響應(yīng)面法優(yōu)化黑水虻處理餐廚垃圾工藝參數(shù)研究

摘要：為了利用黑水虻高效處理餐廚垃圾，提高資源化率，以黑水虻幼蟲產(chǎn)量為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面法，在Plackett-Burman（PB）試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過Box-Behnken（BB）試驗(yàn)對環(huán)境溫度、處理料含水率、日投料量、投放空間、初始蟲齡、處理料透氣性6個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。PB試驗(yàn)結(jié)果表明，對黑水虻幼蟲產(chǎn)量影響顯著的因素依次為處理料含水量、環(huán)境溫度、日投料量、投放空間和起始蟲齡；BB試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳幼蟲產(chǎn)量條件為環(huán)境溫度28 ℃，處理料含水量75%，日投料量26 g·千頭-1幼蟲，投放空間1 443 cm3·千頭-1幼蟲，初始蟲齡6日齡；在此條件下可獲得最大幼蟲產(chǎn)量，達(dá)243.78 g，與模型預(yù)測值（243.82 g）相對誤差較小，表明響應(yīng)面法可以準(zhǔn)確優(yōu)化工藝參數(shù)。以上研究結(jié)果為黑水虻處理餐廚垃圾的生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)面法；黑水虻；餐廚垃圾；工藝參數(shù)；優(yōu)化

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0283

中圖分類號：S185，X71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008?0864（2025）01?0241?09

餐廚垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高，我國生活垃圾產(chǎn)生量也逐年破新高，其中餐廚垃圾的占比約為60%[1]，2017年已達(dá)上億噸[2]。餐廚垃圾含水率高，有機(jī)質(zhì)含量高，可生化性較好，易變質(zhì)，在處理過程中易產(chǎn)生滲濾液、惡臭和有毒氣體，其中病原體、寄生蟲和蟲卵等會(huì)對人類健康造成潛在威脅，且易造成二次污染[2?3]。餐廚垃圾處理已逐漸成為目前垃圾處理的焦點(diǎn)問題。發(fā)達(dá)國家對餐廚垃圾的管理和處理有相對完善的系統(tǒng)和體制，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾源頭減量化和無害化處理[4-7]。我國在生活垃圾處理方面尚處在初級階段，目前還以傳統(tǒng)的填埋、焚燒為主[8]。《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》要求力爭城市基本建立餐廚垃圾回收和再生利用體系，該規(guī)劃建設(shè)完成后我國城鎮(zhèn)餐廚垃圾無害化、資源化處理率僅達(dá)36%[2]。餐廚垃圾處理能力仍需進(jìn)一步提升，一方面是餐廚垃圾產(chǎn)生量的快速增長，另一方面是無害化處理能力及水平仍相對不足，大部分城鎮(zhèn)的餐廚垃圾難以實(shí)現(xiàn)無害化處理，餐廚垃圾收集率及處理率亟待提高。因此，亟需尋求多元的、符合我國國情的解決途徑。

黑水虻（Hermitia illucens）屬于雙翅目水虻科，幼蟲營腐生生活，食譜非常廣泛，在全球熱帶和亞熱帶的大部分地區(qū)都有分布，因其繁殖能力強(qiáng)，營養(yǎng)需求低，安全性高，幼蟲、蛹蛋白質(zhì)含量高，可將生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)昆蟲蛋白，被視為環(huán)境資源昆蟲[9-11]。由于利用黑水虻轉(zhuǎn)化處理餐廚垃圾可實(shí)現(xiàn)垃圾減量化、無害化、資源化的完美統(tǒng)一，我國對餐廚垃圾處理方式也由衛(wèi)生填埋逐漸向餐廚垃圾無害化、資源化、源頭減量化方向發(fā)展，黑水虻處理餐廚垃圾產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用前景看好[11?12]。目前，對黑水虻的研究主要集中在生物質(zhì)廢棄物處理和再生資源進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，而對如何提高餐廚垃圾資源化率方面還未見系統(tǒng)研究報(bào)道?；诤谒翟谏镔|(zhì)廢棄物處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景，本研究利用響應(yīng)面法，以幼蟲產(chǎn)量為響應(yīng)值，對黑水虻處理餐廚垃圾過程中主要影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黑水虻由吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生物防治所臧連生教授提供，產(chǎn)卵12 h內(nèi)采集卵塊，孵化后在25 ℃條件下用新鮮豆渣飼養(yǎng)，相對濕度控制在（50%±1%）。處理料取自學(xué)生食堂的餐余物，在80 ℃烘箱烘干至恒重，裝入自封袋密封，4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。根?jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)制處理料的含水量，干料加水?dāng)嚢杈鶆蚝?，靜置12 h使之完全浸潤后使用。試驗(yàn)在自動(dòng)控制溫度±0.5 ℃和濕度±1%的生態(tài)室（1.8 m ×1.6 m ×2.0 m）內(nèi)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 Plackett-Burman（PB）試驗(yàn)

采用Design-Expert 12軟件展開PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]。以黑水虻幼蟲產(chǎn)量（Y）為響應(yīng)值，影響黑水虻幼蟲產(chǎn)量的環(huán)境溫度（x1）、處理料含水率（x2）、日投料量（x3）、投放空間（x4）、初始應(yīng)用蟲齡（x5）和處理料透氣性（x6）為主要考察因素，每個(gè)因素選取高（1）、低（-1）2個(gè)水平（表1），篩選對響應(yīng)值影響顯著的因素。

1.2.2 Box-Behnken（ BB）響應(yīng)面試驗(yàn)

采用Design-Expert 12軟件展開BB試驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]。依據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果，以顯著影響黑水虻幼蟲產(chǎn)量（Y）的自變量x1、x2、x3、x4、x5為考察因素，每個(gè)因素選取高（1）、中（0）、低（-1）3個(gè)水平值。BB試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Design-ExpertV12 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及制圖；利用自變量編碼方程計(jì)算最佳參數(shù)組合值。

Xi=（xi-x0）/Δxi （1）

式中，Xi為自變量的編碼值，xi為自變量的實(shí)際水平值，x0為試驗(yàn)水平中心點(diǎn)實(shí)際值，Δxi為單變量增值。

2 結(jié)果與分析

2.1 PB 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于PB 設(shè)計(jì)原理，試驗(yàn)結(jié)果見表3。經(jīng)Design-ExpertV12軟件逐步回歸分析，獲得對黑水虻幼蟲產(chǎn)量（Y）的多元一次回歸方程如下。

Y=80.13+26.31 x1+28.03 x2+25.86 x3+11.47 x4+6.59 x5 （2）

對回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4 所示?；貧w模型項(xiàng)Plt;0.000 1，影響極顯著；失擬項(xiàng)P=0.057 5gt;0.05，影響不顯著；R2=94.22%gt;85%，表明該方程可靠，所得試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合度較好，可以用該回歸方程代替試驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)來計(jì)算上述供試變量與黑水虻幼蟲產(chǎn)量。R2Adj=0.921 8，表明通過本試驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的模型可以解釋總體中92.18% 的幼蟲產(chǎn)量與供試因素間的變化關(guān)系，誤差在允許范圍內(nèi)，因此，可以用來模擬實(shí)際情況對本試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。

由回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果（表5）可知，供試6個(gè)因素中有5個(gè)因素對響應(yīng)值影響顯著（Plt;0.05），其中，環(huán)境溫度（x1）、處理料含水量（x2）、日投料量（x3）和投放空間（x4）對幼蟲產(chǎn)量影響均極顯著（Plt;0.01）；起始蟲齡（x5）對幼蟲產(chǎn)量影響顯著（Plt;0.05）；處理料透氣性（x6）對響應(yīng)值的影響不顯著。

2.2 BB 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

基于BB中心復(fù)合設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，結(jié)果見表6。根據(jù)結(jié)果建立回歸方程預(yù)測模型，并對響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸及二項(xiàng)擬合分析，得出回歸方程如下。

Y=243.47+1.61x1+0.76x2-0.83x3+1.98x4+0.68x5-0.60x1x3-0.13x1x4+0.12x1x5-0.33x2x3+1.35x2x4-0.90x3x4-0.25x3x5+1.88x4x5-14.68x12-6.48x22-3.51x32-7.00x42-2.22x52 （3）

由表6可知，最大幼蟲產(chǎn)量值（243.74 g）對應(yīng)各因素的編碼均為中水平，將對應(yīng)的各因素實(shí)際值代入自變量編碼方程，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：環(huán)境溫度28 ℃，飼料含水量75%，日投料量26 g·千頭-1幼蟲，投放空間1 443 cm3·千頭-1幼蟲，起始蟲齡6日齡。

對回歸方程進(jìn)行方差分析（表7），得R2＝0.989 7，表明該方程可靠，所得試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合度好，可以用該回歸方程代替試驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)，描述各變量和響應(yīng)值（幼蟲產(chǎn)量）之間的關(guān)系。R2Adj＝0.981 5，表明通過本試驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的模型可以解釋總體中98.15%的幼蟲產(chǎn)量的變化，所選因素基本涵蓋了所有主要影響因素，可以用來模擬實(shí)際情況，并對本試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。5個(gè)因素的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和x2 x4、x2 x5、x4 x5交互項(xiàng)，對響應(yīng)值均影響極顯著（Plt;0.01）。

2.2.2 響應(yīng)面交互作用分析

利用Design Expert12軟件繪制不同因子交互作用響應(yīng)面圖（圖1）。圖中曲面越陡（等高線圖越趨于圓形），說明2個(gè)因素間的交互作用對響應(yīng)值的影響越大；曲面越平展（等高線圖越趨于橢圓形），說明2個(gè)因素間的交互作用對響應(yīng)值的影響越小。根據(jù)圖1 顯示結(jié)果，結(jié)合方差分析表7中的P 值，可獲得2個(gè)因素間的交互作用對響應(yīng)值影響由大到小依次為：投放空間和起始蟲齡gt;處理料含水量和起始蟲齡gt;處理料含水量和投放空間；其他因素兩兩間的相互作用對響應(yīng)值的影響均不顯著。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果分析

為更好地服務(wù)生產(chǎn)，在最佳參數(shù)組合環(huán)境溫度28 ℃、飼料含水量75%、日投料量26 g·千頭-1幼蟲、投放空間1 443 cm3·千頭-1 幼蟲、起始蟲齡6日齡條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，3次重復(fù)獲得黑水虻幼蟲產(chǎn)量為243.78 g，理論值為243.82 g，相對誤差0.016%（lt;5%），理論值接近實(shí)際值，說明該模型具有較好的擬合性，響應(yīng)面法可以較好地優(yōu)化黑水虻處理餐廚垃圾工藝參數(shù)。

3 討論

黑水虻生物處理技術(shù)是近年發(fā)展起來的餐廚垃圾減量化與資源化處置方法。利用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾生產(chǎn)工藝受多種因素的影響，探索其最佳工藝參數(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的減量化和資源化是目前餐廚垃圾處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[14]。單因素或二因素對生物處理的研究較多，而多因素綜合作用的研究較少。Chia等[15]研究認(rèn)為，無論是低溫還是高溫都會(huì)抑制黑水虻幼蟲生長，最適宜的溫度應(yīng)為25～30 ℃。Logan等[16]研究表明，溫度為26～27 ℃、幼蟲密度為1.0～2.5只·g-1是黑水虻幼蟲最適生長溫度和蟲口密度。趙春波[17]研究表明，含水率80%餐廚垃圾黑水虻幼蟲生長速度最快；喻國輝等[18]研究認(rèn)為，最適合黑水虻幼蟲的人工飼料的含水量應(yīng)在70％～80％。徐齊云等[19]研究指出，溫度30 ℃、相對濕度60%最佳；張家寶等[20]研究認(rèn)為，餐廚垃圾的含水率應(yīng)該保持在80％左右，溫度應(yīng)保持在25～30 ℃最宜。本研究表明，環(huán)境溫度28 ℃、飼料含水量75%、日投料量26 g·千頭-1幼蟲、投放空間1 443 cm3·千頭-1幼蟲、起始蟲齡6日齡為最佳參數(shù)組合，其中環(huán)境溫度和處理料含水率與上述報(bào)道結(jié)果相吻合。不同學(xué)者研究結(jié)果存在一定差異，符合不同溫、濕度組合對生物影響可以達(dá)到相似效果，即溫濕度系數(shù)原理。除上述影響因素外，影響因素可能還包括pH、重金屬、鹽度、辣度等，其中有些因素影響情況還不明確，需要進(jìn)一步探討。

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