王聰 葉小梅 奚永蘭 杜靜 孔祥平 王莉 張應(yīng)鵬

摘要：為解決有機(jī)廢棄物預(yù)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(wèn)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(yàn)利用蚯蚓處理餐廚垃圾與黑水虻蟲糞，對(duì)不同處理的蚯蚓生物學(xué)性狀以及物料養(yǎng)分的變化情況進(jìn)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(duì)照組（P<0.05）;2種物料的pH值趨于中性，并且電導(dǎo)率顯著下降（P<0.05）;餐廚垃圾和黑水虻蟲糞的有機(jī)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(guò)對(duì)物料腐殖酸與種子發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定，表明2種物料經(jīng)過(guò)蚯蚓處理后，可用于農(nóng)用。

關(guān)鍵詞：蚯蚓堆肥;梯級(jí)利用;黑水虻蟲糞;餐廚垃圾;物料養(yǎng)分

中圖分類號(hào)： S141.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）20-0242-06

收稿日期：2021-02-22

基金項(xiàng)目：江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金[編號(hào)：JATS（2020）391]。

作者簡(jiǎn)介：王 聰（1992—），男，江蘇南京人，碩士，研究實(shí)習(xí)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(chǎng)污染控制及有機(jī)廢棄物資源化利用研究。E-mail：yexiaomei610@126.com。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，在社會(huì)生產(chǎn)、流通以及消費(fèi)的過(guò)程中，生活性有機(jī)廢棄物（餐廚垃圾等）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性有機(jī)廢棄物（畜禽糞便等）的產(chǎn)生量增多，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境以及居民的身體健康[1]。如何以無(wú)害化的方式對(duì)各種有機(jī)廢棄物進(jìn)行針對(duì)性處理是人們關(guān)注的重點(diǎn)之一。

有機(jī)廢棄物的增加，導(dǎo)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(jī)廢棄物的主要成分，也是一種可再利用的有機(jī)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(wèn)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(jìn)行有機(jī)廢棄物處理，可以減少工廠能耗以及污染物排放等問(wèn)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(diǎn)[8-9]。若將黑水虻蟲糞直接作為有機(jī)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(dǎo)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(guān)注[12]。如今，人們采用的蚯蚓是一種繁殖能力強(qiáng)、便于人工養(yǎng)殖的一類赤子愛勝蚓，即大平2號(hào)。通過(guò)這種堆肥處理方式可以實(shí)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(jī)物質(zhì)，對(duì)有機(jī)廢棄物進(jìn)行無(wú)害化處理。蚯蚓糞同樣可以作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，而蚯蚓自身也可以通過(guò)提取手段制作成生物制劑等[13-14]。本研究通過(guò)研究蚯蚓梯級(jí)轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的養(yǎng)分變化情況，以期為進(jìn)一步的工程實(shí)踐提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所內(nèi)，時(shí)間為2020年3—5月。試驗(yàn)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(yàn)方法

本次試驗(yàn)過(guò)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(shè)置透水孔?；ㄅ璧撞糠胖眉?xì)紗網(wǎng)，防止蚯蚓逃逸。加入75%含水量的菜園土于細(xì)紗網(wǎng)上，厚度約為 8 cm，接種10條生長(zhǎng)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(duì)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(fù)3次，試驗(yàn)周期為40 d。

1.3 測(cè)試指標(biāo)

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

采用105 ℃烘干法測(cè)定含水率;采用玻璃電極法測(cè)定pH值;采用電導(dǎo)儀測(cè)定電導(dǎo)率（EC值）;采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定總有機(jī)質(zhì)相對(duì)含量;采用凱氏定氮法測(cè)定總氮相對(duì)含量;采用釩鉬黃比色法測(cè)定總磷相對(duì)含量;采用火焰光度計(jì)法測(cè)定總鉀的相對(duì)含量;通過(guò)Skalar San++連續(xù)流動(dòng)分析儀裝置測(cè)定銨態(tài)氮（NH+4-N）與硝態(tài)氮（NO-3-N）相對(duì)含量;利用總有機(jī)碳分析儀（TOC）儀測(cè)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(cè)定發(fā)芽指數(shù)（GI），由以下公式計(jì)算：

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

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS 23工具進(jìn)行處理，同時(shí)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(xué)性狀的變化情況

由表2可知，經(jīng)過(guò)40 d蚯蚓處理后，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照組。餐廚垃圾與黑水虻蟲糞經(jīng)過(guò)預(yù)處理，使得可利用養(yǎng)分含量低于對(duì)照組，不能滿足蚯蚓正常生長(zhǎng)與繁殖的營(yíng)養(yǎng)需求[15]。

2.2 蚯蚓處理對(duì)有機(jī)廢棄物理化性質(zhì)的影響

2.2.1 蚯蚓處理對(duì)物料電導(dǎo)率的影響

由圖1可知，40 d后與試驗(yàn)前相比，對(duì)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(dǎo)率減少量與對(duì)照組相比有顯著性差異（P<0.05）。因?yàn)樵隍球径阎七^(guò)程中，蚯蚓通過(guò)自身消化系統(tǒng)富集物料中的鹽離子，也可以與微生物對(duì)鹽離子發(fā)生絡(luò)合作用，因此各試驗(yàn)組的EC值降低[16]。

2.2.2 蚯蚓處理對(duì)物料pH值的影響

由圖2可知，經(jīng)過(guò)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(duì)照組的pH值由8.06降低至7.43。試驗(yàn)結(jié)束后，各組物料環(huán)境中pH值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行?。因?yàn)槲锪系耐庑誀顩r因?yàn)轵球镜纳砘顒?dòng)而得到改善，這樣的環(huán)境對(duì)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖起到了促進(jìn)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(shí)產(chǎn)生了大量的CO2和其他小分子有機(jī)酸性物質(zhì)，促使物料pH值改變[17]。

2.2.3 蚯蚓處理對(duì)物料有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖3可知，經(jīng)過(guò)蚯蚓處理后，餐廚垃圾和黑水虻蟲糞的有機(jī)質(zhì)含量分別由53.78%、38.85%下降到37.67%、28.52%。而對(duì)照組的有機(jī)質(zhì)含量從41.27%下降到22.64%，下降了45.14%，其有機(jī)質(zhì)含量減少量與處理組相比有顯著性差異（P<0.05）。因?yàn)橐环矫嬖谵D(zhuǎn)化過(guò)程中蚯蚓與微生物通過(guò)利用有機(jī)質(zhì)滿足自身的生長(zhǎng)繁殖需求，另一方面蚯蚓和微生物發(fā)生協(xié)同反應(yīng)，促進(jìn)了有機(jī)物質(zhì)的礦化過(guò)程，導(dǎo)致一些有機(jī)質(zhì)通過(guò)H2O與CO2的形式被消耗，所以有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量下降[18-19]。

2.2.4 蚯蚓處理對(duì)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(duì)含量由5.48%下降至4.37%，而黑水虻蟲糞組的總氮相對(duì)含量由1.51%上升至2.09%。對(duì)照組總氮相對(duì)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(xì)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(jī)質(zhì)的礦化分解速度，有機(jī)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(duì)含量升高;蚯蚓堆制產(chǎn)物中總氮相對(duì)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(yù)處理后未完全腐熟，在蚯蚓堆制過(guò)程中有大量銨態(tài)氮的釋放，導(dǎo)致餐廚垃圾處理組的總氮相對(duì)含量降低。

2.2.5 蚯蚓處理對(duì)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(duì)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(duì)照組的總鉀含量從2.31%上升至2.59%。蚯蚓轉(zhuǎn)化過(guò)程中因?yàn)橛袡C(jī)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(duì)含量升高。

2.2.6 蚯蚓處理對(duì)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(duì)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(duì)照組有顯著性差異（P<0.05）。因?yàn)轵球镜纳砘顒?dòng)可以促進(jìn)物料的硝化作用，使得硝化細(xì)菌的活性和數(shù)量增加，從而促進(jìn)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(duì)物料腐殖酸的影響

圖9、圖10、圖11反映了蚯蚓處理過(guò)程中物料的總腐殖酸、胡敏酸以及富里酸含量的變化過(guò)程。經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)蚯蚓40 d堆制后，對(duì)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(duì)植物毒性的一個(gè)重要指標(biāo)，另外也可以呈現(xiàn)出堆肥腐熟度的情況[22-23]。還有一些學(xué)者認(rèn)為，在該指標(biāo)實(shí)現(xiàn)80%時(shí)，就可判定堆肥對(duì)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(guò)蚯蚓處理后物料的pH值呈中性，電導(dǎo)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(dòng)需求。蚯蚓堆肥是一個(gè)在碳氮循環(huán)中的礦質(zhì)化和腐殖化過(guò)程。物料中碳素為微生物和蚯蚓生命活動(dòng)提供碳源，生物可代謝利用有機(jī)碳生成CO2、水和熱量;而氮素轉(zhuǎn)化重點(diǎn)是通過(guò)蚯蚓等發(fā)揮作用下的礦化過(guò)程以及生物固氮來(lái)實(shí)現(xiàn)的，正是因?yàn)轵球镜膮⑴c促進(jìn)了物料的分解過(guò)程，從而加快了腐殖化[24]。

如今人們可運(yùn)用碳氮比、NH+4-N/NO-3-N來(lái)描述相應(yīng)的腐熟度指標(biāo)[25]。不過(guò)在NH+4-N/NO-3-N上人們看法各異，一些學(xué)者提出在NH+4-N/NO-3-N小于1時(shí)就可判定堆肥完成;有的則認(rèn)為堆肥后期NH+4-N/NO-3-N應(yīng)該在0.5左右，但具體的 NH+4-N/NO-3-N 還應(yīng)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(guò)蚯蚓處理后，NH+4-N/NO-3-N 均小于1，并且通過(guò)對(duì)產(chǎn)物的腐殖酸相關(guān)成分的測(cè)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(cè)定，表明蚯蚓轉(zhuǎn)化的物料已經(jīng)腐熟完全，對(duì)于植物沒有毒害作用。

國(guó)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(jī)廢棄物。蚯蚓堆肥可以再次分選廢棄物中沒有分開的有機(jī)物或者無(wú)機(jī)物。蚯蚓消化道的代謝作用使得物料中有機(jī)物逐步分解，促進(jìn)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(jìn)硝化-脫氮的過(guò)程，并且預(yù)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(guò)蚯蚓梯級(jí)處理不僅可以節(jié)約處理能耗，同時(shí)也可以改善環(huán)境。蚯蚓作為一種生態(tài)毒害指標(biāo)生物，可以利用蚯蚓為媒介，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中進(jìn)行毒理監(jiān)測(cè)[27-29]。

本試驗(yàn)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(jìn)行堆肥化處理，為實(shí)踐生產(chǎn)提供了一定的理論基礎(chǔ)。不過(guò)蚯蚓生物學(xué)指標(biāo)依然存在問(wèn)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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