添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻生長及轉(zhuǎn)化餐廚垃圾處理廢渣效果的影響

何卓君，胡文章，楊 成,2*，齊海濤，周 旭，熊成財(cái)

1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州民族大學(xué)固廢污染控制與資源化工程研究中心，貴陽 550025；3.遵義美凈科技有限公司，貴州遵義 563000

2016-2021 年，餐廚垃圾產(chǎn)生量高達(dá)9 000萬t/a，預(yù)計(jì)2026 年將達(dá)到13 000 萬t/a[1]。目前，我國的城市餐廚垃圾處理量約為9 800 萬t/a，處理方式通常是通過油脂分離及廢渣廢液分離，其中餐廚垃圾處理廢渣約占20%，即餐廚垃圾處理產(chǎn)生的廢渣約1 800 萬t[2]。餐廚垃圾處理廢渣具有易腐、易臭、易孳生病菌蠅蟲等危害，同時(shí)具有高含水率、高蛋白、富含營養(yǎng)元素等特點(diǎn)，因此餐廚垃圾處理廢渣兼具危害性和資源性，對餐廚垃圾處理廢渣進(jìn)行無害化、資源化處理對城市環(huán)境發(fā)展具有重要意義。

目前，餐廚垃圾處理廢渣的處理方式主要有填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、昆蟲生物轉(zhuǎn)化等[3]。填埋處理如果防滲措施處理不當(dāng)，可能造成地下水污染和大氣環(huán)境污染；焚燒發(fā)電雖然能實(shí)現(xiàn)資源化利用，但是其可能產(chǎn)生二次污染，會(huì)嚴(yán)重危害大氣環(huán)境，且餐廚垃圾處理廢渣具有較高的含水率，燃燒熱值低、能耗高，易導(dǎo)致焚燒溫度不穩(wěn)定；好氧堆肥法是目前較為成熟的工藝，但在堆肥過程中餐廚垃圾處理廢渣極高的鹽分和含水率易引起土壤板結(jié)與鹽堿化[4]，且堆肥占地較大；厭氧發(fā)酵利用多種微生物的協(xié)同作用產(chǎn)生沼氣進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源化利用，是我國餐廚垃圾處理廢渣的主要方式，約占總餐廚垃圾處理廢渣處理量的74%[5]，但餐廚垃圾處理廢渣隨季節(jié)和飲食變化會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣的不穩(wěn)定[6]，這就對工藝管理提出了較高的要求；昆蟲生物轉(zhuǎn)化法是利用食腐性昆蟲的“口攝”作用，將餐廚處理廢渣的營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化為高蛋白物質(zhì)，因其抗逆性強(qiáng)、食譜廣泛、吸收轉(zhuǎn)化效率高、飼養(yǎng)簡單[7-8]，目前已逐漸被應(yīng)用于餐廚垃圾處理廢渣的資源化處置中，是一種極具前景的餐廚垃圾處理廢渣資源化利用的方法。

在生物轉(zhuǎn)化法中，由于餐廚垃圾處理廢渣的含水率偏高[9]，直接使用餐廚垃圾處理廢渣進(jìn)行轉(zhuǎn)化，效果往往不夠理想，因此在轉(zhuǎn)化前一般需要加輔料對餐廚垃圾處理廢渣進(jìn)行調(diào)節(jié)，目前在生物轉(zhuǎn)化的相關(guān)研究中，餐廚垃圾處理廢渣常用的輔料主要為干麥麩或農(nóng)作物秸稈[10]，但干麥麩使用成本較高，不利于生物轉(zhuǎn)化法的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此，在實(shí)際轉(zhuǎn)化中一般選用農(nóng)作物秸稈作輔料。農(nóng)作物秸稈作為一種吸水性較強(qiáng)的疏松多孔廢棄物，可使餐廚垃圾處理廢渣疏松保溫，且自身富含的粗纖維經(jīng)微生物分解可以產(chǎn)生大量單糖、多聚糖、揮發(fā)性脂肪酸以及益生元，促進(jìn)轉(zhuǎn)化昆蟲腸胃的消化吸收，提高機(jī)體免疫力，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)化昆蟲的營養(yǎng)品質(zhì)[11-12]，但不同農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)成分、吸水特性、使用成本存在差異，選擇不同的農(nóng)作物秸稈作為輔料對昆蟲轉(zhuǎn)化餐廚垃圾處理廢渣的效果也不盡相同[13]。而目前關(guān)于添加不同農(nóng)作物秸稈對黑水虻生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾處理廢渣的效果影響方面的研究也鮮有報(bào)道。因此，本研究選擇貴州地區(qū)產(chǎn)量較大的5 種農(nóng)作物秸稈作為輔料，探究其添加對黑水虻生長發(fā)育及餐廚垃圾處理廢渣轉(zhuǎn)化效果的影響，旨在為餐廚垃圾處理廢渣和農(nóng)作物秸稈的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

黑水虻蟲卵取自遵義美凈科技有限公司黑水虻養(yǎng)殖基地；餐廚垃圾處理廢渣取自貴州省貴陽市某餐廚垃圾處理廠，含水率約為76%。

1.2 方 法

1）黑水虻的孵化與保育。將黑水虻蟲卵裝入透氣孵化盒中在25 ℃下進(jìn)行恒溫孵化，同時(shí)用水調(diào)節(jié)干麥麩含水率，至麥麩放手中微捏有水滴下，發(fā)酵2 d 后將孵化的1 日齡黑水虻轉(zhuǎn)入發(fā)酵麥麩中繼續(xù)發(fā)育3 d。

2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)與飼養(yǎng)管理。利用篩網(wǎng)篩出體型適中、大小相近的黑水虻，從中選取健康活躍的黑水虻若干。設(shè)置餐廚垃圾處理廢渣4 250 g（CK）、餐廚垃圾處理廢渣4 000 g+大豆秸稈250 g（DG）、餐廚垃圾處理廢渣4 000 g+薏仁米秸稈250 g（YRM）、餐廚垃圾處理廢渣4 000 g+稻草秸稈250 g（DC）、餐廚垃圾處理廢渣4 000 g+高粱秸稈250 g（GL）、餐廚垃圾處理廢渣4 000 g+玉米秸稈250 g（YM），共6 個(gè)試驗(yàn)組，每組3 個(gè)重復(fù)，按照上述分組將餐廚垃圾處理廢渣和農(nóng)作物秸稈裝入各飼養(yǎng)盒（規(guī)格為：下徑410 mm×310 mm×150 mm，上徑520 mm×400 mm×150 mm），每盒加入800 mL水調(diào)節(jié)后放入5 g 的3 日齡黑水虻，待黑水虻放入后，每隔1 d 隨機(jī)選取5 只黑水虻分別測量體長、體重、體寬，試驗(yàn)共進(jìn)行14 d，室內(nèi)日平均溫度為18 ℃。試驗(yàn)結(jié)束后，將黑水虻與蟲沙進(jìn)行分離后放入烘箱，待烘至恒重后使用高速粉碎機(jī)將蟲沙和黑水虻制粉，置于-4 ℃儲存待測。

3）指標(biāo)測定方法。

餐廚垃圾處理廢渣減量率=[餐廚垃圾處理廢渣質(zhì)量（干重）－殘?jiān)|(zhì)量（干重）]/餐廚垃圾處理廢渣質(zhì)量（干重）×100%；

餐廚垃圾處理廢渣轉(zhuǎn)化率=增加的蟲體質(zhì)量（干重）/轉(zhuǎn)化后的餐廚垃圾處理廢渣質(zhì)量（干重）×100%；

總產(chǎn)量=黑水虻末干重－黑水虻初干重；

日均增重量=總產(chǎn)量/飼養(yǎng)天數(shù)；

水分=[(餐廚垃圾處理廢渣濕量－餐廚垃圾處理廢渣干重)]/餐廚垃圾處理廢渣濕重×100%；

粗蛋白：凱氏定氮法測得全氮含量×6.25；

粗脂肪：索氏提取法；

粗纖維：硫酸酸煮-氫氧化鉀堿煮-馬弗爐煅燒法；

粗灰分：馬弗爐煅燒法；

鈣：EDTA 滴定法；

鹽分：莫爾測定法。

4）數(shù)據(jù)分析。利用SPSS 17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2018 和Excel 進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻生長發(fā)育的影響

在轉(zhuǎn)化過程中，黑水虻的體長、體寬、體重變化趨勢如圖1、圖2、圖3 所示。由圖1、圖2、圖3 可見，黑水虻的生長發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期為第3～7 天，利用輔料的吸水特性可使黑水虻在高含水率條件下正常生長。轉(zhuǎn)化結(jié)束后，黑水虻生長發(fā)育情況如表1所示。由表1 可知，YM 組、YRM 組、GL 組、DC 組、DG 組黑水虻的體長相對于CK 組分別增加了3.25、3.52、4.08、3.46 和3.37 mm，均顯著高于CK 組。其中，GL 組的黑水虻平均體長最長，達(dá)到了18.29 mm；YM 組、YRM 組、GL 組、DC 組及DG 組的黑水虻的體寬相對于CK 組分別增加了1.25、1.26、1.39、1.28、1.44 mm，均顯著高于CK 組，其中DG組的黑水虻平均體寬最寬，達(dá)到了5.11 mm；YM組、YRM 組、GL 組、DC 組及DG 組的黑水虻的體重相對于CK 組分別增加了0.09、0.09、0.11、0.10 和0.11 g，均顯著高于CK 組，其中GL 和DG 組的黑水虻體重最大，均達(dá)到了0.20 g；在黑水虻總產(chǎn)量上，DG 組產(chǎn)量最多，CK 組產(chǎn)量最少，前者相對于后者增加了82.3 g；在黑水虻日均增重量上，DG 組增加最多，CK 組增重最小，前者相對于后者增加了6.33 g。因此，綜合對比6 個(gè)試驗(yàn)組的黑水虻生長趨勢以及轉(zhuǎn)化結(jié)束后體長、體寬、體重、總產(chǎn)量、日均增重量可以看出，添加大豆秸稈粉的餐廚垃圾處理廢渣促進(jìn)黑水虻的生長發(fā)育效果較好。

圖1 添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻體長的影響

圖2 添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻體寬的影響

圖3 添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻體重的影響

表1 添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻生長發(fā)育的影響

2.2 添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻體成分的影響

轉(zhuǎn)化結(jié)束后黑水虻體成分如表2 所示。在粗蛋白含量上，YRM 組和DG 組相對于CK 組存在顯著差異，其中YRM 組粗蛋白含量最低，相對于CK 減少了3.05 個(gè)百分點(diǎn)，DG 組粗蛋白含量最高，相對于CK 組增加了3.13 個(gè)百分點(diǎn)；在黑水虻粗脂肪含量上，YM 組、YRM 組、GL 組、DC 組和DG 組均顯著高于CK 組，分別增加了10.38、8.69、11.62、11.65 和14.95 個(gè)百分點(diǎn)；在黑水虻粗纖維含量上，YM 組、YRM 組、DC 組和DG 組之間無顯著差異，但相對于CK 組均顯著增加。在黑水虻粗灰分含量上，DG 組粗灰分含量最低，僅為22.67%，低于YM 組、DC 組和CK 組，顯著低于YRM 組和GL 組，而粗灰分的主要成分為礦物元素的氧化物[14]，這表明YRM 組的黑水虻體內(nèi)營養(yǎng)成分含量較高；對于黑水虻的鹽分含量而言，6 個(gè)試驗(yàn)組間無顯著差異，各試驗(yàn)組鹽分含量均符合GB/T 19164-2021《國家飼料原料 魚粉》中紅魚粉鹽分含量≤5%的標(biāo)準(zhǔn)限值[15]。

表2 生物轉(zhuǎn)化后黑水虻體成分含量 %

2.3 添加農(nóng)作物秸稈對餐廚垃圾處理廢渣轉(zhuǎn)化效果的影響

轉(zhuǎn)化結(jié)束后，各試驗(yàn)組的黑水虻末重、餐廚垃圾處理廢渣減量率和轉(zhuǎn)化率如表3 所示。對于黑水虻的干重而言，YM 組、YRM 組、GL 組、DC 組和DG組顯著高于CK 組，相對于CK 組分別增加了72.25、68.48、76.00、69.40 和82.30 g，其中DG 組黑水虻干重最大，達(dá)到了169.02 g；對于餐廚垃圾處理廢渣減量率而言，YM 組、YRM 組、GL 組、DC 組和DG 組顯著高于CK 組，相對于CK 組分別增加了22.96、22.19、25.53、24.23 和24.99 個(gè)百分點(diǎn)，其中GL 組減量率最高，達(dá)到了70.09%，但與YM 組、DC組和DG 組無顯著性差異；對于餐廚垃圾處理廢渣轉(zhuǎn)化率而言，CK 組轉(zhuǎn)化率最低，僅為15.94%，而DG 組顯著高于CK 組，達(dá)到了18.35%，相對于CK組增加了2.41 個(gè)百分點(diǎn)。

表3 添加農(nóng)作物秸稈對餐廚垃圾處理廢渣生物轉(zhuǎn)化效果的影響

3 討 論

從黑水虻的生長發(fā)育趨勢來看，添加農(nóng)作物秸稈可以有效促進(jìn)黑水虻的生長發(fā)育，這可能是由于初始水源的添加使得餐廚垃圾處理廢渣含水率過高，抑制了黑水虻的生命活動(dòng)[16]，有研究表明黑水虻的孵化生長會(huì)因溫度和季節(jié)的差異而發(fā)生變化[17]，而通過添加農(nóng)作物秸稈可有效調(diào)節(jié)料堆含水率達(dá)到料堆保溫的效果，從而保證了在低溫、高含水率條件下黑水虻的生長發(fā)育，同時(shí)農(nóng)作物秸稈的添加使得農(nóng)作物秸稈中的粗纖維部分被黑水虻進(jìn)食，促進(jìn)了黑水虻對餐廚垃圾處理廢渣的消化吸收[18-19]。從黑水虻的體成分含量可以看出，農(nóng)作物秸稈的添加可有效促進(jìn)黑水虻體成分的積累，這與覃萬朗等[20]的研究結(jié)果一致，黑水虻體成分的累積主要體現(xiàn)在蟲體干物質(zhì)的積累上，主要通過粗蛋白、粗脂肪、粗纖維的積累影響干物質(zhì)的含量[21]，造成該現(xiàn)象的原因可能是秸稈自身具有一定含量的粗蛋白且碳氮比較低，在微生物降解后利于黑水虻消化吸收，從而提升了黑水虻對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率[22-27]；各農(nóng)作物秸稈添加組的黑水虻粗纖維含量顯著高于CK組，這可能與各飼養(yǎng)盆內(nèi)粗纖維的來源有關(guān)，CK 組的粗纖維來源主要是餐廚垃圾處理廢渣中的各類蔬菜與大米，蔬菜和大米的粗纖維含量較低，蔬菜為0.5%～3.0%[28-29]，大米為0.5%～2.0%[30]，而各農(nóng)作物秸稈添加組中的農(nóng)作物秸稈自身粗纖維含量高，且能被黑水虻吸收[31]，從而導(dǎo)致各農(nóng)作物秸稈添加組中的黑水虻粗纖維含量均顯著高于CK 組。而含有一定粗纖維成分的黑水虻作為飼料可以有效促進(jìn)動(dòng)物的消化吸收[32]，這與飼料的生產(chǎn)預(yù)期相符合。

黃蘭英等[33]研究表明，農(nóng)作物秸稈的添加可促進(jìn)食腐類昆蟲的生長發(fā)育，而餐廚垃圾處理廢渣轉(zhuǎn)化效果的好壞主要由黑水虻對餐廚垃圾處理廢渣的進(jìn)食效率所決定，餐廚垃圾處理廢渣的減量率與餐廚垃圾處理廢渣重量的變化密切相關(guān)，而秸稈自身含有一定的營養(yǎng)物質(zhì)[34-35]，可以加快黑水虻的生長發(fā)育，進(jìn)一步促進(jìn)黑水虻的進(jìn)食效率，從而提高黑水虻對餐廚垃圾處理廢渣的轉(zhuǎn)化效果[36]。

4 結(jié) 論

1）添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻的生長發(fā)育具有促進(jìn)作用。大豆秸稈效果最顯著，黑水虻的體長、體寬、體重和總產(chǎn)量相對于CK 分別增加了3.37 mm、1.44 mm、0.11 g 和82.3 g。

2）添加農(nóng)作物秸稈對黑水虻體成分的累積具有促進(jìn)作用。大豆秸稈的促進(jìn)效果最顯著，黑水虻的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維含量相對于CK 分別增加了3.13、14.95 和2.92 個(gè)百分點(diǎn)。

3）添加農(nóng)作物秸稈對餐廚垃圾處理廢渣的轉(zhuǎn)化效果具有促進(jìn)作用。大豆秸稈的添加促進(jìn)效果最顯著，餐廚垃圾處理廢渣的減量率和轉(zhuǎn)化率相對CK 分別增加了24.99、2.41 個(gè)百分點(diǎn)。