利用黑水虻幼虫降解高含水率基质的工艺效率和通风要求

Abstract

利用黑水虻幼虫可以从有机废弃物中回收更多的可利用元素，但基质含水量＞80%对黑水虻幼虫的处理效率影响尚不清楚。

本研究评估了高含水量餐厨垃圾对黑水虻幼虫降解速率的影响，包括废弃物-生物质转化率、降解率、幼虫存活率以及将幼虫与虫粪进行干燥分离（含水量50%）所需的通风量等方面。

结果表明，随着水分含量的增加，幼虫的生物量转化率和存活率降低，从76%含水量的33.4%生物量转化率和97.2%存活率，下降到97.5%含水量的17.5%生物量转化率和19.3%存活率。

Materials and Methods

5日龄黑水虻幼虫（＞0.2cm长）

1）被动通风：

基质含水量为76%,84%和88%，养殖面积357cm²，幼虫700头/组，0.35g饲料/头/次，分三次投喂（第1、5、8天），开放房间内饲养15天。

2）主动通风：

基质含水量为90%,95%和97.5%，养殖面积2400cm²，幼虫5000头/组，0.08g饲料/头/次，每周5次投喂（周一~周四定量投喂，周五三倍量投喂，周末不投喂），3.2m³通风房间内饲养14天。

1）试验1测定各重复干物质(DM)和挥发性固体 (VS)含量，并测定各处理虫粪量。

2）试验2各处理仅记录虫粪湿重。

Results

1）两个处理组的幼虫密度一致，2头/cm²；

2）两个处理组饲料总投喂量一致，1.05g/头；

3）底料总深度不超过5cm。

1）WW基础上，随着基质含水量的增加，BCR显著降低，BCR与基质含水量呈负相关(R2 = 0.96, p ＜0.001)；

2）DM基础上的BCR与基质含水量之间也存在显著相关(p＜0.001)，但模型拟合较弱(R2 = 0.64)；

3）在DM基础上，材料减少量与基质含水量呈负相关(p＜0.05)(图b)。

1）在两个试验中，幼虫的存活率都受到底物含水量的负面影响(试验1的R2 = 0.86，试验2的R2 = 0.69)(图c）。

2）包括对照组在内，挥发性固体（VS）含量对幼虫的存活率和体重有显著影响， VS含量越大，幼虫的存活率和体重越高(图e-f;表3)。但是相同摄入量时，体重和存活率也受其他因素影响。

结合回归模型，可以发现即使提供相同数量的营养物质，基质含水量高依然导致生物质转化效率降低。说明给幼虫喂食的VS剂量对BCR有一定影响，但基质含水量的影响最为显著。

1）基质含水量和通风类型显著影响了养殖过程中底料的水分变化；

2）与被动通风相比，主动通风对水分的变化影响更大；

3）预计达到干燥分离的虫粪含水量为50%，而含水量高达90%的基质，即使主动通风，最终虫粪的含水量依然接近60%。

4）将实际幼虫存活率与基质含水量和总水分去除量(g/kg WW)的幼虫存活率预测模型值作图，得到了很好的拟合(p ＜ 0.05, R2 调整后= 0.64)(图a)。回归分析的幼虫重量与存活幼虫的对数VS剂量显示了显著的正相关(p ＜ 0.05, R2调整= 0.92)，即越高的VS剂量，越高的幼虫重量(图b)；

5）幼虫堆肥过程本身对最终残渣DM的影响很小，主要受通风影响，特别是对于含水量较高的基质。

Conclusion

1）水分含量的增加导致生物质转化率的降低和物质的减少；

2）幼虫的存活率随含水量的增加而降低，存活率较高时幼虫的体重随含水量的增加而降低，但随着存活率的降低而增加；

3）适当的通风可以使BSFL处理含水量为80 - 90%的基质。而对于含水量＞90%的基质，通风要求非常高。基质含水量由76%提高到97.5%，使WW处理的每公斤基质通风需求增加一倍。

本研究建立了一个模型来预测餐厨湿重与基质含水量之间的通风需求，该模型可以预测获得足够干燥的虫粪（含水量50%）所需的通风量，以便将幼虫从虫粪中干分离出来。

生物转化率(湿重,干重,挥发性固体)=消耗量(湿重,干重,挥发性固体) / 初始量(湿重,干重,挥发性固体)

水分挥发量=（初始料含水量 - 初始料干重×消耗料干重×50% - 初始料干重×料干重转化率×幼虫水分总含量）/初始料湿重    ——以上重量单位一致，g。

平均每kg空气可置换的水分质量g/kg = （出风口的相对湿度% × 出风口的水蒸气含量g/kg – 进风口的相对湿度% × 进风口的水蒸气含量g/kg），i个实验组的累计相加。

移除一定量水分所需空气质量kg = 所需水分减少量g / 平均每kg空气可置换的水分质量g/kg。

每小时所需通风量m³/h = 移除一定量水分所需空气质量kg / 平均温度下的空气密度kg/m³ × 实验持续时间h。

感谢原文作者的研究及分享：

Lalander C , Ermolaev E , Wiklicky V , et al. Process efficiency and ventilation requirement in black soldier fly larvae composting of substrates with high water content[J]. Science of The Total Environment, 2020, 729:138968.