亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物工艺及资源化利用

李　武，郑龙玉，李　庆，刘学林，李明顺，张衍林，张吉斌，喻子牛

(1.华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070；2.华中农业大学 农业微生物学国家重点实验室微生物农药国家工程研究中心，湖北 武汉 430070)

近年来，餐馆、酒店、食堂产生的餐厨剩余物与日俱增，如何有效处理餐厨剩余物一直是社会关注的问题。目前国内饲料供应不足，进口蛋白质原料接近70%，而餐厨剩余物经过处理可成为优质饲料，利用餐厨剩余物生产优质饲料具有较大的发展潜力[1]。昆虫可作为蛋白质和能源的可再生资源，通过农业、工业和城市副产品饲养来积累大量的脂肪并转化为生物柴油，同时昆虫蛋白也能作为饲养动物的蛋白来源[2]。亮斑扁角水虻属双翅目水虻科昆虫，具有转化有机废弃物的特性。作者在此介绍了餐厨剩余物的特性及其处理方式，重点探讨了亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物工艺，提供了一条经济有效处理餐厨剩余物的途径。

1　餐厨剩余物特性及其处理方式

餐厨剩余物是主要的生活垃圾，被称为泔水、餐厨垃圾、厨余，含有油、水、固体残渣(如菜蔬、果皮、果核、米面、鱼、肉、骨以及废餐具、纸巾)等。餐厨剩余物含有大量的淀粉和纤维素等有机成分，并且富含油脂和盐分，还含有少量含钙、镁、钾、铁等微量元素的无机盐[3]。

餐厨剩余物直接饲喂畜禽，危害较大，能引起人细菌性食物中毒、传播人畜共患传染病、使人感染食源性寄生虫病,同时畜禽产品中残留化学污染物对人体有较大危害[4]。因此，餐厨剩余物需要通过无害化处理来达到资源化利用。目前，餐厨剩余物的资源化利用方式主要有厌氧消化、生物堆肥、饲料化、生物处理等。

餐厨剩余物厌氧消化处理是厌氧微生物在厌氧环境下分解餐厨剩余物并产生气体，厌氧发酵后的固体剩余物中含有适于农作物生长的氮、磷、钾等元素,可作为肥料的原料；而厌氧发酵后产生的沼气用途广泛，可用作汽车燃料、供热和发电，因此，厌氧消化越来越受到人们重视,已成为社会认可的一种能实现可持续发展的技术[5]。但厌氧消化处理餐厨剩余物也存在一定的问题,如厌氧菌的生长对pH值和温度等条件要求严格，且有毒物质对厌氧菌影响严重,因而难以保证发酵过程的稳定进行,影响产气稳定性[6]。

餐厨剩余物生物堆肥处理是将餐厨剩余物堆积在地面，或放置于发酵装置中,结合微生物逐步降解餐厨剩余物中易降解有机物,从而得到稳定的腐殖质[6]。堆肥后的餐厨剩余物产品既可以改良土壤,也可作为高品质的肥料[7]。但餐厨剩余物的高含油量和高含盐量限制了堆肥过程微生物的生长,影响堆肥工艺的处理效果。

餐厨剩余物饲料化处理主要分为直接干燥和生物处理。其中直接干燥是在对餐厨剩余物进行分拣、脱水和脱油等预处理后，对餐厨剩余物采用湿热或干热干燥工艺，利用高温达到灭菌和干燥的效果，然后通过后续相关处理获得饲料和饲料添加剂[8]，但直接干燥能耗大，是制约其大规模应用的主要因素。

餐厨剩余物生物处理是微生物利用餐厨剩余物进行发酵，将餐厨剩余物中营养物质转变为自身生长和繁殖所需的能源和物质[9]，提高微生物自身营养价值，通过生物处理能达到餐厨剩余物代替大豆、鱼粉等蛋白饲料的目的。

2　亮斑扁角水虻处理有机废弃物的潜力

2.1　亮斑扁角水虻的生长繁殖

温度、湿度和光照是亮斑扁角水虻生长繁殖的必需条件。亮斑扁角水虻世代发育经历卵、幼虫、蛹和成虫4个虫态，繁殖能力强。成虫交尾后，雌成虫1～2 d开始产卵，产卵约9 d，产卵量约900粒，完成后死亡。刚孵化的幼虫呈不透明的乳白色，头部呈栗色，靠身体波浪式蠕动前行，孵化后至一周内，摄食量增大，体重成倍增加[10]。亮斑扁角水虻幼虫取食范围非常广泛，可以新鲜猪粪、鸡粪、腐烂水果和蔬菜等有机废弃物为食。进入预蛹期后，体色从乳白色转化成深褐色，预蛹约7 d，蛹8～9 d，羽化约7 d，适宜条件下28～30 d能完成一代。有研究对亮斑扁角水虻虫卵进行表面消毒获得无菌幼虫，测定在喂食相同无菌人工饲料条件下无菌幼虫与正常幼虫生活史特性的差异，证实了卵表细菌对于水虻幼虫生长发育至关重要[11]。

亮斑扁角水虻在适宜的生长环境，如热带季风气候条件下，可以全年连续传代，其虫卵在热带季风气候的饲养房间中孵化需要2～6 d，经20～23 d幼虫化蛹，8～11 d后羽化，成虫在2 m×1.8 m×1 m蚊帐中交配和产卵，每日可收获虫卵数百孔[12]。

2.2　亮斑扁角水虻处理有机废弃物的潜力

Newton等[13]用畜禽粪便饲养亮斑扁角水虻，发现其幼虫干质量为42%～43%；其干质量中，粗蛋白占42%～44%，脂肪占31%～35%，灰分占11%～15%，钙质占4.8%～5.1%，磷占0.60%～0.63%。亮斑扁角水虻预蛹干质量中，粗蛋白占42%～44%，脂肪占28%～35%， 灰分占14.6%，还含有5%的钙和1.51%的磷。利用粪便饲养的亮斑扁角水虻，幼虫和预蛹中含有大量必需氨基酸和矿物质，可以作为家禽、家畜和特种鱼类养殖的良好饲料来源[14]。亮斑扁角水虻饲养过程中，在最佳接种密度条件下，经水虻幼虫生物转化猪粪后，猪粪中各种元素特别是铜、锌、锰等重金属元素大幅减少，同时猪粪中全氮减少率为58%，全磷减少率为30%[12]。周芬[15]研究美国德州、中国武汉、广州3种不同地方品系亮斑扁角水虻对猪粪、鸡粪、牛粪3种粪便的生物转化，发现武汉品系亮斑扁角水虻转化粪便效果最好，其次是广州品系，美国德州品系亮斑扁角水虻转化的效果最差，利用武汉品系亮斑扁角水虻处理畜禽粪便有更大的发展潜力。亮斑扁角水虻可作为替代饲料，St-Hilaire等[16]利用亮斑扁角水虻处理猪粪，收集亮斑扁角水虻预蛹，用其部分替代虹鳟鱼(Oncorhynchusmykiss)饲料配方中的鱼粉和鱼油，发现利用亮斑扁角水虻预蛹替代饲料中15%的蛋白，没有影响虹鳟鱼的饲料消费率，且利用亮斑扁角水虻脂肪能减少38%的鱼油使用量。亮斑扁角水虻油脂含量高达30%～35%，作为提取生物柴油原料，提炼出的油脂可93%转化为生物柴油，并且符合EN14214标准[17]。

通过农业废弃物饲养亮斑扁角水虻幼虫，增加虫体生物量，既减少农业废弃物累积，还得到以转化后剩余的底料和虫体生产的肥料和饲料[18]。亮斑扁角水虻具有处理有机废弃物、作为动物蛋白饲料、用于提炼生物柴油的潜力。

3　亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的转化条件及工艺

3.1　亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物工艺的条件选择

采用武汉品系亮斑扁角水虻幼虫用于餐厨剩余物的转化。在亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物过程中，适宜的环境温度和湿度、光照、幼虫接种量、接种虫龄、餐厨剩余物含水量等参数对提高亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的效率有重要意义。

3.1.1光源

不同光源对亮斑扁角水虻生活史的影响[19]见表1。

表1　不同光源对亮斑扁角水虻生活史的影响/d

由表1可知，碘钨灯的光强度或质量能满足亮斑扁角水虻交配对光照的需求，能够部分替代太阳光，且碘钨灯的照射对亮斑扁角水虻的生活史不会产生不良影响。

3.1.2接种量

取餐厨剩余物干物质250 g，调节其含水量为55%，设置5个接种密度梯度，每个梯度3个重复。不同接种量亮斑扁角水虻幼虫转化餐厨剩余物后的虫体指标[20]见表2。

表2　不同接种量亮斑扁角水虻幼虫转化餐厨剩余物后的虫体指标(n=3)

由表2可知，随着接种量的增加，转化率也逐渐增大，且转化率在接种量为1 250头时达到最大，1 500头时转化率降低。因此，选择亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的最适接种密度为1 000～1 250头·(250 g干物质)-1，即4 000～5 000头·(kg干物质)-1。

3.1.3虫龄

亮斑扁角水虻幼虫前4 d体重变化不明显，因此，选择从第4 d开始，每隔2 d 1个时间梯度，共设置4组，每组3个平行。接种幼虫1 250头，处理250 g餐厨剩余物干物质，不同虫龄亮斑扁角水虻幼虫转化餐厨剩余物后的虫体指标[20]见表3。

表3　不同虫龄亮斑扁角水虻幼虫转化餐厨剩余物　后的虫体指标(n=3)

由表3可知，6日龄幼虫的成活率和转化率最高，分别为97.13%、18.38%，故选择6日龄亮斑扁角水虻幼虫转化餐厨剩余物。

3.1.4餐厨剩余物含水量

取餐厨剩余物干物质250 g，设置含水量为50%、55%、60%、65% 4个梯度，每组设定3个平行，每个平行接种6日龄亮斑扁角水虻幼虫(不透明乳白色)1 250头，待幼虫50%变黑时，转化完成，将幼虫和残料分开。亮斑扁角水虻幼虫转化不同含水量餐厨剩余物后的虫体指标[20]见表4。

表4　亮斑扁角水虻幼虫转化不同含水量餐厨剩余物后的虫体指标(n=3)

由表4可知，按虫体增重从高到低的餐厨剩余物含水量依次为65%>60%>55%>50%，各组之间差异性显著，说明含水量较高时有利于虫体生物量的积累；不同含水量餐厨剩余物对亮斑扁角水虻幼虫成活率和转化率有显著影响，60%含水量时幼虫的成活率和转化率均最高，因此，亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的最适含水量为60%。

3.1.5透气性

透气性对亮斑扁角水虻转化过程也有较大影响，在转化过程中，亮斑扁角水虻聚集在餐厨剩余物底部，生命活动旺盛，会产生大量热量，热量过高会使其生命活动衰弱，因而转化过程需要有一定的透气性来达到散热效果。本工艺选择在转化过程中一天翻堆一次进行散热。

确定亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物工艺条件为：环境温度25～28 ℃、空气湿度60%～80%、接种密度为4 000～5 000头·(kg干物质)-1、接种虫龄为6日龄、餐厨剩余物含水量为60%左右，一天翻堆一次。在此条件下，餐厨剩余物的平均转化率可达到17%～20%，干物质减少率达到50%～60%，转化周期为11 d。

3.2　亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物工艺流程

餐厨剩余物饲料化处理较多，但后期干燥处理能耗大一直是餐厨剩余物经济有效处理的阻碍。现有的餐厨剩余物处理工艺，经过脱水、除杂、破碎、固液分离前处理，得到餐厨废水和固形物。餐厨废水经油水分离，得到地沟油和污水，地沟油生产生物柴油或直接销售，污水则通过城市污水管网处理。固形物的传统处理方法是直接干燥，然后进行后续饲料化处理。而亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的工艺通过加入亮斑扁角水虻进行转化，亮斑扁角水虻幼虫生长利用的水分和产生的热量可将餐厨剩余物含水量从75%降低到15%，减少餐厨剩余物干燥所耗的能量，避免直接干燥耗能。亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的工艺流程见图1。

图1　亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的工艺流程

餐厨剩余物在固液分离后得到固形物，经过粉碎后，成为含水量约60%的浆状物，达到亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物的最适条件。然后在25～28 ℃的环境温度和60%～80%的空气湿度下，接种密度4 000～5 000头·(kg干物质)-1，接种虫龄6日龄，亮斑扁角水虻幼虫转化含水量约60%的餐厨浆状物，约11 d完成转化。在大批量转化餐厨剩余物时，采用分批进料方式，将需要转化的总的餐厨浆状物分成7～8等分，将约5 mm长6日龄亮斑扁角水虻幼虫加入其中一等分中，根据幼虫取食情况连续投料其它等分，直至出现少量亮斑扁角水虻幼虫变黑，此时转化完成。

转化完成底物中，餐厨浆状物转变为松散的小颗粒状残渣，而此时亮斑扁角水虻预蛹虫体长约15 mm。混合的餐厨剩余物残渣和预蛹虫体可直接烘干制粒成复合蛋白饲料；或经过虫渣分离得到亮斑扁角水虻预蛹虫体和餐厨剩余物残渣(在饲养亮斑扁角水虻幼虫时，发现亮斑扁角水虻幼虫生长不同于蝇蛆幼虫的分散生长，具有聚拢性，聚集成一小堆，覆盖在食料下面，这样便于亮斑扁角水虻预蛹虫体和餐厨剩余物残渣的分离)。转化完成的预蛹虫体经烘干后，提取虫体中油脂制取生物柴油或直接制取蛋白饲料。

4　亮斑扁角水虻处理有机废弃物的经济分析

利用昆虫转化有机废弃物，得到昆虫高蛋白，而剩下的残渣可用作有机肥等。比如采用畜禽粪便喂养家蝇幼虫、蚯蚓、蜗牛等低等动物，生物转化效果较好。亮斑扁角水虻取食范围广泛，繁殖快，具有转化有机废弃物的特性，且饲养成本低廉。有机废弃物饲养的亮斑扁角水虻幼虫富含蛋白质和油脂，能作为理想的动物饲料[21]。豆粕、鱼粉和转化不同有机废弃物的亮斑扁角水虻干燥老熟幼虫的营养成分含量比较见表5[14]。

表5　豆粕、鱼粉和转化不同有机废弃物的亮斑扁角水虻干燥老熟幼虫的营养成分含量比较/%

由表5可知，不同的有机废弃物饲养后的亮斑扁角水虻粗蛋白和粗脂肪含量分别在40%和30%左右。亮斑扁角水虻幼虫和预蛹粗蛋白含量和豆粕相近，低于鱼粉；亮斑扁角水虻幼虫和预蛹的粗脂肪含量远远高于豆粕和鱼粉。

有机废弃物饲养的亮斑扁角水虻具有成为动物饲料的潜力，且较高的粗脂肪含量使其能作为提取生物柴油的原料。1 kg餐厨剩余物饲养的近1 000头亮斑扁角水虻幼虫油脂提取的生物柴油约23.6 g[22]。利用不同有机废弃物饲养的亮斑扁角水虻幼虫油脂制取的生物柴油的参数见表6。

由表6可知，利用不同有机废弃物饲养的亮斑扁角水虻幼虫油脂制取的生物柴油的密度、黏度、甲酯含量、含水量、闪点、十六烷值都达到国家标准。

表6　利用不同有机废弃物饲养的亮斑扁角水虻幼虫油脂制取生物柴油的参数分析

生物柴油作为典型的绿色能源，是一种以生物质资源为原料、通过酯交换反应而生产的可替代柴油的液体燃料。具有燃烧完全、无毒和可生物降解的特性[24]。作为制取原料的油料作物和大豆的种植规模限制了生物柴油产业化推进[25]。利用有机废弃物饲养腐食性昆虫，通过大规模生产，获得昆虫源脂肪，是制备生物柴油的有效技术路线。经过饲养的亮斑扁角水虻幼虫油脂含量达30%左右，可成为制取生物柴油的油料作物和大豆的替代物。

与此同时，亮斑扁角水虻幼虫对有机废弃物中细菌的滋生有抑制作用。亮斑扁角水虻加速了沙门氏菌的减少，在利用废弃物作为农业肥料方面，亮斑扁角水虻对肠杆菌科动物疾病有去除作用，降低了疾病传染到畜禽和人类的风险[22]。

5　展望

利用餐厨剩余物饲养亮斑扁角水虻，可实现餐厨剩余物的资源化、无害化和减量化，是解决中国城市日益严峻的餐厨剩余物危害的新思路，也遵循了可持续发展的要求。不仅可处理日产量相当大的餐厨剩余物，而且通过昆虫资源化处理方法可获得蛋白饲料和生物柴油。同时，亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物可避免病菌的传播，提高卫生水平，保障人们身体健康。利用亮斑扁角水虻转化餐厨剩余物工艺资源化利用餐厨剩余物，不仅在原有餐厨剩余物处理的基础上得到地沟油、餐厨剩余物饲料，还可由亮斑扁角水虻虫体得到蛋白饲料和生物柴油，带来额外经济效益，为国内餐厨剩余物的工业化处理提供新思路。

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