繆麗娟，王依凡，張明月，應雨璀，張承業(yè)，馮宇寧，王浪，朱維琴

（杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，杭州 311121）

近年來，我國餐飲業(yè)迅猛發(fā)展并導致大量餐廚垃圾產生，據報道，我國餐廚垃圾的年均產量高達9 000萬t。餐廚垃圾具有水分、有機物及鹽分高，易腐爛等特點，同時亦兼具危害性和資源性雙重特點。餐廚垃圾處理技術包括填埋、機械破碎、好氧堆肥、厭氧消化和生化處理等，其中，相對而言，餐廚垃圾生化處理技術是指在處理設備及復合微生物菌劑作用下對餐廚垃圾進行高效分離、破碎、除油、快速高溫（12~48 h，50~70 ℃）殺菌和生物發(fā)酵降解等并產生少量尾渣的過程。該技術更易實現餐廚垃圾的就地化、減量化處理，可有效避免餐廚垃圾可能產生的二次污染問題，使餐廚垃圾的污染源頭得到有效控制。有研究表明，餐廚垃圾生化尾渣中富含氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，因而具有資源化利用價值，但是其同時存在鹽分高和腐熟度低等問題，不適合直接作為農業(yè)有機肥使用，例如，畢峰等調查發(fā)現，杭州市12 個生化處理機站點中約有75%站點所產餐廚垃圾生化尾渣的腐熟度根本無法滿足《有機肥料》（NY/T 525—2021）的基本要求，其電導率（EC）平均值為7.14 mS·cm，而已腐熟的堆肥EC 值一般要求小于3 mS·cm，故餐廚垃圾生化尾渣中的EC 值總體相對偏高。因此，如何提高餐廚垃圾生化尾渣的腐熟度并降低其鹽分，成為當前餐廚垃圾生化尾渣資源化再利用中亟待解決的問題之一。

蚯蚓堆肥是通過蚯蚓消化道及酶系統(tǒng)將有機廢棄物徹底分解并加速堆肥腐熟的過程。有研究表明，蚯蚓堆肥過程中添加適宜礦物可以促進廢棄物降解、增加腐殖化程度并提高蚯蚓堆肥的植物促長能力。例如，牛糞和廢紙混合廢物蚯蚓堆肥時添加2%~8%含磷水平的磷礦石可以明顯促進廢物生物降解、降低C/N、增加腐殖化程度和促進有效磷含量增加。對牛糞添加0%、5%和20%片麻巖或滑石并經蚯蚓處理60 d后，發(fā)現添加片麻巖或滑石后所獲蚯蚓堆肥施用后可明顯促進玉米株高及質量增加。蔡琳琳等研究發(fā)現，園林廢棄物蚯蚓堆肥時添加5%沸石、膨潤土和過磷酸鈣可促進蚯蚓生長繁殖和腐熟度。同時，因礦物來源廣泛、價廉、除鹽能力強等而被廣泛用于降鹽處理，其中，脫硫石膏的主要成分為硫酸鈣（CaSO·2HO），其經水溶解后形成可替換Na的Ca，從而降低鈉鹽含量；骨炭中主要成分羥基磷酸鈣[Ca（PO）（OH）]中的Ca可通過發(fā)生離子交換反應代替Na等鹽基離子，形成對應鹽基離子的磷灰石。例如，屈忠義等研究表明，施加脫硫石膏可降低鹽堿地土壤EC 值并促進番茄產量增長；徐峰研究發(fā)現，施加5%骨炭能降低土壤中的主要鹽基離子和全鹽量并促進玉米生長?？梢?，脫硫石膏或骨炭等礦物添加有望同時實現促進有機廢棄物蚯蚓堆肥過程和降低鹽分危害的雙重效應。因此，針對餐廚垃圾生化尾渣的低腐熟度和高鹽分問題，研究礦物添加對其蚯蚓堆肥過程的調節(jié)效應與差異，有望為餐廚垃圾生化尾渣的無害化、腐熟化處理及資源化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蚯蚓品種為赤子愛勝蚓（），購自杭州某花鳥市場，試驗前選擇體質量相近的成熟蚯蚓放入墊有多層濕濾紙的培養(yǎng)皿中暗處培養(yǎng)24 h，以排出腸道物。餐廚垃圾生化尾渣取自杭州市余杭街道某生活垃圾中轉站；木屑和蛭石由江蘇中遠活性炭有限公司提供；脫硫石膏購自河北建投任丘熱電有限公司；骨炭購自鄭州永坤環(huán)?？萍加邢薰?。各試驗材料理化性質如表1所示。

表1 各原材料基本理化性質Table 1 Basic physico?chemical properties of raw materials

1.2 試驗設計

根據我們的前期預試驗，本試驗以餐廚垃圾生化尾渣為主料，木屑和蛭石為輔料，先將主輔料按質量比為4∶3∶3 混勻，分別以脫硫石膏和骨炭為礦物添加劑，按礦物添加水平分別為0%或5%，將各原輔物料及礦物添加劑充分混勻，然后用Milli?Q 超純水調節(jié)含水率至70%，經14 d 預發(fā)酵后，將預發(fā)酵后所獲物料分為3組，第1組為原物料處理組，為經14 d預發(fā)酵后所獲原物料；第2 組為無蚯蚓處理組，為經14 d 預發(fā)酵所獲原物料再經42 d 自然堆制處理；第3 組為蚯蚓處理組，為經14 d預發(fā)酵所獲原物料再經42 d蚯蚓堆制處理，具體試驗設計如表2所示，試驗共設9個處理，每個處理設3 個重復。各處理均按表2 稱取14 d發(fā)酵后原物料350 g（干物質量）置于塑料桶中（桶底直徑12 cm，桶口直徑15 cm，桶高15 cm），其中蚯蚓處理組另需按照50條·kg蚯蚓接種密度放入大小均勻、生長活躍和環(huán)帶明顯的赤子愛勝蚓，并用紗網（孔徑為0.15 mm）封口以防蚯蚓逃逸和利于氣體交換。然后，除原物料處理組外，將各桶均置于溫度為20 ℃，濕度為70%，光照度為0 lx 的人工氣候室中培養(yǎng)42 d，每隔2 d 澆一次Milli?Q 超純水以保持基質濕度基本不變。

表2 試驗設計Table 2 Experimental design

1.3 分析方法

試驗結束后，采集蚯蚓和蚓繭分別稱質量和計數，每5 個蚓繭折合成1 尾蚯蚓，計算蚯蚓的存活率、日增質量倍數和繁殖率；然后對基質質量進行稱量，計算基質日消耗量。計算方法為：

式中：為蚯蚓存活率，%；Q為試驗末蚯蚓數量，條；Q為初始蚯蚓數量，條。

式中：為蚯蚓日增質量倍數；Q為試驗末蚯蚓總質量，g；Q為初始蚯蚓總質量，g；為培養(yǎng)時間，d。

式中：為蚯蚓繁殖率，%；為折合后蚯蚓數量，條；同上。

式中：為基質日消耗量，g·d；H為初始基質干質量，g；H為試驗末基質干質量，g；為培養(yǎng)時間，d。

1.4 數據處理

用Excel 進行數據計算和統(tǒng)計，采用SPSS17.0 進行 單 因 素 方 差 分 析（One?way ANOVA）和T 檢 驗（Paired?samples T test），顯著性檢驗采用Duncan 法，相關圖表采用Origin 8.0制作。

2 結果與討論

2.1 蚯蚓生長及基質日消耗量變化

蚯蚓生長繁殖狀況可反映其對生存環(huán)境的適應程度，而基質日消耗量反映的是蚯蚓及微生物對有機質的分解能力及堆肥的消耗性降解程度。如表3所示，各蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）的蚯蚓存活率、日增質量倍數、繁殖率和基質日消耗量范圍分別為98.71%~121.68%、0.014~0.032、115.43%~155.12%和0.92~1.56 g·d，大小順序均為T2E＞T1E＞CKE，且各處理間差異均達顯著差水平（＜0.05）。因此，骨炭和脫硫石膏添加下蚯蚓均可以正常適應生長并促進基質降解，且以骨炭的促進效應更優(yōu)。同樣，劉順會等研究發(fā)現蚯蚓生長和數量均與餐廚垃圾消耗速度成正比。分析其原因可能與脫硫石膏中硫酸鈣（CaSO·2HO）能夠降低鈉鹽含量及骨炭中含有蚯蚓生長需要的磷、鉀、鈣、鎂等必需營養(yǎng)元素有關。綜上，脫硫石膏和骨炭添加均可促進蚯蚓生長繁殖和基質消耗，尤以骨炭添加下最優(yōu)。

表3 蚯蚓生長及基質日消耗量變化Table 3 Changes of earthworm growth and daily consumption of substrate

2.2 基本理化性質變化

一般認為pH 為7.5~8.5 時可獲得最大堆肥速率。由表4 可見，蚯蚓處理組pH 均低于其原物料處理組和無蚯蚓處理組，這可能與蚯蚓活動增加有機酸含量或促進銨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮致其堆肥pH 降低有關。而各蚯蚓處理組pH 大小順序為：T2E＞CKE＞T1E，說明骨炭添加可提高蚯蚓堆肥的pH，而脫硫石膏添加則降低了其pH，這可能與骨炭的pH 較高而脫硫石膏中的SO2致其pH 降低有關。此外，無蚯蚓處理組和蚯蚓處理組pH范圍為7.28~7.97，亦均符合pH為7.0~8.5的農業(yè)應用要求范圍。

EC 可衡量堆肥中可溶性鹽含量，當堆肥中EC 低于4 mS·cm時，可以安全施用于土壤。由表4 所示，各處理EC 范圍為1.08~3.98 mS·cm，大小順序為CKE＞CK＞CKR＞T1E＞T1＞T1R＞T2E＞T2＞T2R，且CKE、T1E 和T2E 相互間差異均達顯著水平（＜0.05），說明蚯蚓活動提高了蚯蚓堆肥中EC，而脫硫石膏和骨炭均可降低其EC，這可能與蚯蚓活動促進有機質降解并釋放鹽分而脫硫石膏及骨炭中Ca可代換性降鹽有關。

另由表4 可見，各處理有機質含量大小順序為CKR＞T1R＞T2R＞T1＞T2＞CK＞CKE＞T1E＞T2E，即 蚯 蚓處理組和無蚯蚓處理組的有機質含量均低于其原物料處理組；同時，蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）總養(yǎng)分范圍為7.71%~8.21%，明顯高于無蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）中7.03%~7.59%的總養(yǎng)分范圍，符合《有機肥料》（NY/T 525—2021）中總養(yǎng)分（N+PO+KO）≥4%的要求。因此，蚯蚓活動可以降低堆肥中有機質含量而提高其總養(yǎng)分含量。這可能與蚯蚓的攝食作用和促進微生物分解有機質有關。表4 還可看出，與CKE 相比，T2E 中有機質含量顯著降低（＜0.05）而其總養(yǎng)分含量顯著提高（＜0.05），說明脫硫石膏和骨炭添加促進了有機質的消耗降解及養(yǎng)分釋放，且添加骨炭的促進效應更為明顯，這與上述骨炭添加下蚯蚓的良好生長具有一致性。

表4 堆肥中基本理化性質變化Table 4 Changes in basic physio?chemical properties during composting

2.3 酶活性變化

研究表明，堆肥腐熟過程亦是廢棄物酶促生物化學轉化過程，酶活性大小可直接反映物料的腐熟進程，其中，AKP、UA和CAT是參與微生物進行氮、磷代謝和循環(huán)的重要酶類，AKP可參與堆肥過程中速效磷的轉化形成并供植物吸收利用；UA 活性與微生物數量、總氮含量密切相關，對促進氮素循環(huán)具有重要作用。由圖1A 和圖1B 所示，各處理AKP 和UA 活性大小順序均為CKR＞T1R＞T2R＞CK＞T1＞T2＞CKE＞T1E＞T2E，即無蚯蚓處理組和蚯蚓處理組的UA 和AKP活性均低于其原物料處理組，蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）亦顯著低于無蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）（＜0.05），蚯蚓處理組中T2E 和T1E 處理AKP 和UA活性顯著低于CKE，說明蚯蚓活動以及脫硫石膏和骨炭添加均可以降低堆肥中AKP 和UA 活性。朱能武研究亦發(fā)現堆肥初期AKP 和UA 活性明顯上升而在中后期下降并趨于穩(wěn)定，并認為這可能與有機廢棄物中含氮有機物的酶解主要發(fā)生在堆肥初期有關。

圖1 堆肥中酶活性變化Figure 1 Changes of enzyme activity during composting

CAT 可反映氧化分解有機質的強弱程度，圖1C 所示，各處理CAT 活性大小順序均為T2E＞T1E＞CKE＞T2＞T1＞CK＞T2R＞T1R＞CKR，即無蚯蚓處理組和蚯蚓處理組的CAT 活性都高于其原物料處理組，且蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）高于無蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）；同時，與CKE 相比，T2E 和T1E 提高CAT活性，說明蚯蚓活動及礦物添加均可提高堆肥中CAT 活性，尤以骨炭添加下為優(yōu)。同樣，趙海濤等研究發(fā)現新鮮牛糞經蚯蚓處理后其CAT 活性增加了57.3%。這可能與蚯蚓活動改善堆肥內部環(huán)境、提高微生物活性、促進有機碳分解并增加CAT 活性有關。綜上，蚯蚓處理和脫硫石膏、骨炭添加均能降低AKP和UA活性，而提高CAT活性。

2.4 腐熟度變化

2.4.1 C/N變化

C/N 是檢驗堆肥腐熟度的常用指標，當C/N 降至20 以下時，可認定堆肥腐熟。由圖2 所示，各處理C/N 大 小 順 序 為CKR＞T1R＞T2R＞CK＞T1＞T2＞CKE＞T1E＞T2E，即無蚯蚓處理組和蚯蚓處理組的C/N 均低于原物料處理組，且各蚯蚓處理組（CKE、T1E和T2E）與無蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）之間的差異達顯著水平（＜0.05），說明蚯蚓活動促進了堆肥中C/N 降低。同樣，朱蘭保等的研究表明農業(yè)廢棄物堆肥各處理的C/N 分別由初始的26.1、26.3 和26.8 依次下降為15.6、14.6 和14.1。GARG 等和KAUSHIK 等研究認為，蚯蚓處理后混合物C/N 下降可能與堆肥中氨氣揮發(fā)或蚯蚓生長消耗部分氮素有關。另由圖2 可見，C/N 在蚯蚓處理組中的大小順序為：CKE＞T1E＞T2E，說明脫硫石膏和骨炭添加均可降低蚯蚓堆肥中C/N，且骨炭較脫硫石膏對堆肥中C/N 的降低效應更為明顯。綜上所述，蚯蚓處理和添加脫硫石膏、骨炭能顯著降低C/N，骨炭添加降低效應最大。

圖2 堆肥中C/N比值變化Figure 2 Changes of C/N ratio during composting

圖3 堆肥中NH?N/NO?N比值變化Figure 3 Changes of NH?N/NO?N ratio during composting

2.4.3 種子發(fā)芽指數變化

種子發(fā)芽指數（GI）是判定堆肥是否腐熟及其判定植物毒性大小的重要指標。一般認為，GI 大于50%時堆肥基本腐熟，而大于80%時則達到完全腐熟程度。如圖4所示，蚯蚓處理組GI均高于其原物料處理組和無蚯蚓處理組，其中，無蚯蚓處理組和蚯蚓處理組GI 范圍為68.39%~118.18%，均大于50%，即各處理組基本達到腐熟，而蚯蚓處理組GI 均達到80%以上，說明蚯蚓可以提高腐熟度并降低堆肥的植物毒性。同樣，龔小強等的研究亦發(fā)現牛糞混合園林綠化廢棄物的蚯蚓堆肥種子發(fā)芽指數均達到80%以上。此外，各蚯蚓處理組GI大小順序為T2E＞T1E＞CKE，分別為118.18%、102.21%和96.23%，說明脫硫石膏和骨炭添加均可以提高蚯蚓堆肥的GI，且骨炭較脫硫石膏的提高效應更顯著。綜上所述，蚯蚓堆肥和礦物添加均可促進堆肥種子發(fā)芽指數上升，尤以骨炭添加下最優(yōu)。

圖4 堆肥中種子發(fā)芽指數變化Figure 4 Changes of seed germination index during composting

2.4.4 腐殖質含量變化

堆肥過程中形成的腐殖質（HS）主要包括HA 和FA，胡富比（HA/FA）是反映堆肥過程中胡敏酸和富里酸相互消長和轉化的過程。一般認為，堆肥HA/FA＞1.7時堆肥完全腐熟。由表5所示，各處理堆肥中HS、HA 和FA 含量的大小順序均為T2E＞T1E＞CKE＞T2＞T1＞CK＞T2R＞T1R＞CKR，即無蚯蚓處理組和蚯蚓處理組均高于其原物料處理組，其中，無蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）堆肥中HA/FA 范圍為1.92~2.01，而蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）HA/FA 范圍為2.01~2.08，說明蚯蚓活動有利于胡敏酸和富里酸的形成，提高HA/FA，增加堆肥腐殖化程度及腐熟度。另由表5 可見，蚯蚓處理組堆肥中HS、HA 和FA 大小順序均為：T2E＞T1E＞CKE，說明脫硫石膏和骨炭添加均可以提高蚯蚓堆肥中腐殖質形成及腐熟度提高，尤以骨炭添加下最佳。

表5 堆肥中腐殖質含量變化Table 5 Changes of humus content during composting

3 結論

（1）與無添加礦物相比，骨炭和脫硫石膏添加下蚯蚓均可以較好地適應生長環(huán)境，尤以骨炭添加下效果最優(yōu)。

（2）與無蚯蚓處理相比，餐廚垃圾生化尾渣蚯蚓堆肥具有更高的pH、總養(yǎng)分含量和過氧化氫酶（CAT）活性，較低的EC、有機質含量、堿性磷酸酶（AKP）和脲酶（UA）活性。添加骨炭較脫硫石膏提高了蚯蚓基質的pH、總養(yǎng)分含量和CAT 活性，而降低了其EC、有機質含量、AKP和UA活性。

（4）餐廚垃圾生化尾渣中添加適量的骨炭和脫硫石膏并進行蚯蚓堆肥具有可行性，可以同時達到降低餐廚垃圾生化尾渣中鹽分、提高其腐熟度、增加其總養(yǎng)分等效果，有望為餐廚垃圾生化尾渣的再利用提供技術依據。