黑水虻转化处理厨余垃圾技术现状与 2022.5.30 上海环境卫生工程设计院发展

一、作为一种小微昆虫，黑水虻的生物特性是怎什么样的？如采用人工养殖，对生长条件有什么特别需求？

（一）黑水虻的生物特性

黑水虻生活史一般分为虫卵、幼虫、预蛹、蛹、成虫5个阶段（如图1所示），通常世代周期30～35d。幼虫分为5个龄期，自3龄期后食量开始明显增大，5龄预蛹体表颜色从乳白色逐步变为深褐色，并从食料中迁出，寻找隐蔽、干燥和有缝隙的地方等待羽化。黑水虻成虫的平均寿命约为4-6天，完成交配和产卵，以继续下一个生命周期。

图1  黑水虻的生活史周期

（图片来源文献：安新城, 黑水虻的生物学特性及营养价值. 养殖与饲料, 2007(11): p. 67-68.）

研究表明，黑水虻幼虫的营养价值较高，营养组成具有一定的可塑性。分析表1数据可知，其体内特定营养组分的含量高低可通过调节其采食的有机废弃物的营养来实现。黑水虻烘干虫粉中粗脂肪、钙和灰分的含量受到采食底物的影响较大，而蛋白质和氨基酸组成则相对比较稳定。虽然幼虫的氨基酸总含量低于黄粉虫、蝇蛆、桑蚕蛹的氨基酸含量，但氨基酸如赖氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、缬氨酸和酪氨酸含量较高，可通过优化饲料配方增加饲料氨基酸含量，并不影响作为动物饲料蛋白的品质。

表1  采食不同底物黑水虻与豆粕和鱼粉的营养成分含量（%）比较

迄今为止，没有报告的数据表明黑水虻是疾病的传播媒介，安全性较高。幼虫自身提供的大量脂肪储存减少或消除了成虫喂养和传播任何潜在疾病的必要性。有研究显示，黑水虻幼虫无机污染物指标与微生物污染物指标均符合《饲料卫生标准》（GB 13078-2017）的要求，同时经处理后的虫粪可作为有机肥，有机质和总养分含量均高于《有机肥料标准》（NY525-2012）的技术要求，具有较高的肥效，能促进植物生长。但针对湿垃圾饲养黑水虻幼虫作为饲料原料及虫粪作为有机肥使用的安全性还需要持续开展深入跟踪研究。

（二）黑水虻的饲养条件

影响黑水虻生长的条件主要包括光照、温度、湿度、饲养基质（油脂、盐分、含水率、蛋白质和碳水化合物比值、起始pH）等。如何通过改善饲养条件，提高黑水虻幼虫产出率是相关研究的重点。

光照，黑水虻是一种日行性昆虫，阳光是诱导黑水虻成虫交配的重要环境因素，可通过不同补光层模拟太阳光照，促进黑水虻人工种虫繁育效率；温度，被认为在黑水虻的生长中起着重要作用，其中最佳温度范围在25°C和30°C之间；含水率，喻国辉等多人研究均表明，饲料的含水率在70％～80%时，幼虫对饲料转化效率最高；碳氮比，黑水虻更适合于C/N < 20：1的范围。我国的饮食习惯导致食物垃圾中留下了很大比例的碳水化合物，这使得家庭厨余垃圾C/N一般都高于20：1；盐分，黑水虻幼虫存活率在氯化钠含量3.0%以内差异不显著(P>0.05)，但湿垃圾中由于盐分较高，会导致黑水虻虫粪含盐量高，影响虫粪的利用，需要通过水洗、脱水等措施降低湿垃圾中盐分含量，以提高产品品质；pH，黑水虻的最适生长环境pH值范围为6～10。湿垃圾经过水解过后pH值较长时间处于4.0～5.5的酸性范围，应调节其pH值到中性至弱碱性环境，可增强黑水虻的生长代谢，并且有助于油脂类物质的碱性水解。

二、目前黑水虻处理厨余垃圾产业的发展还存在哪些具体的瓶颈？

（一）黑水虻人工种虫繁育困难

黑水虻种虫交配产卵稳定是实现黑水虻养殖产业化的前提，尽管黑水虻单雌成虫产卵量很高，但因在自然条件下种虫交配率低、形成受精卵的比例低，特别是冬春两季，导致收获的虫卵无法满足生产所需。黑水虻种虫交配繁育困难成为制约黑水虻产业化快速发展的关键。

图2  黑水虻虫卵

（二）黑水虻周年化和规模化养殖技术尚不成熟 

黑水虻的养殖受环境条件（尤其是温度）的影响很大，不同气候环境条件下实现周年化、规模化养殖，首先要满足黑水虻生长各阶段过程中对温度、湿度和光照等环境因素的需求；其次还要加大对养殖自动化、机械化设备的研发力度，如立体养殖设备和虫粪分离设备等，提效降本；此外，还需要实现整个养殖工艺的模块化、标准化，并培养足够数量的专业技术人才。目前国内外都加大了对黑水虻周年化和规模化养殖技术开发的投入，很多企业对黑水虻处理有机废弃物项目盈利预期高，但他们不得不面临黑水虻养殖生产稳定性差、效率低等问题。黑水虻周年化和规模化养殖技术尚不成熟。

图3  黑水虻养殖设备

（三）黑水虻养殖产品下游进展缓慢 

豆粕和鱼粉产量增长受限，多依赖进口，价格波动较大，寻找质优价廉的替代蛋白产品已迫在眉睫。黑水虻作为一种可持续供给的新型动物蛋白原料，能够提供水产和畜禽动物所需的蛋白和能量。目前黑水虻在国外的产品形式多为脱脂虫粉，而国内有全脂虫干、脱脂虫干、虫油和虫浆发酵产品等应用形式，未有统一的产品质量标准。需要建立起更多研究、试验数据支撑的黑水虻饲用效果数据库，才能逐步实现黑水虻标准化、大规模的应用和推广，进一步提升其饲用价值。黑水虻养殖产业化刚刚起步，市场供应链不完善，目前大部分养殖企业均还处在市场探索的阶段，黑水虻产品销售市场渠道还未打通。黑水虻作为有机废弃物资源化利用的下游产物，在水产和畜禽养殖领域的推广应用需要产学研紧密合作，共同努力推动才能逐步达成。

图4  黑水虻产品展示

三、谈谈黑水虻生物转化厨余垃圾技术未来主要发展方向

以黑水虻为生物媒介的有机废弃物生物转化系统，正在尝试打破常规以微生物降解为核心的固有处理技术格局。自从欧盟2015/2283和2017/893号条例允许在水产养殖饲料中使用黑水虻作为饲料蛋白源后，全球食品和饲料行业对以黑水虻为代表的资源昆虫的开发利用进入了快速发展阶段。为了充分发挥黑水虻作为有机固废处理新模式和新型饲料原料的优势，未来可围绕以下几个方面开展相关研究。

（一）黑水虻人工种虫繁育技术研究

解决虫源不足的关键是找到一种可以促进黑水虻稳定交配产卵的人工光源，从而解决连续阴雨天及室内大规模养殖时所需的光照问题，打破困扰多年的黑水虻人工育种繁殖困难的技术瓶颈。近期已有研究人员研制出低能耗、长寿命的LED补光灯，通过不同光层模拟太阳光照，促进黑水虻交配产卵，可显著提高黑水虻人工种虫繁育效率。

（二）建立标准化生产模式，逐步实现黑水虻工厂化生产

黑水虻工厂化生产是集自动化、机械化、规模化和标准化于一体的，不受季节影响的连续、高效养殖模式。随着劳动力成本不断上升、黑水虻工厂化生产将成为黑水虻养殖产业发展的必由之路。未来需要持续加大研发投入，逐步建立完整的黑水虻人工繁育、环境控制、防病防疫等技术体系，使黑水虻全产业链能够实现标准化和可控操作，从而为后续固体有机废弃物规模化处置、黑水虻产品开发和深加工以及市场的大范围推广奠定坚实的基础。

（三）加大黑水虻在水产和畜禽饲料产品中的研究和开发力度

黑水虻幼虫和预蛹作为具有生物活性的优质功能蛋白和脂肪来源，可作为鱼粉、豆粕和血浆蛋白粉等传统饲料蛋白源的补充。未来的研究重点包括：1、在满足黑水虻存储和运输要求的前提下，加强黑水虻幼虫产品加工工艺的研究，如酶解和发酵工艺，以提高其在水产和畜禽动物中的应用效果；2、进一步探究黑水虻制品在水产和畜禽动物中使用时的营养成分消化效率和能值，为其作为蛋白饲料源应用提供更多基础数据；3、充分考虑配方的氨基酸平衡和脂肪酸组成，探究黑水虻不同制品在水产和畜禽不同品种或生长阶段中的最佳应用形式与添加量；4、探究黑水虻制品及其不同组分在水产和畜禽动物中的应用效果和作用机制，特别是在免疫保护和抗应激方面的作用，为其深度应用提供理论依据和技术支持。

四、《老港固废环保科创中心实证项目-湿垃圾生物资源化技术集成示范》科研实证项目简介

上海城投（集团）有限公司目前设立的《老港固废环保科创中心实证项目-湿垃圾生物资源化技术集成示范》科研实证项目，将依托上海生物能源再利用(二期)项目建设50吨/日的湿垃圾三相固渣养殖黑水虻示范工程，获取黑水虻处置湿垃圾全过程一手数据，系统评估项目可行性。

该项目开展以黑水虻为代表的湿垃圾生物转化关键技术及装备集成示范研究，形成虫卵孵化、自动化养殖、虫源蛋白高效转化与高值利用、虫沙生物强化成肥、臭气精准控制、虫体全流程防逃逸、生态风险控制等全过程关键技术，建立不小于50t/d的示范工程，构建湿垃圾生物资源化转化标准。项目的开展有望促进湿垃圾现有处理资源化技术的升级优化，通过开展湿垃圾养殖黑水虻自动化核心技术工艺设计、关键设备系统集成、工程调试运行等研究，掌握核心技术、形成关键标准，解决黑水虻处理湿垃圾产品品质不稳定、设备自动化程度不高等技术瓶颈，提升黑水虻规模生产的可靠性，为湿垃圾养殖黑水虻产业起到领先示范效果和提供借鉴。