黑水虻對餐廚垃圾養(yǎng)分轉(zhuǎn)化研究

尹靖凱, 龔小燕, 孫麗娜, 韓夢琦, 楊淵, 徐曉燕, 王小波

(天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院, 天津 300384)

隨著人民生活水平的提高和城市化進(jìn)程的發(fā)展，餐廚垃圾(kitchen waste, KW)處理難題日益凸顯。2015年我國餐廚垃圾年產(chǎn)量就達(dá)到9 910萬t，而且在逐年增加[1], 全世界餐廚垃圾約占市政固體垃圾總量的30%～50%[2]。大量的餐廚垃圾如處理不當(dāng)會嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人們的身體健康[3-4]。與其他垃圾相比，餐廚垃圾具有水分、有機(jī)物、油脂含量高等特點(diǎn)，有較高的生物轉(zhuǎn)化利用價(jià)值。前人研究表明，利用黑水虻(HermetiaillucensL.)處理餐廚垃圾可以獲得可觀的生物量收益和環(huán)境效益[5-6]。目前，國內(nèi)外餐廚垃圾處理技術(shù)主要有焚燒、填埋、好氧堆肥、厭氧消化、加工飼料等，但都存在不同程度的不足，影響餐廚垃圾的高效利用[7-9]。

黑水虻屬于腐生性水虻科昆蟲，幼蟲主要以腐爛有機(jī)物為食。黑水虻通過自身的取食行為和消化作用，可以將畜禽糞便、餐廚垃圾、市政污泥等有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為蟲體蛋白和生物肥料[10-12]。楊森[13]研究表明，利用黑水虻處理豬糞，豬糞干物質(zhì)減少了41%～51%，收獲了原豬糞干重10.6%～15.1%的黑水虻蟲體干重。Bosch等[14]的報(bào)道也表明，可以利用黑水虻處理豬糞、雞糞、牛糞、豆腐渣等廢棄物，將廢棄物中的氮轉(zhuǎn)化為蟲體蛋白。但黑水虻對餐廚垃圾中養(yǎng)分的利用轉(zhuǎn)化情況還未見詳細(xì)報(bào)道。本研究篩選了黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾的最佳生產(chǎn)性能，并分析了最佳生產(chǎn)性能條件下黑水虻處理對餐廚垃圾中養(yǎng)分利用轉(zhuǎn)化情況，旨在為餐廚垃圾的資源化處置提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自天津農(nóng)學(xué)院食堂，挑出塑料袋、一次性筷子等雜物，并簡單瀝除水分，粉碎(粒徑<2 mm)后0 ℃保存，飼喂前解凍，含水率為73.1%。

黑水虻卵取自天津農(nóng)學(xué)院有機(jī)廢棄物資源化技術(shù)研發(fā)中心。蟲卵在溫度(30±2)℃、濕度(80±5)%的環(huán)境中孵化48 h后，轉(zhuǎn)入含水量80%的麥麩中，保育7 d后，放入餐廚垃圾中進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1最佳生產(chǎn)性能的篩選 試驗(yàn)按照餐廚垃圾添加量設(shè)4個(gè)處理：T1(3.0 kg)、T2 (3.6 kg)、T3(4.5 kg)、T4(5.2 kg)，每個(gè)處理重復(fù)3次。在各處理的培養(yǎng)盒(35 cm ×20 cm ×10 cm)中放入7日齡黑水虻幼蟲100 g。根據(jù)黑水虻幼蟲生長情況按比例每個(gè)處理每天加入適量餐廚垃圾，在溫度(30±2)℃、濕度60%～80%的環(huán)境中養(yǎng)殖。養(yǎng)殖8 d后，停止加入餐廚垃圾，放置24 h，待蟲體完全排出體內(nèi)殘余物后，篩分出蟲體，分析各處理的生產(chǎn)性能。

1.2.2轉(zhuǎn)化性能研究 在篩選最佳生產(chǎn)性能的基礎(chǔ)上，分析餐廚垃圾經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后餐廚垃圾中蛋白質(zhì)、脂肪、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈉(Na)在蟲體和蟲糞中的分配比例以及損失量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

篩分出蟲體、殘?jiān)?，烘干稱重、粉碎，按照水：樣品為10∶1溶解后，測定pH、電導(dǎo)率(electrical conductivity，EC)。采用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)碳含量，凱氏定氮法測定氮(N)、蛋白質(zhì)含量，鉬黃比色法測定磷(P)含量，火焰光度法測定鉀(K)、鈉(Na)含量[15]，利用索氏提取法測定蟲體、蟲糞、餐廚垃圾脂肪含量。

餐廚垃圾減量率 = [(餐廚垃圾質(zhì)量(干重)-殘?jiān)|(zhì)量(干重)]/餐廚垃圾質(zhì)量(干重)×100%

(1)

餐廚垃圾轉(zhuǎn)化率=增加的蟲體質(zhì)量(干重)/轉(zhuǎn)化的餐廚垃圾質(zhì)量(干重)×100%

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和作圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑水虻處理不同量餐廚垃圾生產(chǎn)性能

由表1可知，隨著餐廚垃圾添加量的增加，黑水虻蟲體的鮮重、干重、殘?jiān)匡@著提高。T4處理的黑水虻鮮重、干重最高，分別為1 285.5、401.7 g，較T1處理分別增加了45.4%和43.4%；T3、T2處理的鮮重和干重較T1處理分別增加了36.9%、29.0%和35.7%、29.0%。T4處理的殘?jiān)孔罡撸^T3、T2、T1分別增加了32.2%、93.6%、153.7%。餐廚垃圾的減量率隨著餐廚垃圾添加量的增加而降低，T1、T2處理的減量率分別為76.2%和74.0%，沒有顯著差異；而T3、T4處理則顯著降低，分別為69.3%和65.2%。T2處理的轉(zhuǎn)化率最高為33.9%，較T1、T3處理分別提高了3.3和5.2個(gè)百分點(diǎn)，T4處理的轉(zhuǎn)化率最低。綜合分析，T2處理即100 g 7日齡黑水虻幼蟲處理3.6 kg含水量為73.1%餐廚垃圾的生產(chǎn)性能最佳。

表1 黑水虻處理餐廚垃圾的生產(chǎn)性能Table 1 Production performance of black soldier fly in the treatment of kitchen waste

2.2 黑水虻對餐廚垃圾蛋白質(zhì)和脂肪的轉(zhuǎn)化

表2顯示，餐廚垃圾的粗蛋白質(zhì)和脂肪含量為25.0%和25.5%。經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后，黑水虻蟲體內(nèi)的粗蛋白和脂肪含量分別為45.1%和48.1%，蟲糞中含量分別為28.3%和7.3%。蟲體中的蛋白和脂肪總量分別為原餐廚垃圾中蛋白和脂肪總量的61.3%和64.0%，蟲糞中的蛋白和脂肪總量分別為原餐廚垃圾中蛋白和脂肪總量的29.5%和7.5%。可見，餐廚垃圾中的蛋白質(zhì)和脂肪經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后，大部分轉(zhuǎn)化為蟲體蛋白和脂肪。蛋白質(zhì)總的轉(zhuǎn)化率為90.8%，有9.2%的損失；脂肪的總轉(zhuǎn)化率為71.5%，有28.5%的損失。

表2 黑水虻對餐廚垃圾蛋白質(zhì)和脂肪的轉(zhuǎn)化Table 2 Transformation of protein and fat from kitchen waste by black soldier fly

2.3 黑水虻對餐廚垃圾中各元素的轉(zhuǎn)化

餐廚垃圾經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后，其中的N、P、K、Na部分轉(zhuǎn)移到黑水虻蟲體，部分轉(zhuǎn)移到蟲糞中(表3)。轉(zhuǎn)化后N、P、K、Na在蟲體的總量占原餐廚垃圾總量的比例分別為61.3%、37.6%、71.4%、14.1%，在蟲糞中的總量占原餐廚垃圾總量的比例分別為29.5%、60.0%、25.2%、50.4%，各元素的損失比例分別為9.2%、2.4%、3.4%、35.5%。可見，在餐廚垃圾的轉(zhuǎn)化過程中，Na的損失量最高，其次為N元素，P、K的損失量最低。

表3 黑水虻對餐廚垃圾中各元素的轉(zhuǎn)化Table 3 Transformation of elements from kitchen waste by black soldier fly

2.4 餐廚垃圾經(jīng)黑水虻處理前后理化性質(zhì)的變化

餐廚垃圾經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后，蟲糞的pH、EC值、有機(jī)質(zhì)含量較原餐廚垃圾分別提高了22.5%、32.4%和28.9%，N、P、Na的含量也顯著提高了13.5%、130.0%、92.9%，K含量沒有顯著變化。N、P、K總養(yǎng)分含量大于5%，各指標(biāo)均符合NY 525—2012[15]中有機(jī)肥料的各項(xiàng)限值標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

黑水虻可以將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為蟲體蛋白和生物有機(jī)肥[10-11]，消除餐廚垃圾帶來的危害，在轉(zhuǎn)化過程中，隨著餐廚垃圾投喂量的增加，收獲黑水虻的蟲體量增加，但餐廚垃圾的減量率降低。處理過程中，餐廚的投喂量過低時(shí)，餐廚的減量率提高，但黑水虻生長受影響，干重減少，干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率降低；投喂量過多時(shí)，黑水虻對原料不能充分的轉(zhuǎn)化利用，同樣造成干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率降低，餐廚垃圾的減量率降低。本研究發(fā)現(xiàn)，100 g 7日齡黑水虻幼蟲處理3.6 kg餐廚垃圾的生產(chǎn)性能最佳，餐廚垃圾經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后，干物質(zhì)減量率達(dá)到了74.0%，干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)33.9%。與前人的研究結(jié)果[16-18]相近。與畜禽糞便等其他廢棄有機(jī)物相比，餐廚垃圾的碳水化合物含量高，而且主要為淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)等易于動(dòng)物消化的物質(zhì)。Kim等[19]研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻幼蟲腸道提取物的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性高于家蠅幼蟲，使其能夠更有效地消化這些有機(jī)物。所以，黑水虻對餐廚垃圾的減量率顯著高于對畜禽糞便的減量率和干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率[20]。

表4 餐廚垃圾轉(zhuǎn)化前后的理化性質(zhì)Table 4 Physical and chemical properties of kitchen waste before and after transformation

黑水虻幼蟲能夠轉(zhuǎn)化餐廚垃圾中的N、P、K等營養(yǎng)成分和大量的蛋白質(zhì)、脂肪，并將一部分用于機(jī)體構(gòu)建，成為畜禽養(yǎng)殖的蛋白和油脂原料[21]，而且昆蟲的轉(zhuǎn)化可以完全阻斷同源性蛋白病毒在食物鏈中的傳播[22]，可以將轉(zhuǎn)化餐廚垃圾后的昆蟲蛋白安全應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖飼料。本研究中，通過黑水虻蟲體收獲的蛋白質(zhì)和脂肪量分別為餐廚垃圾原料中蛋白質(zhì)和脂肪總量的61.2%和64.0%，有效將餐廚垃圾中廢棄的蛋白和脂肪回收利用，相比于傳統(tǒng)的焚燒、填埋、堆肥等處理技術(shù)，具有明顯的資源利用優(yōu)勢。經(jīng)轉(zhuǎn)化后餐廚垃圾中的N、P、K元素絕大部分轉(zhuǎn)化到蟲體和蟲糞中。N有9.2%的損失，與消化過程中NH3的揮發(fā)有關(guān)[23]；Na有35.5%的損失，可能因Na以水溶態(tài)存在，在殘?jiān)娓蛇^程中容器壁殘留損失較多；脂肪有28.5%的損失，可能以蟲體熱量的形式散發(fā)。本研究及何釗等[24]的研究結(jié)果都表明，黑水虻蟲體中N總量大于P、K、Na，可知黑水虻在生長過程中需要吸收的N大于P、K，Na的吸收量最低，而餐廚垃圾中K含量僅為P含量的28%，所以轉(zhuǎn)化后N、K在蟲體的轉(zhuǎn)入比例大于P、Na。

黑水虻轉(zhuǎn)化餐廚垃圾后，殘余物蟲糞的pH、EC、有機(jī)質(zhì)、N、P、Na含量都顯著提高。餐廚垃圾pH為4.79呈酸性，在黑水虻消化蛋白過程中產(chǎn)生了氨氣[23,25]，導(dǎo)致殘余物的pH升高。同時(shí)由于干物質(zhì)的大量減少產(chǎn)生濃縮效應(yīng)，造成了EC、有機(jī)質(zhì)、N、P、Na含量的升高。各指標(biāo)的變化趨勢與前人使用黑水虻處理豬糞等畜禽廢棄物的結(jié)果[26-27]有差異，豬糞經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后有機(jī)質(zhì)、N、K含量降低，P含量升高。差異可能與廢棄物的減量率有關(guān)，黑水虻處理豬糞的減量率為56%，而對餐廚垃圾的減量率達(dá)到了74%，濃縮效應(yīng)更明顯。轉(zhuǎn)化后殘余物的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)85.6%，N、P、K總養(yǎng)分含量達(dá)到了7.8%，高于NY 525—2012有機(jī)肥料[15]標(biāo)準(zhǔn)要求的各項(xiàng)限值。

餐廚垃圾除有機(jī)質(zhì)、脂肪含量高外，還具有鹽分含量高的特性。本研究餐廚垃圾的EC值為3.55 ms·cm-1，Na離子含量達(dá)1.26%，高鹽分會抑制微生物的生長，影響餐廚垃圾的好氧堆肥[28]和厭氧發(fā)酵[29]處理工藝。高鹽分也成為堆肥產(chǎn)品應(yīng)用的限制性因素，陳曉惠[30]研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾堆肥的高鹽分抑制了黑麥草種子發(fā)芽和生長。黑水虻雖然對高鹽分具有一定的耐受性[31]，一定的鹽度不會影響對餐廚垃圾的轉(zhuǎn)化，但蟲糞中鹽分含量的提高會影響蟲糞的進(jìn)一步農(nóng)業(yè)利用。因此，在進(jìn)行黑水虻轉(zhuǎn)化前,最好通過水洗、脫水等措施降低餐廚垃圾中鹽分的含量。