黑水虻对不同工段厨余固渣的生物转化效率研究

邓 舟， 连红民， 彭 冲， 胡益铭， 曹 宁， 吴瑞峰

(1.深圳市利赛环保科技有限公司， 广东 深圳 518100； 2.四川深蓝环保科技有限公司， 四川 成都 610041)

根据《生活垃圾分类标志》(GB/T 19095—2019)的定义，厨余垃圾表示易腐烂的、含有机质的生活垃圾，包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾。随着我国经济快速发展，大型城市人口聚集，城市固体废弃物持续大量产生，给城市的可持续发展带来压力。厨余垃圾是城市固体垃圾中占比较高的一种，按照14亿人口进行估算，我国厨余垃圾年产量超过6000万吨[1]。厨余垃圾的成分和性质随地域、居民饮食习惯、季节的变化而变化，总体上具有成分复杂、含水率高、有机质占比高、易腐烂等特点，若不妥善处置，会严重危害城市环境卫生[2]。常见的厨余垃圾处理方法有饲料化处理、好氧堆肥和厌氧发酵，其中厌氧发酵工艺占地面积较小，最终产物恶臭味较轻，产生的甲烷和氢气可作为清洁能源，同时垃圾的减量率较高，能够实现“减量化、资源化、无害化”的目的，是当前应用最广泛的厨余垃圾处理方法[3]。我国在工程中应用较多的是湿式连续中温厌氧发酵工艺，该工艺的常见流程为：厨余垃圾经分拣挑除大杂质后，剩余物料进入破碎和压榨脱水系统，得到固渣和油水混合物；油水混合物经三相分离得到油脂、水相和细渣，油脂资源化回收或进入厌氧发酵，水相进入厌氧发酵系统或制备碳源资源化产品；发酵产生的甲烷用作清洁能源，发酵残渣经脱水后，产生污水和沼渣，污水由污水厂进行最终处理[4]。上述不同工段产生的厨余固渣，其成分、粒径、有机质含量和含水率等性质各不相同，需要根据固渣性质和各地条件选择好氧堆肥、焚烧、填埋等方式进行最终处置，处置前还往往需要对固渣进行烘干、湿热水解、调质等预处理。厨余固渣处理的复杂性导致了厌氧发酵整体工艺较复杂，周期较长，运营成本高。因此，寻求一种高效、高附加值的厨余固渣处理技术，是降低厌氧发酵厂运行成本，提高资源回收效率的迫切需求。

在此背景下，利用昆虫强大的繁殖能力和高效的有机质分解、转化能力，回收利用有机废物，为厨余垃圾资源化处置提供了新思路。黑水虻是一种双翅目水虻科扁角水虻属腐生昆虫，广泛分布于热带和温带地区，其幼虫能够食用从水果、蔬菜到动物残骸的各种腐烂有机物，食性杂，食量大，在短时间内转化为自身成分，体重增长上千倍[5]。利用这一特性，黑水虻被应用于处理鸡粪、猪粪、厨余垃圾等有机废弃物。同时，黑水虻养殖产品具有较高的经济价值。成虫富含高质量的动物蛋白(41%～44%)和脂肪(15%～49%)，可用作动物饲料或制生物柴油[6]。黑水虻体内的氨基酸、矿物质等营养成分种类丰富，可用来加工提取抗氧化食品、生物药剂如抗菌肽和壳聚糖等生物制剂[7]。黑水虻的排泄物也是一种有机肥，其总腐殖酸含量是普通有机肥的2倍至3倍，能直接应用于有机农业的生产[8]。

目前，关于黑水虻的孵化、养殖和生长性能的研究已见诸报道，但是大多为实验室研究，所用厨余垃圾原料多来自餐馆、学校食堂等处，经人工分拣、研磨等处置后用以养殖黑水虻，其成分和性质较为稳定[9-12]。但在实际生产中，厨余垃圾的成分和性状在不同处理工段各不相同。因此，研究黑水虻对不同工段厨余固渣的降解和转化性能，对推广黑水虻的应用具有重要意义。本研究在深圳市城市生物质垃圾处置工程内进行，用厨余垃圾处理过程中不同工段厨余固渣来养殖黑水虻，研究分析黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果和养分利用转化情况，旨在探索新的厨余垃圾的资源化处置出路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 黑水虻

试验所用黑水虻为虫卵形态，采购自某黑水虻养殖基地，虫卵在36 h内开始孵化。

1.1.2 厨余垃圾

试验在深圳城市生物质垃圾处置厂内进行，该厂承担了深圳市龙华区和福田区(部分)厨余垃圾的收运处置任务，厨余垃圾的基本性质见表1。

表1 厨余垃圾基本性质

厂内厨余垃圾处理工艺为：卸料间→预处理→三相分离→两相厌氧消化→沼气发电。为考察黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果，分别取卸料间原始物料、预处理车间分离出的挤压固渣和三相分离后的厨余细渣作为试验原料。三者的基本性质见表2。

表2 不同工段厨余固渣的基本性质

1.2 试验方法

1.2.1 黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果

试验以不同工段厨余固渣为原料设3个试验组：H1(原始物料),H2(挤压固渣)和H3(细渣)。黑水虻的孵化、养殖和筛分参照图1进行，筛分出虫体和虫粪后，分析各试验组的厨余垃圾减量比例和料虫转化率。

图1 黑水虻养殖流程图

1.2.2 虫粪的肥效分析及玉米种子发芽试验

根据黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果，选择厨余垃圾减量比例和料虫转化率结果最佳的试验组，取该组筛分出的虫粪，按照生物有机肥标准，检测其肥效，并进行玉米种子发芽试验。

玉米种子发芽试验方法：称取100 g虫粪，加蒸馏水500 mL混合搅拌30 min后，经3000 r·min-1离心10 min，取上清液进行过滤，滤液即为虫粪浸出液。同样方法制备市售商品有机肥浸出液。把一张大小合适的滤纸放入干净无菌的9 cm培养皿中，均匀放入20粒早熟5号种子，吸取20 mL的浸出液于培养皿中，用保鲜膜密封。以蒸馏水作为对照，在25℃的恒温培养箱中培养24 h，测定种子发芽率和根长。

1.3 监测指标及方法

厨余垃圾原料及虫粪的重量和含水率；

成虫的重量和含水率；

厨余垃圾减量比例=[(厨余垃圾原料重量(干重)-虫粪重量(干重))]/厨余垃圾原料重量(干重)×100%

料虫转化率=虫体增加的重量(干重)/厨余垃圾减少重量(干重)×100%

虫粪的肥效指标，按照生物有机肥标准(NY 884-2012)的要求，检测指标包括有机质的质量分数(以烘干基计)、总氮的质量分数(以烘干基计)、五氧化二磷的质量分数(以烘干基计)、氧化钾的质量分数(以烘干基计)、含水率(鲜料)、酸碱度、总砷、总汞、总铅、总镉、总铬和粪大肠杆菌数；

种子发芽指数=处理平均发芽率×处理平均根长/(对照平均发芽率×对照平均根长)×100

2 结果与分析

2.1 黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果

黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果见表3。由表3可知，各试验组的虫体的鲜重、干重、残渣量、厨余垃圾减量比例和料虫转化率有显著差异。H3组的黑水虻成虫鲜重、厨余垃圾减量比例和料虫转化率最高，分别为3.35 kg，55.92%和85.74%；H1组的成虫鲜重和厨余垃圾减量比例最低，分别为1.86 kg和43.13%；H2组的料虫转化率最低，为62.92%。综合比较，黑水虻对H3试验组添加的三相分离细渣的处理效果最好。

表3 黑水虻对不同工段厨余固渣的减量效果

2.2 黑水虻虫粪的肥效分析及玉米种子发芽试验

根据2.1的结果，取H3试验组的虫粪，按照生物有机肥标准(NY 884—2012)的要求对各项指标进行检测，结果见表4。由表4可知，除虫粪鲜料的含水率超过标准限值外，其余指标均满足标准的要求。

表4 厨余垃圾残渣的肥效指标检测结果

取虫粪提取浸出液，与市售有机肥和清水开展玉米种子发芽试验，结果见表5。由表5可知，虫粪浸出液试验组的发芽率最高，为80%，但平均根长最小，为2.86 cm，发芽指数最高，为129.40%。

表5 玉米种子发芽试验结果

3 讨论

未经处理的厨余垃圾原始物料，平均粒径最大，其中纸巾、塑料、木头等无法被黑水虻进食的杂质较多，影响黑水虻的生长并会残留较多的杂质在残渣中，因此，H1试验组的成虫鲜重和厨余垃圾减量比例最低，分别为1.86 kg和43.13%。挤压固渣是厨余垃圾经挑除纸巾、塑料、木头等杂质，并被破碎挤压后形成的厨余固渣，虽然杂质较少，但原有的大部分饭粒、油脂等小颗粒成分被挤压到浆液中，剩余物中果皮、蛋壳、骨刺等成分较多，难以被黑水虻转化利用，因此H2组的料虫转化率最低，为62.92%。三相分离细渣是预处理浆液经三相分离机脱水、脱油后形成的固相部分，主要成分为易腐熟的小颗粒米饭、肉块、植物根茎等成分，容易被黑水虻吸收转化，因此，H3组的黑水虻成虫鲜重、厨余垃圾减量比例和料虫转化率最高，分别为3.35 kg，55.92%和85.74%。

黑水虻的生长过程中，能够分泌抗菌肽，抑制其他昆虫和有害微生物的生长[13]。黑水虻的活动性强，在进食过程中不断的运动，使厨余垃圾变成均匀、松散的小颗粒物质。因此，经黑水虻处理后的厨余垃圾残渣，不仅营养成分丰富且均衡，同时其表征均匀松散，无异味、无有害病菌，是用作有机肥的良好原料。经检测，三项分离细渣经黑水虻分解后产生的虫粪，除鲜料的含水率超过标准外，其他指标均满足生物有机肥标准的要求(NY884—2012)。用虫粪浸出液做玉米种子发芽试验，其种子发芽指数远高于空白对照组，且高于市售有机肥，表明虫粪中全面且丰富的营养成分具有促进种子发芽的作用；但平均根长最小，可能是虫粪提取液中氨氮浓度过高，对胚芽的进一步生长产生了抑制。需要进一步研究虫粪中营养元素的分布规律，为虫粪的规模化应用提供技术支撑。

4 结论

(1)厨余垃圾采用“统一收运、集中处理”的方式，不同性质的厨余垃圾混合后统一运送到集中处置场所处置，现有处置工艺中，一般包括筛选、破碎、脱水、脱油、厌氧发酵等不同处理环节，厨余垃圾的成分和性状在不同处理工段各不相同。以不同工段的厨余固渣为原料饲养黑水虻，结果表明：以三相分离细渣为原料的试验组，黑水虻成虫鲜重、厨余垃圾减量比例和料虫转化率最高，分别为3.35 kg，55.92%和85.74%。

(2)对三相分离细渣经黑水虻分解产生的虫粪的肥效指标进行检测，除鲜料的含水率超过标准，其他指标均满足生物有机肥标准的要求(NY 884—2012)。用三相分离细渣为原料产生的虫粪浸出液做玉米种子发芽试验，其种子发芽指数为129.40%，高于空白对照组和市售有机肥。