餐厨垃圾含水率和碳氮比对黑...虫养殖过程中气体释放的影响_叶牧.pdf

叶牧，孔祥平，叶小梅，等 餐厨垃圾含水率和碳氮比对黑水虻幼虫养殖过程中气体释放的影响J 江苏农业科学，2023，51(4):220 225doi:10 15889/j issn1002 1302 2023 04032餐厨垃圾含水率和碳氮比对黑水虻幼虫养殖过程中气体释放的影响餐厨垃圾含水率和碳氮比对黑水虻幼虫养殖过程中气体释放的影响叶牧1，2，孔祥平2，叶小梅2，杜静2，王聪2，奚永兰2，张敏3(1 江苏大学，江苏镇江 212013;2 江苏省农业科学院畜牧研究所，江苏南京 210014;3 南京农业大学资源与环境学院，江苏南京 210095)摘要:近年来，利用黑水虻转化餐厨垃圾并生产饲料蛋白已经成为餐厨垃圾处理的重要途经。为了评估黑水虻养殖过程中气体排放对环境的影响，采用气体动态吸收采集方法考察不同初始物料含水率、碳氮比(C/N)对黑水虻幼虫转化餐厨垃圾过程中 NH3、温室气体释放的影响。结果表明，提高初始物料含水率、C/N 均可明显抑制 NH3的释放，NH3的总释放量最高分别可降低 53 71%、61 95%。物料含水率、C/N 对 CH4、N2O 释放的影响较小，不同养殖条件下的 CH4、N2O 释放量均较低。CO2的释放速率与虫体生长发育紧密相关，当 C/N 为 20 00 时，CO2的释放速率峰值可达(3 242 69 67 09)mg/h。从虫体生长角度看，当物料含水率为 70%、C/N 为 10 左右时更有利于幼虫生长，最佳条件下的总虫质量可达(1 16 0 01)kg，与 C/N 为30 00 的处理组相比，总虫质量提高了70 59%，幼虫粗蛋白、粗脂肪含量分别达到(35 36 0 21)%、(30 97 0 27)%。通过分析餐厨垃圾的基础理化特性对黑水虻养殖过程中气体排放的影响发现，不同初始物料含水率、C/N 对养殖过程中气体排放及幼虫生长的影响显著，研究结果可为大规模黑水虻养殖过程中环境影响评估和臭气控制技术开发提供理论支撑。关键词:黑水虻;餐厨垃圾;物料特性;氨气;温室气体中图分类号:X71文献标志码:A文章编号:1002 1302(2023)04 0220 06收稿日期:2022 03 31基金项目:江苏省农业科技自主创新资金 编号:CX(21)1008。作者简介:叶牧(1997)，男，安徽芜湖人，硕士，主要从事有机废弃物生物转化方面的研究。E mail:825066731 qq com。通信作者:叶小梅，博士，研究员，主要从事有机废弃物能源化利用方面的研究。E mail:yexiaomei610126 com。目前，我国城市有机废弃物年产量已达 16 亿 t，有机废弃物资源循环利用对经济、环境的可持续发展具有重要意义。我国有机废弃物的处置主要遵循“减量化、无害化、资源化”的原则1，处理有机废弃物的主要方式为焚烧、填埋、厌氧发酵及好氧堆肥。近年来，利用昆虫(黑水虻、蝇蛆和黄粉虫等)转化有机废弃物来生产饲用蛋白、油脂表现出了显著的经济效益优势2。亮斑扁角水虻(Hermetia illucens L)俗称黑水虻，属双翅目水虻科，是一种起源于南美草原的食腐性昆虫 3。研究发现，黑水虻幼虫体内含有 32%58%蛋白质和 15%39%脂质，其在畜禽、水产饲料添加剂领域有着广阔的市场前景。由黑水虻转化形成的虫粪可进行二次堆肥，形成富含腐殖质的有机肥产品4 7。利用黑水虻转化有机废弃物具有转化周期短、资源利用效率高和经济效益显著的特点。例如，餐厨垃圾经过黑水虻转化7 9 d，可产出200 250 kg/t 幼虫、100 150 kg/t 虫粪有机肥，餐厨垃圾综合经济效益可达 600 800 元/t。目前，黑水虻转化有机废弃物的研究主要集中在不同有机废弃物对虫体生长和营养组成的影响、微生物与黑水虻协同降解有机废弃物、黑水虻源蛋白饲料对动物生长性能的影响等方面。为了评估黑水虻养殖过程中的碳排放潜力及其对环境的影响，Ermolaev 等在 0 036 m2小规模养殖盒中研究黑水虻转化废弃食物过程中温室气体、氨气的释放情况，发现在小规模转化过程中并未检测到氨气的释放8。Parodi 等基于物质平衡计算研究了黑水虻养殖过程中温室气体和氨气的释放情况，结果表明，由氨气释放而损失的氮素占总氮质量的 1%9。在实际生产过程中初始物料的营养组成、含水率是决定黑水虻转化物料效率的关键因素10，黑水虻依据物料特性来调节其生长、代谢速率4，8。Rehman 等用牛粪和豆腐渣的混合物来调节基质的碳氮比(C/N)，由此进行黑水虻的转化，结果表明，将 2 种特性互补的废弃物混合饲喂黑水虻有助于降低废022江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期弃物的质量，同时提高幼虫的生长速率11。传统堆肥过程中的含水率、C/N 是影响堆肥进程的关键因素，其对堆肥中微生物的生长代谢活动及最终的肥料品质具有决定性作用。物料含水率、C/N 同样对黑水虻生长、微生物繁殖及餐厨垃圾的生物转化起着至关重要的作用。本研究拟考察餐厨垃圾初始含水率、C/N 对黑水虻养殖过程中气体排放的影响，以期为黑水虻转化有机废弃物过程中的气体治理技术开发提供理论依据。1材料与方法1 1试验材料试验于 2021 年 67 月在江苏省农业科学院畜牧研究所进行。亮斑扁角水虻虫卵和黑水虻虫粪均由江苏省农业科学院畜牧研究所提供，黑水虻幼虫经多个世代继代养殖。餐厨垃圾由南京贝克依环保科技有限公司提供，经匀浆机处理后的餐厨垃圾含水率为 73%。稻壳来自江苏省农业科学院试验田种植的水稻，用粉碎机粉碎，经 20 目筛网筛分后存于阴凉处备用。相关试验原料的理化特性见表1。1 2试验方法取当日收集的黑水虻虫卵，置于温度为 30、相对湿度为70%的恒温恒湿孵化箱中孵化3 d 以获得黑水虻幼虫虫苗。以按质量比 7 3 配制的麦麸和玉米粉混合物料(含水率为 65%)作为开口料饲养黑水虻幼虫虫苗。将幼虫虫苗养殖 4 d 后作为转化餐厨垃圾的虫苗。采用下底长 40 cm、宽 28 cm、高 22 cm 的蓝色养殖盒开展餐厨垃圾转化试验。在含水率(HSL)组内盒中加入 6 kg/盒餐厨垃圾，并加入适量稻壳粉或纯水来调节物料含水率，本试验共设置 65%、70%、75%3 个含水率试验组。碳氮比(TD)组按不同碳氮比加入 6 kg/盒餐厨垃圾和淀粉的混合物料，本试验共设置 3 个碳氮比试验组，分别为 11 61(原始餐厨)、20 00、30 00，每个处理分别设置 3 个平行，具体试验参数设置见表 2。养殖物料为餐厨垃圾或餐厨垃圾和淀粉的混合物。表 1餐厨垃圾、稻壳粉的初始理化性质试验材料电导率(EC 值)(mS/cm)pH 值有机质含量(%)总氮含量(%)总钾含量(%)总磷含量(%)含水率(%)C/N餐厨垃圾4 0540991732870293 63730011 61稻壳粉94530470110 321343表 2各处理组初始物料的梯度设置处理组编号含水率(%)投虫密度(头/kg)C/N养殖物料用量(kg/盒)含水率组HSL 1651 7006HSL 2701 7006HSL 3751 7006碳氮比组TD 1701 70011 616TD 2701 70020 006TD 3701 70030 006注:投虫密度为 1 kg 餐厨垃圾中投入的黑水虻幼虫总数。1 3测试指标使用如图 1 所示设备采集气体样品，将 4 个气泵连接密闭养殖箱的 4 个进气口，将 1 个出气口连接流量计，由橡胶管通入吸收液中进行气体的吸收。采用 0 001 mol/L 硫酸溶液连续吸收 1 h，用于测定氨气释放量，并用纳氏试剂分光光度法测定、分析吸收液中的 NH3浓度。在氨气吸收完成后继续 使 用 500 mL 真 空 气 袋12 通 过 流 量 计 以0 8 L/min 的速度采集30 s(400 mL 气体)，通过气相色谱采用热导检测器检测 CO2浓度，分别用电子捕获检测器、火焰离子化检测器检测 N2O、CH4的浓度。2结果与分析2 1含水率、碳氮比对 NH3释放的影响含水率不仅会影响转化体系中的微生物种类、活性，还会影响物料中的氧气含量、温度13。由图2 可以看出，不同含水率的物料对转化过程中 NH3释放速率的影响明显。各处理组的 NH3释放速率122江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期在转化过程中呈现出逐渐提高的趋势，HSL 1 组的 NH3释 放 速 率 在 转 化 6 d 后 达 到 峰 值，为27 887 72 g/h。物料温度在试验后 6 d 迅速提高到(44 5 0 41)，NH3的快速释放可能由于HSL 1 组在转化过程中的温度迅速提高(图3 A)。由于 HSL 1 组中的物料含水率为 65%，加速了自然堆肥的进程，促进了物料升温，物料中的含氮有机物被微生物快速降解为铵态氮并进一步转化为NH3。到转化后期，HSL 2、HSL 3 组的温度才逐渐超过40，同时产生大量 NH3，由此可见，NH3的释放与转化过程中物料的温度密切相关，调节初始物料的含水率可以延缓物料升温，进而抑制了 NH3的释放。同时，黑水虻转化有机废弃物过程中的物料 pH 值逐渐升高，转化中后期的物料 pH 值可达 9左右，碱性物料、高温环境促进了氨气的释放。Pang等也发现，物料 pH 值的提升是促进 NH3排放的主要原因9。此外，NH3释放速率变化曲线表明碳氮比对NH3排放影响较明显，各处理组在试验过程中均呈现出先升后降的趋势(图 2)。在转化后 12 d，NH3释放速率开始下降，TD 1 组的 NH3释放速率明显高于 TD 2、TD 3 组，TD 1 组的氨气释放速率最高达到 10 373 63 g/h，而 TD 2、TD 3 组的氨气释放速率最高分别达到 2 767 1、5 231 11 g/h，物料 C/N 的提升降低了 NH3的排放速率。各处理组的温度峰值分别达到(41 5 0 24)、(37 0 41)、(33 0 41)(图 3 B)。2 2含水率、碳氮比对 CO2释放的影响由图 4 可以看出，含水率对黑水虻转化餐厨垃圾过程中 CO2释放速率变化的影响非常显著，HSL 1 组的 CO2浓度在转化后7 d 达到峰值，可能由于较低的含水率(65%)易导致自然堆肥快速启动，使微生物快速增殖并产生大量的 CO2。其他试验组 CO2浓度的变化趋势较为平缓，可能是由于高含水率的餐厨垃圾抑制了自然堆肥过程和黑水虻的代谢活动，从而减少了 CO2的产生。与不同含水率组 CO2的释放速率趋势不同，不同碳氮比对黑水虻转化餐厨垃圾过程中 CO2释放量的影响与对氨气释放量的影响相似。TD 2 组的CO2释放速率峰值可达(3 242 69 67 09)mg/h(图 4)，分别比 TD 1、TD 3 组的 CO2释放速率峰值高 79 55%、54 11%。合适的 C/N 有利于黑水虻和转化体系中微生物的生长代谢，进而使得 CO2释放速率提高。2 3含水率和碳氮比对 CH4释放的影响由图 5 可以看出，在黑水虻转化餐厨垃圾的过程中，CH4释放速率均为 0 5 mg/h 左右，并出现多个峰值，最大速率峰值由高到低分别为 HSL 3、HSL 2、HSL 1 组。初始物料含水率过高，造成物料中下层处于厌氧状态，导致试验初期产气中的CH4释放速率较高。随着幼虫的不断蠕动，使物料222江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期变得蓬松，增加了物料中的氧气含量，减少了厌氧区域，从而抑制了产甲烷菌的活性，最终导致 CH4释放速率逐渐降低。由图 5 还可以看出，不同碳氮比对黑水虻转化过程中 CH4的释放均没有明显影响，CH4释放速率的变化趋势也基本一致，在转化后6 d 达到最大值，碳氮比为 11 61、20 00、30 00 时甲烷释放速率的最大值分别为(0 49 0 018)、(0 48 0 023)、(0 48 0 049)mg/h。2 4含水率和碳氮比对 N2O 释放的影响由图 6 可以看出，不同含水率对黑水虻转化餐厨垃圾过程中 N2O 释放速率的影响较小