利用餐厨和绿化垃圾提高蚯蚓堆肥效率处理剩余污泥的研究

餐厨垃圾、绿化废弃物以及生活污水处理厂排出的剩余污泥是城市运营中数量最大，也是最具有资源化利用价值的有机固体废弃物。随着环境治理标准的提高，餐厨垃圾的分类、集中处理和剩余污泥的无害化正逐步被制度“固化”，然而，就上述废弃物的处理、处置技术而言，尚有效率和成本上进一步研究的必要。在安全处理有机固体废弃物的技术方面，蚯蚓生物堆肥技术（或者称为蚯蚓生物分解处理技术，vermicomposting）被认为是一种新型的、很有前景的可持续环保技术[1-3]。该技术利用蚯蚓特殊的生态学功能，与环境微生物协同作用加速分解和转化有机物质，是有机固体废弃物无害化、减量化和资源化的重要途径之一。我们前期进行的蚯蚓堆肥研究表明，城市生活污泥中虽然重金属含量不高，具有堆肥农用的潜力，但有机质含量不太丰富，碳氮比（C/N）较低，适口性不佳，而且含水率高、透气性差，单独堆肥效率不高。餐厨垃圾具有高含量有机质和营养元素全面的特征[4]，而且适口性好；绿化废弃物如枯枝、树叶和杂草等富含纤维素、半纤维素，碳氮比高，结构疏松、透气性佳[5]。因此，如果将餐厨和绿化垃圾配合剩余污泥共同作为堆肥基质，理应可以提高蚯蚓堆肥的效率，而且由于“稀释”作用，可以天然降低有害物质的含量，大大拓宽堆肥最终产品的安全应用范围。
本文探讨餐厨和绿化垃圾与剩余污泥不同配比混合物料对蚯蚓堆肥效率的影响，为城市有机固体废弃物的资源化利用技术提供参考依据。
1材料与方法
1.1试验材料
蚯蚓品种采用“大平二号”蚯蚓Eisenia foetida，由本实验室蚯蚓繁殖基地提供。餐厨垃圾取自广东药学院学生食堂；绿化垃圾取自广州大学城绿化垃圾堆放点；剩余污泥取自广州市沥滘生活污水处理厂，上述物料部分理化性状见表1。
表1蚯蚓堆肥基质材料理化指标

1.2试验方法
1.2.1基质处理和配比
新鲜餐厨垃圾经分拣、脱盐后利用粉粹机破碎至5mm以下，混合均匀备用，无需发酵。绿化垃圾经粉粹机破碎至1cm左右，混合均匀备用。新鲜污泥使用前要反复搅拌使有毒气体排尽并保证物料均质。为了探讨餐厨、绿化垃圾改善蚯蚓堆肥处理污泥效率的最佳比例，本研究在保证污泥比例占主体（不低于70%）的情况下构建了6个基质配比处理组，按照剩余污泥：餐厨垃圾：绿化垃圾的质量（干质量）比顺序，分别为100/0/0、90/5/5、80/10/10、70/15/15、70/20/10和70/10/20，采用搅拌机按照上述配比将基质混合均匀待用。为了营造适宜蚯蚓生活的环境，需要在蚯蚓和食物基质之间构造缓冲带[6]。本试验采用经充分淋洗并沥干后的蚯蚓粪（含水率74.21%）作为缓冲基质。
1.2.2蚯蚓培养
在大小尺寸为12cm×12cm×10cm，上有盖、侧面四周具透气孔、底部有透水孔（50目细纱网覆盖防逃逸）的塑料钵中培养蚯蚓。每钵接种个体质量为200mg左右的蚯蚓10条（湿质量）和缓冲基质蚯蚓粪300g（干质量），平衡48小时后投加上述各组别的食物基质20g（干质量），并用蚯蚓粪稍稍掩埋，待70%基质转化为蚓粪时，再覆盖添料20g（干质量），每3天补充一次水分，平时由顶盖封闭保湿。如此反复，直至培养结束。每组基质设3个重复，暗室恒温培养（25±1）℃，整个试验周期为7周。试验期间，定期查看，使蚯蚓处于最佳生存状态。

1.3分析测定与数据处理
1.3.1理化指标测定方法
所有样品理化指标（含水率除外）的分析均基于干质量（105℃烘干），每一个样品测3个重复取平均值。样品经105℃烘干后测定含水率；pH值的测定：样品用ddH2O按1:10（m/V）比例混合、搅拌30min、过滤，所得滤液立即测定。总有机碳（TOC）采用重铬酸钾氧化-分光光度法；凯式定氮法测定全氮（TN）含量；钒钼黄比色法测定全磷（TP）含量；样品经硫酸-过氧化氢消解后用火焰光度法测定全钾（TK）含量[7]。
1.3.2蚯蚓生物量和堆肥效率的计算
试验结束后，去除未被分解的混合基质，蚯蚓、蚓茧、蚓粪分离。蚯蚓水洗后用滤纸吸干水分称量（鲜质量，不进行消化道残余物较正）；蚯蚓计数包括蚓茧数、成蚓数、幼蚓数，每个蚓茧按1条蚯蚓计算；剩余基质、蚓粪称量；培养时间以天计。蚯蚓生物量和堆肥效率按下述公式计算。
混合基质降解速率＝（加入的基质总量－未降解基质量）/（平均蚓质量×培养时间），单位mg•g-1•d-1，其中平均蚓质量＝（实验开始时蚯蚓总质量＋实验终止时蚯蚓总质量）/2[6]；
蚓粪生产速率＝蚓粪净增加量/（平均蚓质量×培养时间），单位mg•g-1•d-1，其中平均蚓质量同上[6]；
蚯蚓日增质量倍数＝（实验终止时蚯蚓总质量－实验开始时蚯蚓总质量）/（实验开始时蚯蚓总质量×培养时间），单位d-1[8]；
蚯蚓日增殖倍数＝（实验终止时蚯蚓总数－实验开始时蚯蚓总数）/（实验开始时蚯蚓总数×培养时间），单位d-1[8]。
1.3.3数据分析
采用SPSS13.0统计软件，对各试验数据进行单因素方差分析（ANOVA），在95％的置信度下对不同处理之间的差异性进行比较分析。
2结果与分析
2.1不同配比混合基质中蚯蚓的生长和繁殖率
在整个7周的试验期间，各组供试蚯蚓生长状况良好，未发生蚯蚓死亡现象，其体质量增长和种群增殖也未见异常。本试验选取日增质量倍数和日增值倍数评价蚯蚓的生长和繁殖率。具体数据见表2。数据表明，实验开始时各组接种的蚯蚓量十分接近，但实验结束时，各基质组蚯蚓体质量出现较大的差异，具体排序为：4组>5组>6组>3组>2组>1组（对照组）。100%污泥基质组蚯蚓质量最低，仅为2.720g，而掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的混合污泥组蚯蚓质量最高，达到6.974g。与对照组比较，其他各组蚯蚓质量差异显著；蚯蚓质量最高组与其他组比较也存在显著性差异。与蚯蚓质量排序类似，蚯蚓日增质量倍数和日增值倍数最大组都属于第4组，分别为0.051d-1和0.057d-1，而100%污泥组则无论从增质量（0.008d-1）还是从增殖（0.008d-1）来说都是最小组，同时，统计检验表明，各组分别与第1、4组之间比较，蚯蚓的增质量和增殖情况均存在显著性差异，这说明餐厨和绿化垃圾的掺入可以显著提高蚯蚓的生长和繁殖速度，而且两者掺入的比例存在一个最佳值，这从第5、6两组比较无论从蚯蚓质量、日增质量倍数还是从日增殖倍数差异来说都不显著可以找到根据。最直接的证据可以从单位干质量基质对蚯蚓增质量的贡献来看，100%污泥组贡献最低，每g干质量污泥只能增加8.7mg蚯蚓鲜质量，而其他各组随着掺入的餐厨和绿化垃圾比例的增加，对蚯蚓增质量的效应越大，其中掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的第4组效应最大，达到23.8mg•g-1。事实上，在试验过程中可以观察到混有餐厨和绿化垃圾的组别蚯蚓个体较大，环带出现的较早，蚯蚓达到性成熟时间较短，交配时间较早，产茧量高。总之，相对于纯污泥来说，掺入餐厨和绿化垃圾可能通过改善污泥基质性状显著加快蚯蚓的生长、成熟和繁殖速度。另外，从第4、5、6组之间单位干质量基质蚯蚓增质量效应的差异比较来看，第4组显著高于第5、6组，但后两者之间差异不显著，这进一步表明餐厨垃圾和绿化垃圾二者的相对比例对蚯蚓增质量、增殖效应的影响存在一个最优值。
表2不同配比混合基质对蚯蚓生长和增殖的影响

注：字母与数值顺序相同，由低到高排序；同列字母相同者表示数值相邻两组间不存在显著差异（P>0.05）；同列字母不同者表示各组间存在显著差异（P<0.05）；*#表示同列相同字母组间存在显著差异（P<0.05）；不同列字母间无比较意义。下同。
2.2蚯蚓对不同配比混合基质的降解速率

由于生活污泥、餐厨垃圾和绿化垃圾三者之间的物理性状和营养成分差异很大，它们对蚯蚓的适口性、营养价值以及为蚯蚓提供的生长环境都截然不同，因而蚯蚓对不同配比混合基质取食和降解的速度和效率也会有很大不同，具体数据见表3。试验中发现，对各组补充物料的次数都不尽相同，一般有1~6次的差异，补料次数多少排序为：4组>6组>5组>3组>2组>1组，其中100%污泥组补料次数最少为5次，而掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的混合污泥组补料次数最高，达11次。蚯蚓分解处理各组基质的降解速率也差异较大。6个组别中，除第1组外，虽然污泥的比例仍然较大，但从整体上来说，随着餐厨和绿化垃圾掺入比例的增加，蚯蚓对其降解速率也逐渐增加，具体来说，蚯蚓对不同配比混合基质的降解速率顺序为：4组>6组>5组>3组>2组>1组。蚯蚓对100%污泥基质的降解速率最低，仅为766.4mg•g-1•d-1；而分解掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的混合污泥的速率最高，达到951.5mg•g-1•d-1。与对照组比较，其他5组降解速率都具有显著性差异。值得注意的是，第4、5、6组之间，虽然污泥比例都同为70%，但餐厨垃圾和绿化垃圾的比例各不相同，也导致了降解速率的不同。第6组降解速率比第5组高，虽然不具有统计显著性，但似乎说明餐厨垃圾和绿化垃圾之间并不能相互替代，而是存在一个最优比例，这从第4组的降解速率显著高于第5、6组可以得到证实。另外，第3、5、6组之间的差异不显著，表明单方面增加餐厨垃圾或单方面增加绿化垃圾的比例都不能显著提高降解速率，这些数据更加表明餐厨垃圾和绿化垃圾“最优比例”的可信度。
表3混合基质的不同配比对蚯蚓堆肥效率的影响

2.3不同配比混合基质蚓粪生产速率的差异
一般来说，蚯蚓对基质的降解速率越大，则蚓粪生产速率也相应越大。从表3可以明显看出这一趋势。数据表明，蚓粪生产速率排序为：4组>6组>5组>3组>2组>1组，蚯蚓从掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的混合污泥中生产蚓粪的速率最高，达551.9mg•g-1•d-1，而在100%污泥基质中蚓粪生产速率最低，仅为448.5mg•g-1•d-1。与100%污泥组比较，其他5组蚓粪生产速率都具有显著的差异性，而且蚓粪生产速率最高组与其他混合污泥组比较其差异也具有显著性（第6组除外）；同时，第3和第5组之间蚓粪生产速率差异不显著，这些都与基质降解速率的差异特征相一致。不过稍有不同的是，第6组蚓粪生产速率要显著高于第3、5组而接近于第4组（差异不显著），这可能与绿化垃圾木质素、纤维素含量较高不易消化降解有关。在实验过程中也发现，掺入20%绿化垃圾的混合污泥明显比只掺入10%以下绿化垃圾的组别蚓粪生产速率高；而且在第4、6组中，污泥降解后呈松散细颗粒状，而在其他组别中污泥多呈体积较大的团块状分布。
2.4混合基质的不同配比对蚓粪养分含量的影响
蚓粪农用除了不含有毒有害物质外，还要具有比较平衡的养分含量，其中总有机碳、全氮、全磷和全钾含量是评价污泥资源化的重要指标[9]。混合基质中污泥、餐厨垃圾和绿化垃圾三者理化性状截然不同，因此，三者的不同配比不仅影响蚯蚓粪的生产速率，还影响其农用品质。混合基质的不同配比对蚓粪养分含量的影响见表4。数据显示，蚓粪中总有机碳和全钾的含量受混合基质不同配比的影响较大，而全氮和全磷则影响较小。与100%污泥组比较，其他各组蚓粪总有机碳和全钾含量随着餐厨和绿化垃圾掺入比例的增加显著提高。蚓粪总有机碳含量排序为：5组>4组>6组>3组>2组>1组，以第5组掺入20%餐厨垃圾和10%绿化垃圾为最高，达到255.11g•kg-1；蚓粪全钾含量排序为：6组>4组>5组>3组>2组>1组，以第6组掺入10%餐厨垃圾和20%绿化垃圾为最高，达6.36g•kg-1。蚓粪中全氮（1组>5组>2组>3组>4组>6组）和全磷（5组>4组>3组>2组>1组>6组）含量的排序与上述两种养分含量的排序完全不同，全氮和全磷含量都是第6组最低，分别为36.65、11.2g•kg-1，这可能是由于氮磷含量都较低的绿化垃圾的比例较高所致。氮磷在餐厨垃圾中含量较高，因此导致第5组蚓粪的全氮和全磷的含量都较高，特别是全磷含量要显著高于其他组。但是，总体来说，由于餐厨垃圾对绿化垃圾的氮磷含量能够大部分弥补，因此蚓粪全氮、全磷含量对餐厨和绿化垃圾的掺入比例不敏感。

3.1讨论
近年来蚯蚓堆肥处理剩余污泥的研究逐渐增多，但是这些研究主要集中在处理纯污泥时蚯蚓的生长条件、繁殖情况以及污泥理化性质、营养物质和重金属含量的变化[10-14]，而对通过改善污泥理化性状提高蚯蚓堆肥效率的研究相对较少。本试验充分利用了剩余污泥、餐厨垃圾和绿化垃圾三者理化性状截然不同而又互补的特性，对餐厨和绿化垃圾改善剩余污泥的蚯蚓堆肥效率进行了合理的尝试。
试验结果符合预期，并且在保证剩余污泥占主体（70%）的情况下找到了餐厨和绿化垃圾掺入的最佳比例（即15%:15%）。试验结果表明，增加餐厨和绿化垃圾的总比例可以相应地显著加快蚯蚓的生长、成熟和繁殖速度，显著提高对应基质的降解速率和蚓粪生产速率，而且相应蚓粪的养分（总有机碳、全钾）含量也会显著增加，总之，餐厨和绿化垃圾的掺入能够显著提高蚯蚓堆肥处理剩余污泥的效率。值得注意的是，在二者总比例保持不变的情况下，餐厨和绿化垃圾的相对比例可能存在一个最佳值（即1:1），在此最佳比例下，蚯蚓堆肥的效率达到最高，而在其他比例时其堆肥效率要显著降低。这一最佳比例的存在说明餐厨垃圾和绿化垃圾是一对典型的理化性状互补体，偏离最佳比例会导致混合物料理化指标偏离蚯蚓的适宜范围。事实上，餐厨垃圾和绿化垃圾的等比例掺入不仅可以提高混合污泥的总有机碳和碳氮比，在改善其适口性的同时增加其营养的平衡，而且可以大大改善其郁闭胶结性状，增加其疏松通气的功能[15-16]，同时维持其pH值不至于由于餐厨垃圾的掺入而过于酸化。类似的研究如蔡玉琪等[6]所开展的秸秆-污泥的蚯蚓消解效率的研究也表明，作物秸秆的适量（10%~30%）掺入可能通过改变混合污泥的含水率和通气状况显著提高混合污泥的消解速率和蚓粪产生速率；尽管可能由于培养时间不够长，使得蚯蚓生物量随秸秆掺入比例的变化不明显，但蚓粪产生速率的显著提高，说明蚯蚓的活性及代谢活动已明显提高，这些都与本文的研究结果相一致。
3.2结论
1）与处理100%污泥相比，蚯蚓处理掺入餐厨和绿化垃圾的混合污泥时其生长和繁殖速率显著提高；其中掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾时，蚯蚓获得最大生长和繁殖速率。
2）与处理纯污泥相比，蚯蚓处理掺入餐厨和绿化垃圾的混合污泥的降解速率显著提高；其中对掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的混合污泥的降解速率最高。
3）与纯污泥相比，掺入不同配比餐厨和绿化垃圾的混合污泥均能显著提高蚓粪的生产速率，其中以掺入15%餐厨垃圾和15%绿化垃圾的混合污泥的蚓粪生产速率最高，而绿化垃圾对蚓粪生产速率的贡献比餐厨垃圾更大。
4）蚓粪总有机碳和全钾的含量受混合污泥不同配比的影响较大，而全氮和全磷则所受影响较小。与100%污泥比较，混合污泥处理后蚓粪总有机碳和全钾含量随着餐厨和绿化垃圾掺入比例的增加显著提高，其中餐厨垃圾对蚓粪总有机碳的贡献较大，而绿化垃圾对蚓粪全钾的影响较大。蚓粪全氮、全磷含量在绿化垃圾占比最大时显著降低；全磷含量在餐厨垃圾比例最大时显著提高；其他情况下，全氮、全磷对餐厨和绿化垃圾的掺入比例不敏感。
参考文献：略