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好文推薦 | 黑水虻轉化處理廚余垃圾技術現狀與發展

分類:固廢觀察    發布時間:2022年6月6日 8:38    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:固廢觀察公眾號

但由于黑水虻早期養殖基本為散養狀態,缺乏科學有效的養殖工藝,養殖效率低、效果差,因此大規模市政工程實施仍存在較多技術瓶頸:如孵化、飼喂和產品加工等環節的規模化有待進一步突破、全流程自動化水平有待提升、原料變化帶來的產品不穩定性以及銷售出路不確定、規模化養殖安全性不明晰等問題。


作者簡介?   

歐陽創  碩士,高級工程師,現任上海環境院研究中心副總工程師。

馬 聰  博士,現任上海城投老港基地管理有限公司副總工程師。

周永泉  碩士,助理工程師,現任上海環境院研究中心項目工程師。


一、作為一種小微昆蟲,黑水虻的生物特性是怎什么樣的?如采用人工養殖,對生長條件有什么特別需求?


(一)黑水虻的生物特性


黑水虻生活史一般分為蟲卵、幼蟲、預蛹、蛹、成蟲5個階段(如圖1所示),通常世代周期30~35d。幼蟲分為5個齡期,自3齡期后食量開始明顯增大,5齡預蛹體表顏色從乳白色逐步變為深褐色,并從食料中遷出,尋找隱蔽、干燥和有縫隙的地方等待羽化。黑水虻成蟲的平均壽命約為4-6天,完成交配和產卵,以繼續下一個生命周期。

圖1  黑水虻的生活史周期

(圖片來源文獻:安新城, 黑水虻的生物學特性及營養價值. 養殖與飼料, 2007(11): p. 67-68.)


研究表明,黑水虻幼蟲的營養價值較高,營養組成具有一定的可塑性。分析表1數據可知,其體內特定營養組分的含量高低可通過調節其采食的有機廢棄物的營養來實現。黑水虻烘干蟲粉中粗脂肪、鈣和灰分的含量受到采食底物的影響較大,而蛋白質和氨基酸組成則相對比較穩定。雖然幼蟲的氨基酸總含量低于黃粉蟲、蠅蛆、桑蠶蛹的氨基酸含量,但氨基酸如賴氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、纈氨酸和酪氨酸含量較高,可通過優化飼料配方增加飼料氨基酸含量,并不影響作為動物飼料蛋白的品質。

表1  采食不同底物黑水虻與豆粕和魚粉的營養成分含量(%)比較


迄今為止,沒有報告的數據表明黑水虻是疾病的傳播媒介,安全性較高。幼蟲自身提供的大量脂肪儲存減少或消除了成蟲喂養和傳播任何潛在疾病的必要性。有研究顯示,黑水虻幼蟲無機污染物指標與微生物污染物指標均符合《飼料衛生標準》(GB 13078-2017)的要求,同時經處理后的蟲糞可作為有機肥,有機質和總養分含量均高于《有機肥料標準》(NY525-2012)的技術要求,具有較高的肥效,能促進植物生長。但針對濕垃圾飼養黑水虻幼蟲作為飼料原料及蟲糞作為有機肥使用的安全性還需要持續開展深入跟蹤研究。


(二)黑水虻的飼養條件


影響黑水虻生長的條件主要包括光照、溫度、濕度、飼養基質(油脂、鹽分、含水率、蛋白質和碳水化合物比值、起始pH)等。如何通過改善飼養條件,提高黑水虻幼蟲產出率是相關研究的重點。

光照,黑水虻是一種日行性昆蟲,陽光是誘導黑水虻成蟲交配的重要環境因素,可通過不同補光層模擬太陽光照,促進黑水虻人工種蟲繁育效率;溫度,被認為在黑水虻的生長中起著重要作用,其中最佳溫度范圍在25°C和30°C之間;含水率,喻國輝等多人研究均表明,飼料的含水率在70%~80%時,幼蟲對飼料轉化效率最高;碳氮比,黑水虻更適合于C/N < 20:1的范圍。我國的飲食習慣導致食物垃圾中留下了很大比例的碳水化合物,這使得家庭廚余垃圾C/N一般都高于20:1;鹽分,黑水虻幼蟲存活率在氯化鈉含量3.0%以內差異不顯著(P>0.05),但濕垃圾中由于鹽分較高,會導致黑水虻蟲糞含鹽量高,影響蟲糞的利用,需要通過水洗、脫水等措施降低濕垃圾中鹽分含量,以提高產品品質;pH,黑水虻的最適生長環境pH值范圍為6~10。濕垃圾經過水解過后pH值較長時間處于4.0~5.5的酸性范圍,應調節其pH值到中性至弱堿性環境,可增強黑水虻的生長代謝,并且有助于油脂類物質的堿性水解。


二、目前黑水虻處理廚余垃圾產業的發展還存在哪些具體的瓶頸?


(一)黑水虻人工種蟲繁育困難


黑水虻種蟲交配產卵穩定是實現黑水虻養殖產業化的前提,盡管黑水虻單雌成蟲產卵量很高,但因在自然條件下種蟲交配率低、形成受精卵的比例低,特別是冬春兩季,導致收獲的蟲卵無法滿足生產所需。黑水虻種蟲交配繁育困難成為制約黑水虻產業化快速發展的關鍵。

圖2  黑水虻蟲卵


(二)黑水虻周年化和規模化養殖技術尚不成熟 


黑水虻的養殖受環境條件(尤其是溫度)的影響很大,不同氣候環境條件下實現周年化、規模化養殖,首先要滿足黑水虻生長各階段過程中對溫度、濕度和光照等環境因素的需求;其次還要加大對養殖自動化、機械化設備的研發力度,如立體養殖設備和蟲糞分離設備等,提效降本;此外,還需要實現整個養殖工藝的模塊化、標準化,并培養足夠數量的專業技術人才。目前國內外都加大了對黑水虻周年化和規模化養殖技術開發的投入,很多企業對黑水虻處理有機廢棄物項目盈利預期高,但他們不得不面臨黑水虻養殖生產穩定性差、效率低等問題。黑水虻周年化和規模化養殖技術尚不成熟。

圖3  黑水虻養殖設備


(三)黑水虻養殖產品下游進展緩慢 


豆粕和魚粉產量增長受限,多依賴進口,價格波動較大,尋找質優價廉的替代蛋白產品已迫在眉睫。黑水虻作為一種可持續供給的新型動物蛋白原料,能夠提供水產和畜禽動物所需的蛋白和能量。目前黑水虻在國外的產品形式多為脫脂蟲粉,而國內有全脂蟲干、脫脂蟲干、蟲油和蟲漿發酵產品等應用形式,未有統一的產品質量標準。需要建立起更多研究、試驗數據支撐的黑水虻飼用效果數據庫,才能逐步實現黑水虻標準化、大規模的應用和推廣,進一步提升其飼用價值。黑水虻養殖產業化剛剛起步,市場供應鏈不完善,目前大部分養殖企業均還處在市場探索的階段,黑水虻產品銷售市場渠道還未打通。黑水虻作為有機廢棄物資源化利用的下游產物,在水產和畜禽養殖領域的推廣應用需要產學研緊密合作,共同努力推動才能逐步達成。

圖4  黑水虻產品展示


三、談談黑水虻生物轉化廚余垃圾技術未來主要發展方向


以黑水虻為生物媒介的有機廢棄物生物轉化系統,正在嘗試打破常規以微生物降解為核心的固有處理技術格局。自從歐盟2015/2283和2017/893號條例允許在水產養殖飼料中使用黑水虻作為飼料蛋白源后,全球食品和飼料行業對以黑水虻為代表的資源昆蟲的開發利用進入了快速發展階段。為了充分發揮黑水虻作為有機固廢處理新模式和新型飼料原料的優勢,未來可圍繞以下幾個方面開展相關研究。


(一)黑水虻人工種蟲繁育技術研究


解決蟲源不足的關鍵是找到一種可以促進黑水虻穩定交配產卵的人工光源,從而解決連續陰雨天及室內大規模養殖時所需的光照問題,打破困擾多年的黑水虻人工育種繁殖困難的技術瓶頸。近期已有研究人員研制出低能耗、長壽命的LED補光燈,通過不同光層模擬太陽光照,促進黑水虻交配產卵,可顯著提高黑水虻人工種蟲繁育效率。


(二)建立標準化生產模式,逐步實現黑水虻工廠化生產


黑水虻工廠化生產是集自動化、機械化、規模化和標準化于一體的,不受季節影響的連續、高效養殖模式。隨著勞動力成本不斷上升、黑水虻工廠化生產將成為黑水虻養殖產業發展的必由之路。未來需要持續加大研發投入,逐步建立完整的黑水虻人工繁育、環境控制、防病防疫等技術體系,使黑水虻全產業鏈能夠實現標準化和可控操作,從而為后續固體有機廢棄物規模化處置、黑水虻產品開發和深加工以及市場的大范圍推廣奠定堅實的基礎。


(三)加大黑水虻在水產和畜禽飼料產品中的研究和開發力度


黑水虻幼蟲和預蛹作為具有生物活性的優質功能蛋白和脂肪來源,可作為魚粉、豆粕和血漿蛋白粉等傳統飼料蛋白源的補充。未來的研究重點包括:1、在滿足黑水虻存儲和運輸要求的前提下,加強黑水虻幼蟲產品加工工藝的研究,如酶解和發酵工藝,以提高其在水產和畜禽動物中的應用效果;2、進一步探究黑水虻制品在水產和畜禽動物中使用時的營養成分消化效率和能值,為其作為蛋白飼料源應用提供更多基礎數據;3、充分考慮配方的氨基酸平衡和脂肪酸組成,探究黑水虻不同制品在水產和畜禽不同品種或生長階段中的最佳應用形式與添加量;4、探究黑水虻制品及其不同組分在水產和畜禽動物中的應用效果和作用機制,特別是在免疫保護和抗應激方面的作用,為其深度應用提供理論依據和技術支持。


四、《老港固廢環保科創中心實證項目-濕垃圾生物資源化技術集成示范》科研實證項目簡介


上海城投(集團)有限公司目前設立的《老港固廢環保科創中心實證項目-濕垃圾生物資源化技術集成示范》科研實證項目,將依托上海生物能源再利用(二期)項目建設50噸/日的濕垃圾三相固渣養殖黑水虻示范工程,獲取黑水虻處置濕垃圾全過程一手數據,系統評估項目可行性。

該項目開展以黑水虻為代表的濕垃圾生物轉化關鍵技術及裝備集成示范研究,形成蟲卵孵化、自動化養殖、蟲源蛋白高效轉化與高值利用、蟲沙生物強化成肥、臭氣精準控制、蟲體全流程防逃逸、生態風險控制等全過程關鍵技術,建立不小于50t/d的示范工程,構建濕垃圾生物資源化轉化標準。項目的開展有望促進濕垃圾現有處理資源化技術的升級優化,通過開展濕垃圾養殖黑水虻自動化核心技術工藝設計、關鍵設備系統集成、工程調試運行等研究,掌握核心技術、形成關鍵標準,解決黑水虻處理濕垃圾產品品質不穩定、設備自動化程度不高等技術瓶頸,提升黑水虻規模生產的可靠性,為濕垃圾養殖黑水虻產業起到領先示范效果和提供借鑒。


來源 | 上海環境衛生工程設計院
作者 | 歐陽創、馬聰、周永泉
編輯 | 匡宋堯

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