蚯蚓梯級利用餐廚垃圾及黑水虻蟲糞研究

王聰 葉小梅 奚永蘭 杜靜 孔祥平 王莉 張應鵬

摘要：為解決有機廢棄物預處理后依然存在高鹽分、腐熟不完全以及存在有害物質(zhì)等問題，探究利用蚯蚓堆肥處理餐廚垃圾與黑水虻蟲糞的可行性。試驗利用蚯蚓處理餐廚垃圾與黑水虻蟲糞，對不同處理的蚯蚓生物學性狀以及物料養(yǎng)分的變化情況進行比較分析。結(jié)果表明，蚯蚓堆肥處理后，處理組蚯蚓的日增質(zhì)量倍數(shù)以及日增殖倍數(shù)均顯著低于對照組（P<0.05）;2種物料的pH值趨于中性，并且電導率顯著下降（P<0.05）;餐廚垃圾和黑水虻蟲糞的有機質(zhì)、銨態(tài)氮含量等均顯著下降（P<0.05）;總磷、總鉀、腐殖酸的含量均顯著上升（P<0.05）。黑水虻蟲糞的總氮含量上升，而餐廚垃圾的總氮含量下降;黑水虻蟲糞和餐廚垃圾的種子發(fā)芽指數(shù)分別為86.67%、81.33%。通過對物料腐殖酸與種子發(fā)芽指數(shù)的測定，表明2種物料經(jīng)過蚯蚓處理后，可用于農(nóng)用。

關鍵詞：蚯蚓堆肥;梯級利用;黑水虻蟲糞;餐廚垃圾;物料養(yǎng)分

中圖分類號： S141.4? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）20-0242-06

收稿日期：2021-02-22

基金項目：江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系專項資金[編號：JATS（2020）391]。

作者簡介：王 聰（1992—），男，江蘇南京人，碩士，研究實習員，主要從事廢棄物昆蟲高效轉(zhuǎn)化研究。E-mail：823658947@qq.com。

通信作者：葉小梅，博士，研究員，主要從事養(yǎng)殖場污染控制及有機廢棄物資源化利用研究。E-mail：yexiaomei610@126.com。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及人民生活水平的提高，在社會生產(chǎn)、流通以及消費的過程中，生活性有機廢棄物（餐廚垃圾等）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性有機廢棄物（畜禽糞便等）的產(chǎn)生量增多，嚴重影響生態(tài)環(huán)境以及居民的身體健康[1]。如何以無害化的方式對各種有機廢棄物進行針對性處理是人們關注的重點之一。

有機廢棄物的增加，導致處理難題日益凸顯。其中，餐廚垃圾的養(yǎng)分含量高，是城市生活垃圾中有機廢棄物的主要成分，也是一種可再利用的有機資源。目前所采用的餐廚垃圾處理手段為焚燒法、填埋法、堆肥法、厭氧處理等，但都存在不同程度的不足，比如處理之后依然存在高鹽分、腐熟不完全以及含有有害物質(zhì)（重金屬）等問題，影響了餐廚垃圾的高效利用[2-5]。利用黑水虻等資源型昆蟲進行有機廢棄物處理，可以減少工廠能耗以及污染物排放等問題[6-7]。但黑水虻處理后的殘留物生化穩(wěn)定性較低，依舊存在水分含量高、氨氣等惡臭氣體排放量大、堆體易發(fā)酵發(fā)熱等缺點[8-9]。若將黑水虻蟲糞直接作為有機肥施用于農(nóng)田，容易在土壤環(huán)境中再次降解與發(fā)酵，從而引起土壤產(chǎn)熱，導致作物根系損傷[10-11]。

蚯蚓堆肥處理是一種傳統(tǒng)方式和生物方式相互結(jié)合的新手段，因其綠色環(huán)保、可持續(xù)性被人們所關注[12]。如今，人們采用的蚯蚓是一種繁殖能力強、便于人工養(yǎng)殖的一類赤子愛勝蚓，即大平2號。通過這種堆肥處理方式可以實現(xiàn)更為良好的綜合效益。蚯蚓利用其消化道分泌的蛋白酶、脂肪酶等多種酶類與環(huán)境微生物協(xié)同作用加速分解和轉(zhuǎn)化有機物質(zhì)，對有機廢棄物進行無害化處理。蚯蚓糞同樣可以作為優(yōu)質(zhì)的有機肥料，而蚯蚓自身也可以通過提取手段制作成生物制劑等[13-14]。本研究通過研究蚯蚓梯級轉(zhuǎn)化有機廢棄物的養(yǎng)分變化情況，以期為進一步的工程實踐提供科學的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點為江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所內(nèi)，時間為2020年3—5月。試驗材料有赤子愛勝蚓（Eisenia fetid）、 新鮮牛糞、黑水虻蟲糞、餐廚垃圾（高溫發(fā)酵24 h）等。廢棄物的初始理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗方法

本次試驗過程中，采用上口尺寸為30 cm，下底22 cm，高度25 cm的塑料花盆，在花盆底部設置透水孔?；ㄅ璧撞糠胖眉毤喚W(wǎng)，防止蚯蚓逃逸。加入75%含水量的菜園土于細紗網(wǎng)上，厚度約為 8 cm，接種10條生長均一（蚯蚓質(zhì)量大約為 0.28 g/條）、具有生殖環(huán)帶的蚯蚓。將粗紗網(wǎng)（孔徑6 mm）置于菜園土上方，以便分離物料和蚯蚓自由穿梭取食。以新鮮牛糞為對照組，黑水虻蟲糞以及餐廚垃圾為處理組。將75%含水量的物料（干物質(zhì)量為200 g）置于粗紗網(wǎng)上，每組重復3次，試驗周期為40 d。

1.3 測試指標

蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)=（試驗完成后蚯蚓質(zhì)量-初始質(zhì)量）/（初始質(zhì)量×堆制時間）;日增殖倍數(shù)=（試驗完成后蚯蚓數(shù)量-初始數(shù)量）/（初始數(shù)量×堆制時間）。

采用105 ℃烘干法測定含水率;采用玻璃電極法測定pH值;采用電導儀測定電導率（EC值）;采用重鉻酸鉀外加熱法測定總有機質(zhì)相對含量;采用凱氏定氮法測定總氮相對含量;采用釩鉬黃比色法測定總磷相對含量;采用火焰光度計法測定總鉀的相對含量;通過Skalar San++連續(xù)流動分析儀裝置測定銨態(tài)氮（NH+4-N）與硝態(tài)氮（NO-3-N）相對含量;利用總有機碳分析儀（TOC）儀測定腐殖酸含量;種子發(fā)芽率：選取25粒小白菜種子在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 96 h 測定發(fā)芽指數(shù)（GI），由以下公式計算：

GI=（堆肥浸提液種子的發(fā)芽率×根長均值）/（蒸餾水種子的發(fā)芽率×根長均值）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過SPSS 23工具進行處理，同時完成顯著性差異分析。借助OriginPro 2018完成繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料以及蚯蚓生物學性狀的變化情況

由表2可知，經(jīng)過40 d蚯蚓處理后，對照組干物質(zhì)減少了54.59%，餐廚垃圾和黑水虻蟲糞處理組干物質(zhì)分別減少了48.22%、39.49%，與對照組有顯著性差異（P<0.05）。餐廚垃圾與黑水虻蟲糞處理組中蚯蚓生物量分別增加了29.61%、40.63%，而對照組中蚯蚓生物量增加了70.53%，與處理組有顯著性差異（P<0.05）。對照組的日增殖倍數(shù)為0.013 5，而餐廚垃圾與黑水虻蟲糞處理組日增殖倍數(shù)分別為0.006 3、0.007 3。處理組的生物量、日增質(zhì)量倍數(shù)、日增殖倍數(shù)均低于對照組。餐廚垃圾與黑水虻蟲糞經(jīng)過預處理，使得可利用養(yǎng)分含量低于對照組，不能滿足蚯蚓正常生長與繁殖的營養(yǎng)需求[15]。

2.2 蚯蚓處理對有機廢棄物理化性質(zhì)的影響

2.2.1 蚯蚓處理對物料電導率的影響

由圖1可知，40 d后與試驗前相比，對照組EC值從 248.33 μS/cm降低到148.33 μS/cm，下降了40.27%。餐廚垃圾和黑水虻蟲糞處理組的EC值分別下降了35.29%、25.85%，電導率減少量與對照組相比有顯著性差異（P<0.05）。因為在蚯蚓堆制過程中，蚯蚓通過自身消化系統(tǒng)富集物料中的鹽離子，也可以與微生物對鹽離子發(fā)生絡合作用，因此各試驗組的EC值降低[16]。

2.2.2 蚯蚓處理對物料pH值的影響

由圖2可知，經(jīng)過蚯蚓處理后，餐廚垃圾和黑水虻蟲糞處理組的pH值分別由4.81、6.83上升到7.14、7.26。對照組的pH值由8.06降低至7.43。試驗結(jié)束后，各組物料環(huán)境中pH值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行浴Ｒ驗槲锪系耐庑誀顩r因為蚯蚓的生理活動而得到改善，這樣的環(huán)境對硝化細菌的生長和繁殖起到了促進的作用，促使銨態(tài)氮往更穩(wěn)定的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，使得物料環(huán)境趨于中性;并且蚯蚓和微生物在轉(zhuǎn)化物料的同時產(chǎn)生了大量的CO2和其他小分子有機酸性物質(zhì)，促使物料pH值改變[17]。

2.2.3 蚯蚓處理對物料有機質(zhì)含量的影響

由圖3可知，經(jīng)過蚯蚓處理后，餐廚垃圾和黑水虻蟲糞的有機質(zhì)含量分別由53.78%、38.85%下降到37.67%、28.52%。而對照組的有機質(zhì)含量從41.27%下降到22.64%，下降了45.14%，其有機質(zhì)含量減少量與處理組相比有顯著性差異（P<0.05）。因為一方面在轉(zhuǎn)化過程中蚯蚓與微生物通過利用有機質(zhì)滿足自身的生長繁殖需求，另一方面蚯蚓和微生物發(fā)生協(xié)同反應，促進了有機物質(zhì)的礦化過程，導致一些有機質(zhì)通過H2O與CO2的形式被消耗，所以有機質(zhì)的相對含量下降[18-19]。

2.2.4 蚯蚓處理對物料總氮含量的影響

由圖4可知，餐廚垃圾處理組的總氮相對含量由5.48%下降至4.37%，而黑水虻蟲糞組的總氮相對含量由1.51%上升至2.09%。對照組總氮相對含量由1.63%上升至2.36%。轉(zhuǎn)化后總氮含量升高的原因可能有以下幾種：物料中NH+4在硝化細菌的作用下被氧化成更加穩(wěn)定的NO-3減少氮損失，并且蚯蚓和微生物加速了物料有機質(zhì)的礦化分解速度，有機碳以CO2和H2O的形式損失，引起了物料總量的減少。氮損失量小于總物料總量的減少量，所以使得氮的相對含量升高;蚯蚓堆制產(chǎn)物中總氮相對含量的增加主要以蚯蚓黏液、含氮排泄物等方式增加[20-21]。而餐廚垃圾預處理后未完全腐熟，在蚯蚓堆制過程中有大量銨態(tài)氮的釋放，導致餐廚垃圾處理組的總氮相對含量降低。

2.2.5 蚯蚓處理對物料總磷和總鉀含量的影響

由圖5、圖6可知，蚯蚓處理40 d后，餐廚垃圾與黑水虻蟲糞的總磷含量分別從3.01%、2.11%上升到3.23%、2.19%，對照組的總磷含量從1.58%上升至1.72%。餐廚垃圾與黑水虻蟲糞的總鉀含量分別從2.89%、2.18%上升至3.02%、2.46%，對照組的總鉀含量從2.31%上升至2.59%。蚯蚓轉(zhuǎn)化過程中因為有機質(zhì)的礦化和物料總量的減少，使物料中總磷跟總鉀的相對含量升高。

2.2.6 蚯蚓處理對物料銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的影響

由圖7、圖8可知，蚯蚓處理后物料中的銨態(tài)氮含量下降，黑水虻蟲糞與餐廚垃圾的銨態(tài)氮含量分別從0.68%、2.18%下降至0.26%、1.17%，分別下降了61.76%、46.33%，銨態(tài)氮含量減少量與對照組相比均有顯著性差異（P<0.05）。各組物料中硝態(tài)氮的含量明顯上升，黑水虻蟲糞的硝態(tài)氮含量由0.74%上升至1.38%，上升了86.49%，餐廚垃圾的硝態(tài)氮含量由1.84%上升至2.31%，上升了25.54%，均與對照組有顯著性差異（P<0.05）。因為蚯蚓的生理活動可以促進物料的硝化作用，使得硝化細菌的活性和數(shù)量增加，從而促進氮元素的礦化，促使更多的NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N。

2.2.7 蚯蚓處理對物料腐殖酸的影響

圖9、圖10、圖11反映了蚯蚓處理過程中物料的總腐殖酸、胡敏酸以及富里酸含量的變化過程。經(jīng)過蚯蚓40 d堆制，黑水虻蟲糞的總腐殖酸和胡敏酸含量分別為47.32、26.79 mg/kg，富里酸含量為16.23 mg/kg。餐廚垃圾的總腐殖酸和胡敏酸含量分別為67.64、33.18 mg/kg，富里酸含量為25.54 mg/kg。40 d后對照組總腐殖酸與胡敏酸的含量與0 d相比分別上升了19.89%、38.41%，對照組富里酸含量下降了26.06%。

2.2.8 種子發(fā)芽指數(shù)變化的情況

通過蚯蚓40 d堆制后，對照組的發(fā)芽指數(shù)提高到89.33%。黑水虻蟲糞的種子發(fā)芽指數(shù)從18.67%上升至86.67%，餐廚垃圾的種子發(fā)芽指數(shù)從14.67%上升至81.33%。而發(fā)芽指數(shù)是體現(xiàn)堆肥對植物毒性的一個重要指標，另外也可以呈現(xiàn)出堆肥腐熟度的情況[22-23]。還有一些學者認為，在該指標實現(xiàn)80%時，就可判定堆肥對植物不存在毒性，或者充分腐熟，所以在蚯蚓轉(zhuǎn)化后的物料可以用于正常農(nóng)用。

3 討論與小結(jié)

經(jīng)過蚯蚓處理后物料的pH值呈中性，電導率下降，黑水虻蟲糞以及餐廚垃圾的養(yǎng)分滿足蚯蚓正常的生理活動需求。蚯蚓堆肥是一個在碳氮循環(huán)中的礦質(zhì)化和腐殖化過程。物料中碳素為微生物和蚯蚓生命活動提供碳源，生物可代謝利用有機碳生成CO2、水和熱量;而氮素轉(zhuǎn)化重點是通過蚯蚓等發(fā)揮作用下的礦化過程以及生物固氮來實現(xiàn)的，正是因為蚯蚓的參與促進了物料的分解過程，從而加快了腐殖化[24]。

如今人們可運用碳氮比、NH+4-N/NO-3-N來描述相應的腐熟度指標[25]。不過在NH+4-N/NO-3-N上人們看法各異，一些學者提出在NH+4-N/NO-3-N小于1時就可判定堆肥完成;有的則認為堆肥后期NH+4-N/NO-3-N應該在0.5左右，但具體的 NH+4-N/NO-3-N 還應該根據(jù)原料作出判斷[26]。黑水虻蟲糞以及餐廚垃圾經(jīng)過蚯蚓處理后，NH+4-N/NO-3-N 均小于1，并且通過對產(chǎn)物的腐殖酸相關成分的測定以及種子發(fā)芽指數(shù)（黑水虻蟲糞為86.67%、餐廚垃圾為81.33%）的測定，表明蚯蚓轉(zhuǎn)化的物料已經(jīng)腐熟完全，對于植物沒有毒害作用。

國內(nèi)外早已將蚯蚓堆肥處理與傳統(tǒng)堆肥化處理相結(jié)合，聯(lián)合處理餐廚垃圾、畜禽糞便、城市污泥等固體有機廢棄物。蚯蚓堆肥可以再次分選廢棄物中沒有分開的有機物或者無機物。蚯蚓消化道的代謝作用使得物料中有機物逐步分解，促進物料腐熟化，最終以顆粒狀結(jié)構(gòu)排出體外。有研究顯示，蚓糞還可以促進硝化-脫氮的過程，并且預處理產(chǎn)物依然存在臭氣、重金屬等污染環(huán)境的因素，通過蚯蚓梯級處理不僅可以節(jié)約處理能耗，同時也可以改善環(huán)境。蚯蚓作為一種生態(tài)毒害指標生物，可以利用蚯蚓為媒介，在轉(zhuǎn)化過程中進行毒理監(jiān)測[27-29]。

本試驗證明了蚯蚓可以在黑水虻蟲糞以及高溫發(fā)酵的餐廚垃圾中生存并進行堆肥化處理，為實踐生產(chǎn)提供了一定的理論基礎。不過蚯蚓生物學指標依然存在問題，所以在早期須要結(jié)合發(fā)酵工藝，從而制作更加適合的中間物料。

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