餐厨垃圾生物转化效率及其残渣肥料化利用潜力

引用格式：饶中秀，黄凤球，董春华，等. 餐厨垃圾生物转化效率及其残渣肥料化利用潜力[J]. 湖南农业科学，2023（5）：70-73，77.　DOI:
DOI:10.16498/ki.hnnykx.2023.005.016
餐厨垃圾具有危害性和资源性并存的特点，其传统利用方式，如作为潲水（泔水）饲喂动物或焚烧、填埋等，存在较多弊端。

近年来，随着人们环保意识的提升和垃圾分类工作的推进，餐厨垃圾无害化、资源化利用逐渐引起各界关注。

目前，国内外在餐厨垃圾厌氧发酵工艺[1-2]、堆肥利用技术[3-4]等方面取得了一定的研究成果，但我国对餐厨垃圾处理利用的研究起步较晚，目前仅有19.5%的餐厨垃圾得到有效处理和利用[5]，相对发达国家而言仍处于较低水平，其综合高效与资源化利用技术仍然短缺。

利用昆虫对餐厨垃圾进行生物转化，具有环保和经济2大优势，其速度快、降解性强且具有高附加值，近年来发展迅速[6]。

亮斑扁角水虻（Hermetia illucens L.）即黑水虻，为腐生性水虻科昆虫，其幼虫对易腐有机物质有较强的取食与消化降解能力，在有机废弃物处置领域具有较大应用潜力[7-8]，其生物转化技术被认为是解决我国餐厨垃圾资源化利用困境的重要方法[9]。

蝇蛆为家蝇（Musca domestica）幼虫，主要取食粪便及腐败物质，是动植物有机质分解转化的天然生物反应器，可实现餐厨垃圾的高效快捷降解转化。

已有研究表明，黑水虻幼虫和蝇
餐厨垃圾生物转化效率及其残渣肥料化利用潜力 
饶中秀，黄凤球，董春华，李龙涛，褚　飞
（湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125）
摘　要：为明确餐厨垃圾的生物转化效率及其残渣的肥料化利用潜力，分析探讨了通过养殖蝇蛆和黑水虻幼虫降解餐厨垃圾的料虫转化率、养分转化率、残渣理化性质、盐分残留量及养分资源供给能力等。

结果表明：蝇蛆和黑水虻幼虫的料虫转化率约10%；蝇蛆对餐厨垃圾的养分转化率在12.53%~29.45%之间，养分转化率高低表现为钾＞氮＞有机质＞磷，而黑水虻幼虫对餐厨垃圾的养分转化率在14.64%~41.94%之间，养分转化率高低表现为钾＞磷＞氮＞有机质；蝇蛆和黑水虻幼虫虫体中氮、磷、钾总含量在12%左右，蛋白质含量分别为58.88%和47.56%。

生物转化后残渣pH值接近中性，氮、磷、钾总养分含量＞8%、有机质含量＞50%，均满足有机肥料标准要求且活性有机质含量较高；残渣中含有少量钠盐和氯离子，应尽量避免长期直接施用带来的潜在风险。

关键词：餐厨垃圾；蝇蛆；黑水虻；生物转化；肥料化
中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2023）05-0070-04 B ioconversion Efficiency of Kitchen Waste and Fertilizer Utilization Potential of Its
Bioconversed Residues
RAO Zhong-xiu, HUANG Feng-qiu, DONG Chun-hua, LI Long-tao, CHU Fei
（Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, PRC）
Abstract：To determine the bioconversion efficiency of kitchen waste and the fertilization potential of correspondingly bioconversed residues, our experiment has investigated and analyzed the waste-insect conversion rates and the nutrient conversion rates of housefly larvae and black soldier fly larvae to kitchen waste, and the physicochemical properties, sodium salt and chloride ion contents, and nutrient supply capacity of the bioconversed residue of kitchen waste. The results indicated that the waste-insect conversion rates of housefly larvae and black soldier fly larvae to kitchen waste were about 10%. The nutrient conversion rate of housefly larvae to kitchen waste was 12.53%-29.45% in order of K>N>OM>P, and that of black soldier fly larvae was 14.64%-41.94% in order of K>P>N>OM. In housefly larvae and black soldier fly larvae, the total contents of N, P and K were about 12%, and the content of protein was 58.88% and 47.56%, respectively. The pH value of residues after bioconversion was close to neutral, the total content of N, P and K was >8%, and the content of organic matter was >50%, which met the standard of organic fertilizer. Furthermore, a high level of active organic matter was detected in the residues. However, it is suggested that potential risk of long-term or direct application should be avoided due to Na+ and Cl- in residues.
Key words：kitchen waste; housefly larvae; black soldier fly larvae; bioconversion; fertilization
收稿日期：2023–01–13
基金项目：湖南省农业科技创新资金项目（2020CX65）
作者简介：饶中秀（1986—），女，四川遂宁市人，助理研究员，
主要从事土壤生态与农业环境、废弃物资源化利用研究。

通信作者：黄凤球
饶中秀等：餐厨垃圾生物转化效率及其残渣肥料化利用潜力
蛆对餐厨垃圾的转化不仅可生产高附加值的动物蛋白饲料[10-11]，其残渣还可成为优质有机肥原料[12]。

因此，作为一种环境友好型技术，利用黑水虻、蝇蛆等昆虫进行餐厨垃圾生物转化，是实现餐厨垃圾综合处理利用的重要手段之一。

然而，目前关于餐厨垃圾生物降解转化效率以及残渣肥料化利用适宜性的研究较为缺乏。

笔者采集了湖南省内较为典型的2家养殖企业的餐厨垃圾（养殖原料）、虫体（蝇蛆和黑水虻幼虫）、转化后的残渣（虫粪）等样品，对其基本理化性质、养分含量、盐分、有机质等含量进行了分析，并计算了餐厨垃圾中氮、磷、钾养分转化率和料虫转化率等相关指标，以期探讨养殖昆虫对餐厨垃圾的生物转化效率，分析生物转化后残渣的肥料化利用潜力，为餐厨垃圾的高效高值资源化利用提供依据。

1　材料与方法
1.1　试验材料
1.1.1　餐厨垃圾来源　养殖使用的餐厨垃圾物料均为某大型废弃物处理企业所收集的长沙市餐厨垃圾，经专业设备进行分选、脱水脱油后的泥状渣料（泔渣）。

1.1.2　蝇蛆来源　蝇蛆生产企业位于湖南省宁乡市，为人工养殖，养殖规模为每日可产蝇蛆1 t，餐厨垃圾投喂量约7 t/d。

每日循环产出，收获蝇蛆鲜虫，转化后的残渣不自留，均送与种植合作社或农户作有机肥使用。

1.1.3　黑水虻来源　黑水虻幼虫养殖企业位于湖南省浏阳市，为全自动化控温控湿生产，养殖规模为每日产出黑水虻幼虫10 t，餐厨垃圾投喂量约45 t/d。

每日循环产出，收获黑水虻幼虫鲜虫，转化后的残渣均由该企业自留生产商品有机肥。

1.2　样品采集与指标测定
餐厨垃圾样品分别在2个养殖企业的原料池以蛇形采样法进行多点采样；生物转化残渣（虫粪）在虫体与残渣筛分后进行采样，相关有机肥样品（总养分含量6%和8%的专用有机肥和8%的通用有机肥）则采用随机抽样法进行采样。

蝇蛆和黑水虻幼虫分别在企业收取虫体时采集新鲜虫体样品。

水分含量采用烘干法测定，pH值以酸度计法测定，粗灰分采用高温灼烧法，全氮和蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，水解性氮采用碱解扩散法测定，总磷、有效磷采用矾钼黄比色法测定，总钾、速效钾和钠离子采用火焰光度计法测定，氯离子采用硝酸银容量法测定，活性有机质采用稀释热法测定，有机质采用重氯酸钾容量法测定。

料虫转化率以增加的虫体质量（干）占餐厨垃圾质量（干）的比例表示。

养分转化率可反映生物转化技术对餐厨垃圾中养分的转化利用程度，其计算方式为：某养分转化率（%）=虫体干重某养分量/（餐厨垃圾某养分量－残渣某养分量）×100。

2　结果与分析
2.1　生物转化前后餐厨垃圾理化性质的变化
由表1可知，经蝇蛆和黑水虻幼虫转化后，残渣水分含量较餐厨垃圾原料分别减少20.11%和56.00%；从餐厨垃圾和残渣的pH值来看，2种昆虫皆可实现餐厨垃圾由酸性至中性的转化，有利于其肥料化利用；残渣有机质含量达52.8%及以上，全氮、全磷、全钾总养分含量达8.41%及以上。

经蝇蛆和黑水虻转化后，残渣中磷含量较餐厨垃圾原料分别提升了29.44%和114.89%，钾含量也有所提升，而氮含量则分别降低了18.87%和38.37%。

表1　餐厨垃圾生物转化前后理化性质比较处理
水分
（%）
pH值全氮
（%）
全磷
（%）
全钾
（%）
有机质
（%）厨余垃圾160.95 4.35 5.14 2.480.7661.1
蝇蛆转化残渣48.69 6.74 4.17 3.21 1.0355.5
厨余垃圾248.20 4.53 6.02 1.880.6659.4
黑水虻幼虫转
化残渣
21.217.06 3.71 4.04 1.2352.8 2.2　昆虫生物体各养分的含量
由表2可知，蝇蛆和黑水虻幼虫生物体含水量高且数值相当，均在74%左右。

2种昆虫生物体中氮、磷、钾、钠含量高低均表现为氮＞磷＞钾＞钠；二者氮、磷、钾总养分含量较一致，均在12%左右，但蝇蛆氮含量略高于黑水虻幼虫，而磷、钾含量则在黑水虻幼虫中稍高。

黑水虻幼虫粗灰分含量为蝇蛆的3倍以上，而有机质含量和蛋白质含量则是蝇蛆的更高。

表2　昆虫生物体各养分指标的含量 （%）昆虫水分氮磷钾有机质钠盐粗灰分蛋白质
蝇蛆73.899.42 1.87 1.3077.10.42 3.9158.88
黑水虻
幼虫
74.607.61 2.47 1.7467.80.3012.3647.56 2.3　生物转化效率分析
2.3.1　料虫转化率　以餐厨垃圾饲养蝇蛆和黑水虻幼虫后，增加的生物体干重占餐厨垃圾干重的比例，可反映昆虫的转化效率。

蝇蛆和黑水虻幼虫对餐厨垃圾的料虫转化率分别为9.55%和10.90%（表3），可以认为，餐厨垃圾与虫体比例约为10∶1（干重），即10 kg餐厨垃圾（泔渣）可养成1 kg左右的蝇蛆
　湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）2023年5月或黑水虻幼虫。

2.3.2　养分转化率　从表3可以看出，蝇蛆和黑水
虻幼虫对餐厨垃圾中养分的转化能力有一定差异，
但对钾的转化利用率均为最高，分别为29.45%和
41.94%；蝇蛆对氮的转化率仅次于钾，对磷的转化
率最低，仅为12.53%，其对各养分的转化率按高低
排序依次为钾＞氮＞有机质＞磷；而黑水虻幼虫对
磷的转化率较蝇蛆高，对氮和有机质的转化率则低
于蝇蛆，其对各养分的转化率按高低排序依次为
钾＞磷＞氮＞有机质。

表3　昆虫对餐厨垃圾的生物转化效率（以干重计）（%）
昆虫料虫转化率
养分转化率
氮磷钾有机质
蝇蛆9.5523.8712.5329.4517.18
黑水虻
幼虫
10.9015.3822.4841.9414.64 2.4　生物转化残渣肥料化利用的潜力
2.4.1　养分状况　由表4可知，餐厨垃圾经蝇蛆和黑水虻幼虫转化后，其残渣中的全量养分含量分别表现为全氮＞全磷＞全钾和全磷＞全氮＞全钾；2种残渣氮磷钾总养分含量分别为8.41%和8.98%，均超过有机肥料标准中≥5%的要求（NY525—2012）；同时，2种残渣的有机质含量分别为55.5%和52.8%，均满足有机肥料标准中的≥45%要求（NY525—2012）。

经蝇蛆和黑水虻幼虫转化后，餐厨垃圾残渣中速效养分含量均表现为速效钾＞水解性氮＞有效磷（表4）；二者水解氮含量分别为0.49%和0.72%，蝇蛆转化残渣中的有效磷含量高于黑水虻幼虫转化的残渣，但其速效钾含量则低于黑水虻幼虫转化的残渣；2种残渣中均含有较高的活性有机质，以蝇蛆转化的残渣活性有机质含量稍高。

表4　生物转化残渣养分含量（以干重计）　（%）
处理全氮全磷全钾水解
性氮
有效
磷
速效
钾
有机
质
活性
有机质
蝇蛆转化
残渣
4.17 3.21 1.030.490.1900.7645
5.550.39黑水虻幼虫
转化残渣
3.71
4.04 1.230.720.1350.91952.846.35
上述结果表明，餐厨垃圾经由蝇蛆和黑水虻幼虫转化后，残渣含有较高的养分含量和养分有效性，可作为优质有机肥原料。

以全氮、全磷和全钾含量折算，餐厨垃圾经由蝇蛆和黑水虻幼虫转化后，1 t 的残渣（干重）可分别替代41.7和37.1 kg的氮肥、32.1和40.4 kg的磷肥以及10.3和12.3 kg的钾肥，且较高的有机质含量对土壤质量的提升有较大益处。

2.4.2　盐分残留　餐厨垃圾经蝇蛆和黑水虻幼虫转化后，残渣中钠盐含量较为接近，分别为3.37%和3.23%，残渣中氯离子含量分别5.34%和5.14%（表5）。

对2种昆虫生物转化的残渣制成的商品有机肥氯离子含量进行检测，其中，以黑水虻幼虫转化残渣制备的商品有机肥中氯离子含量更高，其总养分含量6%、8%的专用有机肥和8%的通用有机肥当中氯离子含量分别为2.12%、1.43%和1.88%，均小于复混肥国家标准（GB15063—2001）中“未标‘含氯’的产品”类别（≤3.0%），因此2种昆虫生物转化的残渣制成的商品有机肥氯离子含量均达标。

表5　生物转化残渣中钠盐和氯离子残留量（以干重计）（%）处理
钠盐
含量
氯离子
含量
有机肥氯离子含量
总养分含量
6%的专用
有机肥
总养分含量
8%的专用
有机肥
总养分含量
8%的通用
有机肥
蝇蛆转化
残渣
3.37 5.34 1.22 1.02 1.08
黑水虻幼虫
转化残渣
3.23 5.14 2.12 1.43 1.88
3　结论与讨论
以腐生昆虫蝇蛆或黑水虻幼虫对餐厨垃圾（泔渣）进行生物转化，其原料虽然为同一企业提供，但因其到达养殖企业后的贮存环境、存放时间等条件不同，导致二者作为养殖日料使用时在水分、pH 值及养分含量等理化性状上有细微差异。

2种昆虫对餐厨垃圾养分元素转化的选择性不同，但二者对钾的转化利用率皆为最高。

经蝇蛆和黑水虻幼虫生物转化后，残渣中氮含量较餐厨垃圾原料有所下降，其原因包含2方面，一是其中一部分氮经由蝇蛆和黑水虻幼虫生物体吸收转化；另一部分则是在养殖过程中通过气体挥发、液体渗流等途径损失。

总磷含量和钾、钠含量的提升，可能与浓缩效应有一定关系。

残渣pH值、钠盐含量以及氮、磷、钾总养分含量均略高于尹靖凯等[13]的研究结果，差异可能来自餐厨垃圾组分的不同，或与实验室培养和工厂实际生产之间的差异有关。

以餐厨垃圾饲养昆虫不仅能实现其向高蛋白饲料的转化，还能实现其减量化、无害化、资源化利用。

蝇蛆和黑水虻幼虫对餐厨垃圾的料虫转化率约为10%。

刘响响等[14]研究显示，以蝇蛆对餐厨垃圾进行生物转化，其料虫转化比例为12%~20%，存在一定波动范围，这与餐厨垃圾的性状及养殖密度、养殖条件等有较大关系。

相比之下，研究中的料虫转化率仍有较大提升空间，可从养殖密度、条件及物料营养结构等方面进行优化，提高料虫转化率。

餐
饶中秀等：餐厨垃圾生物转化效率及其残渣肥料化利用潜力
厨垃圾饲养出的蝇蛆和黑水虻幼虫矿物质含量丰富、蛋白质含量较高，是优质的蛋白饲料。

Cheng等[15]研究表明，餐厨垃圾饲养的蝇蛆氨基酸和蛋白质均符合联合国粮农组织（FAO）对饲料的要求，可有效提高罗非鱼生长性能和营养物质浓度，适合用于鱼类饲料生产。

江承亮等[16]研究显示，干蛆的蛋白质含量接近50%，综合营养价值高于国产鱼粉及豆饼；其亚油酸和亚麻酸等含量均超过智利鱼粉，深加工潜力极大。

因此，以餐厨垃圾饲养蝇蛆或黑水虻，不仅可实现餐厨垃圾的绿色处理，还可为缓解全球性蛋白质资源匮乏与需求较高之间的矛盾提供新的解决办法。

餐厨垃圾经昆虫生物转化后，残渣的肥料化利用潜力极大。

残渣（虫粪）pH值均大幅提高，满足有机肥pH值5.5~8.5的要求；养分含量充足，有机质含量皆在50%以上，总养分均在8%以上，超出有机肥料标准要求，可作为优质养分资源。

王小波等[17]研究表明，黑水虻虫粪可提高土壤养分含量，促进水稻生长、提高其产量。

也有研究表明，餐厨垃圾经蝇蛆或黑水虻幼虫转化后，残渣能够提高小白菜幼苗的抗逆性[18]，对叶菜类蔬菜有较好的增产效果[19]，还可增加土壤微生物量碳含量和酶活性[20]，改善微生物群落结构，增加养分有效性[21]；同时，与焚烧处理相比，肥料化利用可减少温室气体的排放，具有更低的全球增温潜势[22]。

因此，餐厨垃圾生物转化残渣肥料化利用前景可期，在节约资源、保护环境等方面具有重要意义。

氯离子和钠盐残留是餐厨垃圾肥料化利用过程中较受关注的问题。

少量氯离子有利于植物生长，但超出一定范围值则会对植物生长造成一定影响；若肥料中钠含量较高，长期施入会导致土壤盐渍化。

餐厨垃圾经生物转化后，残渣中有一定的钠盐和氯离子残留，但目前还没有关于有机肥钠盐、氯离子含量的限量标准，无法进行精确参考。

考虑其可能存在一定潜在风险，建议将其与其他原料搭配制作符合要求的有机肥，用于改善土壤肥力或提升贫瘠土壤地力，尽量避免直接施入或长期大量施入。

但不可否认，以餐厨垃圾生物转化残渣制备的肥料仍有较高的利用价值。

另外需要提及的是，生物转化技术虽优点较多，但因养殖原料（餐厨垃圾）和生物转化残渣（虫粪）存在体量大难贮存、有机物质含量高易腐败、臭味重难控制等实际问题，因此不建议自动化程度低、环保保障能力弱的企业进行养殖，避免由此产生二次环境污染。

综上所述，1 kg左右的蝇蛆或黑水虻幼虫可降解转化约10 kg餐厨垃圾（泔渣），二者对餐厨垃圾中氮、磷、钾及有机质等养分的转化能力有差异，转化率在12.53%~41.94%之间；转化后残渣pH值，氮、磷、钾总养分含量以及有机质含量均满足有机肥料标准要求（NY525—2012），肥料化利用潜力较大；转化后的残渣中含有少量钠盐和氯离子，建议尽量避免在土壤中直接施用和长期大量施用。

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