施培俊，王冠華，于穎軍，張齊杰，馬 帥（中國人民解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

基于生物（蚯蚓）垃圾分選工藝的探究

施培俊，王冠華，于穎軍，張齊杰，馬 帥
（中國人民解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

開展實驗驗證利用蚯蚓篩分垃圾的可行性及經(jīng)濟(jì)性。通過實驗記錄了蚯蚓長度、數(shù)量、垃圾處理量及試驗箱內(nèi)土壤變化，建立了蚯蚓吞食垃圾的數(shù)學(xué)模型，帶入處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)計算。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)分選效率遠(yuǎn)大于當(dāng)前機械篩分效率。

蚯蚓；生物垃圾分選；篩分效率；垃圾處理；實驗

隨著改革開放的不斷深入、城市的發(fā)展及鄉(xiāng)村的城市化和城市人民生活水平的不斷提高，中國城市生活垃圾累積堆存量巨大，占地面積大，而且垃圾增長率逐年增加［1］。垃圾中含有大量有害成分，這些有害成分通過各種途徑嚴(yán)重影響環(huán)境，極大地威脅人們的身心健康，是社會公害之一［2］。對城市生活垃圾的處理已經(jīng)刻不容緩。

要采用綜合處理方法處理城市居民生活垃圾，必須在垃圾源頭進(jìn)行分類。由于種種原因，垃圾源頭分類在我國的推行未能達(dá)到預(yù)期目的，各個垃圾處理廠采用機械篩分的方式在將垃圾進(jìn)行衛(wèi)生填埋或焚燒堆肥之前進(jìn)行分類。由于技術(shù)原因，采用滾筒篩等機械篩分方式的效果并不理想，現(xiàn)在通用的機械篩分工藝效率普遍在20％～30％，篩分效率低下。生物處理方法作為一種新型城市垃圾篩選方法，具有得天獨厚的優(yōu)勢，其建設(shè)成本低、處理過程無害化和分選效率高的特點符合可持續(xù)發(fā)展要求。

1 實驗材料

1.1 實驗材料準(zhǔn)備

大平二號紅蚯蚓1kg，透明塑料箱3只（60cm*80cm*50cm），電子天平、刻度尺、溫度計、濕度計、柱狀取樣器等。

1.2 實驗過程

在試驗箱內(nèi)先放入一層15cm的適合蚯蚓生存的土壤，將試驗用蚯蚓放入土壤中。將已稱量過質(zhì)量的生活垃圾覆蓋在土壤上層。培養(yǎng)一段時間后進(jìn)行測量。將柱狀取樣器豎直插入土壤中均勻取樣，取出取樣器中的蚯蚓。將得到的蚯蚓向下垂直至其體長最大處測量長度，用電子天平稱量其質(zhì)量。為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測量垃圾的剩余量時，將上層生活垃圾全部取出，測量其質(zhì)量并記錄。

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果詳見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)匯總表

2.2 結(jié)果初步分析

2.2.1 蚯蚓長度（質(zhì)量）變化

如圖1所示，在蚯蚓生長的初期，由于需要適應(yīng)新的環(huán)境，故生長比較緩慢，體長增加不明顯，在經(jīng)過約7d適應(yīng)環(huán)境之后，種群樣本平均體長明顯增長。在快速增長期后，蚯蚓進(jìn)入繁殖期，產(chǎn)生的子代蚯蚓在長度上較小，使得曲線在變化上的增加不如初期明顯，但仍有增加。后來最初投入的蚯蚓逐漸進(jìn)入生命周期的末端，出現(xiàn)老死情況，同時新繁殖的蚯蚓不斷增長，種群平均長度逐漸穩(wěn)定在100～120mm，種群蚯蚓年齡結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，平均長度不再有明顯增長。

由此可知，當(dāng)蚯蚓種群結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定之后，年幼期、成熟期、年老期蚯蚓在種群中所占比重相對隨時間變化較小，因此種群體長（及體重）分布服從成熟期種群分布，此時種群垃圾處理能力增長主要依賴于種群數(shù)量增長。

2.2.2 蚯蚓種群數(shù)量變化

蚯蚓種群數(shù)量統(tǒng)計如圖2所示。

圖1 平均蚯蚓體長變化曲線

圖2 平均種群數(shù)量變化曲線

第一階段：在投放初期，新的培養(yǎng)環(huán)境會對蚯蚓的成長產(chǎn)生不利影響。大量蚯蚓因不熟悉新的生活環(huán)境而嘗試鉆出紗布，導(dǎo)致在實驗前期實驗箱內(nèi)蚯蚓種群數(shù)量大量減少。

第二階段：隨著實驗進(jìn)行，成年蚯蚓通過不斷分泌粘液使得箱內(nèi)實驗環(huán)境越來越適宜蚯蚓生存，成體開始大量繁殖，種群數(shù)量快速回升，蚯蚓種群進(jìn)入擴張期。

第三階段：由于試驗箱體積以及營養(yǎng)的限制，種群數(shù)量趨于飽和，不再上升，同時由于試驗箱原料垃圾和營養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗，蚯蚓種群數(shù)量出現(xiàn)了不明顯的下降。

2.2.3 垃圾處理量變化

如圖3所示，蚯蚓在成長過程中需要消耗大量的食物，在初期食物供給充足的情況下，成長更為迅速，食物消耗量更大，但由于初期整體種群數(shù)量急劇下降，所以垃圾處理量曲線受其影響表現(xiàn)為下降趨勢，后蚯蚓數(shù)量和體長增長期重合，使得種群處理能力得以快速增長，最后隨著種群結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，種群處理能力穩(wěn)中有降。

2.2.4 試驗箱內(nèi)土壤變化

經(jīng)過兩個多月的實驗，試驗箱內(nèi)土壤與垃圾在感官上發(fā)生明顯變化，土壤呈黑色，變得松軟，初期投入的垃圾除塑料、玻璃、鐵釘?shù)葻o機物外都已難以辨別，消耗殆盡，箱底存留大量蚯蚓糞便。

圖3 平均種群數(shù)量變化曲線

3 對實驗結(jié)果的數(shù)學(xué)分析

本文從數(shù)學(xué)建模的角度刻畫蚯蚓種群進(jìn)入穩(wěn)定成長期后的垃圾處理能力變化。

定義垃圾篩分效率計算公式為：

式中：η—垃圾篩分效率；λa—實際去除有機垃圾占總垃圾的含量，單位％；λ—有機垃圾占總垃圾的含量，單位％。

蚯蚓種群實際垃圾處理能力為：

式中：ω—種群垃圾處理能力；νi—生命周期某階段的單體蚯蚓的垃圾處理能力，單位g；μi—種群內(nèi)處于該生命周期階段的蚯蚓數(shù)量，單位條。

由于無法精確定義某一條蚯蚓處于生命周期的某一階段，因此使用平均吞食能力表示，則公式（2）可以表示為：

對于蚯蚓種群數(shù)量變化μ，忽略初期因投入遠(yuǎn)超蚯蚓試驗箱所能容納種群數(shù)量的蚯蚓所造成的種群數(shù)量大規(guī)模下降情況外，可以利用改進(jìn)的馬爾塞斯人口增長模型對蚯蚓種群的數(shù)量進(jìn)行討論。

對于蚯蚓種群來說，蚯蚓種群增長率與種群數(shù)量在不考慮環(huán)境容納能力的情況下呈正相關(guān)，即：

式中：r—增長比例系數(shù)。

但在實際情況中，種群數(shù)量增長需要受到環(huán)境容納額度的影響，需要對公式（5）做出修正：

式中：A，B—比例系數(shù)。

求解公式（6）得到：

則對于穩(wěn)定期內(nèi)任意時間點，都能由公式（3）、（7）得到種群的垃圾處理能力，即：

這里需要指出的是，隨著實驗的進(jìn)行，垃圾總量不斷減少，則有：

式中：α、β—有機、無機垃圾的質(zhì)量；α—初始時有機垃圾的質(zhì)量。

同樣的，有：

式中：αa—實際處理量有機垃圾的質(zhì)量。

根據(jù)公式（1）、（8）、（9）、（10）得到生物垃圾分選工藝的分選效率計算公式為：

至此，模型建立完畢。

將實驗數(shù)據(jù)帶入公式（11）進(jìn)行計算，取種群平均長度為105mm（平均體重1.57g），換算成同等日吞食能力帶入計算，最終得到實驗的分選效率為79.17％，大大超過目前垃圾處理廠普遍采用的滾筒篩垃圾分選效率，實驗達(dá)到了驗證目的。

4 結(jié)論

（1）基于生物（蚯蚓）法的垃圾分選工藝具有建設(shè)成本低、運行維護(hù)簡單、分選效率高等優(yōu)點。在具體的項目建設(shè)過程中，可以達(dá)到垃圾資源化、無害化處理的目的。具有良好的潛在商業(yè)價值。

（2）生物（蚯蚓）法分選垃圾效率為79.17％，比通用機械篩選效率高1.63～2.96倍。生物法篩選效率更高。

［1］田立嬌，張健，宋靜，張傳義，袁麗梅.中國城市垃圾分類收集的可行性與必要性［J］.環(huán)境科技，2010，12（23）：138 -140.

［2］王建，胡巍，余果，代勇.中國垃圾處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展的態(tài)勢分析法分析［J］.產(chǎn)業(yè)觀察，2011，8（242）：90-92.

［3］金杰，俞志敏，敬民，吳克.蠕蟲（蚯蚓）處理生物垃圾的初步研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（7）：1416-1417.

ResearchontheGarbageSortingProcesswithBiological（Earthworm）Method

SHIPei-jun，WANGGuan-hua，YUYing-jun，ZANGQi-jie，MAShuai
（NationalDefenseEngineerCorps，PLAUniv.ofSci.＆Tech.，NanjingJiangsu210007，China）

Theexperimentwasconductedtotestthefeasibilityofbiologicalwastesortingprocessusingearthworm.Thelengthandthenumberoftheearthwormaswellasthegarbageamountandthechangesofthesoilwereallwell recordedbeforeandafterthetest.Basedonthedata，thetheoreticalanalysiswasframed.Andthemathematical modelofearthwormeatingthegarbagewasbuiltup.Theresultscalculatedbythemodelwerecomparedwiththe screeningefficiencybythemachine.Itshowedthatthebiologicalefficiencywashigherthanthatofthemachine.

earthworm；biologicalwastesorting；screeningefficiency；garbagedisposal；experiment

X705

A

1673-9655（2015）03-0064-04

2014-12-19