基于生物（蚯蚓）垃圾分选工艺的探究

施培俊，王冠华，于颖军，张齐杰，马 帅（中国人民解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007）

基于生物（蚯蚓）垃圾分选工艺的探究

施培俊，王冠华，于颖军，张齐杰，马 帅
（中国人民解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007）

开展实验验证利用蚯蚓筛分垃圾的可行性及经济性。通过实验记录了蚯蚓长度、数量、垃圾处理量及试验箱内土壤变化，建立了蚯蚓吞食垃圾的数学模型，带入处理后进行数据计算。实验结果发现分选效率远大于当前机械筛分效率。

蚯蚓；生物垃圾分选；筛分效率；垃圾处理；实验

随着改革开放的不断深入、城市的发展及乡村的城市化和城市人民生活水平的不断提高，中国城市生活垃圾累积堆存量巨大，占地面积大，而且垃圾增长率逐年增加［1］。垃圾中含有大量有害成分，这些有害成分通过各种途径严重影响环境，极大地威胁人们的身心健康，是社会公害之一［2］。对城市生活垃圾的处理已经刻不容缓。

要采用综合处理方法处理城市居民生活垃圾，必须在垃圾源头进行分类。由于种种原因，垃圾源头分类在我国的推行未能达到预期目的，各个垃圾处理厂采用机械筛分的方式在将垃圾进行卫生填埋或焚烧堆肥之前进行分类。由于技术原因，采用滚筒筛等机械筛分方式的效果并不理想，现在通用的机械筛分工艺效率普遍在20％～30％，筛分效率低下。生物处理方法作为一种新型城市垃圾筛选方法，具有得天独厚的优势，其建设成本低、处理过程无害化和分选效率高的特点符合可持续发展要求。

1 实验材料

1.1 实验材料准备

大平二号红蚯蚓1kg，透明塑料箱3只（60cm*80cm*50cm），电子天平、刻度尺、温度计、湿度计、柱状取样器等。

1.2 实验过程

在试验箱内先放入一层15cm的适合蚯蚓生存的土壤，将试验用蚯蚓放入土壤中。将已称量过质量的生活垃圾覆盖在土壤上层。培养一段时间后进行测量。将柱状取样器竖直插入土壤中均匀取样，取出取样器中的蚯蚓。将得到的蚯蚓向下垂直至其体长最大处测量长度，用电子天平称量其质量。为保证实验结果的准确性，在测量垃圾的剩余量时，将上层生活垃圾全部取出，测量其质量并记录。

2 实验结果及数据处理

2.1 实验结果

实验结果详见表1。

表1 实验数据汇总表

2.2 结果初步分析

2.2.1 蚯蚓长度（质量）变化

如图1所示，在蚯蚓生长的初期，由于需要适应新的环境，故生长比较缓慢，体长增加不明显，在经过约7d适应环境之后，种群样本平均体长明显增长。在快速增长期后，蚯蚓进入繁殖期，产生的子代蚯蚓在长度上较小，使得曲线在变化上的增加不如初期明显，但仍有增加。后来最初投入的蚯蚓逐渐进入生命周期的末端，出现老死情况，同时新繁殖的蚯蚓不断增长，种群平均长度逐渐稳定在100～120mm，种群蚯蚓年龄结构趋于稳定，平均长度不再有明显增长。

由此可知，当蚯蚓种群结构趋于稳定之后，年幼期、成熟期、年老期蚯蚓在种群中所占比重相对随时间变化较小，因此种群体长（及体重）分布服从成熟期种群分布，此时种群垃圾处理能力增长主要依赖于种群数量增长。

2.2.2 蚯蚓种群数量变化

蚯蚓种群数量统计如图2所示。

图1 平均蚯蚓体长变化曲线

图2 平均种群数量变化曲线

第一阶段：在投放初期，新的培养环境会对蚯蚓的成长产生不利影响。大量蚯蚓因不熟悉新的生活环境而尝试钻出纱布，导致在实验前期实验箱内蚯蚓种群数量大量减少。

第二阶段：随着实验进行，成年蚯蚓通过不断分泌粘液使得箱内实验环境越来越适宜蚯蚓生存，成体开始大量繁殖，种群数量快速回升，蚯蚓种群进入扩张期。

第三阶段：由于试验箱体积以及营养的限制，种群数量趋于饱和，不再上升，同时由于试验箱原料垃圾和营养物质的不断消耗，蚯蚓种群数量出现了不明显的下降。

2.2.3 垃圾处理量变化

如图3所示，蚯蚓在成长过程中需要消耗大量的食物，在初期食物供给充足的情况下，成长更为迅速，食物消耗量更大，但由于初期整体种群数量急剧下降，所以垃圾处理量曲线受其影响表现为下降趋势，后蚯蚓数量和体长增长期重合，使得种群处理能力得以快速增长，最后随着种群结构趋于稳定，种群处理能力稳中有降。

2.2.4 试验箱内土壤变化

经过两个多月的实验，试验箱内土壤与垃圾在感官上发生明显变化，土壤呈黑色，变得松软，初期投入的垃圾除塑料、玻璃、铁钉等无机物外都已难以辨别，消耗殆尽，箱底存留大量蚯蚓粪便。

图3 平均种群数量变化曲线

3 对实验结果的数学分析

本文从数学建模的角度刻画蚯蚓种群进入稳定成长期后的垃圾处理能力变化。

定义垃圾筛分效率计算公式为：

式中：η—垃圾筛分效率；λa—实际去除有机垃圾占总垃圾的含量，单位％；λ—有机垃圾占总垃圾的含量，单位％。

蚯蚓种群实际垃圾处理能力为：

式中：ω—种群垃圾处理能力；νi—生命周期某阶段的单体蚯蚓的垃圾处理能力，单位g；μi—种群内处于该生命周期阶段的蚯蚓数量，单位条。

由于无法精确定义某一条蚯蚓处于生命周期的某一阶段，因此使用平均吞食能力表示，则公式（2）可以表示为：

对于蚯蚓种群数量变化μ，忽略初期因投入远超蚯蚓试验箱所能容纳种群数量的蚯蚓所造成的种群数量大规模下降情况外，可以利用改进的马尔塞斯人口增长模型对蚯蚓种群的数量进行讨论。

对于蚯蚓种群来说，蚯蚓种群增长率与种群数量在不考虑环境容纳能力的情况下呈正相关，即：

式中：r—增长比例系数。

但在实际情况中，种群数量增长需要受到环境容纳额度的影响，需要对公式（5）做出修正：

式中：A，B—比例系数。

求解公式（6）得到：

则对于稳定期内任意时间点，都能由公式（3）、（7）得到种群的垃圾处理能力，即：

这里需要指出的是，随着实验的进行，垃圾总量不断减少，则有：

式中：α、β—有机、无机垃圾的质量；α—初始时有机垃圾的质量。

同样的，有：

式中：αa—实际处理量有机垃圾的质量。

根据公式（1）、（8）、（9）、（10）得到生物垃圾分选工艺的分选效率计算公式为：

至此，模型建立完毕。

将实验数据带入公式（11）进行计算，取种群平均长度为105mm（平均体重1.57g），换算成同等日吞食能力带入计算，最终得到实验的分选效率为79.17％，大大超过目前垃圾处理厂普遍采用的滚筒筛垃圾分选效率，实验达到了验证目的。

4 结论

（1）基于生物（蚯蚓）法的垃圾分选工艺具有建设成本低、运行维护简单、分选效率高等优点。在具体的项目建设过程中，可以达到垃圾资源化、无害化处理的目的。具有良好的潜在商业价值。

（2）生物（蚯蚓）法分选垃圾效率为79.17％，比通用机械筛选效率高1.63～2.96倍。生物法筛选效率更高。

［1］田立娇，张健，宋静，张传义，袁丽梅.中国城市垃圾分类收集的可行性与必要性［J］.环境科技，2010，12（23）：138 -140.

［2］王建，胡巍，余果，代勇.中国垃圾处理产业发展的态势分析法分析［J］.产业观察，2011，8（242）：90-92.

［3］金杰，俞志敏，敬民，吴克.蠕虫（蚯蚓）处理生物垃圾的初步研究［J］.安徽农业科学，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