农业废弃物的循环高效利用是世界各农业大国共同面临的问题。我国农业废弃物种类多,数量庞大,导致环境污染十分严重。据悉,当前我国农业废弃物数量惊人达60亿吨,畜禽粪污每年产量约38亿吨,养殖粪污资源约占农业废弃物资源的60%,但资源综合利用率不足40%。如能将这些农业废弃物变为发酵饲料和有机肥,将产生巨大的经济、社会和生态效益。
昆虫和蚯蚓在处理农业废弃物及环境保护中起到举足轻重的作用。昆虫主要有弹尾目、双翅目、鞘翅目中的拟步甲科和金龟甲科等昆虫。农业废弃物、餐厨垃圾等废弃物经昆虫和蚯蚓过腹后,在生物体内的微生物、酶等特殊环境的消化和降解作用下,转化成高附价值产品用到农业生产中,实现废弃物高效循环利用。在农业废弃物和餐厨垃圾处理应用方面,常见的有蚯蚓及经济昆虫有黑水虻、家蝇及蟑螂。
1蚯蚓
1.1品种特性
蚯蚓有12个科,181个属,6000多种。蚯蚓品种按用途划分为五大类:林用蚯蚓,如威廉环毛蚓;肉或粪用蚯蚓,如爱胜属类;饵料用蚯蚓,如湖北环毛蚓;农田用产粪肥蚯蚓,如白茎环毛蚓;药材用蚯蚓,如参环毛蚓;按生活习性及功能作用可分3大类,分别为表栖类、内栖类和深栖类,不同类别的品种其习性和功能作用存在差异。其中,表栖类品种适用于农业等废弃物处理。
表栖类品种环境适应能力、生长繁殖力较强,喜采食含有机质的废弃物,是转化处理废弃物的最适品种。据报道,表栖类品种较其它品种在分解处理秸杆、牛粪、厨余垃圾等混合物料方面有明显的优势。目前,爱胜蚓属类品种是国内外研究者探索最多、应用最广的品种,其生命力顽强、生长繁殖能力及适应环境能力较强,尤其在农业废弃物转化方面有优势。廖新俤等人比较了3个品种蚯蚓在生长繁殖、处理腐熟的猪粪和牛粪方面,发现3种蚯蚓均能适应复杂的基质,本地品种的适应能力明显优于其它2种,而大平2号品种的生长繁殖能力优于澳洲1号。此外,研究证实,蚯蚓在养殖废弃物重金属、农药聚集等处理方面,呈现出强劲的生物转化能力。
1.2蚯蚓处理农业废弃物可行性分析
1.2.1国外研究现状
发达国家蚯蚓养殖发展迅猛,养殖规模基本实现“工厂化”和“规模化”,如美国、日本、加拿大、英国、德国、澳大利亚等国家养殖蚯蚓基本实现“商品化”生产。在蚯蚓转化废弃物方面,发达国家将蚯蚓处理奶牛粪污作为一项新型产业来发展。
国外养殖蚯蚓,一般采用纯牛粪养殖,但需要严格控制湿度。牛粪湿度在75%~90%,蚯蚓生长性能较好。用发酵新鲜牛粪饲喂蚯蚓,显著提高蚯蚓生长及繁殖性能。也有研究发现,利用纯牛粪养殖蚯蚓效果明显好于污泥养殖,蚯蚓能高效降解堆肥粪污。以上资料充分说明了利用养殖蚯蚓降解牛粪污的可行性。
1.2.2国内研究现状
我国蚯蚓养殖始于80年代初期,发展步伐相对滞后。据统计全世界约有27000多种蚯蚓,而我国约有160多种。我国主要以日本大平2号蚯蚓品种为主。最先引进“太平2号”养殖的城市是上海市。1977~2004年期间,蚯蚓养殖呈现“高-低-高”的变化趋势。
在国内利用奶牛粪污养殖蚯蚓较普遍。新鲜猪粪、鸡粪、牛粪、果渣等基料均不适于直接作为蚯蚓的饵料,新鲜基料水分含量过高、不透气、易产生有害物质和气体,导致蚯蚓大批量死亡,因此,要充分发挥蚯蚓生长繁殖性能,通过发酵和科学配比蚯蚓饵料,控制饵料湿度(65%~75%),才能达到预期的养殖目的。国内有报道,用发酵粪便如牛粪、猪粪及鸡粪饲养养殖蚯蚓是可行的。以上资料说明了利用养殖蚯蚓降解牛粪污、猪粪及鸡粪的可行性。
2黑水虻
2.1品种特性
黑水虻,腐生性的水虻科昆虫,原产于美洲,近来引入我国,目前广泛分布于我国贵州、广西、广东、云南、湖南、湖北等地。黑水虻从卵到成虫,共经历四个时期,交配产卵期、幼虫期、蛹化期及羽化成虫期,生长周期约40~49天,幼虫期分为6个龄期;生长适宜温度为20~30℃。黑水虻以餐厨垃圾、动物粪便、动植物尸体等腐烂的有机物为食。目前,利用农业废弃物养殖黑水虻的技术已成为广大科技工作者的研究焦点。
黑水虻幼虫可以将丰富多样的有机废弃物中转化为稳定的生物肥料和生物质,包括动物粪便、餐厨垃圾、市政污泥、酒糟、秸秆、甚至是填埋产生的有机渗滤液。同时,黑水虻可将禽畜粪便和餐厨垃圾中的营养物质转化为自身的粗蛋白和脂肪,也可以作为畜禽和鱼类的优质活体饲料。此外,黑水虻处理不同的废弃物,可产生不同抑菌活性的广谱抗菌肽,可杀灭或减少多种病原体。
2.2黑水虻处理农业废弃物可行性分析
2.2.1黑水虻处理粪便的研究现状
利用黑水虻处理禽畜粪便简单来讲,就是将禽畜粪便作为黑水虻的食物,经黑水虻过腹转化禽畜粪便,转化成高质量的昆虫蛋白饲料或易被植物吸收的有机肥,实现废弃物的无害化、减量化和资源化利用。
黑水虻取食粪便有机物发生在其幼虫阶段。国外,早在1983年Sheppard等采用黑水虻处理猪粪,获得预蛹可作为动物饲料。随后陆续有研究发现,用黑水虻处理牛粪、猪粪和鸡粪,均转化获得高附价值产品。Moula等人研究也得出相同的结论,黑水虻能够高效转化猪粪、鸡粪、马粪及牛粪。
国内,有诸多研究表明,用黑水虻处理发酵猪粪、新鲜猪粪、鸭粪等动物粪便,转化后除了获得优质蛋白饲料资源外,还获得高品质的有机肥,并且转化后粪便的臭味明显消除。
2.2.2黑水虻处理餐厨垃圾的研究现状
据报道,我国规模化城市每天产生餐厨垃圾的数量惊人,每年数量超过6000万吨。国内餐厨垃圾处理技术主要有有物理法、化学法、生物法等,具体处理技术有填埋、焚烧、堆肥、发酵等方式,其资源化再利用呈现多样化的趋势。然而,填埋、焚烧、堆肥等技术均存在不足,导致环境生态破坏和餐厨垃圾转化价值的利用不足。
餐厨垃圾是多种生活废弃物的混合体,含大量有机质、纤维、水分、油脂、盐等,具有较高的生物转化利用价值。鉴于此,联合国粮食及农业组织(FAO)2013年发布《可食用昆虫粮食和饲料安全的未来前景》(第171号林业文件)报告中极力推荐采用黑水虻转化处理餐厨垃圾,且关于这方面的应用研究也逐年受重视,呈现出良好的发展前景。然而近几年关于黑水虻处理餐厨垃圾的报道较少,但报道显示,黑水虻幼虫处理餐厨垃圾的技术是可行的。
综上所述,黑水虻处理粪便和餐厨垃圾的技术值得深入研究与应用。
3家蝇
3.1品种特性
家蝇(Muscadomestica)属于双翅目,蝇科昆虫,是一种世界性的卫生害虫,其分布广、生活周期短、适应性和繁殖力强,但同时也是自然生态系统腐食食物链中的重要分解者。蝇蛆为苍蝇的幼虫,蝇蛆生长快速,嗜食畜禽粪便,幼虫含有丰富的营养成分,饲用营养价值极高。家蝇具有强大的生态转化功能和作用。家蝇可将猪粪、鸡粪、牛粪、人粪、生活垃圾、酒糟、麦麸、谷糠、发酵的作物秸杆等快速转化为蛋白质。
3.2家蝇处理农业废弃物可行性分析
据报道,小规模试验发现,经实验室饲养的家蝇转化后,猪粪的总氮、总磷和总钾含量分别为2.03%、2.9%、0.55%;鸡粪的分别为1.85%、1.78%、0.19%。而规模化饲养的家蝇转化效果远优于小规模的,其转化后的猪粪的总氮、总磷和总钾的含量分别为3.36%、4.66%和2.7%,肥效好于膨松剂。家蝇能够高效转化猪粪、鸡粪、牛粪,蝇蛆转化畜禽粪便获得较好的产蛆率。龙坤等报道,用鲜猪粪饲喂蝇蛆效果要好于鲜鸡粪,而Cai等用鲜家禽粪能获得高的产鲜蛆量,分析其可能的原因在于产蛆的生物量可能与粪便批次及蝇类种群有关。也有报道发现,家蝇对牛粪的选择偏好超过了马粪、驴粪、鸡粪和人工饲料。畜禽粪污经家蝇幼虫处理转化后,粪污结构和理化性质发生显著的改变,粪污的重量分别下降约44%和27%,且粪便经过降解后臭味物质明显减少、质地由团状变为松散。
规模化、集约化饲养家蝇,利用其生态功能高效转化畜禽粪便等有机废物,获得蝇蛆优质动物蛋白,有效地将环境治理和资源开发有机结合起来,推进畜禽粪便资源化利用。
4蟑螂
4.1品种特性
蟑螂,泛指属于“蜚蠊目”(学名)的昆虫,属于节肢动物门、昆虫纲、蜚蠊目(Blattaria),俗称蟑螂。全世界蟑螂品种约3500种,其中我国已发现168种。我国最常见且有饲养利用价值的有美洲大蠊、澳洲大蠊和德国小蠊。
4.2蟑螂处理农业废弃物可行性分析
近年来,蟑螂的研究主要集中在蟑螂药用价值的开发方面,其药用价值较高。随着蟑螂应用价值的深入研究和挖掘,势必带动蟑螂的商业价值。利用蟑螂处理粪便或餐厨垃圾的报道很少,据网上报道,济南市章丘区宁家埠街道明家村的餐厨垃圾生物处理中心,2017年利用养殖美洲大蠊来处理餐厨垃圾,养殖蟑螂养殖量达300多吨,日处理餐厨垃圾15吨;2019年扩建蟑螂养殖基地,规模可达4000吨,蟑螂约40亿只,日处理餐厨垃200吨。因此,利用蟑螂处理餐厨垃圾技术已实现产业化发展,充分肯定了利用美洲大蠊可高效、快速、无污染转化餐厨垃圾,实现餐厨垃圾资高效循环利用,同时推动蟑螂产业的规模化发展。
5小结与展望
随着我国农业快速发展,农业废弃物排放量也日益呈现出增长态势。党中央、国务院高度重视,农业农村部、发改委、财政部、环境保护部等六部门联合发布《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》(2016年),有必要彻底实现农业废弃物处理与高效利用,促进畜牧业绿色发展。
目前,农业废弃物处理与利用模式方面,主要集中在固体粪便堆肥利用、沼气、发酵饲料、基料生产,每种模式均有优缺点,未能够全面解决好源头污染大的问题。农业废弃物资源化利用和经济昆虫饲养技术的结合有望成为高效、低污染处理农业废弃物的主要模式。因此,要彻底实现农业废弃物处理与高效循环利用,须大力发展与培育创新型的企业,加大技术投入力度,提高国外市场竞争力。
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