黑水虻對餐廚垃圾養分轉化研究

尹靖凱, 龔小燕, 孫麗娜, 韓夢琦, 楊淵, 徐曉燕, 王小波

(天津農學院農學與資源環境學院, 天津 300384)

隨著人民生活水平的提高和城市化進程的發展，餐廚垃圾(kitchen waste, KW)處理難題日益凸顯。2015年我國餐廚垃圾年產量就達到9 910萬t，而且在逐年增加[1], 全世界餐廚垃圾約占市政固體垃圾總量的30%～50%[2]。大量的餐廚垃圾如處理不當會嚴重影響生態環境和人們的身體健康[3-4]。與其他垃圾相比，餐廚垃圾具有水分、有機物、油脂含量高等特點，有較高的生物轉化利用價值。前人研究表明，利用黑水虻(HermetiaillucensL.)處理餐廚垃圾可以獲得可觀的生物量收益和環境效益[5-6]。目前，國內外餐廚垃圾處理技術主要有焚燒、填埋、好氧堆肥、厭氧消化、加工飼料等，但都存在不同程度的不足，影響餐廚垃圾的高效利用[7-9]。

黑水虻屬于腐生性水虻科昆蟲，幼蟲主要以腐爛有機物為食。黑水虻通過自身的取食行為和消化作用，可以將畜禽糞便、餐廚垃圾、市政污泥等有機廢棄物轉化為蟲體蛋白和生物肥料[10-12]。楊森[13]研究表明，利用黑水虻處理豬糞，豬糞干物質減少了41%～51%，收獲了原豬糞干重10.6%～15.1%的黑水虻蟲體干重。Bosch等[14]的報道也表明，可以利用黑水虻處理豬糞、雞糞、牛糞、豆腐渣等廢棄物，將廢棄物中的氮轉化為蟲體蛋白。但黑水虻對餐廚垃圾中養分的利用轉化情況還未見詳細報道。本研究篩選了黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾的最佳生產性能，并分析了最佳生產性能條件下黑水虻處理對餐廚垃圾中養分利用轉化情況，旨在為餐廚垃圾的資源化處置提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自天津農學院食堂，挑出塑料袋、一次性筷子等雜物，并簡單瀝除水分，粉碎(粒徑<2 mm)后0 ℃保存，飼喂前解凍，含水率為73.1%。

黑水虻卵取自天津農學院有機廢棄物資源化技術研發中心。蟲卵在溫度(30±2)℃、濕度(80±5)%的環境中孵化48 h后，轉入含水量80%的麥麩中，保育7 d后，放入餐廚垃圾中進行試驗。

1.2 試驗設計

1.2.1最佳生產性能的篩選 試驗按照餐廚垃圾添加量設4個處理：T1(3.0 kg)、T2 (3.6 kg)、T3(4.5 kg)、T4(5.2 kg)，每個處理重復3次。在各處理的培養盒(35 cm ×20 cm ×10 cm)中放入7日齡黑水虻幼蟲100 g。根據黑水虻幼蟲生長情況按比例每個處理每天加入適量餐廚垃圾，在溫度(30±2)℃、濕度60%～80%的環境中養殖。養殖8 d后，停止加入餐廚垃圾，放置24 h，待蟲體完全排出體內殘余物后，篩分出蟲體，分析各處理的生產性能。

1.2.2轉化性能研究 在篩選最佳生產性能的基礎上，分析餐廚垃圾經黑水虻轉化后餐廚垃圾中蛋白質、脂肪、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈉(Na)在蟲體和蟲糞中的分配比例以及損失量。

1.3 測定指標與方法

篩分出蟲體、殘渣后，烘干稱重、粉碎，按照水：樣品為10∶1溶解后，測定pH、電導率(electrical conductivity，EC)。采用重鉻酸鉀容量法測定有機碳含量，凱氏定氮法測定氮(N)、蛋白質含量，鉬黃比色法測定磷(P)含量，火焰光度法測定鉀(K)、鈉(Na)含量[15]，利用索氏提取法測定蟲體、蟲糞、餐廚垃圾脂肪含量。

餐廚垃圾減量率 = [(餐廚垃圾質量(干重)-殘渣質量(干重)]/餐廚垃圾質量(干重)×100%

(1)

餐廚垃圾轉化率=增加的蟲體質量(干重)/轉化的餐廚垃圾質量(干重)×100%

(2)

1.4 數據處理

采用Excel 2010處理試驗數據和作圖，采用SPSS 17.0進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 黑水虻處理不同量餐廚垃圾生產性能

由表1可知，隨著餐廚垃圾添加量的增加，黑水虻蟲體的鮮重、干重、殘渣量顯著提高。T4處理的黑水虻鮮重、干重最高，分別為1 285.5、401.7 g，較T1處理分別增加了45.4%和43.4%；T3、T2處理的鮮重和干重較T1處理分別增加了36.9%、29.0%和35.7%、29.0%。T4處理的殘渣量最高，較T3、T2、T1分別增加了32.2%、93.6%、153.7%。餐廚垃圾的減量率隨著餐廚垃圾添加量的增加而降低，T1、T2處理的減量率分別為76.2%和74.0%，沒有顯著差異；而T3、T4處理則顯著降低，分別為69.3%和65.2%。T2處理的轉化率最高為33.9%，較T1、T3處理分別提高了3.3和5.2個百分點，T4處理的轉化率最低。綜合分析，T2處理即100 g 7日齡黑水虻幼蟲處理3.6 kg含水量為73.1%餐廚垃圾的生產性能最佳。

表1 黑水虻處理餐廚垃圾的生產性能Table 1 Production performance of black soldier fly in the treatment of kitchen waste

2.2 黑水虻對餐廚垃圾蛋白質和脂肪的轉化

表2顯示，餐廚垃圾的粗蛋白質和脂肪含量為25.0%和25.5%。經黑水虻轉化后，黑水虻蟲體內的粗蛋白和脂肪含量分別為45.1%和48.1%，蟲糞中含量分別為28.3%和7.3%。蟲體中的蛋白和脂肪總量分別為原餐廚垃圾中蛋白和脂肪總量的61.3%和64.0%，蟲糞中的蛋白和脂肪總量分別為原餐廚垃圾中蛋白和脂肪總量的29.5%和7.5%。可見，餐廚垃圾中的蛋白質和脂肪經黑水虻轉化后，大部分轉化為蟲體蛋白和脂肪。蛋白質總的轉化率為90.8%，有9.2%的損失；脂肪的總轉化率為71.5%，有28.5%的損失。

表2 黑水虻對餐廚垃圾蛋白質和脂肪的轉化Table 2 Transformation of protein and fat from kitchen waste by black soldier fly

2.3 黑水虻對餐廚垃圾中各元素的轉化

餐廚垃圾經黑水虻轉化后，其中的N、P、K、Na部分轉移到黑水虻蟲體，部分轉移到蟲糞中(表3)。轉化后N、P、K、Na在蟲體的總量占原餐廚垃圾總量的比例分別為61.3%、37.6%、71.4%、14.1%，在蟲糞中的總量占原餐廚垃圾總量的比例分別為29.5%、60.0%、25.2%、50.4%，各元素的損失比例分別為9.2%、2.4%、3.4%、35.5%。可見，在餐廚垃圾的轉化過程中，Na的損失量最高，其次為N元素，P、K的損失量最低。

表3 黑水虻對餐廚垃圾中各元素的轉化Table 3 Transformation of elements from kitchen waste by black soldier fly

2.4 餐廚垃圾經黑水虻處理前后理化性質的變化

餐廚垃圾經黑水虻轉化后，蟲糞的pH、EC值、有機質含量較原餐廚垃圾分別提高了22.5%、32.4%和28.9%，N、P、Na的含量也顯著提高了13.5%、130.0%、92.9%，K含量沒有顯著變化。N、P、K總養分含量大于5%，各指標均符合NY 525—2012[15]中有機肥料的各項限值標準。

3 討論

黑水虻可以將餐廚垃圾轉化為蟲體蛋白和生物有機肥[10-11]，消除餐廚垃圾帶來的危害，在轉化過程中，隨著餐廚垃圾投喂量的增加，收獲黑水虻的蟲體量增加，但餐廚垃圾的減量率降低。處理過程中，餐廚的投喂量過低時，餐廚的減量率提高，但黑水虻生長受影響，干重減少，干物質轉化率降低；投喂量過多時，黑水虻對原料不能充分的轉化利用，同樣造成干物質轉化率降低，餐廚垃圾的減量率降低。本研究發現，100 g 7日齡黑水虻幼蟲處理3.6 kg餐廚垃圾的生產性能最佳，餐廚垃圾經黑水虻轉化后，干物質減量率達到了74.0%，干物質轉化率達33.9%。與前人的研究結果[16-18]相近。與畜禽糞便等其他廢棄有機物相比，餐廚垃圾的碳水化合物含量高，而且主要為淀粉、脂肪、蛋白質等易于動物消化的物質。Kim等[19]研究發現，黑水虻幼蟲腸道提取物的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性高于家蠅幼蟲，使其能夠更有效地消化這些有機物。所以，黑水虻對餐廚垃圾的減量率顯著高于對畜禽糞便的減量率和干物質轉化率[20]。

表4 餐廚垃圾轉化前后的理化性質Table 4 Physical and chemical properties of kitchen waste before and after transformation

黑水虻幼蟲能夠轉化餐廚垃圾中的N、P、K等營養成分和大量的蛋白質、脂肪，并將一部分用于機體構建，成為畜禽養殖的蛋白和油脂原料[21]，而且昆蟲的轉化可以完全阻斷同源性蛋白病毒在食物鏈中的傳播[22]，可以將轉化餐廚垃圾后的昆蟲蛋白安全應用于畜禽養殖飼料。本研究中，通過黑水虻蟲體收獲的蛋白質和脂肪量分別為餐廚垃圾原料中蛋白質和脂肪總量的61.2%和64.0%，有效將餐廚垃圾中廢棄的蛋白和脂肪回收利用，相比于傳統的焚燒、填埋、堆肥等處理技術，具有明顯的資源利用優勢。經轉化后餐廚垃圾中的N、P、K元素絕大部分轉化到蟲體和蟲糞中。N有9.2%的損失，與消化過程中NH3的揮發有關[23]；Na有35.5%的損失，可能因Na以水溶態存在，在殘渣烘干過程中容器壁殘留損失較多；脂肪有28.5%的損失，可能以蟲體熱量的形式散發。本研究及何釗等[24]的研究結果都表明，黑水虻蟲體中N總量大于P、K、Na，可知黑水虻在生長過程中需要吸收的N大于P、K，Na的吸收量最低，而餐廚垃圾中K含量僅為P含量的28%，所以轉化后N、K在蟲體的轉入比例大于P、Na。

黑水虻轉化餐廚垃圾后，殘余物蟲糞的pH、EC、有機質、N、P、Na含量都顯著提高。餐廚垃圾pH為4.79呈酸性，在黑水虻消化蛋白過程中產生了氨氣[23,25]，導致殘余物的pH升高。同時由于干物質的大量減少產生濃縮效應，造成了EC、有機質、N、P、Na含量的升高。各指標的變化趨勢與前人使用黑水虻處理豬糞等畜禽廢棄物的結果[26-27]有差異，豬糞經黑水虻轉化后有機質、N、K含量降低，P含量升高。差異可能與廢棄物的減量率有關，黑水虻處理豬糞的減量率為56%，而對餐廚垃圾的減量率達到了74%，濃縮效應更明顯。轉化后殘余物的有機質含量達85.6%，N、P、K總養分含量達到了7.8%，高于NY 525—2012有機肥料[15]標準要求的各項限值。

餐廚垃圾除有機質、脂肪含量高外，還具有鹽分含量高的特性。本研究餐廚垃圾的EC值為3.55 ms·cm-1，Na離子含量達1.26%，高鹽分會抑制微生物的生長，影響餐廚垃圾的好氧堆肥[28]和厭氧發酵[29]處理工藝。高鹽分也成為堆肥產品應用的限制性因素，陳曉惠[30]研究發現，餐廚垃圾堆肥的高鹽分抑制了黑麥草種子發芽和生長。黑水虻雖然對高鹽分具有一定的耐受性[31]，一定的鹽度不會影響對餐廚垃圾的轉化，但蟲糞中鹽分含量的提高會影響蟲糞的進一步農業利用。因此，在進行黑水虻轉化前,最好通過水洗、脫水等措施降低餐廚垃圾中鹽分的含量。