餐厨垃圾含水率和碳氮比对黑水虻幼虫养殖过程中气体释放的影响

叶 牧，孔祥平，叶小梅，杜 静，王 聪，奚永兰，张 敏

(1.江苏大学，江苏镇江 212013； 2.江苏省农业科学院畜牧研究所，江苏南京 210014；3.南京农业大学资源与环境学院，江苏南京 210095)

目前，我国城市有机废弃物年产量已达1.6亿t，有机废弃物资源循环利用对经济、环境的可持续发展具有重要意义。我国有机废弃物的处置主要遵循“减量化、无害化、资源化”的原则[1]，处理有机废弃物的主要方式为焚烧、填埋、厌氧发酵及好氧堆肥。近年来，利用昆虫(黑水虻、蝇蛆和黄粉虫等)转化有机废弃物来生产饲用蛋白、油脂表现出了显著的经济效益优势[2]。

亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.)俗称黑水虻，属双翅目水虻科，是一种起源于南美草原的食腐性昆虫[3]。研究发现，黑水虻幼虫体内含有32%～58%蛋白质和15%～39%脂质，其在畜禽、水产饲料添加剂领域有着广阔的市场前景。由黑水虻转化形成的虫粪可进行二次堆肥，形成富含腐殖质的有机肥产品[4-7]。利用黑水虻转化有机废弃物具有转化周期短、资源利用效率高和经济效益显著的特点。例如，餐厨垃圾经过黑水虻转化7～9 d，可产出200～250 kg/t幼虫、100～150 kg/t虫粪有机肥，餐厨垃圾综合经济效益可达600～800元/t。

目前，黑水虻转化有机废弃物的研究主要集中在不同有机废弃物对虫体生长和营养组成的影响、微生物与黑水虻协同降解有机废弃物、黑水虻源蛋白饲料对动物生长性能的影响等方面。为了评估黑水虻养殖过程中的碳排放潜力及其对环境的影响，Ermolaev等在0.036 m2小规模养殖盒中研究黑水虻转化废弃食物过程中温室气体、氨气的释放情况，发现在小规模转化过程中并未检测到氨气的释放[8]。Parodi等基于物质平衡计算研究了黑水虻养殖过程中温室气体和氨气的释放情况，结果表明，由氨气释放而损失的氮素占总氮质量的1%[9]。在实际生产过程中初始物料的营养组成、含水率是决定黑水虻转化物料效率的关键因素[10]，黑水虻依据物料特性来调节其生长、代谢速率[4，8]。Rehman等用牛粪和豆腐渣的混合物来调节基质的碳氮比(C/N)，由此进行黑水虻的转化，结果表明，将2种特性互补的废弃物混合饲喂黑水虻有助于降低废弃物的质量，同时提高幼虫的生长速率[11]。

传统堆肥过程中的含水率、C/N是影响堆肥进程的关键因素，其对堆肥中微生物的生长代谢活动及最终的肥料品质具有决定性作用。物料含水率、C/N同样对黑水虻生长、微生物繁殖及餐厨垃圾的生物转化起着至关重要的作用。本研究拟考察餐厨垃圾初始含水率、C/N对黑水虻养殖过程中气体排放的影响，以期为黑水虻转化有机废弃物过程中的气体治理技术开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年6—7月在江苏省农业科学院畜牧研究所进行。亮斑扁角水虻虫卵和黑水虻虫粪均由江苏省农业科学院畜牧研究所提供，黑水虻幼虫经多个世代继代养殖。餐厨垃圾由南京贝克依环保科技有限公司提供，经匀浆机处理后的餐厨垃圾含水率为73%。稻壳来自江苏省农业科学院试验田种植的水稻，用粉碎机粉碎，经20目筛网筛分后存于阴凉处备用。相关试验原料的理化特性见表1。

1.2 试验方法

取当日收集的黑水虻虫卵，置于温度为30 ℃、相对湿度为70%的恒温恒湿孵化箱中孵化3 d以获得黑水虻幼虫虫苗。以按质量比7 ∶3配制的麦麸和玉米粉混合物料(含水率为65%)作为开口料饲养黑水虻幼虫虫苗。将幼虫虫苗养殖4 d后作为转化餐厨垃圾的虫苗。采用下底长40 cm、宽28 cm、高22 cm的蓝色养殖盒开展餐厨垃圾转化试验。在含水率(HSL)组内盒中加入6 kg/盒餐厨垃圾，并加入适量稻壳粉或纯水来调节物料含水率，本试验共设置65%、70%、75% 3个含水率试验组。碳氮比(TD)组按不同碳氮比加入6 kg/盒餐厨垃圾和淀粉的混合物料，本试验共设置3个碳氮比试验组，分别为11.61(原始餐厨)、20.00、30.00，每个处理分别设置3个平行，具体试验参数设置见表2。养殖物料为餐厨垃圾或餐厨垃圾和淀粉的混合物。

表1 餐厨垃圾、稻壳粉的初始理化性质

表2 各处理组初始物料的梯度设置

1.3 测试指标

使用如图1所示设备采集气体样品，将4个气泵连接密闭养殖箱的4个进气口，将1个出气口连接流量计，由橡胶管通入吸收液中进行气体的吸收。采用0.001 mol/L硫酸溶液连续吸收1 h，用于测定氨气释放量，并用纳氏试剂分光光度法测定、分析吸收液中的NH3浓度。在氨气吸收完成后继续使用500 mL真空气袋[12]通过流量计以 0.8 L/min 的速度采集30 s(400 mL气体)，通过气相色谱采用热导检测器检测CO2浓度，分别用电子捕获检测器、火焰离子化检测器检测N2O、CH4的浓度。

2 结果与分析

2.1 含水率、碳氮比对NH3释放的影响

含水率不仅会影响转化体系中的微生物种类、活性，还会影响物料中的氧气含量、温度[13]。由图2可以看出，不同含水率的物料对转化过程中NH3释放速率的影响明显。各处理组的NH3释放速率在转化过程中呈现出逐渐提高的趋势，HSL-1组的NH3释放速率在转化6 d后达到峰值，为 27 887.72 μg/h。物料温度在试验后6 d迅速提高到(44.5±0.41) ℃，NH3的快速释放可能由于 HSL-1 组在转化过程中的温度迅速提高(图3-A)。由于HSL-1组中的物料含水率为65%，加速了自然堆肥的进程，促进了物料升温，物料中的含氮有机物被微生物快速降解为铵态氮并进一步转化为NH3。到转化后期，HSL-2、HSL-3组的温度才逐渐超过40 ℃，同时产生大量NH3，由此可见，NH3的释放与转化过程中物料的温度密切相关，调节初始物料的含水率可以延缓物料升温，进而抑制了NH3的释放。同时，黑水虻转化有机废弃物过程中的物料pH值逐渐升高，转化中后期的物料pH值可达9左右，碱性物料、高温环境促进了氨气的释放。Pang等也发现，物料pH值的提升是促进NH3排放的主要原因[9]。

此外，NH3释放速率变化曲线表明碳氮比对NH3排放影响较明显，各处理组在试验过程中均呈现出先升后降的趋势(图2)。在转化后12 d，NH3释放速率开始下降，TD-1组的NH3释放速率明显高于TD-2、TD-3组，TD-1组的氨气释放速率最高达到10 373.63 μg/h，而TD-2、TD-3组的氨气释放速率最高分别达到2 767.1、5 231.11 μg/h，物料C/N的提升降低了NH3的排放速率。各处理组的温度峰值分别达到(41.5±0.24)、(37±0.41)、(33±0.41) ℃(图3-B)。

2.2 含水率、碳氮比对CO2释放的影响

由图4可以看出，含水率对黑水虻转化餐厨垃圾过程中CO2释放速率变化的影响非常显著，HSL-1 组的CO2浓度在转化后7 d达到峰值，可能由于较低的含水率(65%)易导致自然堆肥快速启动，使微生物快速增殖并产生大量的CO2。其他试验组CO2浓度的变化趋势较为平缓，可能是由于高含水率的餐厨垃圾抑制了自然堆肥过程和黑水虻的代谢活动，从而减少了CO2的产生。

与不同含水率组CO2的释放速率趋势不同，不同碳氮比对黑水虻转化餐厨垃圾过程中CO2释放量的影响与对氨气释放量的影响相似。TD-2组的CO2释放速率峰值可达(3 242.69±67.09) mg/h(图4)，分别比TD-1、TD-3组的CO2释放速率峰值高79.55%、54.11%。合适的C/N有利于黑水虻和转化体系中微生物的生长代谢，进而使得CO2释放速率提高。

2.3 含水率和碳氮比对CH4释放的影响

由图5可以看出，在黑水虻转化餐厨垃圾的过程中，CH4释放速率均为0.5 mg/h左右，并出现多个峰值，最大速率峰值由高到低分别为HSL-3、HSL-2、HSL-1组。初始物料含水率过高，造成物料中下层处于厌氧状态，导致试验初期产气中的CH4释放速率较高。随着幼虫的不断蠕动，使物料

变得蓬松，增加了物料中的氧气含量，减少了厌氧区域，从而抑制了产甲烷菌的活性，最终导致CH4释放速率逐渐降低。由图5还可以看出，不同碳氮比对黑水虻转化过程中CH4的释放均没有明显影响，CH4释放速率的变化趋势也基本一致，在转化后6 d达到最大值，碳氮比为11.61、20.00、30.00时甲烷释放速率的最大值分别为(0.49±0.018)、(0.48±0.023)、(0.48±0.049) mg/h。

2.4 含水率和碳氮比对N2O释放的影响

由图6可以看出，不同含水率对黑水虻转化餐厨垃圾过程中N2O释放速率的影响较小，各试验组的N2O释放速率相对较低，均低于0.3 mg/h。与含水率不同，碳氮比对N2O释放速率的影响相对较大，在试验的0～9 d，各处理组均在6 d时达到峰值，TD-2组的释放速率峰值是TD-1组的1.21倍(图6)。由此可见，高C/N(添加的淀粉含量高)会导致物料较为黏稠，造成物料通透性差，可能是导致N2O释放速率增加的主要原因[14-15]。

2.5 含水率、碳氮比对黑水虻转化餐厨垃圾过程中氮素平衡的影响

由表3可以看出，随着物料含水率的提升，NH3的释放总量占物料总氮含量的比例降低，当含水率从65%提高到75%时，NH3释放量占比下降了53.71%；当碳氮比从11.61提高到20.00时，可降低61.95%的氨气释放量。在研究发现中，初始物料中39.57%～45.98%的氮素被黑水虻吸收利用并转化为昆虫蛋白。转化后的虫粪中仍含有大量氮素(含量为49.40%～58.65%)，为后续高氮有机肥产品的开发提供了物质基础。在不同含水率和C/N的试验条件下，通过NH3释放造成的氮损失仅占初始物料总氮含量的1.87%～4.04%。由此可见，不同初始物料理化特征对于黑水虻转化餐厨垃圾过程中NH3释放的影响明显，调节物料的含水率和碳氮比可以有效控制转化过程中的氮损失。

表3 黑水虻转化餐厨垃圾过程中的氮素转化对比

2.6 不同含水率和碳氮比对黑水虻转化餐厨垃圾过程中幼虫生长发育的影响

由表4可以看出，HSL-1、HSL-2、HSL-3组收获的幼虫总质量分别为(1.12±0.01)、(1.14±0.01)、(1.15±0.01) kg，可见物料初始含水率对黑水虻产量的影响较小。然而在低含水率物料转化过程中，氮素的大量损失导致最终虫体中的粗蛋白含量下降了5%左右，而粗脂肪含量提高了2%左右。初始物料含水率对虫体灰分含量的影响较小，灰分含量稳定在14%左右。

黑水虻可以在较宽泛的C/N范围内生长发育，物料的C/N对黑水虻产量的影响非常明显。用3种不同C/N的物料养殖黑水虻发现，收获的幼虫总质量有明显差异。与TD-3组相比，TD-1组收获的总虫质量提高了70.59%。提高物料的C/N会直接影响黑水虻幼虫的生长发育，虽然能在一定程度上控制气体排放，但是不利于提高黑水虻转化餐厨垃圾过程的经济效益。

表4 不同初含水率、碳氮比对黑水虻转化餐厨垃圾过程中幼虫生长发育的影响

3 讨论与结论

研究表明，不同初始物料特征对于黑水虻转化餐厨垃圾过程中气体释放的影响明显。CO2是黑水虻转化餐厨垃圾过程中产生的主要气体产物，CO2的产生速率可以间接表明底物的生物降解率[8，16]。HSL-1组由于含水率较低，温度迅速上升，间接导致CO2、NH3大量释放。此外，与CO2、NH3释放相比，N2O、CH4的释放速率均较低。由于CH4是在厌氧环境下由多种微生物协同作用的代谢产物[17]，初始物料含水率对于前期CH4排放的影响显著，含水率的升高会造成CH4释放速率的上升。

初始物料中的C/N会显著影响黑水虻转化过程中的气体释放。当C/N为10～20时，对黑水虻转化过程中CO2、N2O的产生有促进作用，而在C/N高于20时会对CO2、N2O的产生产生抑制作用，这与Lǚ等的研究结果不同，他们的研究发现，C/N在城市污泥蚯蚓堆肥中对N2O释放起着重要作用，并且N2O排放与C/N呈明显的负相关关系[18]。本研究的结果表明，C/N在一定范围内与N2O的释放呈正相关关系，N2O可以在厌氧区域反硝化细菌的作用下产生[10，19]。不同C/N对于CH4的释放无明显影响，Jiang等用玉米秸秆混合猪粪进行堆肥的研究也发现了类似结果[20]。结果表明，C/N是影响微生物同化作用的关键因素，碳源不仅可为微生物提供能量来源，也是构成微生物细胞的主要物质来源，而氮主要被用于合成蛋白质等物质。当物料的 C/N 越低时，过量的氮素不被用于微生物细胞合成，则易被分解为氨气释放到环境中[21]。

对黑水虻转化餐厨垃圾过程中的氮素平衡进行分析发现，NH3释放量占总氮的比例较小，黑水虻能够将物料中的氮素大量吸收并转化为自身的蛋白质以实现资源化利用。而传统好氧堆肥中由于NH3排放所损失的氮约占初始总氮量的22.1%～33.3%[22]。由此可见，与传统好氧堆肥相比，黑水虻转化技术在减少氮损失方面有较大潜力。然而，黑水虻生物转化餐厨垃圾的过程存在氨气释放周期集中、释放期间氨气浓度较高等特点，后续工厂化生产应注重后期转化区内的NH3治理。

此外，本研究发现不同初始物料的含水率、C/N对幼虫发育的影响较大，Cammack等也报道了类似的情况，他们的研究结果表明，当物料中水分含量过高时，氧气在基质中的扩散受限，空气不流通，从而抑制黑水虻的生长甚至导致其死亡[23]。随着含水率的上升，幼虫虫体的粗蛋白含量增加，粗脂肪含量随之降低。Lalander等指出，物料中的养分含量是控制幼虫生长的关键因素[2]。C/N的提升减少了物料中氮素的供给，直接影响了幼虫发育，各项指标(总虫质量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、灰分含量)均呈现下降趋势。

综上所述，黑水虻转化餐厨垃圾过程中的主要释放气体为CO2、NH3，CH4、N2O的排放量相对较少。CO2、NH3的释放速率与黑水虻幼虫的生长发育密切相关，物料含水率较低，会导致虫体发育较好，而物料温度升高会加快幼虫、微生物的代谢，从而使得CO2、NH3大量产生。此外，较高的C/N可以明显降低NH3、CO2的释放量，使得N2O、CH4在整个转化过程中的总释放量相对较低。在传统堆肥过程中，N2O的释放机制非常复杂，涉及多种影响因素，其中包括硝化作用、反硝化作用[18]。黑水虻转化体系中的N2O释放模式与传统堆肥、蚯蚓堆肥明显不同，传统堆肥、蚯蚓堆肥在初始阶段会立即释放出相对较高浓度的N2O[24-25]。本研究结果表明，基于物料特性开发适宜的养殖工艺可以在工厂化养殖黑水虻的过程中有效减少臭气、温室气体的排放。