■ 孟雪松 徐 猛 葉小梅 孔祥平 曾文超 杜 靜*

（1.江蘇大學農業(yè)工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省農業(yè)科學院畜牧研究所，農業(yè)農村部種養(yǎng)結合重點實驗室，江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210014；3.南京環(huán)境集團有限公司，江蘇南京 210014）

餐廚垃圾是城市生活垃圾的一種，是居民社區(qū)、食品生產加工業(yè)和餐飲業(yè)在生活或生產過程中所產生的有機廢棄物[1]。隨著我國城市化和工業(yè)化的不斷加快，生活垃圾管理已經成為急需解決的難題[2]。2020 年我國城市生活垃圾清運量達2.35 億噸[3]，餐廚垃圾占生活垃圾約57%[4]，產生量近1.3 億噸，而且有機質含量高、熱值低、處置難度大[5-6]，生活垃圾處置是全球城市都在面對的嚴峻挑戰(zhàn)[7-8]。餐廚垃圾含水率約為75%～85%，油脂含量約占2%～3%，鹽分含量約占0.3%～1.0%，高水分含量、豐富的油脂濃度和高鹽度使餐廚垃圾極易腐爛，產生異味，同時滋生蒼蠅和傳播病菌，對人類和環(huán)境造成嚴重影響[9-11]。因此，餐廚垃圾既是嚴重的危害也是豐富的資源。

目前厭氧發(fā)酵、昆蟲生物轉化、好氧堆肥、焚燒和填埋技術等是餐廚垃圾的主要處理技術，其中昆蟲生物轉化技術有著效率高、門檻低、能耗低、對環(huán)境影響小、產品附加值高等優(yōu)勢，提供了一種符合循環(huán)經濟原則的創(chuàng)新和可持續(xù)的餐廚垃圾管理方法，近幾年也受到越來越多的關注。目前在昆蟲生物轉化行業(yè)中已陸續(xù)將蚯蚓、蠅類、黑水虻、黃粉蟲等作為有機廢棄物處理的媒介昆蟲，其中環(huán)境昆蟲黑水虻展現(xiàn)出極大的潛力，研究表明，黑水虻可實現(xiàn)餐廚垃圾60%～75%的減量[12]，并且其過程綠色環(huán)保，減少碳足跡[13]。黑水虻(Hermetia illucens)又稱亮斑扁角水虻，是一種水虻科扁角水虻屬昆蟲，原產于美洲，后傳入中國，廣泛分布于熱帶和溫帶地區(qū)，其幼蟲食性廣、食量大，能夠食用各種有機廢棄物，并可以將其在短時間內轉化為自身營養(yǎng)成分和蟲沙，轉化效率高，自身體重可呈上千倍增長[14]，繁殖速度快，生命周期在35 d 左右。同時，黑水虻成熟幼蟲干物質中蛋白質含量較高，約為40%～50%，脂肪含量豐富，約為35%[15]，可用來制作生物柴油[16]，也可作為養(yǎng)殖業(yè)的高蛋白飼料。此外，黑水虻體內的營養(yǎng)成分包括氨基酸、礦物質等種類豐富，可用作抗氧化食品和生物藥劑的加工提取[17-18]，而且黑水虻處理有機廢棄物后的剩余物質腐殖質含量高，是最佳的土壤改良劑[19]。因此，黑水虻養(yǎng)殖產品具有較高的經濟價值。

目前黑水虻養(yǎng)殖方式主要包括地面池養(yǎng)，立體盒養(yǎng)和自動化養(yǎng)殖，其中地面池養(yǎng)一般采用單層飼養(yǎng)，且需要建設簡易棚或者大面積的廠房進行生產，養(yǎng)殖工藝較為粗放且不可持續(xù)，占地面積大，空間利用率低；立體盒養(yǎng)適合于在空間較小的室內進行，方法簡單，極易于管理，可最大限度地利用空間，但人工投入較大；而目前國內外創(chuàng)投公司都加大了對黑水虻規(guī)?；B(yǎng)殖技術開發(fā)的投入力度，并開發(fā)出了黑水虻自動化養(yǎng)殖設備，以期實現(xiàn)黑水虻的全自動化養(yǎng)殖，從而降低人工成本，提高轉化效率，但黑水虻養(yǎng)殖仍然面臨著生產穩(wěn)定性差、生產效率低等問題[13]。因此，本研究以獲得黑水虻轉化餐廚垃圾工廠化參數(shù)為目標，在前期試驗優(yōu)化出的曝氣與填料組合調控措施基礎上，采用實驗室模擬試驗，研究不同的高投蟲密度工況對黑水虻幼蟲生長特性和生產性能的影響，以期為構建標準化生產技術參數(shù)體系奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自江蘇省農業(yè)科學院食堂，充分粉碎混勻，初始理化性狀如表1所示。

表1 餐廚垃圾初始理化性質（干物質基礎）

黑水虻幼蟲來自江蘇省農業(yè)科學院畜牧研究所自建黑水虻成蟲房所產蟲卵孵化獲得。將黑水虻蟲卵置于溫濕度培養(yǎng)箱（型號LRH-250-SE，廣東泰宏君）內孵化，箱內設定溫度30 ℃，相對濕度80%。孵化后使用純麥麩作為黑水虻育雛飼料（調節(jié)含水率60%～65%），將育雛飼養(yǎng)盒置于人工氣候箱（型號RXZ，寧波江南，溫度28 ℃，相對濕度65%）連續(xù)飼喂4 d后的蟲苗，備用于后續(xù)餐廚垃圾轉化試驗。

1.2 試驗設計

試驗采用盒養(yǎng)方式，養(yǎng)殖盒規(guī)格為：37 cm×26.5 cm×14 cm，底面積約0.1 m2。試驗設置4 個處理組，投蟲密度分別為150 000、200 000、250 000 Larvae/m2和300 000 Larvae/m2，各處理組設置3 個平行。初始投放蟲苗重量規(guī)格為（11.29±1.07）mg/Larvae。各處理組在養(yǎng)殖盒底部安裝納米曝氣盤，并放置若干填料球，采用一次性投料方式將7.5 kg 餐廚漿料加入后，添加600 g 稻殼粉鋪平，再投放各處理組對應重量的蟲苗，并將養(yǎng)殖盒置于保溫板材質的昆蟲養(yǎng)殖房中自然放置飼養(yǎng)。

1.3 測試指標及方法

采用溫度記錄儀（型號I100-E2T，玉環(huán)智拓）實時記錄物料溫度及環(huán)境溫度，采用105 ℃烘干法測定含水率；采用玻璃電極法測定pH；采用電導儀測定電導率和鹽度；采用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質相對含量；采用灼燒法測定粗灰分含量；采用索氏提取法測定粗脂肪含量；采用凱氏定氮法測定總氮相對含量；采用釩鉬黃比色法測定總磷相對含量；采用火焰光度計法測定總鉀相對含量。

試驗第48、96、144、192 h 和240 h 隨機采集幼蟲樣品，平均蟲重采用隨機稱取30 只不同生長期黑水虻幼蟲蟲重，并折算單只幼蟲重量，以mg/Larvae 為單位；平均蟲長采用隨機測量10 只不同生長期黑水虻幼蟲的蟲長，并折算平均值，以mm/Larvae為單位。

幼蟲存活率（%）=試驗結束活蟲數(shù)/初始總蟲數(shù)×100

單位面積蟲產量（kg/m2）=收蟲分離鮮蟲重/收蟲面積

物料減量率（%）=（物料初始干重-試驗結束物料干重）/物料初始干重×100

料蟲比=餐廚垃圾漿料量/收蟲幼蟲重量

1.4 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel 2016 初步處理試驗數(shù)據，采用Origin 2021 完成繪圖，采用SPSS 26 進行顯著性差異分析。以P＜0.05為差異顯著判斷標準。

2 結果與分析

2.1 黑水虻養(yǎng)殖物料理化特性分析

黑水虻養(yǎng)殖物料的溫度變化是黑水虻轉化餐廚垃圾過程中重要的性能指標之一[20]。研究表明，黑水虻幼蟲適宜的生長環(huán)境的溫度范圍為30～38 ℃，當生長環(huán)境的溫度超過43 ℃時，黑水虻幼蟲就會出現(xiàn)死亡現(xiàn)象[21-22]，生長環(huán)境的溫度過低則易導致幼蟲活性降低，餐廚垃圾轉化時間延長。因此，黑水虻養(yǎng)殖物料的溫度變化有助于反映黑水虻幼蟲的活性狀況和餐廚垃圾轉化效率。

如圖1所示，試驗開始至24 h時，處理4的物料溫度上升速度最快，處理3 次之，其他兩個處理組物料溫度上升緩慢，表明提高投蟲密度可以快速提高料溫。各處理組料溫均隨環(huán)境溫度的變化而快速變化，表明環(huán)境溫度的變化對黑水虻轉化過程料溫控制效果影響較大。隨后環(huán)境溫度下降并在25 ℃上下小幅波動，物料溫度在小幅下降后繼續(xù)上升。在試驗60 h后各處理組物料溫度逐漸保持在35 ℃上下小幅波動，但各處理組在試驗168 h 后出現(xiàn)第二次大幅度升溫，其中處理4 的物料溫度快速升高到峰值后迅速降低，而處理1 和處理2 的物料溫度升高后穩(wěn)定了較長時間才開始降低，表明投蟲密度較高的處理組對餐廚垃圾轉化速度快，在較短時間內將餐廚垃圾轉化完成，導致物料溫度快速下降。

圖1 不同處理組之間物料溫度的動態(tài)變化

如表2 所示，處理1 和處理2 的物料含水率從初始77.52%分別下降至47.35%和48.04%，兩組間沒有顯著差異（P＞0.05），處理3 和處理4 則下降至59.88%和55.56%，兩組間沒有顯著差異（P＞0.05），但處理1和處理2 的物料含水率顯著低于處理3 和處理4（P＜0.05），這可能與處理4空料期短且較其余處理組提前1 天收蟲有關，而處理3 的料溫在養(yǎng)殖中后期一直維持在較低溫度，減少了水分蒸發(fā)有關。

表2 不同處理組的物料基礎理化性質（干物質基礎）

一般而言，無論初始pH 如何，經過生物處理后，物料的最終pH 都會上升[23-26]。餐廚垃圾初始pH 為4.21，經黑水虻轉化后各處理組物料pH 均升高至6.00 左右，呈弱酸性，且各處理組間無顯著差異（P＞0.05），這可能是與黑水虻釋放到物料中的排泄物有關，因為它可能像其他屬于雙翅目的蒼蠅幼蟲一樣，排泄物中氨氮含量高，從而促使物料pH 發(fā)生改變[27-28]；各處理組物料的電導率（EC）在黑水虻轉化后均由初始的8.90 ms/cm 有所降低，除處理4 電導率略高外，其余處理組物料的電導率在5.60 ms/cm 左右，但各處理組之間沒有顯著性差異（P＞0.05），可能由于在黑水虻轉化餐廚垃圾過程中，黑水虻幼蟲對物料中的鹽離子吸收轉化，也可能與微生物對鹽離子發(fā)生絡合作用有關，提高投蟲密度對此反應的影響較小。

餐廚垃圾原料初始有機質含量為80.68%，經黑水虻轉化后物料的有機質含量均有所降低，處理1～處理4 的物料的有機質含量分別降低至76.68%、74.00%、73.24%和71.32%，并且處理1 顯著高于處理3 和處理4 組（P＜0.05）。餐廚垃圾原料初始粗灰分含量為9.42%，經黑水虻轉化后物料粗灰分含量均有不同程度增加，且隨著投蟲密度增加而增加，處于21.89%～24.80%，而處理1 的粗灰分含量顯著低于處理3 和處理4（P＜0.05），表明隨著投蟲密度增加，黑水虻幼蟲對餐廚原料中營養(yǎng)物質的轉化程度越高，導致有機質的相對含量下降，灰分占比增加。

餐廚垃圾原料總氮（TN）含量為2.86%，經黑水虻轉化后各處理組殘余物料的總氮（TN）均有不同程度的降低，其中處理1降低到2.53%，顯著高于其余處理組（P＜0.05）；餐廚垃圾原料總磷（TP）和總鉀（TK）含量分別為0.34%和0.49%，經黑水虻轉化后各處理組殘余物料的總磷（TP）均有不同程度的升高，處于0.54%～0.71%，而總鉀（TK）含量則有不同程度的降低，處于0.33%～0.36%，但各處理組之間的總磷和總鉀含量無顯著差異（P＞0.05），表明黑水虻轉化餐廚垃圾過程中將其作為氮源利用，導致總磷被濃縮效應而有所增加，而鉀元素因多以離子形態(tài)存在導致容易被黑水虻幼蟲吸收，從而表現(xiàn)出有所降低趨勢。從殘余物料總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量分析來看，隨著投蟲密度的增加，各處理組殘余物料的總養(yǎng)分含量均由初始原料的4.22%逐漸降低，處于3.66%～4.12%，其中以處理4 含量為最低，且顯著低于處理1（P＜0.05），說明在較高投蟲密度情況下，餐廚垃圾被黑水虻幼蟲轉化后物料的總養(yǎng)分偏低，不滿足有機肥料總養(yǎng)分≥4%要求（NYT 525—2021）。

2.2 黑水虻幼蟲生長特征和理化性質的變化規(guī)律

在進行黑水虻轉化餐廚垃圾試驗過程中，黑水虻幼蟲蟲長和蟲重變化是反映黑水虻幼蟲生長性能的重要指標。如圖2和圖3所示在進行黑水虻轉化餐廚垃圾試驗過程中，四個處理組的幼蟲平均蟲長蟲重變化規(guī)律基本一致。在試驗96 h之前，黑水虻幼蟲平均蟲長蟲重均呈現(xiàn)先快速增加后增速有所放緩直至基本穩(wěn)定，且處理1＞處理2＞處理3＞處理4?？梢?，黑水虻幼蟲平均蟲長蟲重隨著投蟲密度增加而降低。如圖4 所示，各處理組黑水虻幼蟲的重長比總體呈上升趨勢，但是隨著投蟲密度的提高，黑水虻幼蟲的重長比逐漸降低，說明低密度處理組幼蟲更加粗壯，利于蟲重增加，而高密度處理組幼蟲在相同條件下更加細長，特別是處理4 轉化餐廚垃圾的時間較其他處理組短，表明該試驗工況下，隨著投蟲密度的增加，養(yǎng)殖物料供應越來越不充分。

圖2 不同處理組黑水虻幼蟲平均蟲長的動態(tài)變化

圖3 不同處理組黑水虻幼蟲平均蟲重動態(tài)變化

圖4 不同處理組黑水虻幼蟲重長比動態(tài)變化

不同處理組的黑水虻幼蟲的基礎理化性質如表3所示，處理1～處理4的黑水虻幼蟲蟲體含水率分別為66.43%，67.04%，66.97%和68.63%，處理2和處理3的黑水虻幼蟲蟲體含水率與其他處理組之間沒有顯著差異（P＞0.05），而處理1 的黑水虻幼蟲蟲體含水率顯著低于處理4（P＜0.05），可能是由于自身生命系統(tǒng)的調節(jié)，使黑水虻幼蟲蟲體的含水率保持著一定程度的動態(tài)平衡，投蟲密度差距較大時會對黑水虻幼蟲的含水率產生影響。

表3 不同處理組的黑水虻幼蟲基礎理化性質（干物質基礎，%）

隨著投蟲密度的提高，黑水虻幼蟲蟲體的粗脂肪含量逐漸降低，但各處理組之間沒有顯著差異（P＞0.05），而處理1和2黑水虻幼蟲蟲體的總氮（TN）含量分別為4.33%和4.17%，沒有顯著差異（P＞0.05），處理3 和4 黑水虻幼蟲蟲體的總氮含量分別為3.67%和3.63%，沒有顯著差異（P＞0.05），但處理3、處理4 顯著低于處理1 和2，表明黑水虻幼蟲可以將餐廚垃圾轉化蟲體脂肪和蛋白，但隨著投蟲密度增大，黑水虻幼蟲之間食物競爭增加，平均飼喂量減少，物料不能滿足黑水虻幼蟲對營養(yǎng)物質的需求，使得黑水虻幼蟲體內的總氮含量降低。

處理1～處理4 之間的黑水虻幼蟲蟲體的總磷（TP）含量和總鉀（TK）含量沒有顯著差異（P＞0.05），表明投蟲密度對黑水虻幼蟲的總磷含量和總鉀含量的影響不大。不同處理組黑水虻幼蟲蟲體的粗灰分含量不同，其中，處理1～處理3的黑水虻幼蟲蟲體的粗灰分含量分別為10.53%、10.45%和10.75%，而處理4 黑水虻幼蟲蟲體的粗灰分含量為11.67%，顯著高于其他處理組（P＜0.05），可能由于在較高的投蟲密度下，物料不充足時，在最后階段黑水虻幼蟲的營養(yǎng)物質含量會降低，導致粗灰分占比較其他處理組有所增加。

2.3 黑水虻轉化餐廚垃圾生產性能

黑水虻轉化餐廚垃圾的生產性能可以反映出不同技術參數(shù)對各種技術指標的影響效果，從而評估該技術的經濟效益和應用可行性，為工廠化養(yǎng)殖生產技術提供數(shù)據支撐。

在黑水虻轉化餐廚垃圾試驗結束后發(fā)現(xiàn)，不同黑水虻幼蟲投蟲密度處理組之間的轉化餐廚垃圾生產性能存在差異。如表4 所示，在投料量相同的條件下，幼蟲存活率隨著投蟲密度增加而逐漸降低，其中處理1和處理2幼蟲存活率分別為97.49%和94.31%，處理3和處理4幼蟲存活率分別為84.11%和83.71%，且顯著低于處理1 和處理2（P＜0.05）。然而，隨著投蟲密度提高，使得黑水虻幼蟲對餐廚垃圾的利用率提高，從而提高單位面積蟲產量和物料減量率，以處理4 單位面積蟲產量為最高，達到23.4 kg/m2，顯著高于處理1 和處理2（P＜0.05）。各處理組物料減量率為67.16%～84.06%，且隨著投蟲密度增加而增加。此外，投蟲密度提高有利于縮短餐廚垃圾轉化周期和減少料蟲比，料蟲比以處理4 最低（3.22），顯著低于處理1 和處理2（P＜0.05）。

表4 黑水虻轉化餐廚垃圾生產性能

3 討論

黑水虻的投蟲密度對黑水虻的生長性能有很大影響，Paz 等[29]確定了黑水虻轉化有機固體廢棄物的理想投蟲密度為12 000 Larvae/m2，強敬雯等[30]也在調查中發(fā)現(xiàn)過高的投蟲密度會導致單個黑水虻幼蟲體質量下降、飼料利用率低等一系列問題，但Barragan-Fonseca 等[31]發(fā)現(xiàn)較高的投蟲密度可以得到較高的黑水虻幼蟲總產量，從而提高整體經濟效益。過高的投蟲密度對黑水虻幼蟲產生不利影響的原因可能是由于在高密度養(yǎng)殖工況下存在物料中氧氣不足和空間競爭等導致的物料溫度過高等因素引起的。王存文等[32]在黑水虻高密度養(yǎng)殖方法中提出通過鼓風機對養(yǎng)殖盒進行強制通風，保證養(yǎng)殖系統(tǒng)的空氣循環(huán)和熱量交換，王鳳英等[33]在設計的黑水虻養(yǎng)殖系統(tǒng)中通過對養(yǎng)殖堆體通風，調節(jié)堆體溫度并為堆體供氧，從而實現(xiàn)黑水虻的高密度養(yǎng)殖，所以通過添加調控措施改善黑水虻幼蟲的生長環(huán)境，降低投蟲密度對黑水虻幼蟲的影響，可以適當提高投蟲密度，提高單位面積蟲產量。

本次試驗在曝氣填料組合處理的條件下，黑水虻的最高投蟲密度為300 000 Larvae/m2，對餐廚垃圾轉化時間最短，單位面積蟲產量最高，餐廚垃圾減量率最高，料蟲比最低。因此，通過采用曝氣與填料組合調控措施，可實現(xiàn)利用更高水平投蟲密度的黑水虻幼蟲轉化餐廚垃圾，以縮短轉化周期，并提高單位面積蟲產量，從而降低土地面積投入，提高蟲體轉化經濟效益。

4 結論

在曝氣與填料組合調控措施工況下，通過提高投蟲密度可實現(xiàn)提升單位養(yǎng)殖面積幼蟲生產性能的目的，試驗以投蟲密度為300 000 Larvae/m2時生產性能為最佳，餐廚垃圾轉化時間為9 d，單位面積蟲產量為23.4 kg/m2，物料減量率84.06%，料蟲比為3.22。