一种适用于有机固体废弃物生物转化的蝇蛆反应器

摘要

本发明公开了一种适用于有机固体废弃物生物转化的蝇蛆反应器，它包括蝇蛆转化床、内置活动式遮阳网帘、透明塑料薄膜和活动式卷帘，内置活动式遮阳网帘设于蝇蛆转化床的上方，透明塑料薄膜设于所述内置活动式遮阳网帘的上方，内置活动式遮阳网帘展开后能够用于遮挡由透明塑料薄膜透过的光线；活动式卷帘的上端与透明塑料薄膜连接，活动式卷帘的下端与地面连接，在活动式卷帘与蝇蛆转化床的池壁之间设有缓冲区，缓冲区内设有保温物质。本发明可实现全年维持蝇蛆反应器日均气温18-30

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于有机固体废弃物生物转化的蝇蛆反应器设计，适用于畜禽养殖场、餐厨垃圾处理场/中转站、市政污泥、以及废弃食品/粮食等废弃物的生物生态处理，并产生高附加值蝇蛆，属于环境保护领域。

背景技术

随着经济的快速发展，有机固体废弃物(如畜禽粪便、污水处理厂剩余污泥、或食品废弃物等)的产生与堆放造成了明显的环境污染，并危及公众健康。例如，2010年全国畜禽粪便年产生量将高达45亿吨，处理利用率却不到15％，全国现有各种规模的养殖场14000多个，80％左右的养殖场畜禽废弃物未能得到有效处理和利用。由于嗜好取食尸腐性有机废弃物的习性，变态性发育双翅目蝇蛆(如家蝇Musca Domestica)是生物转化与降解有机废弃物的天然生物反应器。在一个5-10天的蝇蛆生长周期内，废弃物降解率(如有机质、恶臭物质)及主要废弃物减量化(含水量、总固体物质等)指标均达到20％-90％；与时同时，收获以废弃物为食的蝇蛆为生产(如渔业、家禽业)提供了优质的昆虫蛋白(55％-63％)。此外，因蝇蛆富含不饱和脂肪酸(8％-12％)、多肽及多糖类物质，出现了以蝇蛆为原料的生物医药及精细化工等新兴产业。显然开发高效蝇蛆反应器，并优化蝇蛆特殊生长代谢过程来达到有机固体废弃物资源化、减量化、高值化是当前的一个重要技术攻关方向。

仅从蝇蛆处理废弃物的技术环节，归纳地讲，国内外有关蝇蛆养殖与生产的技术(模式)主要分为：简易生产技术与工厂化生产技术。前者以就地取材为原则利用大尺寸塑料盆、瓦缸、及砖瓦水泥池作为蝇蛆处理废弃物的物理空间。此技术适用于小规模农场及家庭，成本低兼但效益低下。而工厂化生产模式是利用平房或塑料大棚的物理空间，将废弃物(或培养基质)呈条垛状或网格化地养殖蝇蛆，适用于大规模农场或堆场生产，经济效益高。其中塑料大棚模式为低温条件下开展蝇蛆养殖提供了可靠技术，而平房养殖模式(即平房蝇蛆反应器)主体结构为蝇蛆转化床与普遍砖瓦平房，往往需要通过外源加热来保证冬季蝇蛆生产。国外，还出现一种利用固体废物厌氧产能-蝇蛆转化组合式的反应器。

目前，具备产业化与经济效益显著的蝇蛆工厂化生产技术模式在调控蝇蛆生长的适宜温度方面仍存在技术不足，即缺少专门用于在蝇蛆生长的物理空间内调节并满足蝇蛆所需适宜温度(18-30℃)的调控装置或设备，而这一不足往往因冬季温度过低、夏季温度过高而导致蝇蛆减产及废弃物处理效能降低。其次，避光性是蝇蛆生长习性的一个重要特性，当外部光强达到20000lx时，蝇蛆器官受损、生长缓慢；当外部光强达到5000lx，蝇蛆回避强光源处的食物；当外部光强达到1000lx以下时，蝇蛆生长与摄取食物不受光源影响。夏季室外阳光照射的光强可达60000-100000lx，在冬季也能达到10000-50000lx。由于现有技术缺少必要的遮阳装备或设备，在室外强光照环境下，反应器内的蝇蛆大量钻入在堆体的下面，造成废弃物处理不匀或死角，同时也降低蝇蛆产量。此外，快速生物脱水是蝇蛆转化并实现废弃物减量化的一个重要机理，而现有的蝇蛆工业化模式没有在硬件上配套通风排湿装置或设备，造成废弃物脱水效果低下并间接影响蝇蛆产量。

发展持续、稳定、高效的蝇蛆反应器是大型有机固体废弃物处理与资源化利用的迫切要求。为此，针对现有工厂化蝇蛆处理技术的不足，本发明开展了针对塑料大棚模式蝇蛆反应器整体结构的创新性设计，成功研制了适用于产业化、有效调控适宜温度-光照-湿度的蝇蛆反应器。较之现有的技术，本发明在蝇蛆废弃物处理技术的“全年运行、高产稳产、废弃物减量化显著”等性能方面优势显著。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可全年运行的蝇蛆反应器。

本发明解决其技术问题所采取的技术手段是：本发明适用于有机固体废弃物生物转化的蝇蛆反应器包括蝇蛆转化床、内置活动式遮阳网帘、透明塑料薄膜和活动式卷帘，所述内置活动式遮阳网帘设于蝇蛆转化床的上方，透明塑料薄膜设于所述内置活动式遮阳网帘的上方，所述内置活动式遮阳网帘展开后能够用于遮挡由所述透明塑料薄膜透过的光线；所述活动式卷帘的上端与透明塑料薄膜连接，所述活动式卷帘的下端与地面连接，在所述活动式卷帘与蝇蛆转化床的池壁之间设有缓冲区，所述缓冲区内设有保温物质。

优选地，本发明在所述透明塑料薄膜的上方还至少设有一层外置活动式遮阳网帘。

优选地，本发明所述保温物质为木屑、稻壳、麦杆中的任一种或任几种。

优选地，本发明所述缓冲区内的保温物质的高度为蝇蛆转化床的池壁高度的75％-100％。

与现有技术(如平房设施蝇蛆养殖场技术方案)比较，本发明的有益效果是：

1.本发明蝇蛆反应器的顶部由透明塑料薄膜覆盖，可在冬季温度过低时，有效调节蝇蛆反应器的内部温度至18-30℃，具有蝇蛆反应器的控温效果；塑料薄膜外部的活动式遮阳网能在夏季温度过高时降低棚内温度：当夏季光强高于4000lx时，蝇蛆转化床上方的内置活动式遮阳网帘可有效避光，使射入蝇蛆转化床的光照强度不超过3000lx，从而避免蝇蛆受强光损伤并确保蝇蛆粪便生物转化均匀；而缓冲区可有效降低蝇蛆转化床的边距温差，使蝇蛆均匀分布于转化床内；当蝇蛆反应器内的湿度大于85％时，可打开活动式卷帘，促进蝇蛆反应器排湿；本发明以上所述的确保蝇蛆转化所需的“适宜温度-光照-湿度”的整体性技术创新是现有蝇蛆反应器技术所不具备的。

2.本发明蝇蛆反应器可在全年12个月内维持温度18-30℃、边距温差2-5℃、光照低于3000lx、湿度低于85％，解决了蝇蛆废弃物生物转化“全年运行、高产稳产、废弃物减量化显著”的技术瓶颈；本发明突出的技术效能是平房设施蝇蛆养殖场技术所不具备的。

3.本发明的技术指标出众：在一个蝇蛆生长期内(4-6天)，主要有机固体废弃物的减量化指标达到50％以上；同时新鲜蝇蛆产量可达到50-200kg/t，废弃物资源化潜力显著。

4.本发明的处理对象广泛：有机固体废弃物来源包括畜禽养殖粪便、餐厨垃圾、食品加工剩余料、市政剩余污泥等。

附图说明

图1是本发明蝇蛆反应器的整体结构示意图；

图2是本发明蝇蛆反应器中的蝇蛆转化床的分布示意图；

图3是本发明蝇蛆反应器中的内置活动式遮阳网帘的结构示意图。

具体实施方式

参看图1至图3，本发明蝇蛆反应器的主体部分包括：蝇蛆转化床1、透明塑料薄膜3、内置活动式遮阳网帘5、活动式卷帘7和缓冲区9。以下以一个具体的实施例详细说明本发明。

图1所示的蝇蛆反应器设有铝合金大棚支架2，顶部外形为穹形，支架外部覆盖透明塑料薄膜3，并在透明塑料薄膜3外设置至少一层外置活动式遮阳网4。外置活动式遮阳网帘4的具体层数根据当地气候条件而定，也可根据实际需求进行拆除。在蝇蛆反应器内安装有蝇蛆转化床1，本发明对转化床构筑物的形状无特定要求，一般为长方形，可采用水泥混凝土浇制。蝇蛆转化床1的上部设内置活动式遮阳网帘5。如图3所示，内置活动式遮阳网帘5通过活动式内支撑柱6固定，内置活动式遮阳网帘5的一端连接卷帘轴13，另一端连接卷帘横杆14。“C”型轨道15与活动式内支撑柱6同高度；卷帘横杆14的两端圆形凸出部位与“C”型轨道嵌合；通过连接“C”型轨道的牵引绳16收放内置活动式遮阳网帘5，通过卷帘把手17收纳内置活动式遮阳网帘5。内置活动式遮阳网帘5展开后能够用于遮挡由透明塑料薄膜3透过的光线。通常，透明塑料薄膜3的最低点处于内置活动式遮阳网帘5以下，从而保证在夏季光照强度过高时，光线不会直接射入蝇蛆转化床1，能够被内置活动式遮阳网帘5遮挡。活动式卷帘7的上端部通过卷帘把手8与透明塑料薄膜3连接，下端部与地面相接，可通过卷帘把手8控制卷帘的伸放。蝇蛆转化床1的池壁的外壁与活动式卷帘7之间的地面上设有保温物质，从而在活动式卷帘7与蝇蛆转化床1的池壁之间形成缓冲区9。缓区内的保温物质的高度为蝇蛆转化床1的池壁高度的75％-100％，由此可确保蝇蛆转化床1的边距温差不超过2-5℃。为防止强降雨影响，可在活动式卷帘7的外侧开挖排水沟10，防止强降雨造成蝇蛆转化床受淹。

在本发明蝇蛆反应器内，可根据处理量大小适当添加蝇蛆转化床1的个数，摆放方式并无固定要求，通常情况下可如图2摆放，即可将多个蝇蛆转化床1并排放置形成一个蝇蛆转化工作区，各蝇蛆转化工作区之间设有一定宽度的廊道7方便操作，廊道7的两端分别设有操作进口11与操作出口12。蝇蛆转化床1上方的内置活动式遮阳网帘5可整体覆盖整个蝇蛆转化工作区，也可在每个蝇蛆转化床上方分别单独设定一个内置活动式遮阳网帘5。缓冲区9内的保温物质优选木屑、稻壳、麦杆中的任一种或任几种，这些生物质保温材料不仅能起到较好的保温效果，而且成本低廉，对环境无害。

蝇蛆为双翅目家蝇科(Cyclorrhapha)的幼虫体，本发明蝇蛆反应器可适用于多种蝇种，例如：家蝇(Musca domestica)、绿光蝇(Lucilia Sericata)、金头蝇(Chrysomyia Megacephala)、厩腐蝇(Muscina Stabulans)，黑兵蝇(Diptera Stratiomyidae)等。

当室外日平均气温低于18℃时(秋季至冬季)，收取蝇蛆反应器外部的外置活动式遮阳网帘4，以提高蝇蛆反应器内的空气日平均温度至18-30℃；当室外日平均气温在25℃以上(如伏夏)，打开蝇蛆反应器外部的外置活动式遮阳网帘4，使蝇蛆反应器内的空气日平均温度达到20-30℃；当昼间光照强度大于4000lx时，排开蝇蛆转化床上方的内置活动式遮阳网帘，使蝇蛆反应器内光照强度不超过3000lx；当蝇蛆反应器内湿度大于85％时，打开活动式卷帘，促进蝇蛆反应器排湿；在蝇蛆转化床1与活动式卷帘7之间的地面上设置宽度约为10-50cm的缓冲区9，缓冲区内填充木屑、稻壳、麦杆等生物质保温材料，可确保蝇蛆转化床边距温差不超过2-5℃。

使用本实施例的蝇蛆反应器处理有机固体废弃物时，将有机固体废弃物平铺于蝇蛆转化床内；在有机固体废弃物表面添加1龄幼蛆，幼蛆添加量为有机固体废弃物处理总重量的0.1％-1.0％。经过4-6天后，有机固体废弃物总重量下降45-75％、水份重量下降50％-85％、臭味指数下降70-95％、大肠杆菌指标下降65-90％，同时每吨有机固体废弃物的新鲜蝇蛆产量可达到50-200kg/t。

本发明蝇蛆反应器的性能测试：

(1)有关温控的测试如下：

测试所用蝇蛆反应器的结构：铝合金大棚支架2的尺寸为长×宽×高＝2500cm×600cm×380cm，顶部外形为穹形，支架外部覆盖厚为0.08cm透明塑料薄膜3，在透明塑料薄膜3上安装一层黑色外置活动式遮阳网4，蝇蛆反应器的内部安装蝇蛆转化床1，每个蝇蛆转化床1的工作单元尺寸为长×宽×高×厚＝500cm×200cm×20cm×15cm，转化床构筑物均采用水泥混凝土浇制；每个蝇蛆转化工作区由5个并排放置的蝇蛆转化床1构成，各蝇蛆转化工作区之间设有120cm宽的操作廊道7。在每个蝇蛆转化床的上方且距地面120cm处安装内置活动式遮阳网帘5，铝合金大棚支架2的两侧距地面高度为100cm处改装成活动式卷帘7，卷帘的上部与透明塑料薄膜3连接，通过卷帘把手控制卷帘7的伸放，活动式卷帘7的下部与地面固定。蝇蛆转化床1与活动式卷帘7之间的地面上设置宽度为35cm的缓冲区9，缓冲区内填充稻壳。废弃物为新鲜猪粪，含水量为78.3±5.4％、粗纤维含量为17.2±2.8％、总氮含量为2.99±0.65％、总磷含量为1.82±0.54％、总钾含量为1.79±0.12％。蛆种为家蝇(Musca domestica)，1龄幼蛆添加量为每吨新鲜猪粪总重量的0.5％，即5.0kg/t；猪粪的平均堆放高度(即堆体高度)为10.4±2.7cm，每批次蝇蛆转化猪粪的处理时间为6天。而现有技术中的平房蝇蛆反应器是将蝇蛆转化床置于普遍砖瓦平房内，顶部未覆盖透明塑料薄膜，且不设缓冲区和内置活动式遮阳网帘。将蝇蛆转化床放置于长×宽×高＝1000cm×600cm×400cm的砖瓦结构平房内，蝇蛆转化床及其工作区尺寸的设计与本发明蝇蛆转化床一致。空气温度测试时间为每天上午10时；堆体温度为幼蛆接种后第3天堆体中部的温度，测量时间为上午10时。

表1本发明与平房蝇蛆反应器的温度调控差异

从表1的数据可知，除了夏季及秋季个别时间段温度高于30℃以外，本发明蝇蛆反应器的气温均在15℃以上，高于蝇蛆生长的最低温度，尤其在冬季气温可达到18-30℃。比较而言，现有常规技术条件下，除了夏季能维持蝇蛆生长的适宜温度外，整个冬季及一半以上的春季不能满足蝇蛆生长与处理的温度条件。另外，本发明蝇蛆反应器在全年范围内气温的变化小、温度稳定性好，有利于维持平稳的处理效能及蝇蛆产量；而平房蝇蛆反应器全年气温变化大、温度稳定性差，转化效能及蝇蛆产量低。正是由于气温调控效能的差异，本发明蝇蛆反应器中堆体的温度能够稳定在26.3℃(冬季)至38.3℃(夏季)之间，从而加速堆体废弃物的高效转化并提高蝇蛆产量。

(2)有关本发明蝇蛆反应器的边距温差的测试如下：

本试验的测试条件与“有关温控的测试”基本一致。设定两组本发明蝇蛆反应器，不设平房蝇蛆反应器，且只在其中一组反应器中的蝇蛆转化床与活动式卷帘之间的地面上设置宽度为35cm的缓冲区，缓冲区内填充稻壳，填充高度与转化床池壁等高，另一组则没有配置缓冲区。测试时间为冬季1月份。

表2缓冲区的设立对蝇蛆转化床温度及蝇蛆产量的影响(冬季1月)

从表2数据可知，在配置缓冲区的蝇蛆反应器中，整个冬季的堆体温度平均达到28.5±2.4℃，靠近活动式卷帘一侧的堆体温度平均达到26.7±3.5℃，边距温差仅为1.8±0.4℃。而与此同时，在无缓冲区的蝇蛆反应器中，蝇蛆堆体的边距温差达到6.3±1.2℃。由于反应堆体温度不均，无缓冲区的反应器其鲜蝇产量下降到75±16kg/t，下降率为15.7％。现场发现，有缓冲区的反应器内，蝇蛆分布均匀、猪粪生物转化均匀且彻底、臭味显著下降；而在无缓冲区的反应器内蝇蛆向转化床的内侧聚集，猪粪生物转化不彻底、臭味强烈。显然缓冲区对于保障蝇蛆转化床的温度调控效果及蝇蛆稳产具有不可忽视的作用。

(3)有关排湿的测试如下：

本试验的测试条件与以上“有关温控的测试”基本一致。设两组本发明蝇蛆反应器：其中一组反应器设有活动式卷帘(即处理组)，位置为离地面100cm处，上部与透明塑料薄膜连接并固定，下部与地面连接并可通过把手从下方开启或关闭卷帘；另一组反应器不设活动式卷帘(即对照组)，透明塑料薄膜覆盖整个蝇蛆反应器并与地面相接。当蝇蛆反应器内的空气湿度超过85％时，开启处理组的活动式卷帘；当空气湿度低于65％时则关闭。测试时间为冬季10月份。

表3活动式卷帘对废弃物减量化(以脱水为例)及蝇蛆产量的影响

从表3的数据可知，设有活动式卷帘的处理组获得的堆体残渣含水量为47.6±1.6％，水份减量化达到80.0±3.6％。而无活动式卷帘的对照组相应的残渣含水量仍有59.7±3.2％，水份减量化水平较低约为58.5±4.4％。显然，活动式卷帘可有效通风与除湿，猪粪生物脱水效能显著，从而间接地改善蝇蛆的生长与代谢，获得鲜蝇的平均产量达到104±11kg/t。与此同时，无活动式卷帘的反应器鲜蛆产量下降了16.3％。显然活动式卷帘对于保障蝇蛆反应器中废弃物的减量化程度及蝇蛆稳产同样具有不可忽视的作用。

(4)有关避光的测试如下：

本发明在蝇蛆反应器内实现有效避光的设施是内置活动式遮阳网帘。设定两组本发明蝇蛆反应器，拉开其中一组反应器中蝇蛆转化床上部的内置活动式遮阳网帘，而另一组蝇蛆转化床上方的活动式遮阳网帘始终不拉开。其它测试条件与上述“有关温控的测试”基本一致。

表4内置活动式遮阳网帘调控蝇蛆反应器光照强度(lx)的效能比较

从表4可知，使用内置活动式遮阳网帘的蝇蛆转化床，夏季接收的光强范围是0.2-3290lx，冬季接收的光强范围是0.0-2470lx，显然使用内置活动式遮阳网帘有利于蝇蛆均匀地处理废弃物，不留死角；现场发现蝇蛆均匀地分布于整个废弃物堆体内。与此同时，不使用内置活动式遮阳网帘的蝇蛆转化床，夏季接收的光强范围为0.2-93800lx，冬季光强达0.0-64800lx。现场观察发现：在上午10:00至下午16:00的时间段内，50％以上的蝇蛆“躲在”废弃物堆体的底部，停留在废弃物表面的蝇蛆很少，造成蝇蛆对废弃处理不均匀，表层废弃物处理率低下。

本发明蝇蛆反应器的应用实例：

(1)蝇蛆产量

本发明蝇蛆反应器与平房蝇蛆反应器的设计条件、猪粪来源与特性等与上述“本发明蝇蛆反应器的性能测试”部分一致，但单批次蝇蛆转化猪粪的处理时间设计：春秋季为6天、夏季为5天、冬季为7天。

表5本发明与平房蝇蛆反应器的蝇蛆产量比较，单位：kg/t(猪粪)

显然，表5说明本发明蝇蛆反应器全年获得的新鲜蝇蛆产量达到86±14kg/t至112±12kg/t，干重达到25.3±3.1kg/t至31.8±4.5kg/t；全年蝇蛆产量相对稳定。相比之下，平房蝇蛆反应器全年获得的新鲜蝇蛆产量为27±23kg/t至105±12kg/t，干重为7.1±6.4kg/t至30.8±3.1kg/t；产量低于本发明技术，且在不同季节内产量差异大，尤其在整个冬季蝇蛆均因低温而死亡。

表6本发明与平房蝇蛆反应器的蝇蛆产量比较，单位：kg/t(鸡粪)

当供试废弃物为新鲜鸡粪时，含水量为52.5±6.1％、粗纤维含量为19.8±3.5％、总氮含量为5.32±1.02％、总磷含量为4.32±0.74％、总钾含量为3.45±0.42％。其它测试条件与本环节的猪粪一致。与猪粪类似，本发明蝇蛆反应器的全年产量指标均不同程度地高于平房蝇蛆反应器，且全年鲜蛆产量基本稳定在140-182kg/t；而平房蝇蛆反应器的鲜蛆产量只有97-102kg/t，且整个冬季蝇蛆无法生长(表6)。因此，本发明针对不同种类的废弃物均有显著的生物处理效果及稳定的蝇蛆产量。

(2)废弃物减量化效能

本发明蝇蛆反应器关于废弃物减量化效能的应用场所、蝇蛆反应器与平房蝇蛆反应器设计、猪粪来源与特性等与上述“本发明蝇蛆反应器的性能测试”部分一致。有关废弃物减量化(RM：％)的测试指标定义如下：RM(％)＝(FM-LM)/FM×100％，其中FM为蝇蛆处理前某一废弃物指标的重量(kg)，LM为蝇蛆处理后该废弃物指标在堆体的重量(kg)；供减量化测试的废弃物指标有“总重量”、“干物量”及“大肠杆菌”等9项(表7)。

表7本发明与平房蝇蛆反应器的废弃物减量化比较

从表7可知：在夏季，本发明蝇蛆反应器的9项废弃物减量化指标达到18％-95％，其中与健康密切相关的恶臭指数和与后处理及运输密切相关的水份量两项指标的减量化程度分别为95％与80％，与此同时总重量减量化程度也达到了67％。在冬季，上述减量化指标略微低于夏季，但也达到了12％-93％，其中恶臭指数与水份量的减量化程度为93％与79％。平房蝇蛆反应器在夏季运行时各项废弃物减量化水平与本发明基本相当，但在冬季，废弃物减量化程度仅达到0.1％-16％，显然效能低下。

(3)光照强度调控对蝇蛆产量及废弃物减量化效能的影响

本发明蝇蛆反应器关于废弃物减量化效能的应用场所、本发明蝇蛆反应器的设计、猪粪来源与特性等与“本发明蝇蛆反应器的性能测试”部分一致。设定两组本发明蝇蛆反应器，拉开其中一组反应器中蝇蛆转化床上部的内置活动式遮阳网帘，而另一组蝇蛆转化床上方的活动式遮阳网帘始终不拉开。测试时间为夏季(7月15日-7月30日)。

表8内置活动式遮阳网帘对蝇蛆产量及废弃物减量化的影响比较(夏季)

从表8可知，安装并使用内置活动式遮阳网帘可提高15-19％的蝇蛆产量。从现场来看，不使用内置活动式遮阳网帘的蝇蛆转化床表面受到强光直射，导致蝇蛆下钻或死亡，从而降低蝇蛆产量。对于废弃物减量化指标而言，与不使用组相比，使用内置活动式遮阳网帘可显著提高各减量化指标约23％-43％。显然，使用内置活动式遮阳网帘不仅可以提高蝇蛆产量，同时也能提高废弃物减量化程度。使用内置活动式遮阳网帘的蝇蛆转化床，其机理在于有效降低光照强度，从而使处理组内的蝇蛆在堆体内分布均匀、取食均匀、生长健康，堆体生物转化均匀、彻底。