黑水虻对餐厨垃圾养分转化研究

尹靖凯, 龚小燕, 孙丽娜, 韩梦琦, 杨渊, 徐晓燕, 王小波

(天津农学院农学与资源环境学院, 天津 300384)

随着人民生活水平的提高和城市化进程的发展，餐厨垃圾(kitchen waste, KW)处理难题日益凸显。2015年我国餐厨垃圾年产量就达到9 910万t，而且在逐年增加[1], 全世界餐厨垃圾约占市政固体垃圾总量的30%～50%[2]。大量的餐厨垃圾如处理不当会严重影响生态环境和人们的身体健康[3-4]。与其他垃圾相比，餐厨垃圾具有水分、有机物、油脂含量高等特点，有较高的生物转化利用价值。前人研究表明，利用黑水虻(HermetiaillucensL.)处理餐厨垃圾可以获得可观的生物量收益和环境效益[5-6]。目前，国内外餐厨垃圾处理技术主要有焚烧、填埋、好氧堆肥、厌氧消化、加工饲料等，但都存在不同程度的不足，影响餐厨垃圾的高效利用[7-9]。

黑水虻属于腐生性水虻科昆虫，幼虫主要以腐烂有机物为食。黑水虻通过自身的取食行为和消化作用，可以将畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥等有机废弃物转化为虫体蛋白和生物肥料[10-12]。杨森[13]研究表明，利用黑水虻处理猪粪，猪粪干物质减少了41%～51%，收获了原猪粪干重10.6%～15.1%的黑水虻虫体干重。Bosch等[14]的报道也表明，可以利用黑水虻处理猪粪、鸡粪、牛粪、豆腐渣等废弃物，将废弃物中的氮转化为虫体蛋白。但黑水虻对餐厨垃圾中养分的利用转化情况还未见详细报道。本研究筛选了黑水虻幼虫处理餐厨垃圾的最佳生产性能，并分析了最佳生产性能条件下黑水虻处理对餐厨垃圾中养分利用转化情况，旨在为餐厨垃圾的资源化处置提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾取自天津农学院食堂，挑出塑料袋、一次性筷子等杂物，并简单沥除水分，粉碎(粒径<2 mm)后0 ℃保存，饲喂前解冻，含水率为73.1%。

黑水虻卵取自天津农学院有机废弃物资源化技术研发中心。虫卵在温度(30±2)℃、湿度(80±5)%的环境中孵化48 h后，转入含水量80%的麦麸中，保育7 d后，放入餐厨垃圾中进行试验。

1.2 试验设计

1.2.1最佳生产性能的筛选 试验按照餐厨垃圾添加量设4个处理：T1(3.0 kg)、T2 (3.6 kg)、T3(4.5 kg)、T4(5.2 kg)，每个处理重复3次。在各处理的培养盒(35 cm ×20 cm ×10 cm)中放入7日龄黑水虻幼虫100 g。根据黑水虻幼虫生长情况按比例每个处理每天加入适量餐厨垃圾，在温度(30±2)℃、湿度60%～80%的环境中养殖。养殖8 d后，停止加入餐厨垃圾，放置24 h，待虫体完全排出体内残余物后，筛分出虫体，分析各处理的生产性能。

1.2.2转化性能研究 在筛选最佳生产性能的基础上，分析餐厨垃圾经黑水虻转化后餐厨垃圾中蛋白质、脂肪、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钠(Na)在虫体和虫粪中的分配比例以及损失量。

1.3 测定指标与方法

筛分出虫体、残渣后，烘干称重、粉碎，按照水：样品为10∶1溶解后，测定pH、电导率(electrical conductivity，EC)。采用重铬酸钾容量法测定有机碳含量，凯氏定氮法测定氮(N)、蛋白质含量，钼黄比色法测定磷(P)含量，火焰光度法测定钾(K)、钠(Na)含量[15]，利用索氏提取法测定虫体、虫粪、餐厨垃圾脂肪含量。

餐厨垃圾减量率 = [(餐厨垃圾质量(干重)-残渣质量(干重)]/餐厨垃圾质量(干重)×100%

(1)

餐厨垃圾转化率=增加的虫体质量(干重)/转化的餐厨垃圾质量(干重)×100%

(2)

1.4 数据处理

采用Excel 2010处理试验数据和作图，采用SPSS 17.0进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 黑水虻处理不同量餐厨垃圾生产性能

由表1可知，随着餐厨垃圾添加量的增加，黑水虻虫体的鲜重、干重、残渣量显著提高。T4处理的黑水虻鲜重、干重最高，分别为1 285.5、401.7 g，较T1处理分别增加了45.4%和43.4%；T3、T2处理的鲜重和干重较T1处理分别增加了36.9%、29.0%和35.7%、29.0%。T4处理的残渣量最高，较T3、T2、T1分别增加了32.2%、93.6%、153.7%。餐厨垃圾的减量率随着餐厨垃圾添加量的增加而降低，T1、T2处理的减量率分别为76.2%和74.0%，没有显著差异；而T3、T4处理则显著降低，分别为69.3%和65.2%。T2处理的转化率最高为33.9%，较T1、T3处理分别提高了3.3和5.2个百分点，T4处理的转化率最低。综合分析，T2处理即100 g 7日龄黑水虻幼虫处理3.6 kg含水量为73.1%餐厨垃圾的生产性能最佳。

表1 黑水虻处理餐厨垃圾的生产性能Table 1 Production performance of black soldier fly in the treatment of kitchen waste

2.2 黑水虻对餐厨垃圾蛋白质和脂肪的转化

表2显示，餐厨垃圾的粗蛋白质和脂肪含量为25.0%和25.5%。经黑水虻转化后，黑水虻虫体内的粗蛋白和脂肪含量分别为45.1%和48.1%，虫粪中含量分别为28.3%和7.3%。虫体中的蛋白和脂肪总量分别为原餐厨垃圾中蛋白和脂肪总量的61.3%和64.0%，虫粪中的蛋白和脂肪总量分别为原餐厨垃圾中蛋白和脂肪总量的29.5%和7.5%。可见，餐厨垃圾中的蛋白质和脂肪经黑水虻转化后，大部分转化为虫体蛋白和脂肪。蛋白质总的转化率为90.8%，有9.2%的损失；脂肪的总转化率为71.5%，有28.5%的损失。

表2 黑水虻对餐厨垃圾蛋白质和脂肪的转化Table 2 Transformation of protein and fat from kitchen waste by black soldier fly

2.3 黑水虻对餐厨垃圾中各元素的转化

餐厨垃圾经黑水虻转化后，其中的N、P、K、Na部分转移到黑水虻虫体，部分转移到虫粪中(表3)。转化后N、P、K、Na在虫体的总量占原餐厨垃圾总量的比例分别为61.3%、37.6%、71.4%、14.1%，在虫粪中的总量占原餐厨垃圾总量的比例分别为29.5%、60.0%、25.2%、50.4%，各元素的损失比例分别为9.2%、2.4%、3.4%、35.5%。可见，在餐厨垃圾的转化过程中，Na的损失量最高，其次为N元素，P、K的损失量最低。

表3 黑水虻对餐厨垃圾中各元素的转化Table 3 Transformation of elements from kitchen waste by black soldier fly

2.4 餐厨垃圾经黑水虻处理前后理化性质的变化

餐厨垃圾经黑水虻转化后，虫粪的pH、EC值、有机质含量较原餐厨垃圾分别提高了22.5%、32.4%和28.9%，N、P、Na的含量也显著提高了13.5%、130.0%、92.9%，K含量没有显著变化。N、P、K总养分含量大于5%，各指标均符合NY 525—2012[15]中有机肥料的各项限值标准。

3 讨论

黑水虻可以将餐厨垃圾转化为虫体蛋白和生物有机肥[10-11]，消除餐厨垃圾带来的危害，在转化过程中，随着餐厨垃圾投喂量的增加，收获黑水虻的虫体量增加，但餐厨垃圾的减量率降低。处理过程中，餐厨的投喂量过低时，餐厨的减量率提高，但黑水虻生长受影响，干重减少，干物质转化率降低；投喂量过多时，黑水虻对原料不能充分的转化利用，同样造成干物质转化率降低，餐厨垃圾的减量率降低。本研究发现，100 g 7日龄黑水虻幼虫处理3.6 kg餐厨垃圾的生产性能最佳，餐厨垃圾经黑水虻转化后，干物质减量率达到了74.0%，干物质转化率达33.9%。与前人的研究结果[16-18]相近。与畜禽粪便等其他废弃有机物相比，餐厨垃圾的碳水化合物含量高，而且主要为淀粉、脂肪、蛋白质等易于动物消化的物质。Kim等[19]研究发现，黑水虻幼虫肠道提取物的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性高于家蝇幼虫，使其能够更有效地消化这些有机物。所以，黑水虻对餐厨垃圾的减量率显著高于对畜禽粪便的减量率和干物质转化率[20]。

表4 餐厨垃圾转化前后的理化性质Table 4 Physical and chemical properties of kitchen waste before and after transformation

黑水虻幼虫能够转化餐厨垃圾中的N、P、K等营养成分和大量的蛋白质、脂肪，并将一部分用于机体构建，成为畜禽养殖的蛋白和油脂原料[21]，而且昆虫的转化可以完全阻断同源性蛋白病毒在食物链中的传播[22]，可以将转化餐厨垃圾后的昆虫蛋白安全应用于畜禽养殖饲料。本研究中，通过黑水虻虫体收获的蛋白质和脂肪量分别为餐厨垃圾原料中蛋白质和脂肪总量的61.2%和64.0%，有效将餐厨垃圾中废弃的蛋白和脂肪回收利用，相比于传统的焚烧、填埋、堆肥等处理技术，具有明显的资源利用优势。经转化后餐厨垃圾中的N、P、K元素绝大部分转化到虫体和虫粪中。N有9.2%的损失，与消化过程中NH3的挥发有关[23]；Na有35.5%的损失，可能因Na以水溶态存在，在残渣烘干过程中容器壁残留损失较多；脂肪有28.5%的损失，可能以虫体热量的形式散发。本研究及何钊等[24]的研究结果都表明，黑水虻虫体中N总量大于P、K、Na，可知黑水虻在生长过程中需要吸收的N大于P、K，Na的吸收量最低，而餐厨垃圾中K含量仅为P含量的28%，所以转化后N、K在虫体的转入比例大于P、Na。

黑水虻转化餐厨垃圾后，残余物虫粪的pH、EC、有机质、N、P、Na含量都显著提高。餐厨垃圾pH为4.79呈酸性，在黑水虻消化蛋白过程中产生了氨气[23,25]，导致残余物的pH升高。同时由于干物质的大量减少产生浓缩效应，造成了EC、有机质、N、P、Na含量的升高。各指标的变化趋势与前人使用黑水虻处理猪粪等畜禽废弃物的结果[26-27]有差异，猪粪经黑水虻转化后有机质、N、K含量降低，P含量升高。差异可能与废弃物的减量率有关，黑水虻处理猪粪的减量率为56%，而对餐厨垃圾的减量率达到了74%，浓缩效应更明显。转化后残余物的有机质含量达85.6%，N、P、K总养分含量达到了7.8%，高于NY 525—2012有机肥料[15]标准要求的各项限值。

餐厨垃圾除有机质、脂肪含量高外，还具有盐分含量高的特性。本研究餐厨垃圾的EC值为3.55 ms·cm-1，Na离子含量达1.26%，高盐分会抑制微生物的生长，影响餐厨垃圾的好氧堆肥[28]和厌氧发酵[29]处理工艺。高盐分也成为堆肥产品应用的限制性因素，陈晓惠[30]研究发现，餐厨垃圾堆肥的高盐分抑制了黑麦草种子发芽和生长。黑水虻虽然对高盐分具有一定的耐受性[31]，一定的盐度不会影响对餐厨垃圾的转化，但虫粪中盐分含量的提高会影响虫粪的进一步农业利用。因此，在进行黑水虻转化前,最好通过水洗、脱水等措施降低餐厨垃圾中盐分的含量。