响应面法优化黑水虻处理餐厨垃圾工艺参数研究

摘要：为了利用黑水虻高效处理餐厨垃圾，提高资源化率，以黑水虻幼虫产量为响应值，利用响应面法，在Plackett-Burman（PB）试验基础上，通过Box-Behnken（BB）试验对环境温度、处理料含水率、日投料量、投放空间、初始虫龄、处理料透气性6个参数进行优化。PB试验结果表明，对黑水虻幼虫产量影响显著的因素依次为处理料含水量、环境温度、日投料量、投放空间和起始虫龄；BB试验结果表明，最佳幼虫产量条件为环境温度28 ℃，处理料含水量75%，日投料量26 g·千头-1幼虫，投放空间1 443 cm3·千头-1幼虫，初始虫龄6日龄；在此条件下可获得最大幼虫产量，达243.78 g，与模型预测值（243.82 g）相对误差较小，表明响应面法可以准确优化工艺参数。以上研究结果为黑水虻处理餐厨垃圾的生产实践提供理论依据。

关键词：响应面法；黑水虻；餐厨垃圾；工艺参数；优化

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0283

中图分类号：S185，X71

文献标志码：A

文章编号：1008‑0864（2025）01‑0241‑09

餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高，我国生活垃圾产生量也逐年破新高，其中餐厨垃圾的占比约为60%[1]，2017年已达上亿吨[2]。餐厨垃圾含水率高，有机质含量高，可生化性较好，易变质，在处理过程中易产生渗滤液、恶臭和有毒气体，其中病原体、寄生虫和虫卵等会对人类健康造成潜在威胁，且易造成二次污染[2‑3]。餐厨垃圾处理已逐渐成为目前垃圾处理的焦点问题。发达国家对餐厨垃圾的管理和处理有相对完善的系统和体制，已经基本实现餐厨垃圾源头减量化和无害化处理[4-7]。我国在生活垃圾处理方面尚处在初级阶段，目前还以传统的填埋、焚烧为主[8]。《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》要求力争城市基本建立餐厨垃圾回收和再生利用体系，该规划建设完成后我国城镇餐厨垃圾无害化、资源化处理率仅达36%[2]。餐厨垃圾处理能力仍需进一步提升，一方面是餐厨垃圾产生量的快速增长，另一方面是无害化处理能力及水平仍相对不足，大部分城镇的餐厨垃圾难以实现无害化处理，餐厨垃圾收集率及处理率亟待提高。因此，亟需寻求多元的、符合我国国情的解决途径。

黑水虻（Hermitia illucens）属于双翅目水虻科，幼虫营腐生生活，食谱非常广泛，在全球热带和亚热带的大部分地区都有分布，因其繁殖能力强，营养需求低，安全性高，幼虫、蛹蛋白质含量高，可将生物质废弃物转化为优质昆虫蛋白，被视为环境资源昆虫[9-11]。由于利用黑水虻转化处理餐厨垃圾可实现垃圾减量化、无害化、资源化的完美统一，我国对餐厨垃圾处理方式也由卫生填埋逐渐向餐厨垃圾无害化、资源化、源头减量化方向发展，黑水虻处理餐厨垃圾产业化、规模化应用前景看好[11‑12]。目前，对黑水虻的研究主要集中在生物质废弃物处理和再生资源进一步开发应用，而对如何提高餐厨垃圾资源化率方面还未见系统研究报道。基于黑水虻在生物质废弃物处理领域的应用前景，本研究利用响应面法，以幼虫产量为响应值，对黑水虻处理餐厨垃圾过程中主要影响参数进行优化，以期为生产实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用黑水虻由吉林农业大学生物防治所臧连生教授提供，产卵12 h内采集卵块，孵化后在25 ℃条件下用新鲜豆渣饲养，相对湿度控制在（50%±1%）。处理料取自学生食堂的餐余物，在80 ℃烘箱烘干至恒重，装入自封袋密封，4 ℃冰箱保存备用。根据试验设计调制处理料的含水量，干料加水搅拌均匀后，静置12 h使之完全浸润后使用。试验在自动控制温度±0.5 ℃和湿度±1%的生态室（1.8 m ×1.6 m ×2.0 m）内进行。

1.2 试验方法

1.2.1 Plackett-Burman（PB）试验

采用Design-Expert 12软件展开PB试验设计[13]。以黑水虻幼虫产量（Y）为响应值，影响黑水虻幼虫产量的环境温度（x1）、处理料含水率（x2）、日投料量（x3）、投放空间（x4）、初始应用虫龄（x5）和处理料透气性（x6）为主要考察因素，每个因素选取高（1）、低（-1）2个水平（表1），筛选对响应值影响显著的因素。

1.2.2 Box-Behnken（ BB）响应面试验

采用Design-Expert 12软件展开BB试验设计[13]。依据PB试验结果，以显著影响黑水虻幼虫产量（Y）的自变量x1、x2、x3、x4、x5为考察因素，每个因素选取高（1）、中（0）、低（-1）3个水平值。BB试验设计见表2。

1.3 数据处理

利用Design-ExpertV12 软件进行统计分析及制图；利用自变量编码方程计算最佳参数组合值。

Xi=（xi-x0）/Δxi （1）

式中，Xi为自变量的编码值，xi为自变量的实际水平值，x0为试验水平中心点实际值，Δxi为单变量增值。

2 结果与分析

2.1 PB 试验结果分析

基于PB 设计原理，试验结果见表3。经Design-ExpertV12软件逐步回归分析，获得对黑水虻幼虫产量（Y）的多元一次回归方程如下。

Y=80.13+26.31 x1+28.03 x2+25.86 x3+11.47 x4+6.59 x5 （2）

对回归方程进行方差分析，结果如表4 所示。回归模型项Plt;0.000 1，影响极显著；失拟项P=0.057 5gt;0.05，影响不显著；R2=94.22%gt;85%，表明该方程可靠，所得试验模型拟合度较好，可以用该回归方程代替试验的真实数据点来计算上述供试变量与黑水虻幼虫产量。R2Adj=0.921 8，表明通过本试验数据所建立的模型可以解释总体中92.18% 的幼虫产量与供试因素间的变化关系，误差在允许范围内，因此，可以用来模拟实际情况对本试验的结果进行分析和预测。

由回归方程系数显著性检验结果（表5）可知，供试6个因素中有5个因素对响应值影响显著（Plt;0.05），其中，环境温度（x1）、处理料含水量（x2）、日投料量（x3）和投放空间（x4）对幼虫产量影响均极显著（Plt;0.01）；起始虫龄（x5）对幼虫产量影响显著（Plt;0.05）；处理料透气性（x6）对响应值的影响不显著。

2.2 BB 响应面试验结果分析

2.2.1 响应面试验结果

基于BB中心复合设计响应面试验，结果见表6。根据结果建立回归方程预测模型，并对响应面试验结果进行多元线性回归及二项拟合分析，得出回归方程如下。

Y=243.47+1.61x1+0.76x2-0.83x3+1.98x4+0.68x5-0.60x1x3-0.13x1x4+0.12x1x5-0.33x2x3+1.35x2x4-0.90x3x4-0.25x3x5+1.88x4x5-14.68x12-6.48x22-3.51x32-7.00x42-2.22x52 （3）

由表6可知，最大幼虫产量值（243.74 g）对应各因素的编码均为中水平，将对应的各因素实际值代入自变量编码方程，获得最优参数组合为：环境温度28 ℃，饲料含水量75%，日投料量26 g·千头-1幼虫，投放空间1 443 cm3·千头-1幼虫，起始虫龄6日龄。

对回归方程进行方差分析（表7），得R2＝0.989 7，表明该方程可靠，所得试验模型拟合度好，可以用该回归方程代替试验的真实数据点，描述各变量和响应值（幼虫产量）之间的关系。R2Adj＝0.981 5，表明通过本试验数据所建立的模型可以解释总体中98.15%的幼虫产量的变化，所选因素基本涵盖了所有主要影响因素，可以用来模拟实际情况，并对本试验的结果进行分析和预测。5个因素的一次项、二次项和x2 x4、x2 x5、x4 x5交互项，对响应值均影响极显著（Plt;0.01）。

2.2.2 响应面交互作用分析

利用Design Expert12软件绘制不同因子交互作用响应面图（图1）。图中曲面越陡（等高线图越趋于圆形），说明2个因素间的交互作用对响应值的影响越大；曲面越平展（等高线图越趋于椭圆形），说明2个因素间的交互作用对响应值的影响越小。根据图1 显示结果，结合方差分析表7中的P 值，可获得2个因素间的交互作用对响应值影响由大到小依次为：投放空间和起始虫龄gt;处理料含水量和起始虫龄gt;处理料含水量和投放空间；其他因素两两间的相互作用对响应值的影响均不显著。

2.3 验证试验结果分析

为更好地服务生产，在最佳参数组合环境温度28 ℃、饲料含水量75%、日投料量26 g·千头-1幼虫、投放空间1 443 cm3·千头-1 幼虫、起始虫龄6日龄条件下进行验证试验，3次重复获得黑水虻幼虫产量为243.78 g，理论值为243.82 g，相对误差0.016%（lt;5%），理论值接近实际值，说明该模型具有较好的拟合性，响应面法可以较好地优化黑水虻处理餐厨垃圾工艺参数。

3 讨论

黑水虻生物处理技术是近年发展起来的餐厨垃圾减量化与资源化处置方法。利用黑水虻幼虫处理餐厨垃圾生产工艺受多种因素的影响，探索其最佳工艺参数，更好地实现餐厨垃圾的减量化和资源化是目前餐厨垃圾处理领域的研究热点[14]。单因素或二因素对生物处理的研究较多，而多因素综合作用的研究较少。Chia等[15]研究认为，无论是低温还是高温都会抑制黑水虻幼虫生长，最适宜的温度应为25～30 ℃。Logan等[16]研究表明，温度为26～27 ℃、幼虫密度为1.0～2.5只·g-1是黑水虻幼虫最适生长温度和虫口密度。赵春波[17]研究表明，含水率80%餐厨垃圾黑水虻幼虫生长速度最快；喻国辉等[18]研究认为，最适合黑水虻幼虫的人工饲料的含水量应在70％～80％。徐齐云等[19]研究指出，温度30 ℃、相对湿度60%最佳；张家宝等[20]研究认为，餐厨垃圾的含水率应该保持在80％左右，温度应保持在25～30 ℃最宜。本研究表明，环境温度28 ℃、饲料含水量75%、日投料量26 g·千头-1幼虫、投放空间1 443 cm3·千头-1幼虫、起始虫龄6日龄为最佳参数组合，其中环境温度和处理料含水率与上述报道结果相吻合。不同学者研究结果存在一定差异，符合不同温、湿度组合对生物影响可以达到相似效果，即温湿度系数原理。除上述影响因素外，影响因素可能还包括pH、重金属、盐度、辣度等，其中有些因素影响情况还不明确，需要进一步探讨。

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基金项目：吉林省教育厅“十三五”产业化项目（JJKH20200519KJ）；大学生创新创业训练计划项目（2023YDCXCY067）。