摘 要:為明確餐廚垃圾的生物轉(zhuǎn)化效率及其殘?jiān)姆柿匣脻摿?,分析探討了通過(guò)養(yǎng)殖蠅蛆和黑水虻幼蟲降解餐廚垃圾的料蟲轉(zhuǎn)化率、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率、殘?jiān)砘再|(zhì)、鹽分殘留量及養(yǎng)分資源供給能力等。結(jié)果表明:蠅蛆和黑水虻幼蟲的料蟲轉(zhuǎn)化率約10%;蠅蛆對(duì)餐廚垃圾的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率在12.53%~29.45%之間,養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率高低表現(xiàn)為鉀>氮>有機(jī)質(zhì)>磷,而黑水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率在14.64%~41.94%之間,養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率高低表現(xiàn)為鉀>磷>氮>有機(jī)質(zhì);蠅蛆和黑水虻幼蟲蟲體中氮、磷、鉀總含量在12%左右,蛋白質(zhì)含量分別為58.88%和47.56%。生物轉(zhuǎn)化后殘?jiān)黳H值接近中性,氮、磷、鉀總養(yǎng)分含量>8%、有機(jī)質(zhì)含量>50%,均滿足有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)要求且活性有機(jī)質(zhì)含量較高;殘?jiān)泻猩倭库c鹽和氯離子,應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期直接施用帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞:餐廚垃圾;蠅蛆;黑水虻;生物轉(zhuǎn)化;肥料化
中圖分類號(hào):X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-060X(2023)05-0070-04
Abstract:To determine the bioconversion efficiency of kitchen waste and the fertilization potential of correspondingly bioconversed residues, our experiment has investigated and analyzed the waste-insect conversion rates and the nutrient conversion rates of housefly larvae and black soldier fly larvae to kitchen waste, and the physicochemical properties, sodium salt and chloride ion contents, and nutrient supply capacity of the bioconversed residue of kitchen waste. The results indicated that the waste-insect conversion rates of housefly larvae and black soldier fly larvae to kitchen waste were about 10%. The nutrient conversion rate of housefly larvae to kitchen waste was 12.53%-29.45% in order of Kgt;Ngt;OMgt;P, and that of black soldier fly larvae was 14.64%-41.94% in order of Kgt;Pgt;Ngt;OM." In housefly larvae and black soldier fly larvae, the total contents of N, P and K were about 12%, and the content of protein was 58.88% and 47.56%, respectively. The pH value of residues after bioconversion was close to neutral, the total content of N, P and K was gt;8%, and the content of organic matter was gt;50%, which met the standard of organic fertilizer. Furthermore, a high level of active organic matter was detected in the residues. However, it is suggested that potential risk of long-term or direct application should be avoided due to Na+ and Cl- in residues.
Key words:kitchen waste; housefly larvae; black soldier fly larvae; bioconversion; fertilization
餐廚垃圾具有危害性和資源性并存的特點(diǎn),其傳統(tǒng)利用方式,如作為潲水(泔水)飼喂動(dòng)物或焚燒、填埋等,存在較多弊端。近年來(lái),隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升和垃圾分類工作的推進(jìn),餐廚垃圾無(wú)害化、資源化利用逐漸引起各界關(guān)注。目前,國(guó)內(nèi)外在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工藝[1-2]、堆肥利用技術(shù)[3-4]等方面取得了一定的研究成果,但我國(guó)對(duì)餐廚垃圾處理利用的研究起步較晚,目前僅有19.5%的餐廚垃圾得到有效處理和利用[5],相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家而言仍處于較低水平,其綜合高效與資源化利用技術(shù)仍然短缺。
利用昆蟲對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)2大優(yōu)勢(shì),其速度快、降解性強(qiáng)且具有高附加值,近年來(lái)發(fā)展迅速[6]。亮斑扁角水虻(Hermetia illucens L.)即黑水虻,為腐生性水虻科昆蟲,其幼蟲對(duì)易腐有機(jī)物質(zhì)有較強(qiáng)的取食與消化降解能力,在有機(jī)廢棄物處置領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力[7-8],其生物轉(zhuǎn)化技術(shù)被認(rèn)為是解決我國(guó)餐廚垃圾資源化利用困境的重要方法[9]。蠅蛆為家蠅(Musca domestica)幼蟲,主要取食糞便及腐敗物質(zhì),是動(dòng)植物有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的天然生物反應(yīng)器,可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的高效快捷降解轉(zhuǎn)化。已有研究表明,黑水虻幼蟲和蠅蛆對(duì)餐廚垃圾的轉(zhuǎn)化不僅可生產(chǎn)高附加值的動(dòng)物蛋白飼料[10-11],其殘?jiān)€可成為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥原料[12]。因此,作為一種環(huán)境友好型技術(shù),利用黑水虻、蠅蛆等昆蟲進(jìn)行餐廚垃圾生物轉(zhuǎn)化,是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾綜合處理利用的重要手段之一。
然而,目前關(guān)于餐廚垃圾生物降解轉(zhuǎn)化效率以及殘?jiān)柿匣眠m宜性的研究較為缺乏。筆者采集了湖南省內(nèi)較為典型的2家養(yǎng)殖企業(yè)的餐廚垃圾(養(yǎng)殖原料)、蟲體(蠅蛆和黑水虻幼蟲)、轉(zhuǎn)化后的殘?jiān)ㄏx糞)等樣品,對(duì)其基本理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、鹽分、有機(jī)質(zhì)等含量進(jìn)行了分析,并計(jì)算了餐廚垃圾中氮、磷、鉀養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率和料蟲轉(zhuǎn)化率等相關(guān)指標(biāo),以期探討?zhàn)B殖昆蟲對(duì)餐廚垃圾的生物轉(zhuǎn)化效率,分析生物轉(zhuǎn)化后殘?jiān)姆柿匣脻摿?,為餐廚垃圾的高效高值資源化利用提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 餐廚垃圾來(lái)源 養(yǎng)殖使用的餐廚垃圾物料均為某大型廢棄物處理企業(yè)所收集的長(zhǎng)沙市餐廚垃圾,經(jīng)專業(yè)設(shè)備進(jìn)行分選、脫水脫油后的泥狀渣料(泔渣)。
1.1.2 蠅蛆來(lái)源 蠅蛆生產(chǎn)企業(yè)位于湖南省寧鄉(xiāng)市,為人工養(yǎng)殖,養(yǎng)殖規(guī)模為每日可產(chǎn)蠅蛆1 t,餐廚垃圾投喂量約7 t/d。每日循環(huán)產(chǎn)出,收獲蠅蛆鮮蟲,轉(zhuǎn)化后的殘?jiān)蛔粤?,均送與種植合作社或農(nóng)戶作有機(jī)肥使用。
1.1.3 黑水虻來(lái)源 黑水虻幼蟲養(yǎng)殖企業(yè)位于湖南省瀏陽(yáng)市,為全自動(dòng)化控溫控濕生產(chǎn),養(yǎng)殖規(guī)模為每日產(chǎn)出黑水虻幼蟲10 t,餐廚垃圾投喂量約45 t/d。每日循環(huán)產(chǎn)出,收獲黑水虻幼蟲鮮蟲,轉(zhuǎn)化后的殘?jiān)稍撈髽I(yè)自留生產(chǎn)商品有機(jī)肥。
1.2 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定
餐廚垃圾樣品分別在2個(gè)養(yǎng)殖企業(yè)的原料池以蛇形采樣法進(jìn)行多點(diǎn)采樣;生物轉(zhuǎn)化殘?jiān)ㄏx糞)在蟲體與殘?jiān)Y分后進(jìn)行采樣,相關(guān)有機(jī)肥樣品(總養(yǎng)分含量6%和8%的專用有機(jī)肥和8%的通用有機(jī)肥)則采用隨機(jī)抽樣法進(jìn)行采樣。蠅蛆和黑水虻幼蟲分別在企業(yè)收取蟲體時(shí)采集新鮮蟲體樣品。
水分含量采用烘干法測(cè)定,pH值以酸度計(jì)法測(cè)定,粗灰分采用高溫灼燒法,全氮和蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法測(cè)定,水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,總磷、有效磷采用礬鉬黃比色法測(cè)定,總鉀、速效鉀和鈉離子采用火焰光度計(jì)法測(cè)定,氯離子采用硝酸銀容量法測(cè)定,活性有機(jī)質(zhì)采用稀釋熱法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)采用重氯酸鉀容量法測(cè)定。
料蟲轉(zhuǎn)化率以增加的蟲體質(zhì)量(干)占餐廚垃圾質(zhì)量(干)的比例表示。養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率可反映生物轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)餐廚垃圾中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化利用程度,其計(jì)算方式為:某養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率(%)=蟲體干重某養(yǎng)分量/(餐廚垃圾某養(yǎng)分量-殘?jiān)仇B(yǎng)分量)×100。
2 結(jié)果與分析
2.1 生物轉(zhuǎn)化前后餐廚垃圾理化性質(zhì)的變化
由表1可知,經(jīng)蠅蛆和黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)趾枯^餐廚垃圾原料分別減少20.11%和56.00%;從餐廚垃圾和殘?jiān)膒H值來(lái)看,2種昆蟲皆可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾由酸性至中性的轉(zhuǎn)化,有利于其肥料化利用;殘?jiān)袡C(jī)質(zhì)含量達(dá)52.8%及以上,全氮、全磷、全鉀總養(yǎng)分含量達(dá)8.41%及以上。經(jīng)蠅蛆和黑水虻轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)辛缀枯^餐廚垃圾原料分別提升了29.44%和114.89%,鉀含量也有所提升,而氮含量則分別降低了18.87%和38.37%。
2.2 昆蟲生物體各養(yǎng)分的含量
由表2可知,蠅蛆和黑水虻幼蟲生物體含水量高且數(shù)值相當(dāng),均在74%左右。2種昆蟲生物體中氮、磷、鉀、鈉含量高低均表現(xiàn)為氮>磷>鉀>鈉;二者氮、磷、鉀總養(yǎng)分含量較一致,均在12%左右,但蠅蛆氮含量略高于黑水虻幼蟲,而磷、鉀含量則在黑水虻幼蟲中稍高。黑水虻幼蟲粗灰分含量為蠅蛆的3倍以上,而有機(jī)質(zhì)含量和蛋白質(zhì)含量則是蠅蛆的更高。
2.3 生物轉(zhuǎn)化效率分析
2.3.1 料蟲轉(zhuǎn)化率 以餐廚垃圾飼養(yǎng)蠅蛆和黑水虻幼蟲后,增加的生物體干重占餐廚垃圾干重的比例,可反映昆蟲的轉(zhuǎn)化效率。蠅蛆和黑水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾的料蟲轉(zhuǎn)化率分別為9.55%和10.90%(表3),可以認(rèn)為,餐廚垃圾與蟲體比例約為10∶1(干重),即10 kg餐廚垃圾(泔渣)可養(yǎng)成1 kg左右的蠅蛆或黑水虻幼蟲。
2.3.2 養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率 從表3可以看出,蠅蛆和黑水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力有一定差異,但對(duì)鉀的轉(zhuǎn)化利用率均為最高,分別為29.45%和41.94%;蠅蛆對(duì)氮的轉(zhuǎn)化率僅次于鉀,對(duì)磷的轉(zhuǎn)化率最低,僅為12.53%,其對(duì)各養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化率按高低排序依次為鉀>氮>有機(jī)質(zhì)>磷;而黑水虻幼蟲對(duì)磷的轉(zhuǎn)化率較蠅蛆高,對(duì)氮和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率則低于蠅蛆,其對(duì)各養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化率按高低排序依次為鉀>磷>氮>有機(jī)質(zhì)。
2.4 生物轉(zhuǎn)化殘?jiān)柿匣玫臐摿?/p>
2.4.1 養(yǎng)分狀況 由表4可知,餐廚垃圾經(jīng)蠅蛆和黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,其殘?jiān)械娜筐B(yǎng)分含量分別表現(xiàn)為全氮>全磷>全鉀和全磷>全氮>全鉀;2種殘?jiān)租浛傪B(yǎng)分含量分別為8.41%和8.98%,均超過(guò)有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)中≥5%的要求(NY525—2012);同時(shí),2種殘?jiān)挠袡C(jī)質(zhì)含量分別為55.5%和52.8%,均滿足有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)中的≥45%要求(NY525—2012)。
經(jīng)蠅蛆和黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,餐廚垃圾殘?jiān)兴傩юB(yǎng)分含量均表現(xiàn)為速效鉀>水解性氮>有效磷(表4);二者水解氮含量分別為0.49%和0.72%,蠅蛆轉(zhuǎn)化殘?jiān)械挠行Я缀扛哂诤谒涤紫x轉(zhuǎn)化的殘?jiān)渌傩р浐縿t低于黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化的殘?jiān)?種殘?jiān)芯休^高的活性有機(jī)質(zhì),以蠅蛆轉(zhuǎn)化的殘?jiān)钚杂袡C(jī)質(zhì)含量稍高。
上述結(jié)果表明,餐廚垃圾經(jīng)由蠅蛆和黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)休^高的養(yǎng)分含量和養(yǎng)分有效性,可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥原料。以全氮、全磷和全鉀含量折算,餐廚垃圾經(jīng)由蠅蛆和黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,1 t的殘?jiān)ǜ芍兀┛煞謩e替代41.7和37.1 kg的氮肥、32.1和40.4 kg的磷肥以及10.3和12.3 kg的鉀肥,且較高的有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤質(zhì)量的提升有較大益處。
2.4.2 鹽分殘留 餐廚垃圾經(jīng)蠅蛆和黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)锈c鹽含量較為接近,分別為3.37%和3.23%,殘?jiān)新入x子含量分別5.34%和5.14%(表5)。對(duì)2種昆蟲生物轉(zhuǎn)化的殘?jiān)瞥傻纳唐酚袡C(jī)肥氯離子含量進(jìn)行檢測(cè),其中,以黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化殘?jiān)苽涞纳唐酚袡C(jī)肥中氯離子含量更高,其總養(yǎng)分含量6%、8%的專用有機(jī)肥和8%的通用有機(jī)肥當(dāng)中氯離子含量分別為2.12%、1.43%和1.88%,均小于復(fù)混肥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB15063—2001)中“未標(biāo)‘含氯’的產(chǎn)品”類別(≤3.0%),因此2種昆蟲生物轉(zhuǎn)化的殘?jiān)瞥傻纳唐酚袡C(jī)肥氯離子含量均達(dá)標(biāo)。
3 結(jié)論與討論
以腐生昆蟲蠅蛆或黑水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾(泔渣)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,其原料雖然為同一企業(yè)提供,但因其到達(dá)養(yǎng)殖企業(yè)后的貯存環(huán)境、存放時(shí)間等條件不同,導(dǎo)致二者作為養(yǎng)殖日料使用時(shí)在水分、pH值及養(yǎng)分含量等理化性狀上有細(xì)微差異。2種昆蟲對(duì)餐廚垃圾養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)化的選擇性不同,但二者對(duì)鉀的轉(zhuǎn)化利用率皆為最高。經(jīng)蠅蛆和黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)械枯^餐廚垃圾原料有所下降,其原因包含2方面,一是其中一部分氮經(jīng)由蠅蛆和黑水虻幼蟲生物體吸收轉(zhuǎn)化;另一部分則是在養(yǎng)殖過(guò)程中通過(guò)氣體揮發(fā)、液體滲流等途徑損失??偭缀亢外?、鈉含量的提升,可能與濃縮效應(yīng)有一定關(guān)系。殘?jiān)黳H值、鈉鹽含量以及氮、磷、鉀總養(yǎng)分含量均略高于尹靖凱等[13]的研究結(jié)果,差異可能來(lái)自餐廚垃圾組分的不同,或與實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和工廠實(shí)際生產(chǎn)之間的差異有關(guān)。
以餐廚垃圾飼養(yǎng)昆蟲不僅能實(shí)現(xiàn)其向高蛋白飼料的轉(zhuǎn)化,還能實(shí)現(xiàn)其減量化、無(wú)害化、資源化利用。蠅蛆和黑水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾的料蟲轉(zhuǎn)化率約為10%。劉響響等[14]研究顯示,以蠅蛆對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,其料蟲轉(zhuǎn)化比例為12%~20%,存在一定波動(dòng)范圍,這與餐廚垃圾的性狀及養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖條件等有較大關(guān)系。相比之下,研究中的料蟲轉(zhuǎn)化率仍有較大提升空間,可從養(yǎng)殖密度、條件及物料營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化,提高料蟲轉(zhuǎn)化率。餐廚垃圾飼養(yǎng)出的蠅蛆和黑水虻幼蟲礦物質(zhì)含量豐富、蛋白質(zhì)含量較高,是優(yōu)質(zhì)的蛋白飼料。Cheng等[15]研究表明,餐廚垃圾飼養(yǎng)的蠅蛆氨基酸和蛋白質(zhì)均符合聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)對(duì)飼料的要求,可有效提高羅非魚生長(zhǎng)性能和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度,適合用于魚類飼料生產(chǎn)。江承亮等[16]研究顯示,干蛆的蛋白質(zhì)含量接近50%,綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高于國(guó)產(chǎn)魚粉及豆餅;其亞油酸和亞麻酸等含量均超過(guò)智利魚粉,深加工潛力極大。因此,以餐廚垃圾飼養(yǎng)蠅蛆或黑水虻,不僅可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的綠色處理,還可為緩解全球性蛋白質(zhì)資源匱乏與需求較高之間的矛盾提供新的解決辦法。
餐廚垃圾經(jīng)昆蟲生物轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)姆柿匣脻摿O大。殘?jiān)ㄏx糞)pH值均大幅提高,滿足有機(jī)肥pH值5.5~8.5的要求;養(yǎng)分含量充足,有機(jī)質(zhì)含量皆在50%以上,總養(yǎng)分均在8%以上,超出有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)要求,可作為優(yōu)質(zhì)養(yǎng)分資源。王小波等[17]研究表明,黑水虻蟲糞可提高土壤養(yǎng)分含量,促進(jìn)水稻生長(zhǎng)、提高其產(chǎn)量。也有研究表明,餐廚垃圾經(jīng)蠅蛆或黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)軌蛱岣咝“撞擞酌绲目鼓嫘訹18],對(duì)葉菜類蔬菜有較好的增產(chǎn)效果[19],還可增加土壤微生物量碳含量和酶活性[20],改善微生物群落結(jié)構(gòu),增加養(yǎng)分有效性[21];同時(shí),與焚燒處理相比,肥料化利用可減少溫室氣體的排放,具有更低的全球增溫潛勢(shì)[22]。因此,餐廚垃圾生物轉(zhuǎn)化殘?jiān)柿匣们熬翱善?,在?jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等方面具有重要意義。
氯離子和鈉鹽殘留是餐廚垃圾肥料化利用過(guò)程中較受關(guān)注的問(wèn)題。少量氯離子有利于植物生長(zhǎng),但超出一定范圍值則會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)造成一定影響;若肥料中鈉含量較高,長(zhǎng)期施入會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化。餐廚垃圾經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后,殘?jiān)杏幸欢ǖ拟c鹽和氯離子殘留,但目前還沒(méi)有關(guān)于有機(jī)肥鈉鹽、氯離子含量的限量標(biāo)準(zhǔn),無(wú)法進(jìn)行精確參考??紤]其可能存在一定潛在風(fēng)險(xiǎn),建議將其與其他原料搭配制作符合要求的有機(jī)肥,用于改善土壤肥力或提升貧瘠土壤地力,盡量避免直接施入或長(zhǎng)期大量施入。但不可否認(rèn),以餐廚垃圾生物轉(zhuǎn)化殘?jiān)苽涞姆柿先杂休^高的利用價(jià)值。
另外需要提及的是,生物轉(zhuǎn)化技術(shù)雖優(yōu)點(diǎn)較多,但因養(yǎng)殖原料(餐廚垃圾)和生物轉(zhuǎn)化殘?jiān)ㄏx糞)存在體量大難貯存、有機(jī)物質(zhì)含量高易腐敗、臭味重難控制等實(shí)際問(wèn)題,因此不建議自動(dòng)化程度低、環(huán)保保障能力弱的企業(yè)進(jìn)行養(yǎng)殖,避免由此產(chǎn)生二次環(huán)境污染。
綜上所述,1 kg左右的蠅蛆或黑水虻幼蟲可降解轉(zhuǎn)化約10 kg餐廚垃圾(泔渣),二者對(duì)餐廚垃圾中氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力有差異,轉(zhuǎn)化率在12.53%~41.94%之間;轉(zhuǎn)化后殘?jiān)黳H值,氮、磷、鉀總養(yǎng)分含量以及有機(jī)質(zhì)含量均滿足有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)要求(NY525—2012),肥料化利用潛力較大;轉(zhuǎn)化后的殘?jiān)泻猩倭库c鹽和氯離子,建議盡量避免在土壤中直接施用和長(zhǎng)期大量施用。
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(責(zé)任編輯:肖彥資)