黑水虻对不同湿垃圾分选固渣的生物转化效能研究

摘要：采用黑水虻生物转化技术能够提升湿垃圾厌氧处理的效率。为验证餐饮垃圾、厨余垃圾及其预处理固渣作为黑水虻饲养基质的可行性，开展黑水虻养殖效能研究。结果表明，6种湿垃圾固渣均可满足黑水虻的基本生长需求，但转化速率存在差异；物料的含水率、粒径、脂肪、总营养量对黑水虻高产虫率具有正向影响，物料的脂肪含量和碳氮比与虫体脂肪含量呈正相关关系。

关键词：湿垃圾处理；黑水虻；效能研究

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.029

Study on the Bioconversion Efficacy of Black Soldier Fly for Different Sorting Solid Residues of Kitchen Waste

ZHOU Yongquan1，2， TAI Jun1，2， OUYANG Chuang1，2

（1. Shanghai Environmental amp; Sanitary Engineering Design Institute Co.， Ltd.;

2. Shanghai MSW Treatment and Resource Recycling Engineering Technology Research Center， Shanghai 200232， China）

Abstract： The use of black soldier fly biotransformation technology can improve the efficiency of anaerobic treatment of wet garbage. To verify the feasibility of using catering waste， kitchen waste， and their pre treated solid residue as substrates for breeding black soldier flies， a study was conducted on the breeding efficiency of black soldier flies. The results showed that all six types of wet garbage solid residues could meet the basic growth needs of black soldier flies， but there were differences in conversion rates. The moisture content， particle size， fat content， and total nutrient content of materials have a positive impact on the high yield of black soldier flies， and the fat content and carbon nitrogen ratio of the material are positively correlated with the fat content of the fly body.

Keywords： kitchen waste disposal; black soldier fly; efficacy study

“十四五”期间，随着垃圾分类政策的推动，湿垃圾处置市场持续快速释放。预计到2025年，全国湿垃圾处置产能将达到35万t/d[1]。目前，湿垃圾主要采用机械预处理+厌氧产沼工艺。该工艺的资源化产品主要为油脂和沼气，但残留35%的固渣仍需焚烧协同处置，湿垃圾固渣中的有机质未得到充分利用，可能成为我国垃圾分类资源化的短板。

黑水虻生物转化工艺在有机固渣减量化、资源化利用、经济效益方面表现出较好的潜力，在环卫行业内逐渐应用，被视为提升厌氧工艺整体资源化率的有效抓手[2]。目前，关于黑水虻养殖技术、生长环境影响、物料性质等方面的研究已有很多，然而大多为实验室研究，所涉及的物料多来自餐馆、学校食堂，与工程实际运行过程中所产的固渣特性差距较大[3-4]。因此，有必要进一步开展黑水虻生物转化不同湿垃圾分选固渣的效能研究。

基于湿垃圾厌氧产沼项目，利用6类典型固渣养殖黑水虻，分析不同湿垃圾分选固渣对黑水虻的影响，探究物料特性、组分与黑水虻产虫率、虫体特性之间的相关性，以期为黑水虻生物转化湿垃圾厌氧处理残渣的实际工程应用提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料均取自上海市某湿垃圾厌氧处理厂的原料坑及预处理车间各环节分选后的固渣，其理化特性如表1所示。餐饮原料：未经预处理的餐饮垃圾原料，取自餐饮线原料坑。二相固渣：餐饮垃圾经大物质分选、精分制浆后，分离出的纤维杂质。三相固渣：餐饮垃圾经杂质分选、加热脱油、脱水后剩余的固渣。厨余原料：未经预处理的厨余垃圾原料，取自厨余线原料坑。碟后固渣：厨余垃圾经大物质分选后，分离出的有机杂质。挤压固渣：厨余垃圾经大物质分选、高压脱水后剩余的固渣，主要成分为大纤维物、塑料等杂质。黑水虻虫卵由武汉市某黑水虻养殖基地提供，利用“麦麸+三相固渣”养殖至3龄虫期后投入不同固渣养殖试验。

1.2 试验方法

固渣投加比为1∶10 000，环境温度控制在27～32 ℃，环境湿度控制在65%，铺料厚度控制在10～12 cm。将6种养殖原料进行预处理，包括研磨破碎、80 ℃加热10 min等，黑水虻培养虫龄选择3龄虫至5龄虫阶段。养殖7 d后将虫体和虫粪分离称重，并在实验第3 d、第5 d、第7 d随机取100只黑水虻鲜虫进行称重，并记录数据。

1.3 监测指标及方法

1.3.1 虫体生长情况统计方法

平均生长速率的计算公式为

V=（Wn+t-Wn）/t（1）

式中：V为平均生长速率，g/d；Wn+t为第n+t天的虫体平均质量，g；Wn为第n天的虫体平均质量，g；t为养殖时间，d。

产虫率的计算公式为

（2）

式中：R为产虫率，%；M1为虫体质量，g；M2为固渣原料质量，g。

蛋白产率的计算公式为

（3）

式中：P为蛋白产率，%；N1为虫体粗蛋白总量，g；N2为原料粗蛋白总量，g。

脂肪产率的计算公式为

（4）

式中：F为脂肪产率，%；B1为虫体粗脂肪总量，g；B2为原料粗脂肪总量，g。

1.3.2 虫体、固渣特性测定及相关性分析

粗脂肪、粗蛋白、灰分、淀粉等指标采用相关食品安全国家标准进行测定，有机质等指标参照《有机肥料》（NY/T 525—2021）进行测定。采用IBM SPSS Statistics计算产虫率、虫体脂肪及蛋白含量与固渣特性之间的Spearman相关系数，当显著性系数P＜0.05时，相关性显著。

2 结果与讨论

2.1 不同物料养殖黑水虻效果分析

2.1.1 虫体体重分析

为探究厨余垃圾与餐饮垃圾及其预处理阶段的分选固渣作为黑水虻饲养基质的可行性，进行实验并得出结果，如图1所示。从图1可以看出，不同原料养殖的黑水虻幼虫体重存在明显差异。在养殖5 d后，仅餐饮原料组和挤压固渣组有明显增长趋势。此时，餐饮原料组的黑水虻幼虫体重达到0.19 g/只，而挤压固渣组幼虫体重最小，仅为0.05 g/只，发育明显缓慢。在养殖7 d后，黑水虻体重增加量从大到小的物料分别为餐饮原料、厨余原料、碟后固渣、餐饮二相固渣、餐饮三相、挤压固渣。

进一步分析黑水虻在不同物料养殖下，三龄虫到五龄虫阶段的平均生长速率，如图2所示。在黑水虻三龄期中，采用碟后固渣养殖的黑水虻的生长速率较快，而黑水虻在四龄期和五龄期，采用餐饮原料则表现出更快的生长速率，这可能与物料的初始含水率有关。当黑水虻生长到五龄期时，在餐饮三相、餐饮二相、厨余原料饲养下的黑水虻生长速率几乎为0，黑水虻体重不再增加，这可能是由于物料内易被黑水虻利用的营养物质不足。

2.1.2 产虫率分析

黑水虻的产量和虫体品质是项目营收的主要评价指标。不同物料养殖黑水虻的产率如图3所示，6种物料按产虫率从大到小分别为碟后固渣（22.5%）、餐饮二相（22.0%）、餐饮原料（20.4%）、厨余原料（18.7%）、餐饮三相（17.2%）、挤压固渣（12.3%），6种湿垃圾固渣均满足黑水虻的生长基本需求，但生长速率存在明显差异。挤压固渣主要成分为大物质纤维，可能存在营养成分不足问题，导致黑水虻的转化效率较低，因此不建议单独利用挤压固渣养殖黑水虻，可通过掺混其他固渣共同饲养黑水虻。

在虫体品质方面，如表2所示，粗蛋白含量从大到小分别为挤压固渣（42.2%）、厨余原料（40.6%）、餐饮二相（39.2%）、餐饮原料（37.1%）、碟后固渣（37.0%）、餐饮三相（33.9%）。相较于其他物料，采用餐饮原料养殖黑水虻具有显著高油脂含量（36.2%），这是由于其养料同样具有高油脂组分（20%）所致，说明物料组分与黑水虻生物转化后的虫体组分可能存在潜在的相关性。

2.2 养料组分对黑水虻转化性能的影响研究

黑水虻对厨余垃圾的取食速率取决于垃圾的粒径、含水率等因素，然而物料的营养组分同样是影响黑水虻规模化生产效益的重要因素，包括物料中蛋白、脂肪含量以及非纤维性碳水化合物[5]。通过将物料特性与产虫率、虫体蛋白及脂肪含量等评价黑水虻养殖效能的指标进行相关性分析，可以找到潜在的黑水虻养殖原料关键参数。如图4所示，物料的含水率、粒径、脂肪、总营养量对黑水虻高产虫率具有正向影响，物料的脂肪含量和碳氮比与虫体脂肪含量呈正相关（相关系数R=0.89）。以上结果表明，物料组分、粒径、营养比例等对黑水虻的生长过程具有显著影响。

2.2.1 养料主营养量对产虫率的影响

结合表1分析可得，不同物料的主营养量与黑水虻生物转化效能存在潜在关联。如图5所示，物料主营养量越大，黑水虻的产虫率基本维持在较高水平。其中，主营养量最高的养料为碟后固渣（73%），产虫率也为最大值。然而，同样具有高营养量的餐饮三相固渣，产虫率并未表现出明显优势。造成这一结果的主要原因是餐饮三相固渣的粒径过小，整体黏度较大、纤维组分较多，易发生团聚，不利于黑水虻快速取食，从而导致其整体转化效能较低。因此，高营养含量是实现黑水虻高性能转化的必要条件，同时物料的整体物理结构（粒径）也是重要影响因素之一。针对三相固渣高营养含量、低生物转化性能的问题，可通过与挤压固渣、二相固渣等粗物料进行混合，实现其高效协同转化湿垃圾固渣的潜力。

2.2.2 虫体营养组分转化效率分析

从图4可以看出，物料蛋白组分与虫体蛋白含量并未表现出显著相关性。黑水虻虫体的蛋白含量主要与其发育阶段有关，在3龄虫到5龄虫阶段，黑水虻的虫体蛋白含量逐渐升高。如图6所示，养料的主营养量与蛋白产率的变化趋势近似。

从图4可以看出，虫体脂肪含量与物料的粗脂肪含量、碳氮比之间具有显著的正相关关系。如图7所示，养料主营养量对脂肪产率的影响趋势与蛋白产率近似。此外，在相同工况下，不同物料养殖的黑水虻具有不同的发育速度，虫体积累的脂肪含量与发育速度呈正相关。因此，为提高黑水虻脂肪产率，在优化养殖工艺技术的基础上，可选用或混合含高油脂的物料。

3 结论

黑水虻生物转化技术是实现湿垃圾资源化的有效途径。使用厨余、餐饮垃圾及其固渣均可满足黑水虻的生长需求，但转化速率存在差异。厨余碟后固渣和餐饮二相固渣的黑水虻产率最高，而挤压固渣产率最低。物料的含水率、粒径、脂肪、总营养量对黑水虻高产虫率具有正向影响，物料的脂肪含量和碳氮比与虫体脂肪含量呈正相关关系。因此，建议通过混合不同固渣改善物料结构特性。针对三相固渣高营养含量、低生物转化性能问题，可通过与挤压固渣、二相固渣等粗物料进行混合，实现黑水虻高效协同转化湿垃圾固渣，具有较高的工程应用价值。面向黑水虻虫油利用产业，可通过优化养殖工艺技术，并选用或混合油脂含量物料，提高黑水虻虫体油脂的产率。

参考文献

1 何延昆，许炜婷.中国城市生活垃圾分类政策研究：基于46个试点城市的政策文本分析（2017—2022年）[J].生态经济，2024（3）：202-209.

2 常燕青，黄慧敏，赵振振，等.餐厨垃圾资源化处理与高值化利用技术发展展望[J].环境卫生工程，2021（1）：44-51.

3 李 鑫.黑水虻生长条件优化及处理餐厨垃圾的效能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，

2021：23.

4 强敬雯，王晚晴，唐曼玉，等.黑水虻转化厨余垃圾及产品应用相关研究进展[J].饲料工业，2023（6）：25-32.

5 HOPKINS I，NEWMAN L P，GILL H，et al.The influence of food waste rearing substrates on black soldier fly larvae protein composition： a systematic review[J].Insects，2021（7）：608.