曝气与填料组合调控下投虫密度对黑水虻虫料理化特性及生产性能的影响

2023-08-31孟雪松叶小梅孔祥平曾文超

饲料工业 2023年16期

■ 孟雪松徐猛叶小梅孔祥平曾文超杜静*

（1.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013；2.江苏省农业科学院畜牧研究所，农业农村部种养结合重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏南京 210014；3.南京环境集团有限公司，江苏南京 210014）

餐厨垃圾是城市生活垃圾的一种，是居民社区、食品生产加工业和餐饮业在生活或生产过程中所产生的有机废弃物[1]。随着我国城市化和工业化的不断加快，生活垃圾管理已经成为急需解决的难题[2]。2020 年我国城市生活垃圾清运量达2.35 亿吨[3]，餐厨垃圾占生活垃圾约57%[4]，产生量近1.3 亿吨，而且有机质含量高、热值低、处置难度大[5-6]，生活垃圾处置是全球城市都在面对的严峻挑战[7-8]。餐厨垃圾含水率约为75%～85%，油脂含量约占2%～3%，盐分含量约占0.3%～1.0%，高水分含量、丰富的油脂浓度和高盐度使餐厨垃圾极易腐烂，产生异味，同时滋生苍蝇和传播病菌，对人类和环境造成严重影响[9-11]。因此，餐厨垃圾既是严重的危害也是丰富的资源。

目前厌氧发酵、昆虫生物转化、好氧堆肥、焚烧和填埋技术等是餐厨垃圾的主要处理技术，其中昆虫生物转化技术有着效率高、门槛低、能耗低、对环境影响小、产品附加值高等优势，提供了一种符合循环经济原则的创新和可持续的餐厨垃圾管理方法，近几年也受到越来越多的关注。目前在昆虫生物转化行业中已陆续将蚯蚓、蝇类、黑水虻、黄粉虫等作为有机废弃物处理的媒介昆虫，其中环境昆虫黑水虻展现出极大的潜力，研究表明，黑水虻可实现餐厨垃圾60%～75%的减量[12]，并且其过程绿色环保，减少碳足迹[13]。黑水虻(Hermetia illucens)又称亮斑扁角水虻，是一种水虻科扁角水虻属昆虫，原产于美洲，后传入中国，广泛分布于热带和温带地区，其幼虫食性广、食量大，能够食用各种有机废弃物，并可以将其在短时间内转化为自身营养成分和虫沙，转化效率高，自身体重可呈上千倍增长[14]，繁殖速度快，生命周期在35 d 左右。同时，黑水虻成熟幼虫干物质中蛋白质含量较高，约为40%～50%，脂肪含量丰富，约为35%[15]，可用来制作生物柴油[16]，也可作为养殖业的高蛋白饲料。此外，黑水虻体内的营养成分包括氨基酸、矿物质等种类丰富，可用作抗氧化食品和生物药剂的加工提取[17-18]，而且黑水虻处理有机废弃物后的剩余物质腐殖质含量高，是最佳的土壤改良剂[19]。因此，黑水虻养殖产品具有较高的经济价值。

目前黑水虻养殖方式主要包括地面池养，立体盒养和自动化养殖，其中地面池养一般采用单层饲养，且需要建设简易棚或者大面积的厂房进行生产，养殖工艺较为粗放且不可持续，占地面积大，空间利用率低；立体盒养适合于在空间较小的室内进行，方法简单，极易于管理，可最大限度地利用空间，但人工投入较大；而目前国内外创投公司都加大了对黑水虻规模化养殖技术开发的投入力度，并开发出了黑水虻自动化养殖设备，以期实现黑水虻的全自动化养殖，从而降低人工成本，提高转化效率，但黑水虻养殖仍然面临着生产稳定性差、生产效率低等问题[13]。因此，本研究以获得黑水虻转化餐厨垃圾工厂化参数为目标，在前期试验优化出的曝气与填料组合调控措施基础上，采用实验室模拟试验，研究不同的高投虫密度工况对黑水虻幼虫生长特性和生产性能的影响，以期为构建标准化生产技术参数体系奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾取自江苏省农业科学院食堂，充分粉碎混匀，初始理化性状如表1所示。

表1 餐厨垃圾初始理化性质（干物质基础）

黑水虻幼虫来自江苏省农业科学院畜牧研究所自建黑水虻成虫房所产虫卵孵化获得。将黑水虻虫卵置于温湿度培养箱（型号LRH-250-SE，广东泰宏君）内孵化，箱内设定温度30 ℃，相对湿度80%。孵化后使用纯麦麸作为黑水虻育雏饲料（调节含水率60%～65%），将育雏饲养盒置于人工气候箱（型号RXZ，宁波江南，温度28 ℃，相对湿度65%）连续饲喂4 d后的虫苗，备用于后续餐厨垃圾转化试验。

1.2 试验设计

试验采用盒养方式，养殖盒规格为：37 cm×26.5 cm×14 cm，底面积约0.1 m2。试验设置4 个处理组，投虫密度分别为150 000、200 000、250 000 Larvae/m2和300 000 Larvae/m2，各处理组设置3 个平行。初始投放虫苗重量规格为（11.29±1.07）mg/Larvae。各处理组在养殖盒底部安装纳米曝气盘，并放置若干填料球，采用一次性投料方式将7.5 kg 餐厨浆料加入后，添加600 g 稻壳粉铺平，再投放各处理组对应重量的虫苗，并将养殖盒置于保温板材质的昆虫养殖房中自然放置饲养。

1.3 测试指标及方法

采用温度记录仪（型号I100-E2T，玉环智拓）实时记录物料温度及环境温度，采用105 ℃烘干法测定含水率；采用玻璃电极法测定pH；采用电导仪测定电导率和盐度；采用重铬酸钾外加热法测定有机质相对含量；采用灼烧法测定粗灰分含量；采用索氏提取法测定粗脂肪含量；采用凯氏定氮法测定总氮相对含量；采用钒钼黄比色法测定总磷相对含量；采用火焰光度计法测定总钾相对含量。

试验第48、96、144、192 h 和240 h 随机采集幼虫样品，平均虫重采用随机称取30 只不同生长期黑水虻幼虫虫重，并折算单只幼虫重量，以mg/Larvae 为单位；平均虫长采用随机测量10 只不同生长期黑水虻幼虫的虫长，并折算平均值，以mm/Larvae为单位。

幼虫存活率（%）=试验结束活虫数/初始总虫数×100

单位面积虫产量（kg/m2）=收虫分离鲜虫重/收虫面积

物料减量率（%）=（物料初始干重-试验结束物料干重）/物料初始干重×100

料虫比=餐厨垃圾浆料量/收虫幼虫重量

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 初步处理试验数据，采用Origin 2021 完成绘图，采用SPSS 26 进行显著性差异分析。以P＜0.05为差异显著判断标准。

2 结果与分析

2.1 黑水虻养殖物料理化特性分析

黑水虻养殖物料的温度变化是黑水虻转化餐厨垃圾过程中重要的性能指标之一[20]。研究表明，黑水虻幼虫适宜的生长环境的温度范围为30～38 ℃，当生长环境的温度超过43 ℃时，黑水虻幼虫就会出现死亡现象[21-22]，生长环境的温度过低则易导致幼虫活性降低，餐厨垃圾转化时间延长。因此，黑水虻养殖物料的温度变化有助于反映黑水虻幼虫的活性状况和餐厨垃圾转化效率。

如图1所示，试验开始至24 h时，处理4的物料温度上升速度最快，处理3 次之，其他两个处理组物料温度上升缓慢，表明提高投虫密度可以快速提高料温。各处理组料温均随环境温度的变化而快速变化，表明环境温度的变化对黑水虻转化过程料温控制效果影响较大。随后环境温度下降并在25 ℃上下小幅波动，物料温度在小幅下降后继续上升。在试验60 h后各处理组物料温度逐渐保持在35 ℃上下小幅波动，但各处理组在试验168 h 后出现第二次大幅度升温，其中处理4 的物料温度快速升高到峰值后迅速降低，而处理1 和处理2 的物料温度升高后稳定了较长时间才开始降低，表明投虫密度较高的处理组对餐厨垃圾转化速度快，在较短时间内将餐厨垃圾转化完成，导致物料温度快速下降。

图1 不同处理组之间物料温度的动态变化

如表2 所示，处理1 和处理2 的物料含水率从初始77.52%分别下降至47.35%和48.04%，两组间没有显著差异（P＞0.05），处理3 和处理4 则下降至59.88%和55.56%，两组间没有显著差异（P＞0.05），但处理1和处理2 的物料含水率显著低于处理3 和处理4（P＜0.05），这可能与处理4空料期短且较其余处理组提前1 天收虫有关，而处理3 的料温在养殖中后期一直维持在较低温度，减少了水分蒸发有关。

表2 不同处理组的物料基础理化性质（干物质基础）

一般而言，无论初始pH 如何，经过生物处理后，物料的最终pH 都会上升[23-26]。餐厨垃圾初始pH 为4.21，经黑水虻转化后各处理组物料pH 均升高至6.00 左右，呈弱酸性，且各处理组间无显著差异（P＞0.05），这可能是与黑水虻释放到物料中的排泄物有关，因为它可能像其他属于双翅目的苍蝇幼虫一样，排泄物中氨氮含量高，从而促使物料pH 发生改变[27-28]；各处理组物料的电导率（EC）在黑水虻转化后均由初始的8.90 ms/cm 有所降低，除处理4 电导率略高外，其余处理组物料的电导率在5.60 ms/cm 左右，但各处理组之间没有显著性差异（P＞0.05），可能由于在黑水虻转化餐厨垃圾过程中，黑水虻幼虫对物料中的盐离子吸收转化，也可能与微生物对盐离子发生络合作用有关，提高投虫密度对此反应的影响较小。

餐厨垃圾原料初始有机质含量为80.68%，经黑水虻转化后物料的有机质含量均有所降低，处理1～处理4 的物料的有机质含量分别降低至76.68%、74.00%、73.24%和71.32%，并且处理1 显著高于处理3 和处理4 组（P＜0.05）。餐厨垃圾原料初始粗灰分含量为9.42%，经黑水虻转化后物料粗灰分含量均有不同程度增加，且随着投虫密度增加而增加，处于21.89%～24.80%，而处理1 的粗灰分含量显著低于处理3 和处理4（P＜0.05），表明随着投虫密度增加，黑水虻幼虫对餐厨原料中营养物质的转化程度越高，导致有机质的相对含量下降，灰分占比增加。

餐厨垃圾原料总氮（TN）含量为2.86%，经黑水虻转化后各处理组残余物料的总氮（TN）均有不同程度的降低，其中处理1降低到2.53%，显著高于其余处理组（P＜0.05）；餐厨垃圾原料总磷（TP）和总钾（TK）含量分别为0.34%和0.49%，经黑水虻转化后各处理组残余物料的总磷（TP）均有不同程度的升高，处于0.54%～0.71%，而总钾（TK）含量则有不同程度的降低，处于0.33%～0.36%，但各处理组之间的总磷和总钾含量无显著差异（P＞0.05），表明黑水虻转化餐厨垃圾过程中将其作为氮源利用，导致总磷被浓缩效应而有所增加，而钾元素因多以离子形态存在导致容易被黑水虻幼虫吸收，从而表现出有所降低趋势。从残余物料总养分（N+P2O5+K2O）含量分析来看，随着投虫密度的增加，各处理组残余物料的总养分含量均由初始原料的4.22%逐渐降低，处于3.66%～4.12%，其中以处理4 含量为最低，且显著低于处理1（P＜0.05），说明在较高投虫密度情况下，餐厨垃圾被黑水虻幼虫转化后物料的总养分偏低，不满足有机肥料总养分≥4%要求（NYT 525—2021）。

2.2 黑水虻幼虫生长特征和理化性质的变化规律

在进行黑水虻转化餐厨垃圾试验过程中，黑水虻幼虫虫长和虫重变化是反映黑水虻幼虫生长性能的重要指标。如图2和图3所示在进行黑水虻转化餐厨垃圾试验过程中，四个处理组的幼虫平均虫长虫重变化规律基本一致。在试验96 h之前，黑水虻幼虫平均虫长虫重均呈现先快速增加后增速有所放缓直至基本稳定，且处理1＞处理2＞处理3＞处理4。可见，黑水虻幼虫平均虫长虫重随着投虫密度增加而降低。如图4 所示，各处理组黑水虻幼虫的重长比总体呈上升趋势，但是随着投虫密度的提高，黑水虻幼虫的重长比逐渐降低，说明低密度处理组幼虫更加粗壮，利于虫重增加，而高密度处理组幼虫在相同条件下更加细长，特别是处理4 转化餐厨垃圾的时间较其他处理组短，表明该试验工况下，随着投虫密度的增加，养殖物料供应越来越不充分。

图2 不同处理组黑水虻幼虫平均虫长的动态变化

图3 不同处理组黑水虻幼虫平均虫重动态变化

图4 不同处理组黑水虻幼虫重长比动态变化

不同处理组的黑水虻幼虫的基础理化性质如表3所示，处理1～处理4的黑水虻幼虫虫体含水率分别为66.43%，67.04%，66.97%和68.63%，处理2和处理3的黑水虻幼虫虫体含水率与其他处理组之间没有显著差异（P＞0.05），而处理1 的黑水虻幼虫虫体含水率显著低于处理4（P＜0.05），可能是由于自身生命系统的调节，使黑水虻幼虫虫体的含水率保持着一定程度的动态平衡，投虫密度差距较大时会对黑水虻幼虫的含水率产生影响。

表3 不同处理组的黑水虻幼虫基础理化性质（干物质基础，%）

随着投虫密度的提高，黑水虻幼虫虫体的粗脂肪含量逐渐降低，但各处理组之间没有显著差异（P＞0.05），而处理1和2黑水虻幼虫虫体的总氮（TN）含量分别为4.33%和4.17%，没有显著差异（P＞0.05），处理3 和4 黑水虻幼虫虫体的总氮含量分别为3.67%和3.63%，没有显著差异（P＞0.05），但处理3、处理4 显著低于处理1 和2，表明黑水虻幼虫可以将餐厨垃圾转化虫体脂肪和蛋白，但随着投虫密度增大，黑水虻幼虫之间食物竞争增加，平均饲喂量减少，物料不能满足黑水虻幼虫对营养物质的需求，使得黑水虻幼虫体内的总氮含量降低。

处理1～处理4 之间的黑水虻幼虫虫体的总磷（TP）含量和总钾（TK）含量没有显著差异（P＞0.05），表明投虫密度对黑水虻幼虫的总磷含量和总钾含量的影响不大。不同处理组黑水虻幼虫虫体的粗灰分含量不同，其中，处理1～处理3的黑水虻幼虫虫体的粗灰分含量分别为10.53%、10.45%和10.75%，而处理4 黑水虻幼虫虫体的粗灰分含量为11.67%，显著高于其他处理组（P＜0.05），可能由于在较高的投虫密度下，物料不充足时，在最后阶段黑水虻幼虫的营养物质含量会降低，导致粗灰分占比较其他处理组有所增加。

2.3 黑水虻转化餐厨垃圾生产性能

黑水虻转化餐厨垃圾的生产性能可以反映出不同技术参数对各种技术指标的影响效果，从而评估该技术的经济效益和应用可行性，为工厂化养殖生产技术提供数据支撑。

在黑水虻转化餐厨垃圾试验结束后发现，不同黑水虻幼虫投虫密度处理组之间的转化餐厨垃圾生产性能存在差异。如表4 所示，在投料量相同的条件下，幼虫存活率随着投虫密度增加而逐渐降低，其中处理1和处理2幼虫存活率分别为97.49%和94.31%，处理3和处理4幼虫存活率分别为84.11%和83.71%，且显著低于处理1 和处理2（P＜0.05）。然而，随着投虫密度提高，使得黑水虻幼虫对餐厨垃圾的利用率提高，从而提高单位面积虫产量和物料减量率，以处理4 单位面积虫产量为最高，达到23.4 kg/m2，显著高于处理1 和处理2（P＜0.05）。各处理组物料减量率为67.16%～84.06%，且随着投虫密度增加而增加。此外，投虫密度提高有利于缩短餐厨垃圾转化周期和减少料虫比，料虫比以处理4 最低（3.22），显著低于处理1 和处理2（P＜0.05）。

表4 黑水虻转化餐厨垃圾生产性能

3 讨论

黑水虻的投虫密度对黑水虻的生长性能有很大影响，Paz 等[29]确定了黑水虻转化有机固体废弃物的理想投虫密度为12 000 Larvae/m2，强敬雯等[30]也在调查中发现过高的投虫密度会导致单个黑水虻幼虫体质量下降、饲料利用率低等一系列问题，但Barragan-Fonseca 等[31]发现较高的投虫密度可以得到较高的黑水虻幼虫总产量，从而提高整体经济效益。过高的投虫密度对黑水虻幼虫产生不利影响的原因可能是由于在高密度养殖工况下存在物料中氧气不足和空间竞争等导致的物料温度过高等因素引起的。王存文等[32]在黑水虻高密度养殖方法中提出通过鼓风机对养殖盒进行强制通风，保证养殖系统的空气循环和热量交换，王凤英等[33]在设计的黑水虻养殖系统中通过对养殖堆体通风，调节堆体温度并为堆体供氧，从而实现黑水虻的高密度养殖，所以通过添加调控措施改善黑水虻幼虫的生长环境，降低投虫密度对黑水虻幼虫的影响，可以适当提高投虫密度，提高单位面积虫产量。

本次试验在曝气填料组合处理的条件下，黑水虻的最高投虫密度为300 000 Larvae/m2，对餐厨垃圾转化时间最短，单位面积虫产量最高，餐厨垃圾减量率最高，料虫比最低。因此，通过采用曝气与填料组合调控措施，可实现利用更高水平投虫密度的黑水虻幼虫转化餐厨垃圾，以缩短转化周期，并提高单位面积虫产量，从而降低土地面积投入，提高虫体转化经济效益。