基于蠅蛆養(yǎng)殖技術(shù)的畜禽糞便處理模式

余桂平，翁曉星，徐錦大，朱建錫，馮 洋

(浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華321017)

0 引言

隨著養(yǎng)豬業(yè)的興起，規(guī)模化養(yǎng)殖場增多，產(chǎn)生大量畜禽糞便，而固體糞便會造成較大的環(huán)境污染。畜禽糞便中含有大量的氮磷化合物，若不及時妥善處理，糞便表層氮以氨氣的形態(tài)散發(fā)到大氣中，促使大氣中氮氧化合物濃度升高；糞便中氮和磷流入河流造成河流水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境的破壞。現(xiàn)階段處理畜禽糞便的措施有直接返田、制作肥料、制作燃料及制作蠅蛆培養(yǎng)料[1]。

國外在昆蟲的開發(fā)利用研究上相對較早，自20世紀(jì)60年代末起，許多國家如美國、韓國和日本等先后開展了利用蠅蛆進(jìn)行工廠化養(yǎng)殖生產(chǎn)的研究。但利用昆蟲進(jìn)行規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物處理及開發(fā)昆蟲蛋白和有機(jī)肥的相關(guān)研究報道較少，而在資源日益趨緊，環(huán)境不斷惡化的今天，利用昆蟲生物轉(zhuǎn)化畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物，在養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用已成為各國關(guān)注的熱點(diǎn)。比利時岡特·鮑利所著《藍(lán)色經(jīng)濟(jì)》一書中，將利用蠅蛆處理畜禽廢棄物獲得魚和鵪鶉飼料及提取溶菌酶列為高效生態(tài)處理的范例。我國自20世紀(jì)80年代對集約化畜禽場的糞便污染開始重視，開展了畜禽場糞便簡單處理和污染綜合防治配套技術(shù)的初級研究，開發(fā)了成套設(shè)備，主要是通過糞便烘干脫水和微生物厭氧發(fā)酵處理作肥料和沼氣利用[2]。蠅蛆作為研究熱點(diǎn)，具有生長快、產(chǎn)出高和養(yǎng)殖簡單的特點(diǎn)，并且蠅蛆粗蛋白含量為58.80%～63.89%，其必需氨基酸總量是魚粉的2.3倍，含有鐵和鋅等多種微量元素及抗菌肽和幾丁質(zhì)等多種有價值成分，總體營養(yǎng)價值高于進(jìn)口魚粉，是一種較理想的蛋白質(zhì)補(bǔ)充料[3]。蠅蛆養(yǎng)殖以麥麩、米糠、酒糟、豆渣、豬糞、雞糞和鴨糞等畜禽糞便為食料來源，實(shí)現(xiàn)循環(huán)養(yǎng)殖。利用蠅蛆作蛋白質(zhì)飼料，可作為魚粉飼喂畜禽和水產(chǎn)動物，不僅有利于減少環(huán)境污染，而且可為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)提供所需的高蛋白餌料，蠅蛆可以消耗畜禽糞便和餐廚垃圾等廢棄物，不需要經(jīng)過復(fù)雜處理就可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料或沼氣原料[4]。因此，蠅蛆養(yǎng)殖是解決當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)蛋白資源缺乏的良好途徑。

1 工藝流程

養(yǎng)殖場中70%～80%的豬糞通過干清糞等工藝被收集和清運(yùn)到蠅蛆生產(chǎn)車間，以蠅蛆取食利用糞便腐敗物質(zhì)的生物特性，生產(chǎn)蠅蛆產(chǎn)品，使糞便中的物質(zhì)能量充分轉(zhuǎn)化成蟲體蛋白質(zhì)和脂肪加以回收。蛆蟲作為水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料等，使畜禽糞便無害化增值利用。目前，無公害蠅蛆生產(chǎn)時采用集約型規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)施，通過工程化技術(shù)手段，集中供給蠅蛆孳生物質(zhì)，生產(chǎn)大量蠅蛆蛋白。蠅蛆蛋白開發(fā)的成本低且周期短，蠅蛆生產(chǎn)的1個周期只有3～4 d，現(xiàn)在市場價鮮蛆成本在2 000元t左右，烘干后的蠅蛆成本在8 000元t左右，不需購進(jìn)同量的外國魚粉，可降低畜禽和水產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，增加盈利[5]。通過畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物蠅蛆生物轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的集成，建立畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物高效循環(huán)利用和過程機(jī)械化的提升模式，如圖1所示。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1蠅蛆分離技術(shù)

蠅蛆分離是蠅蛆養(yǎng)殖過程的關(guān)鍵技術(shù)，若分離方法選擇不當(dāng)，不僅造成前期投入的浪費(fèi)，還會造成蛋白浪費(fèi)，剩余蠅蛆化蛹后變成蒼蠅造成二次污染。較國外發(fā)達(dá)地區(qū)，我國利用畜禽糞便養(yǎng)殖蠅蛆的技術(shù)起步較晚，蛆料分離方法大都利用蠅蛆的避光性、向下性和趨干性等生物學(xué)習(xí)性實(shí)現(xiàn)蛆料分離。蛆料分離法可分為人工分離法和自動分離法。人工分離法是指人工使用某些工具來達(dá)到蛆料分離的目的，主要包括土分離法、水分離法和網(wǎng)篩分離法。自動分離法一般有蠅蛆自然分離法和機(jī)械分離法[5]。蠅蛆自然分離法是利用蠅蛆避光性和趨干性等生物學(xué)習(xí)性來實(shí)現(xiàn)自動分離。機(jī)械分離法主要是給蛆料施加外部作用，使蛆料能夠?qū)崿F(xiàn)快速分離。但由于現(xiàn)有設(shè)備及生產(chǎn)方式的局限性，無法實(shí)現(xiàn)蠅蛆分離的可控性和自動性，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。目前大部分工廠還是半手工操作和作坊式生產(chǎn)，缺少全自動化的設(shè)備，致使產(chǎn)量低，生產(chǎn)效率也不高。

國內(nèi)針對蠅蛆分離裝置研究方面，王亞波[6]根據(jù)蒼蠅幼蟲生活習(xí)慣和蛹化行為，設(shè)計了自動立體培養(yǎng)、蠅蛆分離板和自動育蛆分離等裝置，增加蠅蛆成熟率。目前蛆料機(jī)械分離設(shè)備，通過裝置分離后仍有很多蠅蛆卡在篩孔中，影響了后續(xù)蛆料分離的效率。單純用光分離或網(wǎng)篩分離法，分離到最后總有些培養(yǎng)料與部分蠅蛆混在一起無法分離。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)對比，在光分離法的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工篩簸方法，同時利用機(jī)械原理，自動驅(qū)趕蠅蛆實(shí)現(xiàn)自動分離，減少對環(huán)境的污染。

2.2蠅蛆烘干技術(shù)

利用蠅蛆營養(yǎng)成分齊全的高蛋白動物性飼料，是開發(fā)飼料資源的有效途徑之一。國內(nèi)早期許多大、中型養(yǎng)殖場采用9JH系列高濕物料快速烘干機(jī)，對畜禽糞便進(jìn)行快速烘干處理。用風(fēng)機(jī)對熱交換器以對流的方式加熱空氣，熱空氣層流經(jīng)烘盤對物料進(jìn)行熱量傳遞進(jìn)而對物料進(jìn)行烘干，但不能根據(jù)蠅蛆體內(nèi)水分的變化實(shí)行烘干溫度分段實(shí)時控制以保證烘干效果。采用炒制品的烘干設(shè)備，自動化程度低且干燥系統(tǒng)可靠性差，烘干后的蠅蛆易焦化和色澤發(fā)黑，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。用烘干面條等條狀物及塊狀物的帶式烘干機(jī)雖干燥效率快和蒸發(fā)強(qiáng)度高，但烘干成本高及效果難以保證，不適用于蠅蛆的烘干。

2.3蠅蛆處理的發(fā)展趨勢

近幾年，雖然通過眾多研究者和企業(yè)的共同努力，蠅蛆生物轉(zhuǎn)化畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物生產(chǎn)蠅蛆蛋白和有機(jī)肥的處理工藝取得了較大的進(jìn)展，但是與規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖相配套的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣還存在一些問題。首先，蠅卵高存活性保藏和運(yùn)輸技術(shù)缺乏，采用蠅蛆轉(zhuǎn)化畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物工藝的企業(yè)都需各自建立蠅種房，不僅投資成本提高，而且技術(shù)要求高，限制了該工藝的推廣。其次，蠅蛆蛋白規(guī)模化生產(chǎn)工藝還相對落后，機(jī)械化程度不高，費(fèi)工費(fèi)時，成本較高，作為飼料蛋白，在價格上與進(jìn)口魚粉沒有競爭優(yōu)勢。再次，蠅蛆烘干缺少專用設(shè)備，烘干和干蛆質(zhì)量依賴工人經(jīng)驗(yàn)，容易導(dǎo)致蛆干焦化，造成較大損失，這也是目前蠅蛆生產(chǎn)成本較高的一個重要因素。因此，如何降低畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物蠅蛆生物轉(zhuǎn)化成本，拓寬蠅蛆應(yīng)用范圍和加工利用途徑，是蠅蛆生物轉(zhuǎn)化廢棄物工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模推廣的迫切需求。

3 技術(shù)解決方案

3.1蠅蛆分離設(shè)備

根據(jù)蠅蛆負(fù)趨光性和喜陰的生物特性，結(jié)合目前成熟的蠅蛆幼蟲人工收集方式和豬糞蠅蛆生物轉(zhuǎn)化處理利用工藝，設(shè)計基于生物分離法與篩選分離法相結(jié)合的蛆糞分離專用設(shè)備，包括光源系統(tǒng)、行走式自動進(jìn)料系統(tǒng)、蛆糞分離系統(tǒng)、蛆糞出料系統(tǒng)及蛆糞分離設(shè)備控制系統(tǒng)，如圖2所示[7]。

蠅蛆分離系統(tǒng)，通過PLC自動控制刮板在糞料上方模擬人工清掃，即刮板在電機(jī)和絲杠帶動下可沿上下前后4個方向運(yùn)動，逐層去除糞渣，最終實(shí)現(xiàn)蛆糞分離效果。蛆料分離機(jī)構(gòu)主要包括堆料箱、抬升架和驅(qū)動抬升降機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

通過光照，堆料箱中糞渣物料上表面的蠅蛆由于喜陰性會往下鉆，此時刮板將這層沒有蠅蛆的物料表面從缺口清掃而出，逐漸清掃后大量的蠅蛆會堆積在物料底部，其中還夾雜著部分糞渣，還需要對這部分蠅蛆和物料進(jìn)行分離。堆料箱的底部設(shè)置了具有通孔的分離板，而且分離板下方設(shè)置有擋蛆板，位于底端的蠅蛆從通孔鉆出并滯留在擋蛆板上。分離板與擋蛆板的間距不宜太大，否則蠅蛆不敢從通孔鉆出，然后通過開合機(jī)構(gòu)將擋蛆板打開，這樣從擋蛆板中落下的蠅蛆便是不含雜質(zhì)的蛆。

3.2蠅蛆烘干設(shè)備

蠅蛆烘干技術(shù)是影響蠅蛆養(yǎng)殖進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵難點(diǎn)。本文設(shè)計的烘干設(shè)備是根據(jù)蠅蛆生物特性進(jìn)行蠅蛆烘干。可實(shí)時控制的蠅蛆烘干專用設(shè)備采用臥式滾筒形式，蠅蛆經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入高溫滾筒內(nèi)，滾筒在不斷轉(zhuǎn)動過程中接觸熱源進(jìn)行加熱。蠅蛆隨滾筒旋轉(zhuǎn)的同時，在滾筒內(nèi)置攪拌葉片的作用下翻滾并交替接觸筒壁受熱升溫達(dá)到烘干的目的。蠅蛆烘干專用設(shè)備主要包括機(jī)架、動力系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，如圖4所示[8]。

3.3性能試驗(yàn)

蠅蛆生長速度驚人，其繁殖快且產(chǎn)量高，從卵發(fā)育到成蟲一般僅需10～11 d，如果只需要蠅蛆，從蒼蠅產(chǎn)卵到孵出蠅蛆3～4 d，不受季節(jié)和氣候的影響，若有加溫條件，一年四季均可養(yǎng)殖。

(1)分離試驗(yàn)。蠅蛆具有負(fù)趨光性，喜鉆入各種基質(zhì)中，常以有機(jī)物質(zhì)為食，但活動范圍一般不離其原產(chǎn)卵場所。蠅蛆的分離因受培養(yǎng)料原料、含水量及天氣情況等因素影響，試驗(yàn)采用光分離法與自動篩簸結(jié)合分離法進(jìn)行分離。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

(2)烘干試驗(yàn)。取樣10 g，置于預(yù)熱到120 ℃恒溫烘箱內(nèi)，烘干處理90 min，冷卻后稱質(zhì)量，按以下公式計算，或直接用水份速測儀測得。

H=(10-Wg)×100%10

(1)

式中H——蠅蛆原料含水率

Wg——蠅蛆原料試樣干質(zhì)量，g

Hz=(10-Wz)×100%10

(2)

式中Hz——烘干后成品蠅蛆含水率

Wz——烘干后成品蠅蛆試樣干質(zhì)量，g

稱取烘干機(jī)工作1批次需烘干的質(zhì)量及烘干后成品蠅蛆烘干質(zhì)量，按以下公式計算。

EC=WcTc

(3)

式中EC——生產(chǎn)率，kgh

Wc——蠅蛆原料質(zhì)量，kg

Tc——時間，h

根據(jù)蠅蛆干燥工藝和產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行生產(chǎn)性能試驗(yàn)。結(jié)果如表2所示，均能滿足技術(shù)要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表2 蠅蛆烘干設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

我國畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物每年產(chǎn)生量達(dá)20多億t，其中豬糞約占畜禽糞總量的49.6%，雞糞占17.4%。而浙江省每年產(chǎn)生畜禽糞便1 800多萬t，豬糞比例超過50%。另一方面，我國目前每年水產(chǎn)養(yǎng)殖總量達(dá)490萬t，每年魚粉需求量在260萬t左右，其中進(jìn)口魚粉達(dá)100多萬t。浙江省水產(chǎn)養(yǎng)殖總量約占到全國的20%，每年的魚粉需求50萬t以上，進(jìn)口魚粉需求至少在15萬t以上。目前按10%進(jìn)口魚粉替代量，僅浙江省蠅蛆年需求1.5萬t以上，現(xiàn)浙江省幾個示范基地滿負(fù)荷生產(chǎn)年產(chǎn)量也不到1 000 t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求。利用蠅蛆生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物的處理，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥和蠅蛆蛋白，短期循環(huán)生產(chǎn)蛋白質(zhì)品質(zhì)高，為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)飼料蛋白，為醫(yī)療化妝品等高端產(chǎn)業(yè)提供甲殼素、殼聚糖和寡糖等生產(chǎn)原料，轉(zhuǎn)變現(xiàn)有畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物單一處置利用方式，延長產(chǎn)業(yè)鏈，提升綜合利用價值。畜禽養(yǎng)殖固體廢棄物蠅蛆生物轉(zhuǎn)化工藝的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益顯著，應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景廣泛，同時促進(jìn)種植業(yè)、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展，減少農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染，對倡導(dǎo)和發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。