基于蠅蛆養殖技術的畜禽糞便處理模式

余桂平，翁曉星，徐錦大，朱建錫，馮 洋

(浙江省農業機械研究院，浙江 金華321017)

0 引言

隨著養豬業的興起，規模化養殖場增多，產生大量畜禽糞便，而固體糞便會造成較大的環境污染。畜禽糞便中含有大量的氮磷化合物，若不及時妥善處理，糞便表層氮以氨氣的形態散發到大氣中，促使大氣中氮氧化合物濃度升高；糞便中氮和磷流入河流造成河流水體富營養化等生態環境的破壞。現階段處理畜禽糞便的措施有直接返田、制作肥料、制作燃料及制作蠅蛆培養料[1]。

國外在昆蟲的開發利用研究上相對較早，自20世紀60年代末起，許多國家如美國、韓國和日本等先后開展了利用蠅蛆進行工廠化養殖生產的研究。但利用昆蟲進行規模化畜禽養殖固體廢棄物處理及開發昆蟲蛋白和有機肥的相關研究報道較少，而在資源日益趨緊，環境不斷惡化的今天，利用昆蟲生物轉化畜禽養殖固體廢棄物，在養殖業上的應用已成為各國關注的熱點。比利時岡特·鮑利所著《藍色經濟》一書中，將利用蠅蛆處理畜禽廢棄物獲得魚和鵪鶉飼料及提取溶菌酶列為高效生態處理的范例。我國自20世紀80年代對集約化畜禽場的糞便污染開始重視，開展了畜禽場糞便簡單處理和污染綜合防治配套技術的初級研究，開發了成套設備，主要是通過糞便烘干脫水和微生物厭氧發酵處理作肥料和沼氣利用[2]。蠅蛆作為研究熱點，具有生長快、產出高和養殖簡單的特點，并且蠅蛆粗蛋白含量為58.80%～63.89%，其必需氨基酸總量是魚粉的2.3倍，含有鐵和鋅等多種微量元素及抗菌肽和幾丁質等多種有價值成分，總體營養價值高于進口魚粉，是一種較理想的蛋白質補充料[3]。蠅蛆養殖以麥麩、米糠、酒糟、豆渣、豬糞、雞糞和鴨糞等畜禽糞便為食料來源，實現循環養殖。利用蠅蛆作蛋白質飼料，可作為魚粉飼喂畜禽和水產動物，不僅有利于減少環境污染，而且可為我國畜禽養殖業提供所需的高蛋白餌料，蠅蛆可以消耗畜禽糞便和餐廚垃圾等廢棄物，不需要經過復雜處理就可以轉化為有機肥料或沼氣原料[4]。因此，蠅蛆養殖是解決當前養殖業蛋白資源缺乏的良好途徑。

1 工藝流程

養殖場中70%～80%的豬糞通過干清糞等工藝被收集和清運到蠅蛆生產車間，以蠅蛆取食利用糞便腐敗物質的生物特性，生產蠅蛆產品，使糞便中的物質能量充分轉化成蟲體蛋白質和脂肪加以回收。蛆蟲作為水產養殖餌料等，使畜禽糞便無害化增值利用。目前，無公害蠅蛆生產時采用集約型規模化生產設施，通過工程化技術手段，集中供給蠅蛆孳生物質，生產大量蠅蛆蛋白。蠅蛆蛋白開發的成本低且周期短，蠅蛆生產的1個周期只有3～4 d，現在市場價鮮蛆成本在2 000元t左右，烘干后的蠅蛆成本在8 000元t左右，不需購進同量的外國魚粉，可降低畜禽和水產品的生產成本，增加盈利[5]。通過畜禽養殖固體廢棄物蠅蛆生物轉化及其產品應用技術的集成，建立畜禽養殖固體廢棄物高效循環利用和過程機械化的提升模式，如圖1所示。

2 國內外研究現狀

2.1蠅蛆分離技術

蠅蛆分離是蠅蛆養殖過程的關鍵技術，若分離方法選擇不當，不僅造成前期投入的浪費，還會造成蛋白浪費，剩余蠅蛆化蛹后變成蒼蠅造成二次污染。較國外發達地區，我國利用畜禽糞便養殖蠅蛆的技術起步較晚，蛆料分離方法大都利用蠅蛆的避光性、向下性和趨干性等生物學習性實現蛆料分離。蛆料分離法可分為人工分離法和自動分離法。人工分離法是指人工使用某些工具來達到蛆料分離的目的，主要包括土分離法、水分離法和網篩分離法。自動分離法一般有蠅蛆自然分離法和機械分離法[5]。蠅蛆自然分離法是利用蠅蛆避光性和趨干性等生物學習性來實現自動分離。機械分離法主要是給蛆料施加外部作用，使蛆料能夠實現快速分離。但由于現有設備及生產方式的局限性，無法實現蠅蛆分離的可控性和自動性，不適合大規模生產。目前大部分工廠還是半手工操作和作坊式生產，缺少全自動化的設備，致使產量低，生產效率也不高。

國內針對蠅蛆分離裝置研究方面，王亞波[6]根據蒼蠅幼蟲生活習慣和蛹化行為，設計了自動立體培養、蠅蛆分離板和自動育蛆分離等裝置，增加蠅蛆成熟率。目前蛆料機械分離設備，通過裝置分離后仍有很多蠅蛆卡在篩孔中，影響了后續蛆料分離的效率。單純用光分離或網篩分離法，分離到最后總有些培養料與部分蠅蛆混在一起無法分離。經過反復試驗對比，在光分離法的基礎上，結合人工篩簸方法，同時利用機械原理，自動驅趕蠅蛆實現自動分離，減少對環境的污染。

2.2蠅蛆烘干技術

利用蠅蛆營養成分齊全的高蛋白動物性飼料，是開發飼料資源的有效途徑之一。國內早期許多大、中型養殖場采用9JH系列高濕物料快速烘干機，對畜禽糞便進行快速烘干處理。用風機對熱交換器以對流的方式加熱空氣，熱空氣層流經烘盤對物料進行熱量傳遞進而對物料進行烘干，但不能根據蠅蛆體內水分的變化實行烘干溫度分段實時控制以保證烘干效果。采用炒制品的烘干設備，自動化程度低且干燥系統可靠性差，烘干后的蠅蛆易焦化和色澤發黑，無法實現規模化。用烘干面條等條狀物及塊狀物的帶式烘干機雖干燥效率快和蒸發強度高，但烘干成本高及效果難以保證，不適用于蠅蛆的烘干。

2.3蠅蛆處理的發展趨勢

近幾年，雖然通過眾多研究者和企業的共同努力，蠅蛆生物轉化畜禽養殖固體廢棄物生產蠅蛆蛋白和有機肥的處理工藝取得了較大的進展，但是與規模化畜禽養殖相配套的產業化應用和推廣還存在一些問題。首先，蠅卵高存活性保藏和運輸技術缺乏，采用蠅蛆轉化畜禽養殖固體廢棄物工藝的企業都需各自建立蠅種房，不僅投資成本提高，而且技術要求高，限制了該工藝的推廣。其次，蠅蛆蛋白規模化生產工藝還相對落后，機械化程度不高，費工費時，成本較高，作為飼料蛋白，在價格上與進口魚粉沒有競爭優勢。再次，蠅蛆烘干缺少專用設備，烘干和干蛆質量依賴工人經驗，容易導致蛆干焦化，造成較大損失，這也是目前蠅蛆生產成本較高的一個重要因素。因此，如何降低畜禽養殖固體廢棄物蠅蛆生物轉化成本，拓寬蠅蛆應用范圍和加工利用途徑，是蠅蛆生物轉化廢棄物工藝實現產業化大規模推廣的迫切需求。

3 技術解決方案

3.1蠅蛆分離設備

根據蠅蛆負趨光性和喜陰的生物特性，結合目前成熟的蠅蛆幼蟲人工收集方式和豬糞蠅蛆生物轉化處理利用工藝，設計基于生物分離法與篩選分離法相結合的蛆糞分離專用設備，包括光源系統、行走式自動進料系統、蛆糞分離系統、蛆糞出料系統及蛆糞分離設備控制系統，如圖2所示[7]。

蠅蛆分離系統，通過PLC自動控制刮板在糞料上方模擬人工清掃，即刮板在電機和絲杠帶動下可沿上下前后4個方向運動，逐層去除糞渣，最終實現蛆糞分離效果。蛆料分離機構主要包括堆料箱、抬升架和驅動抬升降機構，如圖3所示。

通過光照，堆料箱中糞渣物料上表面的蠅蛆由于喜陰性會往下鉆，此時刮板將這層沒有蠅蛆的物料表面從缺口清掃而出，逐漸清掃后大量的蠅蛆會堆積在物料底部，其中還夾雜著部分糞渣，還需要對這部分蠅蛆和物料進行分離。堆料箱的底部設置了具有通孔的分離板，而且分離板下方設置有擋蛆板，位于底端的蠅蛆從通孔鉆出并滯留在擋蛆板上。分離板與擋蛆板的間距不宜太大，否則蠅蛆不敢從通孔鉆出，然后通過開合機構將擋蛆板打開，這樣從擋蛆板中落下的蠅蛆便是不含雜質的蛆。

3.2蠅蛆烘干設備

蠅蛆烘干技術是影響蠅蛆養殖進一步發展的關鍵難點。本文設計的烘干設備是根據蠅蛆生物特性進行蠅蛆烘干。可實時控制的蠅蛆烘干專用設備采用臥式滾筒形式，蠅蛆經進料口進入高溫滾筒內，滾筒在不斷轉動過程中接觸熱源進行加熱。蠅蛆隨滾筒旋轉的同時，在滾筒內置攪拌葉片的作用下翻滾并交替接觸筒壁受熱升溫達到烘干的目的。蠅蛆烘干專用設備主要包括機架、動力系統、熱源系統、烘干系統和控制系統，如圖4所示[8]。

3.3性能試驗

蠅蛆生長速度驚人，其繁殖快且產量高，從卵發育到成蟲一般僅需10～11 d，如果只需要蠅蛆，從蒼蠅產卵到孵出蠅蛆3～4 d，不受季節和氣候的影響，若有加溫條件，一年四季均可養殖。

(1)分離試驗。蠅蛆具有負趨光性，喜鉆入各種基質中，常以有機物質為食，但活動范圍一般不離其原產卵場所。蠅蛆的分離因受培養料原料、含水量及天氣情況等因素影響，試驗采用光分離法與自動篩簸結合分離法進行分離。試驗結果如表1所示。

(2)烘干試驗。取樣10 g，置于預熱到120 ℃恒溫烘箱內，烘干處理90 min，冷卻后稱質量，按以下公式計算，或直接用水份速測儀測得。

H=(10-Wg)×100%10

(1)

式中H——蠅蛆原料含水率

Wg——蠅蛆原料試樣干質量，g

Hz=(10-Wz)×100%10

(2)

式中Hz——烘干后成品蠅蛆含水率

Wz——烘干后成品蠅蛆試樣干質量，g

稱取烘干機工作1批次需烘干的質量及烘干后成品蠅蛆烘干質量，按以下公式計算。

EC=WcTc

(3)

式中EC——生產率，kgh

Wc——蠅蛆原料質量，kg

Tc——時間，h

根據蠅蛆干燥工藝和產品技術指標，進行生產性能試驗。結果如表2所示，均能滿足技術要求，達到預期目標。

表2 蠅蛆烘干設備試驗結果

4 結束語

我國畜禽養殖固體廢棄物每年產生量達20多億t，其中豬糞約占畜禽糞總量的49.6%，雞糞占17.4%。而浙江省每年產生畜禽糞便1 800多萬t，豬糞比例超過50%。另一方面，我國目前每年水產養殖總量達490萬t，每年魚粉需求量在260萬t左右，其中進口魚粉達100多萬t。浙江省水產養殖總量約占到全國的20%，每年的魚粉需求50萬t以上，進口魚粉需求至少在15萬t以上。目前按10%進口魚粉替代量，僅浙江省蠅蛆年需求1.5萬t以上，現浙江省幾個示范基地滿負荷生產年產量也不到1 000 t，遠遠不能滿足市場需求。利用蠅蛆生物轉化進行畜禽養殖固體廢棄物的處理，生產優質有機肥和蠅蛆蛋白，短期循環生產蛋白質品質高，為水產養殖業快速發展提供優質飼料蛋白，為醫療化妝品等高端產業提供甲殼素、殼聚糖和寡糖等生產原料，轉變現有畜禽養殖固體廢棄物單一處置利用方式，延長產業鏈，提升綜合利用價值。畜禽養殖固體廢棄物蠅蛆生物轉化工藝的社會、經濟和生態效益顯著，應用和產業化前景廣泛，同時促進種植業、畜禽和水產養殖業可持續健康發展，減少農業農村面源污染，對倡導和發展現代生態循環農業具有重要的現實意義。