姜瓊 高睿

(宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，江西 宜春 336000)

黑水虻(Hermetia illucens L.),腐生性的水虻科昆蟲,原產(chǎn)于美洲,中文學(xué)名光亮扁角水虻[1],可將廚余垃圾和畜禽糞便作為食物,轉(zhuǎn)化為可利用的昆蟲蛋白。其生命周期短,生物轉(zhuǎn)化率高,養(yǎng)殖成本低、繁殖速度快、可作為多種畜禽及水產(chǎn)飼料等特點(diǎn),已被廣泛用于有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化,成為重要的資源昆蟲[2]。

由于畜牧業(yè)的飛速發(fā)展,養(yǎng)殖場環(huán)境惡化,對群眾的健康造成很大威脅[3]。國家環(huán)?？偩窒群蟪雠_了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《畜禽養(yǎng)殖污染防治管理辦法》,正式將養(yǎng)殖行業(yè)污染控制引入法制范圍。

化肥易造成土壤板結(jié),有機(jī)質(zhì)減少,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降[4]。而黑水虻蟲糞,有利于改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤養(yǎng)分,平衡土壤生態(tài)系統(tǒng)。因此通過新興的資源昆蟲轉(zhuǎn)換畜禽糞便為高效優(yōu)質(zhì)的生物有機(jī)肥,可作為防治糞便污染和修復(fù)退化土地的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)條件

1.1.1 蟲卵的預(yù)處理

蟲卵:直徑1mm左右,長條狀,通常1個(gè)卵團(tuán)500個(gè)左右。淡黃色或奶白色,隨著成長顏色逐漸加深,黑水虻蟲卵最適宜的孵化溫度為32℃。根據(jù)工廠數(shù)據(jù),蟲卵孵化池溫度一般控制在32℃左右,不可以有過大的偏差。

1.1.2 幼蟲的形態(tài)特征及培養(yǎng)條件

幼蟲:黑水虻幼蟲的身體很大,頭很小,呈黃色,皮膚堅(jiān)硬,堅(jiān)韌。在6個(gè)齡期后,幼蟲(預(yù)蛹)的體色為褐色。平均長度為18mm,寬度為6mm,個(gè)別個(gè)體可以達(dá)到27mm。在26～35℃時(shí),幼蟲、蛹、成蟲的生長條件是適宜的。

1.1.3 蛹的形態(tài)特征及培養(yǎng)條件

蛹:是由最后一代幼蟲脫殼而成的包繭狀,切開后可以看到蛹體。通過改變原料基質(zhì)和物料的水分,可以調(diào)節(jié)黑水虻蛹的成熟率。

1.1.4 成蟲的形態(tài)特征及培養(yǎng)條件

成蟲:體長約15～20mm,全身顏色烏黑,體型比蒼蠅細(xì)長。口器完全退化,幾乎不進(jìn)食。黑水虻在交配之前存在著一種由外界因素誘發(fā)的求偶行為,而這種求偶的主要因素是強(qiáng)日照,同時(shí)需要一定的空間。

1.1.5 殘?jiān)姆蛛x

黑水虻和飼料殘留的分離有2個(gè)途徑:自然遷移,在容器中設(shè)置幾個(gè)出口,每個(gè)出口有15°左右的坡度,這樣黑水虻就可以在晚上從斜坡上移走,可分離出非常潔凈的預(yù)蛹；在篩分階段,黑水虻的食物殘留物已比較干燥,可以選取合適的篩網(wǎng),也能獲得含少量雜質(zhì)的黑水虻預(yù)蛹。

1.1.6 注意事項(xiàng)

黑水虻幼體對溫濕度極為敏感,低溫會使其取食能力降低,從而影響其生長。如果溫度太高,幼蟲就會停止覓食,逃跑。水分對幼蟲的傷害最大,可引起疾病甚至死亡。如果太干,會降低幼蟲的取食效果。

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

黑水虻養(yǎng)殖工藝流程可分為3部分:原料預(yù)處理、幼蟲養(yǎng)殖與分離、成蟲繁殖與卵的孵化。圖1以餐廚垃圾養(yǎng)殖黑水虻為例繪制了整個(gè)工藝流程。

圖1 黑水虻處理餐廚垃圾和有機(jī)廢棄物工藝流程圖

2 黑水虻養(yǎng)殖場設(shè)計(jì)

2.1 廠址選擇

廠址的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況必須符合污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)營需要。交通、供電、供水、排水設(shè)施齊全。避免環(huán)境敏感區(qū)、洪泛區(qū)和重要文化遺址保護(hù)區(qū)。

2.2 工廠建設(shè)條件

廠房應(yīng)選在人流,物流少,位置遠(yuǎn)離道路污染源的下風(fēng)口。廠房和輔助廠房在同一棟可以節(jié)約能源,方便管理。消防設(shè)施,辦公樓,配電等與廠房無污染關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)主體盡量設(shè)置短連接途徑。運(yùn)輸方式根據(jù)實(shí)際情況可選擇公路、鐵路。

2.3 廠區(qū)總平面設(shè)計(jì)原則

各個(gè)工序之間的連接要流暢、水平、縱向布局要合理、結(jié)構(gòu)間距要符合安全要求。

人流和物流入口分開,互不干擾,保證車輛順暢進(jìn)出。必須滿足當(dāng)?shù)赝恋?、?guī)劃、交通、消防等相關(guān)法規(guī)的要求。

2.4 建筑物組成及總平面布置

廠區(qū)總平面設(shè)計(jì)包括行政區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)、綠化用地和道路。生產(chǎn)區(qū)又分為卸料分揀區(qū)、油水分離區(qū)、混合飼料區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、成蟲存放區(qū)和蟲糞處理區(qū)。具體布置見圖2～4。

2.5 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

主要步驟包括原料預(yù)處理(原料去雜,固液分離,油水分離),混合飼料,養(yǎng)殖黑水虻,蟲沙分離等。

2.6 車間平面設(shè)計(jì)

盡可能采取大開間的平面設(shè)計(jì),合理布置各個(gè)生產(chǎn)區(qū)域及輔助區(qū)域,以節(jié)約成本、能耗和管線。廠房中的機(jī)器及設(shè)備布置要按照產(chǎn)品的工藝流程依次順著工序布置,盡量避免逆行布置。

要求物料的運(yùn)輸途徑短,防止風(fēng)吹雨淋。留出足夠的人員位置和管道位置,確保能夠有空間安裝設(shè)備和管線,注意面積和層高,考慮到大型設(shè)備的進(jìn)出,維修,安裝等。

2.7 平面圖設(shè)計(jì)

依據(jù)有關(guān)技術(shù)要求和相關(guān)法律法規(guī),繪制相應(yīng)的平面設(shè)計(jì)圖,主要完成全廠總平面設(shè)計(jì)圖,車間廠房平面設(shè)計(jì)圖和養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖池的規(guī)格圖?？倧S平面布置圖見圖2,車間平面布置圖見圖3,養(yǎng)殖池設(shè)計(jì)圖見圖4。

圖2 總廠平面圖

圖3 車間平面圖

圖4 養(yǎng)殖池平面圖

3 年產(chǎn)2000t黑水虻物料衡算

3.1 物料衡算依據(jù)

黑水虻生命周期,包含了4個(gè)階段,即卵,幼蟲,蛹,成蟲,其中有機(jī)廢物的處理,以幼蟲為主,大約6～7d[5]。不同飼料養(yǎng)殖黑水虻轉(zhuǎn)化率不同。以固體廚余垃圾與動物糞便為例,當(dāng)二者的比例為3∶2時(shí),黑水虻凈增重最大,飼料轉(zhuǎn)化率最高,為38.5%。此刻的料蟲比最小,為5.99[6]。養(yǎng)殖區(qū)可分為6個(gè)不同進(jìn)度的養(yǎng)殖床,每個(gè)床每天消耗5.48t飼料(按廚余垃圾與牛糞3∶2計(jì)算)。廚余垃圾等有機(jī)廢棄物每天都會產(chǎn)生,必須及時(shí)處理,因此設(shè)計(jì)全年365d生產(chǎn)。

3.2 物料衡算

料蟲干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率＝[單位面積蟲子增重×(100%-蟲子水分)]/[單位面積混合飼料用量×(100%-混合飼料漿料水分)]×100%

料蟲比＝混合飼料量/蟲子增重

蟲卵比＝單位面積蟲子產(chǎn)量/單位面積下幼蟲用卵量

廚余垃圾漿料水分含量約為80%,與牛糞3∶2混合并添加統(tǒng)糠或麥麩后制成混合飼料。

混合飼料總量＝日用量×365d＝5.48×6×365＝12000t

固體廚余垃圾總量＝12000×3/(2＋3)＝7200t

固體廚余垃圾日耗量＝7200/365＝19.7t

含水廚余垃圾總量＝7200/65%＝11077t

含水廚余垃圾日處理量＝11077/365＝30.3t

牛糞總量＝12000×2/(2＋3)＝4800t

牛糞日耗量＝4800/365＝13.2t

黑水虻蟲卵到可收獲幼蟲的質(zhì)量增幅大致為4000倍,蟲卵質(zhì)量＝2000/4000＝0.5t

蟲卵日孵化量＝0.5×1000/365＝1.37kg

每個(gè)養(yǎng)殖池蟲卵日孵化量＝1.37/6＝0.23kg

3.3 重點(diǎn)設(shè)備的選型和參數(shù)

3.3.1 分揀設(shè)備

由分揀裝置所產(chǎn)生的材料經(jīng)過分揀機(jī)進(jìn)行加工,由分揀機(jī)進(jìn)行分揀,將大塊金屬、瓷片、玻璃瓶、塑料袋等進(jìn)行分揀,從而有效地保障了后續(xù)的輸送設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。將經(jīng)分選的材料按不同的方法進(jìn)行固、液分離,可以增加物料的脫水率。

3.3.2 固液分離設(shè)備

壓榨、脫水裝置的主要作用是對物料進(jìn)行擠壓、脫水,以保證物料在65%以下的水分含量。經(jīng)脫水的固體材料送入粉碎拌料系統(tǒng),排出的液段經(jīng)管線收集到滲濾液貯存槽中,經(jīng)輸送泵送入油水分離裝置進(jìn)行油水分離。

3.3.3 油水分離系統(tǒng)

在卸料槽、螺旋輸送機(jī)和固液分離裝置上都設(shè)有滲濾液收集槽和輸送管,滲瀝液經(jīng)過收集后送入滲濾液收集槽,通過水平離心泵將滲瀝液送入濕解槽,再通過蒸汽加熱,由油水分離裝置進(jìn)行油水分離。

3.3.4 進(jìn)料設(shè)備

斗式取料器工作參數(shù)對彈斗輪的日平均最大供料量大小和轉(zhuǎn)速變化率都有很顯著程度的直接影響,從大至小依次分別為彈斗輪速度、儲貯料斗數(shù)量、斗輪最大供料轉(zhuǎn)速,最優(yōu)的工作參數(shù):65mm·s-1、8.25mm·min-1、料斗3個(gè)料斗,這時(shí)斗輪的進(jìn)料效率是最好的[7]。

3.4 黑水虻的排泄物及處理

蟲糞含水量一般極之低,無任何臭味。養(yǎng)分相當(dāng)全面,符合中國農(nóng)業(yè)部關(guān)于生物有機(jī)肥使用規(guī)定的其他有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 能量衡算

進(jìn)行能量衡算的目的是用確定設(shè)備的功率來計(jì)算生產(chǎn)工藝過程中大概消耗的電能,從而規(guī)劃電能消耗的成本。各設(shè)備的功率及計(jì)算如下。

3.5.1 進(jìn)料設(shè)備

斗式取料機(jī)功率15kW,上料75t·h-1,每日工作1h。日耗電量＝1×15＝15kW·h,年耗電量＝15×365＝5475kW·h。

3.5.2 分揀設(shè)備

分揀機(jī)1540型,功率18.5kW,分揀速率100t·h-1,每日分揀出濕廚余垃圾55.6t,每日工作4h。日耗電量＝18.5×4＝74kW·h,年耗電量＝74×365＝27010kW·h。

3.5.3 固液分離設(shè)備

壓榨脫水機(jī)型號XHYZ-20t/h,功率18kW,每日壓榨55.6t濕廚余垃圾,壓榨脫水機(jī)工作3h。日耗電量＝18×3＝54kW·h,年耗電量＝54×365＝19710kW·h。

3.5.4 油水分離設(shè)備

臥式離心泵功率10kW,每日工作2h。細(xì)壓榨機(jī)功率8kW,每日工作2h。轉(zhuǎn)子泵功率7.5kW,每日工作2h。三相分離機(jī)功率10kW,每日工作2h。油水分離設(shè)備日耗電量＝(10＋8＋5＋10)×2＝66kW·h,年耗電量＝66×365＝24090kW·h。

3.5.5 車間控溫設(shè)備

分層空調(diào)功率20kW,365d中約有90d的溫度需要調(diào)節(jié)。日耗電量＝20×24＝480kW·h,年耗電量＝48×90＝43200kW·h。3.5.6 蟲糞清理設(shè)備

廢料清理機(jī)功率5.5kW,每日工作2h。每日耗電量＝5.5×2＝11kW·h,年耗電量＝11×365＝4015kW·h。

綜上,車間所有設(shè)備的日耗電量總和700kW·h,年耗電量總和123500kW·h。