黑水虻養(yǎng)殖場工藝設計

姜瓊 高睿

(宜春學院化學與生物工程學院，江西 宜春 336000)

黑水虻(Hermetia illucens L.),腐生性的水虻科昆蟲,原產(chǎn)于美洲,中文學名光亮扁角水虻[1],可將廚余垃圾和畜禽糞便作為食物,轉化為可利用的昆蟲蛋白。其生命周期短,生物轉化率高,養(yǎng)殖成本低、繁殖速度快、可作為多種畜禽及水產(chǎn)飼料等特點,已被廣泛用于有機廢棄物轉化,成為重要的資源昆蟲[2]。

由于畜牧業(yè)的飛速發(fā)展,養(yǎng)殖場環(huán)境惡化,對群眾的健康造成很大威脅[3]。國家環(huán)?？偩窒群蟪雠_了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》和《畜禽養(yǎng)殖污染防治管理辦法》,正式將養(yǎng)殖行業(yè)污染控制引入法制范圍。

化肥易造成土壤板結,有機質減少,農(nóng)產(chǎn)品質量下降[4]。而黑水虻蟲糞,有利于改善土壤結構,增加土壤養(yǎng)分,平衡土壤生態(tài)系統(tǒng)。因此通過新興的資源昆蟲轉換畜禽糞便為高效優(yōu)質的生物有機肥,可作為防治糞便污染和修復退化土地的一個關鍵環(huán)節(jié)。

1 生產(chǎn)工藝設計

1.1 技術條件

1.1.1 蟲卵的預處理

蟲卵:直徑1mm左右,長條狀,通常1個卵團500個左右。淡黃色或奶白色,隨著成長顏色逐漸加深,黑水虻蟲卵最適宜的孵化溫度為32℃。根據(jù)工廠數(shù)據(jù),蟲卵孵化池溫度一般控制在32℃左右,不可以有過大的偏差。

1.1.2 幼蟲的形態(tài)特征及培養(yǎng)條件

幼蟲:黑水虻幼蟲的身體很大,頭很小,呈黃色,皮膚堅硬,堅韌。在6個齡期后,幼蟲(預蛹)的體色為褐色。平均長度為18mm,寬度為6mm,個別個體可以達到27mm。在26～35℃時,幼蟲、蛹、成蟲的生長條件是適宜的。

1.1.3 蛹的形態(tài)特征及培養(yǎng)條件

蛹:是由最后一代幼蟲脫殼而成的包繭狀,切開后可以看到蛹體。通過改變原料基質和物料的水分,可以調節(jié)黑水虻蛹的成熟率。

1.1.4 成蟲的形態(tài)特征及培養(yǎng)條件

成蟲:體長約15～20mm,全身顏色烏黑,體型比蒼蠅細長。口器完全退化,幾乎不進食。黑水虻在交配之前存在著一種由外界因素誘發(fā)的求偶行為,而這種求偶的主要因素是強日照,同時需要一定的空間。

1.1.5 殘渣的分離

黑水虻和飼料殘留的分離有2個途徑:自然遷移,在容器中設置幾個出口,每個出口有15°左右的坡度,這樣黑水虻就可以在晚上從斜坡上移走,可分離出非常潔凈的預蛹；在篩分階段,黑水虻的食物殘留物已比較干燥,可以選取合適的篩網(wǎng),也能獲得含少量雜質的黑水虻預蛹。

1.1.6 注意事項

黑水虻幼體對溫濕度極為敏感,低溫會使其取食能力降低,從而影響其生長。如果溫度太高,幼蟲就會停止覓食,逃跑。水分對幼蟲的傷害最大,可引起疾病甚至死亡。如果太干,會降低幼蟲的取食效果。

1.2 工藝流程設計

黑水虻養(yǎng)殖工藝流程可分為3部分:原料預處理、幼蟲養(yǎng)殖與分離、成蟲繁殖與卵的孵化。圖1以餐廚垃圾養(yǎng)殖黑水虻為例繪制了整個工藝流程。

圖1 黑水虻處理餐廚垃圾和有機廢棄物工藝流程圖

2 黑水虻養(yǎng)殖場設計

2.1 廠址選擇

廠址的工程地質、水文地質狀況必須符合污水處理廠的建設和運營需要。交通、供電、供水、排水設施齊全。避免環(huán)境敏感區(qū)、洪泛區(qū)和重要文化遺址保護區(qū)。

2.2 工廠建設條件

廠房應選在人流,物流少,位置遠離道路污染源的下風口。廠房和輔助廠房在同一棟可以節(jié)約能源,方便管理。消防設施,辦公樓,配電等與廠房無污染關聯(lián)的生產(chǎn)主體盡量設置短連接途徑。運輸方式根據(jù)實際情況可選擇公路、鐵路。

2.3 廠區(qū)總平面設計原則

各個工序之間的連接要流暢、水平、縱向布局要合理、結構間距要符合安全要求。

人流和物流入口分開,互不干擾,保證車輛順暢進出。必須滿足當?shù)赝恋?、?guī)劃、交通、消防等相關法規(guī)的要求。

2.4 建筑物組成及總平面布置

廠區(qū)總平面設計包括行政區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)、綠化用地和道路。生產(chǎn)區(qū)又分為卸料分揀區(qū)、油水分離區(qū)、混合飼料區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、成蟲存放區(qū)和蟲糞處理區(qū)。具體布置見圖2～4。

2.5 生產(chǎn)工藝設計

主要步驟包括原料預處理(原料去雜,固液分離,油水分離),混合飼料,養(yǎng)殖黑水虻,蟲沙分離等。

2.6 車間平面設計

盡可能采取大開間的平面設計,合理布置各個生產(chǎn)區(qū)域及輔助區(qū)域,以節(jié)約成本、能耗和管線。廠房中的機器及設備布置要按照產(chǎn)品的工藝流程依次順著工序布置,盡量避免逆行布置。

要求物料的運輸途徑短,防止風吹雨淋。留出足夠的人員位置和管道位置,確保能夠有空間安裝設備和管線,注意面積和層高,考慮到大型設備的進出,維修,安裝等。

2.7 平面圖設計

依據(jù)有關技術要求和相關法律法規(guī),繪制相應的平面設計圖,主要完成全廠總平面設計圖,車間廠房平面設計圖和養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖池的規(guī)格圖。總廠平面布置圖見圖2,車間平面布置圖見圖3,養(yǎng)殖池設計圖見圖4。

圖2 總廠平面圖

圖3 車間平面圖

圖4 養(yǎng)殖池平面圖

3 年產(chǎn)2000t黑水虻物料衡算

3.1 物料衡算依據(jù)

黑水虻生命周期,包含了4個階段,即卵,幼蟲,蛹,成蟲,其中有機廢物的處理,以幼蟲為主,大約6～7d[5]。不同飼料養(yǎng)殖黑水虻轉化率不同。以固體廚余垃圾與動物糞便為例,當二者的比例為3∶2時,黑水虻凈增重最大,飼料轉化率最高,為38.5%。此刻的料蟲比最小,為5.99[6]。養(yǎng)殖區(qū)可分為6個不同進度的養(yǎng)殖床,每個床每天消耗5.48t飼料(按廚余垃圾與牛糞3∶2計算)。廚余垃圾等有機廢棄物每天都會產(chǎn)生,必須及時處理,因此設計全年365d生產(chǎn)。

3.2 物料衡算

料蟲干物質轉化率＝[單位面積蟲子增重×(100%-蟲子水分)]/[單位面積混合飼料用量×(100%-混合飼料漿料水分)]×100%

料蟲比＝混合飼料量/蟲子增重

蟲卵比＝單位面積蟲子產(chǎn)量/單位面積下幼蟲用卵量

廚余垃圾漿料水分含量約為80%,與牛糞3∶2混合并添加統(tǒng)糠或麥麩后制成混合飼料。

混合飼料總量＝日用量×365d＝5.48×6×365＝12000t

固體廚余垃圾總量＝12000×3/(2＋3)＝7200t

固體廚余垃圾日耗量＝7200/365＝19.7t

含水廚余垃圾總量＝7200/65%＝11077t

含水廚余垃圾日處理量＝11077/365＝30.3t

牛糞總量＝12000×2/(2＋3)＝4800t

牛糞日耗量＝4800/365＝13.2t

黑水虻蟲卵到可收獲幼蟲的質量增幅大致為4000倍,蟲卵質量＝2000/4000＝0.5t

蟲卵日孵化量＝0.5×1000/365＝1.37kg

每個養(yǎng)殖池蟲卵日孵化量＝1.37/6＝0.23kg

3.3 重點設備的選型和參數(shù)

3.3.1 分揀設備

由分揀裝置所產(chǎn)生的材料經(jīng)過分揀機進行加工,由分揀機進行分揀,將大塊金屬、瓷片、玻璃瓶、塑料袋等進行分揀,從而有效地保障了后續(xù)的輸送設備的正常運轉。將經(jīng)分選的材料按不同的方法進行固、液分離,可以增加物料的脫水率。

3.3.2 固液分離設備

壓榨、脫水裝置的主要作用是對物料進行擠壓、脫水,以保證物料在65%以下的水分含量。經(jīng)脫水的固體材料送入粉碎拌料系統(tǒng),排出的液段經(jīng)管線收集到滲濾液貯存槽中,經(jīng)輸送泵送入油水分離裝置進行油水分離。

3.3.3 油水分離系統(tǒng)

在卸料槽、螺旋輸送機和固液分離裝置上都設有滲濾液收集槽和輸送管,滲瀝液經(jīng)過收集后送入滲濾液收集槽,通過水平離心泵將滲瀝液送入濕解槽,再通過蒸汽加熱,由油水分離裝置進行油水分離。

3.3.4 進料設備

斗式取料器工作參數(shù)對彈斗輪的日平均最大供料量大小和轉速變化率都有很顯著程度的直接影響,從大至小依次分別為彈斗輪速度、儲貯料斗數(shù)量、斗輪最大供料轉速,最優(yōu)的工作參數(shù):65mm·s-1、8.25mm·min-1、料斗3個料斗,這時斗輪的進料效率是最好的[7]。

3.4 黑水虻的排泄物及處理

蟲糞含水量一般極之低,無任何臭味。養(yǎng)分相當全面,符合中國農(nóng)業(yè)部關于生物有機肥使用規(guī)定的其他有關標準。

3.5 能量衡算

進行能量衡算的目的是用確定設備的功率來計算生產(chǎn)工藝過程中大概消耗的電能,從而規(guī)劃電能消耗的成本。各設備的功率及計算如下。

3.5.1 進料設備

斗式取料機功率15kW,上料75t·h-1,每日工作1h。日耗電量＝1×15＝15kW·h,年耗電量＝15×365＝5475kW·h。

3.5.2 分揀設備

分揀機1540型,功率18.5kW,分揀速率100t·h-1,每日分揀出濕廚余垃圾55.6t,每日工作4h。日耗電量＝18.5×4＝74kW·h,年耗電量＝74×365＝27010kW·h。

3.5.3 固液分離設備

壓榨脫水機型號XHYZ-20t/h,功率18kW,每日壓榨55.6t濕廚余垃圾,壓榨脫水機工作3h。日耗電量＝18×3＝54kW·h,年耗電量＝54×365＝19710kW·h。

3.5.4 油水分離設備

臥式離心泵功率10kW,每日工作2h。細壓榨機功率8kW,每日工作2h。轉子泵功率7.5kW,每日工作2h。三相分離機功率10kW,每日工作2h。油水分離設備日耗電量＝(10＋8＋5＋10)×2＝66kW·h,年耗電量＝66×365＝24090kW·h。

3.5.5 車間控溫設備

分層空調功率20kW,365d中約有90d的溫度需要調節(jié)。日耗電量＝20×24＝480kW·h,年耗電量＝48×90＝43200kW·h。3.5.6 蟲糞清理設備

廢料清理機功率5.5kW,每日工作2h。每日耗電量＝5.5×2＝11kW·h,年耗電量＝11×365＝4015kW·h。

綜上,車間所有設備的日耗電量總和700kW·h,年耗電量總和123500kW·h。