圾的成分和性狀在不同處理工段各不相同。因此，研究黑水虻對不同工段廚余固渣的降解和轉(zhuǎn)化性能，對推廣黑水虻的應(yīng)用具有重要意義。本研究在深圳市城市生物質(zhì)垃圾處置工程內(nèi)進(jìn)行，用廚余垃圾處理過程中不同工段廚余固渣來養(yǎng)殖黑水虻，研究分析黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果和養(yǎng)分利用轉(zhuǎn)化情況，旨在探索新的廚余垃圾的資源化處置出路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 黑水虻

試驗所用黑水虻為蟲卵形態(tài)，采購自某黑水虻養(yǎng)殖基地，蟲卵在36 h內(nèi)開始孵化。

1.1.2 廚余垃圾

試驗在深圳城市生物質(zhì)垃圾處置廠內(nèi)進(jìn)行，該廠承擔(dān)了深圳市龍華區(qū)和福田區(qū)(部分)廚余垃圾的收運處置任務(wù)，廚余垃圾的基本性質(zhì)見表1。

表1 廚余垃圾基本性質(zhì)

廠內(nèi)廚余垃圾處理工藝為：卸料間→預(yù)處理→三相分離→兩相厭氧消化→沼氣發(fā)電。為考察黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果，分別取卸料間原始物料、預(yù)處理車間分離出的擠壓固渣和三相分離后的廚余細(xì)渣作為試驗原料。三者的基本性質(zhì)見表2。

表2 不同工段廚余固渣的基本性質(zhì)

1.2 試驗方法

1.2.1 黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果

試驗以不同工段廚余固渣為原料設(shè)3個試驗組：H1(原始物料),H2(擠壓固渣)和H3(細(xì)渣)。黑水虻的孵化、養(yǎng)殖和篩分參照圖1進(jìn)行，篩分出蟲體和蟲糞后，分析各試驗組的廚余垃圾減量比例和料蟲轉(zhuǎn)化率。

圖1 黑水虻養(yǎng)殖流程圖

1.2.2 蟲糞的肥效分析及玉米種子發(fā)芽試驗

根據(jù)黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果，選擇廚余垃圾減量比例和料蟲轉(zhuǎn)化率結(jié)果最佳的試驗組，取該組篩分出的蟲糞，按照生物有機肥標(biāo)準(zhǔn)，檢測其肥效，并進(jìn)行玉米種子發(fā)芽試驗。

玉米種子發(fā)芽試驗方法：稱取100 g蟲糞，加蒸餾水500 mL混合攪拌30 min后，經(jīng)3000 r·min-1離心10 min，取上清液進(jìn)行過濾，濾液即為蟲糞浸出液。同樣方法制備市售商品有機肥浸出液。把一張大小合適的濾紙放入干凈無菌的9 cm培養(yǎng)皿中，均勻放入20粒早熟5號種子，吸取20 mL的浸出液于培養(yǎng)皿中，用保鮮膜密封。以蒸餾水作為對照，在25℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，測定種子發(fā)芽率和根長。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)及方法

廚余垃圾原料及蟲糞的重量和含水率；

成蟲的重量和含水率；

廚余垃圾減量比例=[(廚余垃圾原料重量(干重)-蟲糞重量(干重))]/廚余垃圾原料重量(干重)×100%

料蟲轉(zhuǎn)化率=蟲體增加的重量(干重)/廚余垃圾減少重量(干重)×100%

蟲糞的肥效指標(biāo)，按照生物有機肥標(biāo)準(zhǔn)(NY 884-2012)的要求，檢測指標(biāo)包括有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以烘干基計)、總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以烘干基計)、五氧化二磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以烘干基計)、氧化鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以烘干基計)、含水率(鮮料)、酸堿度、總砷、總汞、總鉛、總鎘、總鉻和糞大腸桿菌數(shù)；

種子發(fā)芽指數(shù)=處理平均發(fā)芽率×處理平均根長/(對照平均發(fā)芽率×對照平均根長)×100

2 結(jié)果與分析

2.1 黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果

黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果見表3。由表3可知，各試驗組的蟲體的鮮重、干重、殘渣量、廚余垃圾減量比例和料蟲轉(zhuǎn)化率有顯著差異。H3組的黑水虻成蟲鮮重、廚余垃圾減量比例和料蟲轉(zhuǎn)化率最高，分別為3.35 kg，55.92%和85.74%；H1組的成蟲鮮重和廚余垃圾減量比例最低，分別為1.86 kg和43.13%；H2組的料蟲轉(zhuǎn)化率最低，為62.92%。綜合比較，黑水虻對H3試驗組添加的三相分離細(xì)渣的處理效果最好。

表3 黑水虻對不同工段廚余固渣的減量效果

2.2 黑水虻蟲糞的肥效分析及玉米種子發(fā)芽試驗

根據(jù)2.1的結(jié)果，取H3試驗組的蟲糞，按照生物有機肥標(biāo)準(zhǔn)(NY 884—2012)的要求對各項指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表4。由表4可知，除蟲糞鮮料的含水率超過標(biāo)準(zhǔn)限值外，其余指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 廚余垃圾殘渣的肥效指標(biāo)檢測結(jié)果

取蟲糞提取浸出液，與市售有機肥和清水開展玉米種子發(fā)芽試驗，結(jié)果見表5。由表5可知，蟲糞浸出液試驗組的發(fā)芽率最高，為80%，但平均根長最小，為2.86 cm，發(fā)芽指數(shù)最高，為129.40%。

表5 玉米種子發(fā)芽試驗結(jié)果

3 討論

未經(jīng)處理的廚余垃圾原始物料，平均粒徑最大，其中紙巾、塑料、木頭等無法被黑水虻進(jìn)食的雜質(zhì)較多，影響黑水虻的生長并會殘留較多的雜質(zhì)在殘渣中，因此，H1試驗組的成蟲鮮重和廚余垃圾減量比例最低，分別為1.86 kg和43.13%。擠壓固渣是廚余垃圾經(jīng)挑除紙巾、塑料、木頭等雜質(zhì)，并被破碎擠壓后形成的廚余固渣，雖然雜質(zhì)較少，但原有的大部分飯粒、油脂等小顆粒成分被擠壓到漿液中，剩余物中果皮、蛋殼、骨刺等成分較多，難以被黑水虻轉(zhuǎn)化利用，因此H2組的料蟲轉(zhuǎn)化率最低，為62.92%。三相分離細(xì)渣是預(yù)處理漿液經(jīng)三相分離機脫水、脫油后形成的固相部分，主要成分為易腐熟的小顆粒米飯、肉塊、植物根莖等成分，容易被黑水虻吸收轉(zhuǎn)化，因此，H3組的黑水虻成蟲鮮重、廚余垃圾減量比例和料蟲轉(zhuǎn)化率最高，分別為3.35 kg，55.92%和85.74%。

黑水虻的生長過程中，能夠分泌抗菌肽，抑制其他昆蟲和有害微生物的生長[13]。黑水虻的活動性強，在進(jìn)食過程中不斷的運動，使廚余垃圾變成均勻、松散的小顆粒物質(zhì)。因此，經(jīng)黑水虻處理后的廚余垃圾殘渣，不僅營養(yǎng)成分豐富且均衡，同時其表征均勻松散，無異味、無有害病菌，是用作有機肥的良好原料。經(jīng)檢測，三項分離細(xì)渣經(jīng)黑水虻分解后產(chǎn)生的蟲糞，除鮮料的含水率超過標(biāo)準(zhǔn)外，其他指標(biāo)均滿足生物有機肥標(biāo)準(zhǔn)的要求(NY884—2012)。用蟲糞浸出液做玉米種子發(fā)芽試驗，其種子發(fā)芽指數(shù)遠(yuǎn)高于空白對照組，且高于市售有機肥，表明蟲糞中全面且豐富的營養(yǎng)成分具有促進(jìn)種子發(fā)芽的作用；但平均根長最小，可能是蟲糞提取液中氨氮濃度過高，對胚芽的進(jìn)一步生長產(chǎn)生了抑制。需要進(jìn)一步研究蟲糞中營養(yǎng)元素的分布規(guī)律，為蟲糞的規(guī)?；瘧?yīng)用提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

(1)廚余垃圾采用“統(tǒng)一收運、集中處理”的方式，不同性質(zhì)的廚余垃圾混合后統(tǒng)一運送到集中處置場所處置，現(xiàn)有處置工藝中，一般包括篩選、破碎、脫水、脫油、厭氧發(fā)酵等不同處理環(huán)節(jié)，廚余垃圾的成分和性狀在不同處理工段各不相同。以不同工段的廚余固渣為原料飼養(yǎng)黑水虻，結(jié)果表明：以三相分離細(xì)渣為原料的試驗組，黑水虻成蟲鮮重、廚余垃圾減量比例和料蟲轉(zhuǎn)化率最高，分別為3.35 kg，55.92%和85.74%。

(2)對三相分離細(xì)渣經(jīng)黑水虻分解產(chǎn)生的蟲糞的肥效指標(biāo)進(jìn)行檢測，除鮮料的含水率超過標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)均滿足生物有機肥標(biāo)準(zhǔn)的要求(NY 884—2012)。用三相分離細(xì)渣為原料產(chǎn)生的蟲糞浸出液做玉米種子發(fā)芽試驗，其種子發(fā)芽指數(shù)為129.40%，高于空白對照組和市售有機肥。