響應面法優化黑水虻處理餐廚垃圾工藝參數研究

摘要：為了利用黑水虻高效處理餐廚垃圾，提高資源化率，以黑水虻幼蟲產量為響應值，利用響應面法，在Plackett-Burman（PB）試驗基礎上，通過Box-Behnken（BB）試驗對環境溫度、處理料含水率、日投料量、投放空間、初始蟲齡、處理料透氣性6個參數進行優化。PB試驗結果表明，對黑水虻幼蟲產量影響顯著的因素依次為處理料含水量、環境溫度、日投料量、投放空間和起始蟲齡；BB試驗結果表明，最佳幼蟲產量條件為環境溫度28 ℃，處理料含水量75%，日投料量26 g·千頭-1幼蟲，投放空間1 443 cm3·千頭-1幼蟲，初始蟲齡6日齡；在此條件下可獲得最大幼蟲產量，達243.78 g，與模型預測值（243.82 g）相對誤差較小，表明響應面法可以準確優化工藝參數。以上研究結果為黑水虻處理餐廚垃圾的生產實踐提供理論依據。

關鍵詞：響應面法；黑水虻；餐廚垃圾；工藝參數；優化

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0283

中圖分類號：S185，X71

文獻標志碼：A

文章編號：1008?0864（2025）01?0241?09

餐廚垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，隨著城市化進程的加快和人民生活水平的提高，我國生活垃圾產生量也逐年破新高，其中餐廚垃圾的占比約為60%[1]，2017年已達上億噸[2]。餐廚垃圾含水率高，有機質含量高，可生化性較好，易變質，在處理過程中易產生滲濾液、惡臭和有毒氣體，其中病原體、寄生蟲和蟲卵等會對人類健康造成潛在威脅，且易造成二次污染[2?3]。餐廚垃圾處理已逐漸成為目前垃圾處理的焦點問題。發達國家對餐廚垃圾的管理和處理有相對完善的系統和體制，已經基本實現餐廚垃圾源頭減量化和無害化處理[4-7]。我國在生活垃圾處理方面尚處在初級階段，目前還以傳統的填埋、焚燒為主[8]。《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》要求力爭城市基本建立餐廚垃圾回收和再生利用體系，該規劃建設完成后我國城鎮餐廚垃圾無害化、資源化處理率僅達36%[2]。餐廚垃圾處理能力仍需進一步提升，一方面是餐廚垃圾產生量的快速增長，另一方面是無害化處理能力及水平仍相對不足，大部分城鎮的餐廚垃圾難以實現無害化處理，餐廚垃圾收集率及處理率亟待提高。因此，亟需尋求多元的、符合我國國情的解決途徑。

黑水虻（Hermitia illucens）屬于雙翅目水虻科，幼蟲營腐生生活，食譜非常廣泛，在全球熱帶和亞熱帶的大部分地區都有分布，因其繁殖能力強，營養需求低，安全性高，幼蟲、蛹蛋白質含量高，可將生物質廢棄物轉化為優質昆蟲蛋白，被視為環境資源昆蟲[9-11]。由于利用黑水虻轉化處理餐廚垃圾可實現垃圾減量化、無害化、資源化的完美統一，我國對餐廚垃圾處理方式也由衛生填埋逐漸向餐廚垃圾無害化、資源化、源頭減量化方向發展，黑水虻處理餐廚垃圾產業化、規模化應用前景看好[11?12]。目前，對黑水虻的研究主要集中在生物質廢棄物處理和再生資源進一步開發應用，而對如何提高餐廚垃圾資源化率方面還未見系統研究報道。基于黑水虻在生物質廢棄物處理領域的應用前景，本研究利用響應面法，以幼蟲產量為響應值，對黑水虻處理餐廚垃圾過程中主要影響參數進行優化，以期為生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用黑水虻由吉林農業大學生物防治所臧連生教授提供，產卵12 h內采集卵塊，孵化后在25 ℃條件下用新鮮豆渣飼養，相對濕度控制在（50%±1%）。處理料取自學生食堂的餐余物，在80 ℃烘箱烘干至恒重，裝入自封袋密封，4 ℃冰箱保存備用。根據試驗設計調制處理料的含水量，干料加水攪拌均勻后，靜置12 h使之完全浸潤后使用。試驗在自動控制溫度±0.5 ℃和濕度±1%的生態室（1.8 m ×1.6 m ×2.0 m）內進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 Plackett-Burman（PB）試驗

采用Design-Expert 12軟件展開PB試驗設計[13]。以黑水虻幼蟲產量（Y）為響應值，影響黑水虻幼蟲產量的環境溫度（x1）、處理料含水率（x2）、日投料量（x3）、投放空間（x4）、初始應用蟲齡（x5）和處理料透氣性（x6）為主要考察因素，每個因素選取高（1）、低（-1）2個水平（表1），篩選對響應值影響顯著的因素。

1.2.2 Box-Behnken（ BB）響應面試驗

采用Design-Expert 12軟件展開BB試驗設計[13]。依據PB試驗結果，以顯著影響黑水虻幼蟲產量（Y）的自變量x1、x2、x3、x4、x5為考察因素，每個因素選取高（1）、中（0）、低（-1）3個水平值。BB試驗設計見表2。

1.3 數據處理

利用Design-ExpertV12 軟件進行統計分析及制圖；利用自變量編碼方程計算最佳參數組合值。

Xi=（xi-x0）/Δxi （1）

式中，Xi為自變量的編碼值，xi為自變量的實際水平值，x0為試驗水平中心點實際值，Δxi為單變量增值。

2 結果與分析

2.1 PB 試驗結果分析

基于PB 設計原理，試驗結果見表3。經Design-ExpertV12軟件逐步回歸分析，獲得對黑水虻幼蟲產量（Y）的多元一次回歸方程如下。

Y=80.13+26.31 x1+28.03 x2+25.86 x3+11.47 x4+6.59 x5 （2）

對回歸方程進行方差分析，結果如表4 所示。回歸模型項Plt;0.000 1，影響極顯著；失擬項P=0.057 5gt;0.05，影響不顯著；R2=94.22%gt;85%，表明該方程可靠，所得試驗模型擬合度較好，可以用該回歸方程代替試驗的真實數據點來計算上述供試變量與黑水虻幼蟲產量。R2Adj=0.921 8，表明通過本試驗數據所建立的模型可以解釋總體中92.18% 的幼蟲產量與供試因素間的變化關系，誤差在允許范圍內，因此，可以用來模擬實際情況對本試驗的結果進行分析和預測。

由回歸方程系數顯著性檢驗結果（表5）可知，供試6個因素中有5個因素對響應值影響顯著（Plt;0.05），其中，環境溫度（x1）、處理料含水量（x2）、日投料量（x3）和投放空間（x4）對幼蟲產量影響均極顯著（Plt;0.01）；起始蟲齡（x5）對幼蟲產量影響顯著（Plt;0.05）；處理料透氣性（x6）對響應值的影響不顯著。

2.2 BB 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面試驗結果

基于BB中心復合設計響應面試驗，結果見表6。根據結果建立回歸方程預測模型，并對響應面試驗結果進行多元線性回歸及二項擬合分析，得出回歸方程如下。

Y=243.47+1.61x1+0.76x2-0.83x3+1.98x4+0.68x5-0.60x1x3-0.13x1x4+0.12x1x5-0.33x2x3+1.35x2x4-0.90x3x4-0.25x3x5+1.88x4x5-14.68x12-6.48x22-3.51x32-7.00x42-2.22x52 （3）

由表6可知，最大幼蟲產量值（243.74 g）對應各因素的編碼均為中水平，將對應的各因素實際值代入自變量編碼方程，獲得最優參數組合為：環境溫度28 ℃，飼料含水量75%，日投料量26 g·千頭-1幼蟲，投放空間1 443 cm3·千頭-1幼蟲，起始蟲齡6日齡。

對回歸方程進行方差分析（表7），得R2＝0.989 7，表明該方程可靠，所得試驗模型擬合度好，可以用該回歸方程代替試驗的真實數據點，描述各變量和響應值（幼蟲產量）之間的關系。R2Adj＝0.981 5，表明通過本試驗數據所建立的模型可以解釋總體中98.15%的幼蟲產量的變化，所選因素基本涵蓋了所有主要影響因素，可以用來模擬實際情況，并對本試驗的結果進行分析和預測。5個因素的一次項、二次項和x2 x4、x2 x5、x4 x5交互項，對響應值均影響極顯著（Plt;0.01）。

2.2.2 響應面交互作用分析

利用Design Expert12軟件繪制不同因子交互作用響應面圖（圖1）。圖中曲面越陡（等高線圖越趨于圓形），說明2個因素間的交互作用對響應值的影響越大；曲面越平展（等高線圖越趨于橢圓形），說明2個因素間的交互作用對響應值的影響越小。根據圖1 顯示結果，結合方差分析表7中的P 值，可獲得2個因素間的交互作用對響應值影響由大到小依次為：投放空間和起始蟲齡gt;處理料含水量和起始蟲齡gt;處理料含水量和投放空間；其他因素兩兩間的相互作用對響應值的影響均不顯著。

2.3 驗證試驗結果分析

為更好地服務生產，在最佳參數組合環境溫度28 ℃、飼料含水量75%、日投料量26 g·千頭-1幼蟲、投放空間1 443 cm3·千頭-1 幼蟲、起始蟲齡6日齡條件下進行驗證試驗，3次重復獲得黑水虻幼蟲產量為243.78 g，理論值為243.82 g，相對誤差0.016%（lt;5%），理論值接近實際值，說明該模型具有較好的擬合性，響應面法可以較好地優化黑水虻處理餐廚垃圾工藝參數。

3 討論

黑水虻生物處理技術是近年發展起來的餐廚垃圾減量化與資源化處置方法。利用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾生產工藝受多種因素的影響，探索其最佳工藝參數，更好地實現餐廚垃圾的減量化和資源化是目前餐廚垃圾處理領域的研究熱點[14]。單因素或二因素對生物處理的研究較多，而多因素綜合作用的研究較少。Chia等[15]研究認為，無論是低溫還是高溫都會抑制黑水虻幼蟲生長，最適宜的溫度應為25～30 ℃。Logan等[16]研究表明，溫度為26～27 ℃、幼蟲密度為1.0～2.5只·g-1是黑水虻幼蟲最適生長溫度和蟲口密度。趙春波[17]研究表明，含水率80%餐廚垃圾黑水虻幼蟲生長速度最快；喻國輝等[18]研究認為，最適合黑水虻幼蟲的人工飼料的含水量應在70％～80％。徐齊云等[19]研究指出，溫度30 ℃、相對濕度60%最佳；張家寶等[20]研究認為，餐廚垃圾的含水率應該保持在80％左右，溫度應保持在25～30 ℃最宜。本研究表明，環境溫度28 ℃、飼料含水量75%、日投料量26 g·千頭-1幼蟲、投放空間1 443 cm3·千頭-1幼蟲、起始蟲齡6日齡為最佳參數組合，其中環境溫度和處理料含水率與上述報道結果相吻合。不同學者研究結果存在一定差異，符合不同溫、濕度組合對生物影響可以達到相似效果，即溫濕度系數原理。除上述影響因素外，影響因素可能還包括pH、重金屬、鹽度、辣度等，其中有些因素影響情況還不明確，需要進一步探討。

參考文獻

［1］ 楊森林，王科林，吳善荀，等.餐廚垃圾處置設施規劃中對餐廚垃圾產生量的預測[J].環境衛生工程，2018，26（3）：87-90.

YANG S L， WANG K L， WU S X，et al .. Prediction on generationquantity of food waste in planning of kitchen waste disposalfacilities [J]. Environ. Sanitation Eng.， 2018，26 （3）：87-90.

［2］ 鄧俊. 餐廚垃圾無害化處理與資源化利用現狀及發展趨勢[J]. 環境工程技術學報，2019，9（6）：637-642.

DENG J. Harmless treatment and resource utilization ofkitchen waste： development status and trend [J]. J. Environ.Eng. Technol.， 2019，9（6）：637-642.

［3］ LECLERE D， OBERSTEINER M， BARRETT M， et al .. Bendingthe curve of terrestrial biodiversity needs an integrated strategy [J].Nature， 2020， 585：551-556.

［4］ 吳修文，魏奎，沙莎，等.國內外餐廚垃圾處理現狀及發展趨勢[J].農業裝備與車輛工程，2011（12）：49-52，62.

WU X W， WEI K， SHA S， et al .. Present status and developingtrend of kitchen garbage processing in China and abroad [J].Agric. Equip. Vehicle Eng.， 2011（12）：49-52，62.

［5］ 黃嘉晉，張啟揚，沈耿哲，等. 國內外廚余垃圾處理現狀及MBT處理技術[J].山東化工，2017，46（7）：217-219.

HUANG J J， ZHANG Q Y， SHEN G Z， et al .. Current situation ofkitchen waste treatment at home and abroad and MBT treatmenttechnology [J]. Shandong Chem. Ind.，2017，46（7）： 217-219.

［6］ 孫艷艷，呂志堅.美國構建餐廚垃圾等級化處理體系[J].全球科技經濟瞭望，2014，29（1）：50-54.

SUN Y Y， LYU Z J. Hierarchical food waste disposal system inthe United States [J]. Global Sci.， Technol. Econ. Outlook，2014，29（1）：50-54.

［7］ 胡新軍，張敏，余俊鋒，等.中國餐廚垃圾處理的現狀、問題和對策[J].生態學報，2012，32（14）：4575-4584.

HU X J， ZHANG M， YU J F， et al .. Food waste management inChina： status，problems and solutions [J]. Acta Ecol. Sin.， 2012，32（14）：4575-4584.

［8］ 姜虎，李文哲，劉建禹，等.城市餐廚垃圾資源化利用的問題和對策[J].環境科學與管理，2010，27（5）：27-31.

JIANG H， LI W Z， LIU J Y， et al .. Urban problems andcountermeasures of kitchen waste utilization [J]. Environ. Sci.Manage.， 2010，27（5）：27-31.

［9］ 安新城.黑水虻生物處置餐廚廢棄物的技術可行性分析[J].環境與可持續發展，2016，41（3）： 92-94.

AN X C. Reliability analysis about technology for using blacksoldier fly on bioconversion from food waste to entomic protein [J].Environ. Sustain. Dev.， 2016，41（3）： 92-94.

［10］ 喻國輝，陳燕紅，喻子牛，等.黑水虻幼蟲和預蛹的飼料價值研究進展[J].昆蟲知識， 2009，46（1）： 41-45.

YU G H， CHEN Y H， YU Z N， et al.. Research progression on thelarvae and prepupae of black soldier fly Hermetia illucens used as animal feedstuff [J]. Chin. Bull. Entomol.， 2009，46（1）： 41-45.

［11］ 強敬雯，王晚晴，唐曼玉，等.黑水虻轉化廚余垃圾及產品應用相關研究進展[J].飼料工業，2023，44（6）：25-32.

QIANG J W， WANG W Q， TANG M Y， et al .. Researchprogress of kitchen waste transformation and product applicationof black soldier fly [J]. Feed Ind.， 2023，44（6）：25-32.

［12］ 高銀柳.廚余垃圾處理現狀及黑水虻工廠化模式的思考[J].中國高新科技， 2022（24）：88-90.

GAO Y L. Present situation of kitchen waste treatment andthoughts of the industrial mode of the black soldier fly [J].China High New Technol.， 2022（24）：88-90.

［13］ 唐杏雨，理俊霞，王浩琳，等.響應面法優化黑水虻幼蟲蛋白肽的制備工藝[J].現代畜牧科技， 2023（4）：6-11.

TANG X Y， LI J X， WANG H L， et al .. Optimization ofpreparation process of black soldier fly larval protein peptidesby response surface method [J]. Mod. Anim. Husb. Sci.Technol.， 2023（4）：6-11.

［14］ 許方園，姜朝武，周鋒“. 無廢城市”背景下餐廚垃圾處理技術研究進展[J].中國資源綜合利用，2023，41（3）：101-104.

XU F Y， JIANG C W， ZHOU F. Research progress of kitchenwaste treatment technology under the background of“ Zero-wasteCity” [J]. China Resour. Comprehensive Util.，2023，41（3）：101-104.

［15］ CHIA S Y， TANGA C M， KHAMIS F M， et al .. Thresholdtemperatures and thermal requirements of black soldier flyHermetia illucens： implications for mass production [J/OL].PLoS One， 2018，3（11）： e0206097 [2023-03-11]. https：//doi.org/10.1371/journal.pone.0206097.

［16］ LOGAN L A P， LATTY T， ROBERTS T H. Effectivebioconversion of farmed chicken products by black soldier flylarvae at commercially relevant growth temperature [J]. J.Appl. Entomol.， 2021， 145（6）：621-628.

［17］ 趙春波.濕熱解技術在餐廚垃圾預處理工程中的應用[J].節能與環保，2022（5）：80-81.

ZHAO C B. Application of hygrothermal hydrolysis technologyin food waste pretreatment project [J]. Energy Conserv. Environ.Protect.，2022（5）：80-81.

［18］ 喻國輝，李一平，楊玉環，等.低含水量飼料對黑水虻生長發育的影響[J].昆蟲學報，2014，57（8）：943-950.

YU G H， LI Y P， YANG Y H， et al .. Effects of the artificial dietwith low water content on the growth and development of theblack soldier fly， Hermetia illucens [J]. Acta Entomol. Sin.，2014，57（8）：943-950.

［19］ 徐齊云，龍鏡池，葉明強，等.黑水虻幼蟲的發育速率及食物轉化率研究[J].環境昆蟲學報， 2014， 36（4）：561-564.

XU Q Y， LONG J C， YE M Q， et al .. Development rate and foodconversion efficiency of black soldier fly， Hermetia illucens [J].J. Environ. Entomol.， 2014，36（4）：561-564.

［20］ 張家寶，唐凱琳，曾境聰，等.餐廚垃圾中影響黑水虻幼蟲生長性能的因素及其研究進展[J].家畜生態學報，2023，44（4）：7-12.

ZHANG J B，TANG K L，ZENG J C，et al .. Factors affecting thegrowth performance of black soldier fly larvae in food waste andits research progress [J]. J. Domestic Ecol.， 2023， 44（4）：7-12.

基金項目：吉林省教育廳“十三五”產業化項目（JJKH20200519KJ）；大學生創新創業訓練計劃項目（2023YDCXCY067）。