基于蝇蛆养殖技术的畜禽粪便处理模式

余桂平，翁晓星，徐锦大，朱建锡，冯 洋

(浙江省农业机械研究院，浙江 金华321017)

0 引言

随着养猪业的兴起，规模化养殖场增多，产生大量畜禽粪便，而固体粪便会造成较大的环境污染。畜禽粪便中含有大量的氮磷化合物，若不及时妥善处理，粪便表层氮以氨气的形态散发到大气中，促使大气中氮氧化合物浓度升高；粪便中氮和磷流入河流造成河流水体富营养化等生态环境的破坏。现阶段处理畜禽粪便的措施有直接返田、制作肥料、制作燃料及制作蝇蛆培养料[1]。

国外在昆虫的开发利用研究上相对较早，自20世纪60年代末起，许多国家如美国、韩国和日本等先后开展了利用蝇蛆进行工厂化养殖生产的研究。但利用昆虫进行规模化畜禽养殖固体废弃物处理及开发昆虫蛋白和有机肥的相关研究报道较少，而在资源日益趋紧，环境不断恶化的今天，利用昆虫生物转化畜禽养殖固体废弃物，在养殖业上的应用已成为各国关注的热点。比利时冈特·鲍利所著《蓝色经济》一书中，将利用蝇蛆处理畜禽废弃物获得鱼和鹌鹑饲料及提取溶菌酶列为高效生态处理的范例。我国自20世纪80年代对集约化畜禽场的粪便污染开始重视，开展了畜禽场粪便简单处理和污染综合防治配套技术的初级研究，开发了成套设备，主要是通过粪便烘干脱水和微生物厌氧发酵处理作肥料和沼气利用[2]。蝇蛆作为研究热点，具有生长快、产出高和养殖简单的特点，并且蝇蛆粗蛋白含量为58.80%～63.89%，其必需氨基酸总量是鱼粉的2.3倍，含有铁和锌等多种微量元素及抗菌肽和几丁质等多种有价值成分，总体营养价值高于进口鱼粉，是一种较理想的蛋白质补充料[3]。蝇蛆养殖以麦麸、米糠、酒糟、豆渣、猪粪、鸡粪和鸭粪等畜禽粪便为食料来源，实现循环养殖。利用蝇蛆作蛋白质饲料，可作为鱼粉饲喂畜禽和水产动物，不仅有利于减少环境污染，而且可为我国畜禽养殖业提供所需的高蛋白饵料，蝇蛆可以消耗畜禽粪便和餐厨垃圾等废弃物，不需要经过复杂处理就可以转化为有机肥料或沼气原料[4]。因此，蝇蛆养殖是解决当前养殖业蛋白资源缺乏的良好途径。

1 工艺流程

养殖场中70%～80%的猪粪通过干清粪等工艺被收集和清运到蝇蛆生产车间，以蝇蛆取食利用粪便腐败物质的生物特性，生产蝇蛆产品，使粪便中的物质能量充分转化成虫体蛋白质和脂肪加以回收。蛆虫作为水产养殖饵料等，使畜禽粪便无害化增值利用。目前，无公害蝇蛆生产时采用集约型规模化生产设施，通过工程化技术手段，集中供给蝇蛆孳生物质，生产大量蝇蛆蛋白。蝇蛆蛋白开发的成本低且周期短，蝇蛆生产的1个周期只有3～4 d，现在市场价鲜蛆成本在2 000元t左右，烘干后的蝇蛆成本在8 000元t左右，不需购进同量的外国鱼粉，可降低畜禽和水产品的生产成本，增加盈利[5]。通过畜禽养殖固体废弃物蝇蛆生物转化及其产品应用技术的集成，建立畜禽养殖固体废弃物高效循环利用和过程机械化的提升模式，如图1所示。

2 国内外研究现状

2.1蝇蛆分离技术

蝇蛆分离是蝇蛆养殖过程的关键技术，若分离方法选择不当，不仅造成前期投入的浪费，还会造成蛋白浪费，剩余蝇蛆化蛹后变成苍蝇造成二次污染。较国外发达地区，我国利用畜禽粪便养殖蝇蛆的技术起步较晚，蛆料分离方法大都利用蝇蛆的避光性、向下性和趋干性等生物学习性实现蛆料分离。蛆料分离法可分为人工分离法和自动分离法。人工分离法是指人工使用某些工具来达到蛆料分离的目的，主要包括土分离法、水分离法和网筛分离法。自动分离法一般有蝇蛆自然分离法和机械分离法[5]。蝇蛆自然分离法是利用蝇蛆避光性和趋干性等生物学习性来实现自动分离。机械分离法主要是给蛆料施加外部作用，使蛆料能够实现快速分离。但由于现有设备及生产方式的局限性，无法实现蝇蛆分离的可控性和自动性，不适合大规模生产。目前大部分工厂还是半手工操作和作坊式生产，缺少全自动化的设备，致使产量低，生产效率也不高。

国内针对蝇蛆分离装置研究方面，王亚波[6]根据苍蝇幼虫生活习惯和蛹化行为，设计了自动立体培养、蝇蛆分离板和自动育蛆分离等装置，增加蝇蛆成熟率。目前蛆料机械分离设备，通过装置分离后仍有很多蝇蛆卡在筛孔中，影响了后续蛆料分离的效率。单纯用光分离或网筛分离法，分离到最后总有些培养料与部分蝇蛆混在一起无法分离。经过反复试验对比，在光分离法的基础上，结合人工筛簸方法，同时利用机械原理，自动驱赶蝇蛆实现自动分离，减少对环境的污染。

2.2蝇蛆烘干技术

利用蝇蛆营养成分齐全的高蛋白动物性饲料，是开发饲料资源的有效途径之一。国内早期许多大、中型养殖场采用9JH系列高湿物料快速烘干机，对畜禽粪便进行快速烘干处理。用风机对热交换器以对流的方式加热空气，热空气层流经烘盘对物料进行热量传递进而对物料进行烘干，但不能根据蝇蛆体内水分的变化实行烘干温度分段实时控制以保证烘干效果。采用炒制品的烘干设备，自动化程度低且干燥系统可靠性差，烘干后的蝇蛆易焦化和色泽发黑，无法实现规模化。用烘干面条等条状物及块状物的带式烘干机虽干燥效率快和蒸发强度高，但烘干成本高及效果难以保证，不适用于蝇蛆的烘干。

2.3蝇蛆处理的发展趋势

近几年，虽然通过众多研究者和企业的共同努力，蝇蛆生物转化畜禽养殖固体废弃物生产蝇蛆蛋白和有机肥的处理工艺取得了较大的进展，但是与规模化畜禽养殖相配套的产业化应用和推广还存在一些问题。首先，蝇卵高存活性保藏和运输技术缺乏，采用蝇蛆转化畜禽养殖固体废弃物工艺的企业都需各自建立蝇种房，不仅投资成本提高，而且技术要求高，限制了该工艺的推广。其次，蝇蛆蛋白规模化生产工艺还相对落后，机械化程度不高，费工费时，成本较高，作为饲料蛋白，在价格上与进口鱼粉没有竞争优势。再次，蝇蛆烘干缺少专用设备，烘干和干蛆质量依赖工人经验，容易导致蛆干焦化，造成较大损失，这也是目前蝇蛆生产成本较高的一个重要因素。因此，如何降低畜禽养殖固体废弃物蝇蛆生物转化成本，拓宽蝇蛆应用范围和加工利用途径，是蝇蛆生物转化废弃物工艺实现产业化大规模推广的迫切需求。

3 技术解决方案

3.1蝇蛆分离设备

根据蝇蛆负趋光性和喜阴的生物特性，结合目前成熟的蝇蛆幼虫人工收集方式和猪粪蝇蛆生物转化处理利用工艺，设计基于生物分离法与筛选分离法相结合的蛆粪分离专用设备，包括光源系统、行走式自动进料系统、蛆粪分离系统、蛆粪出料系统及蛆粪分离设备控制系统，如图2所示[7]。

蝇蛆分离系统，通过PLC自动控制刮板在粪料上方模拟人工清扫，即刮板在电机和丝杠带动下可沿上下前后4个方向运动，逐层去除粪渣，最终实现蛆粪分离效果。蛆料分离机构主要包括堆料箱、抬升架和驱动抬升降机构，如图3所示。

通过光照，堆料箱中粪渣物料上表面的蝇蛆由于喜阴性会往下钻，此时刮板将这层没有蝇蛆的物料表面从缺口清扫而出，逐渐清扫后大量的蝇蛆会堆积在物料底部，其中还夹杂着部分粪渣，还需要对这部分蝇蛆和物料进行分离。堆料箱的底部设置了具有通孔的分离板，而且分离板下方设置有挡蛆板，位于底端的蝇蛆从通孔钻出并滞留在挡蛆板上。分离板与挡蛆板的间距不宜太大，否则蝇蛆不敢从通孔钻出，然后通过开合机构将挡蛆板打开，这样从挡蛆板中落下的蝇蛆便是不含杂质的蛆。

3.2蝇蛆烘干设备

蝇蛆烘干技术是影响蝇蛆养殖进一步发展的关键难点。本文设计的烘干设备是根据蝇蛆生物特性进行蝇蛆烘干。可实时控制的蝇蛆烘干专用设备采用卧式滚筒形式，蝇蛆经进料口进入高温滚筒内，滚筒在不断转动过程中接触热源进行加热。蝇蛆随滚筒旋转的同时，在滚筒内置搅拌叶片的作用下翻滚并交替接触筒壁受热升温达到烘干的目的。蝇蛆烘干专用设备主要包括机架、动力系统、热源系统、烘干系统和控制系统，如图4所示[8]。

3.3性能试验

蝇蛆生长速度惊人，其繁殖快且产量高，从卵发育到成虫一般仅需10～11 d，如果只需要蝇蛆，从苍蝇产卵到孵出蝇蛆3～4 d，不受季节和气候的影响，若有加温条件，一年四季均可养殖。

(1)分离试验。蝇蛆具有负趋光性，喜钻入各种基质中，常以有机物质为食，但活动范围一般不离其原产卵场所。蝇蛆的分离因受培养料原料、含水量及天气情况等因素影响，试验采用光分离法与自动筛簸结合分离法进行分离。试验结果如表1所示。

(2)烘干试验。取样10 g，置于预热到120 ℃恒温烘箱内，烘干处理90 min，冷却后称质量，按以下公式计算，或直接用水份速测仪测得。

H=(10-Wg)×100%10

(1)

式中H——蝇蛆原料含水率

Wg——蝇蛆原料试样干质量，g

Hz=(10-Wz)×100%10

(2)

式中Hz——烘干后成品蝇蛆含水率

Wz——烘干后成品蝇蛆试样干质量，g

称取烘干机工作1批次需烘干的质量及烘干后成品蝇蛆烘干质量，按以下公式计算。

EC=WcTc

(3)

式中EC——生产率，kgh

Wc——蝇蛆原料质量，kg

Tc——时间，h

根据蝇蛆干燥工艺和产品技术指标，进行生产性能试验。结果如表2所示，均能满足技术要求，达到预期目标。

表2 蝇蛆烘干设备试验结果

4 结束语

我国畜禽养殖固体废弃物每年产生量达20多亿t，其中猪粪约占畜禽粪总量的49.6%，鸡粪占17.4%。而浙江省每年产生畜禽粪便1 800多万t，猪粪比例超过50%。另一方面，我国目前每年水产养殖总量达490万t，每年鱼粉需求量在260万t左右，其中进口鱼粉达100多万t。浙江省水产养殖总量约占到全国的20%，每年的鱼粉需求50万t以上，进口鱼粉需求至少在15万t以上。目前按10%进口鱼粉替代量，仅浙江省蝇蛆年需求1.5万t以上，现浙江省几个示范基地满负荷生产年产量也不到1 000 t，远远不能满足市场需求。利用蝇蛆生物转化进行畜禽养殖固体废弃物的处理，生产优质有机肥和蝇蛆蛋白，短期循环生产蛋白质品质高，为水产养殖业快速发展提供优质饲料蛋白，为医疗化妆品等高端产业提供甲壳素、壳聚糖和寡糖等生产原料，转变现有畜禽养殖固体废弃物单一处置利用方式，延长产业链，提升综合利用价值。畜禽养殖固体废弃物蝇蛆生物转化工艺的社会、经济和生态效益显著，应用和产业化前景广泛，同时促进种植业、畜禽和水产养殖业可持续健康发展，减少农业农村面源污染，对倡导和发展现代生态循环农业具有重要的现实意义。