利用新鲜餐厨垃圾进行蚯蚓堆肥的试验

宋雪英, 郭 畔, 宋 晗, 冉 煜, 赵梦竹, 崔小维, 李玉双

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)



利用新鲜餐厨垃圾进行蚯蚓堆肥的试验

宋雪英, 郭 畔, 宋 晗, 冉 煜, 赵梦竹, 崔小维, 李玉双

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

采用新鲜校园餐厨垃圾进行蚯蚓堆肥的实验室模拟,分析了餐厨垃圾与基质土配比、培养温度、蚯蚓接种密度对堆肥过程中蚯蚓生长繁殖的影响,堆肥试验为期6周.定期观察和记录蚯蚓的体重和幼虫数量,计算其日增重倍数和日繁殖倍数.研究结果表明,新鲜餐厨垃圾与土壤质量比为1∶4,接种密度为每500 g新鲜餐厨垃圾与土壤的混合基质中投加15条个体体重为400～600 mg的赤子爱胜蚓,在培养温度为25 ℃条件下进行餐厨垃圾堆肥,赤子爱胜蚓的生长和繁殖状况最佳,其也是新鲜餐厨垃圾蚯蚓堆肥的最佳条件.

餐厨垃圾; 蚯蚓堆肥; 适宜条件; 子爱胜蚓

餐厨垃圾是指家庭、学校、机关公共食堂以及餐饮行业的食物废料和食物残余,是城市生活垃圾的主要组成部分[1].餐厨垃圾的有机物含量高,是城市生活垃圾中有机相的主要成分,因而是极其宝贵的有机资源;同时,由于餐厨垃圾具有易腐烂、发酵、发臭等特点,处置不当会造成环境污染,对人们的生活带来危害[2-3].据统计,我国城市餐厨垃圾年产生量超过6 000万吨,且每年仍以10%的速度增加,因此,餐厨垃圾的治理和资源化处置已成为我国的重要环境问题之一.

目前,国际上餐厨垃圾的主要处理技术分为非生物处理技术和生物处理技术.非生物处理技术主要指传统的处理方式如焚烧和填埋,以及新兴的脱水饲料化、真空油炸饲料化和机械破碎等;生物处理技术主要包括好氧堆肥、厌氧消化和蚯蚓堆肥[4-5].蚯蚓堆肥技术(vermicomposting)被认为是一种新型的、有前景的可持续环保技术.蚯蚓利用其消化道分泌的蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶和淀粉酶等多种酶类与环境微生物协同作用加速分解和转化有机物质,堆肥产生的蚓粪可作为除臭剂和有机肥料,蚯蚓本身又可提取酶、氨基酸和生物制剂等[6-7].

餐厨垃圾蚯蚓堆肥处理的前提是蚯蚓很好地生长和繁殖,才可保持足够的生物量以加快处理进程.研究表明,温度、湿度、基料种类、透气性、pH值、碳氮比和蚯蚓密度等生态因子均会影响蚯蚓的生存、生长和繁殖[8-11],为此,本研究以校园餐厨垃圾为对象,探究新鲜餐厨垃圾赤子爱胜蚓堆肥的适宜培养温度、接种密度和餐厨垃圾基土比等培养条件,为餐厨垃圾蚯蚓堆肥进一步的工程实践提供科学依据和理论参考.

1 材料与方法

1.1 供试材料

赤子爱胜蚯蚓:蚓种由沈阳市瑞达生物公司提供,并在本实验室饲养.试验用大小接近的和有明显环带的健康成蚓体重范围为400～600 mg.

基质土为耕型壤质黄土状潮棕壤,采自沈阳市新民大民屯镇农田土壤.土壤风干后过5 mm筛,其pH值为6.06,有机质含量质量分数为1.97%,总氮和总磷含量分别为1.55和0.07 mg·kg-1.

餐厨垃圾取自沈阳大学北校区一食堂餐厅.餐厨垃圾在堆肥前先进行预处理,即人工将动物骨头、一次性筷子、纸巾等杂物从餐厨垃圾中挑出后,餐厨垃圾用自来水冲洗去油去盐,用料理机铰碎,保证粒径<5 mm并搅拌至均匀,备用.

1.2 试验方案

本实验以培养温度、新鲜餐厨垃圾与土壤的配比、蚯蚓接种密度为考察因素,确定新鲜餐厨垃圾蚯蚓堆肥的适宜条件.

(1) 新鲜餐厨垃圾与土壤配比.依据王清威等[12]的报道,当基质中新鲜餐厨垃圾与土壤(干)质量比为1∶1和1∶2时,蚯蚓培养2周后全部死亡,本研究中设置3个配比梯度,即新鲜餐厨垃圾与土壤(干)质量比分别为1∶4、1∶6和1∶8,记为A、B和C.将土壤和新鲜餐厨垃圾按上述不同比例混匀,放入10 cm×10 cm×9 cm的塑料培养盒中,餐厨垃圾与土壤总重为500 g,蚯蚓接种密度为每盒15条,每组3个重复.培养试验在人工气候箱(MGC-450HP,上海一恒)中进行,人工气候箱工作条件设置为温度(20±1) ℃、空气湿度为75%、光照强度1333Lx(间歇光照,光/暗比为12 h/12 h),蚯蚓堆肥实验为期6周.定期观察各处理中蚯蚓的生长状况,记录成蚓体重变化以及蚓茧数、幼蚓数,确定新鲜餐厨垃圾与土壤最佳配比.

(2) 温度.文献报道赤子爱胜蚓的适宜生存温度为15～25 ℃,分别设置15、20、25 ℃3个温度梯度,记为D、E、F.其他培养条件均相同,即新鲜餐厨垃圾与土壤(干)质量比为1∶6,蚯蚓接种密度为每盒15条,每组3个重复.测定指标同(1)中指标,考察餐厨垃圾蚯蚓堆肥的适宜温度.

(3) 接种密度.设置3个梯度的蚯蚓接种密度,每500 g培养基质中分别投放环带明显大小一致的健康成蚓10条、15条和20条,分别为G、H和I,餐厨垃圾与土壤配比1∶6,培养条件和测定指标同上(1)中指标.

1.3 测试指标

基质土理化性质的测定采用文献[13-14]的方法.pH值测定采用玻璃电极法,土∶水为1∶2.5;有机质含量测定采用油浴法;总氮的测定采用开氏消煮法.

以蚯蚓日增重倍数和日繁殖倍数评价生长基质对蚯蚓生长繁殖的影响,蚯蚓日增重倍数和日繁殖倍数计算公式为:

日增重倍数=(培养一段时间后蚓重-初始蚓重)/(初始蚓重×培养时间).

日繁殖倍数=(培养一段时间后蚓数-初始蚓数)/(初始蚓数×培养时间).

蚯蚓和蚓茧计数通过观察直接记录成蚓、幼蚓和蚓茧的数量.成蚓使用万分之一电子天平称量成蚓体重.

1.4 数据分析

试验所得数据均以平均值±标准差形式表示,数据分析应用SPSS17.0进行,作图使用EXCEL 2007.

2 结果与分析

2.1 新鲜餐厨垃圾与土壤配比的影响

在整个堆肥期间统计了蚯蚓的存活率动态变化情况,结果表明,堆肥前2周内,在餐厨垃圾投加比例最大的A(1∶4)处理组中,蚯蚓存活率变化较大,1周后蚯蚓存活率为(86.7±6.7)%,2周后蚯蚓存活率将至(73.3±13.3)%,而B组(1∶6)和C组(1∶8)中的蚯蚓存活率在2周内显著高于A组(p<0.05),堆肥1周后B组和C组蚯蚓存活率均为(97.8±3.9)%,2周后B组和C组蚯蚓存活率分别为(88.9±13.9)%和(93.3±6.7)%.堆肥进行至3～6周,各堆肥处理的成蚓存活率基本保持稳定.蚯蚓在前2周内存活率下降明显,这主要与新鲜餐厨垃圾的腐烂过程有关,餐厨垃圾腐烂过程产生的气味和化学变化导致耐性弱的蚯蚓个体死亡.由上述结果可见,在采用新鲜餐厨垃圾堆肥时,基质土的质量百分比应至少达到80%时,才能保证成蚓在堆肥期间的成活率大于70%.

图1 堆肥过程中成蚓存活率动态

以蚯蚓日增重倍数和日繁殖倍数来评价生长基质对蚯蚓生长繁殖的影响,如图2和图3所示.由蚯蚓的日增重倍数可知,随着蚯蚓培养天数的增加,A(1∶4)、B(1∶6)、C(1∶8)3组处理均在培养进行至2周时出现最大值,说明在3种堆肥环境中存活蚯蚓的生长得到了促进,这与赤子爱胜蚓的生活习性有关[15],当有机质含量在一定范围内时(有机质含量<50%),有机质丰富的土壤有利于赤子爱胜蚓的生长和繁殖[16-17],本研究中A、B、C这3组处理的初始有机质质量分数分别为45.85%、35.47%和33.01%,有利于蚯蚓的生长发育.比较A、B、C这3组在1周和2周后的日增重倍数发现,C组即有机质含量相对低的处理中蚯蚓个体体重增长最快,2周后日增重倍数为0.172±0.018倍,出现峰值后,A、B、C随着时间出现下降趋势,A组则下降最为缓慢,日增重倍数明显高于B和C组,这说明2周后B、C堆肥体系中的有机质含量下降不足以供给蚯蚓种群的健康生长,要继续维持蚯蚓的快速增长需要在2周后即向堆肥体系中继续添加餐厨垃圾.由图3可以看出,餐厨垃圾与土壤配比对蚯蚓日繁殖倍数具有一定的影响,A处理的蚯蚓日繁殖倍数在前面2周的堆肥过程中均显著高于B和C处理(p< 0.05),尽管A处理的成蚓存活率低于B和C处理,然而A组1∶4的餐厨垃圾土壤比在2周的堆肥进程中更具有优势.第3～6周则各处理的蚯蚓日繁殖倍数接近,统计学无显著差异(p>0.05),如图3所示.

图3 餐厨垃圾与土壤配比对蚯蚓日繁殖倍数的影响

为观察土壤样品中蚯蚓对餐厨垃圾中有机质的降解作用,分别在实验初始、中期(3周后)和末期(6周后)取样,探讨堆肥过程中基质总有机碳的含量变化(见表1).由各组的有机质含量变化可见,有机质含量在堆肥过程中均呈现明显的下降趋势,说明蚯蚓对餐厨垃圾中的有机质起到了明显的降解作用.与初始有机质含量相比较,A、B和C这3组处理的有机质含量在经历6周堆肥处理后质量分数分别下降了15.2%、8.5%和9.5%,A组的有机质去除率最高,且远高于B组和C组.

表1 堆肥过程中培养基质中有机质含量的变化

2.2 温度对蚯蚓堆肥的生长繁殖的影响

以日增重倍数曲线与日繁殖倍数曲线作为评价指标研究温度对蚯蚓生长繁殖的影响,如图4和图5所示.根据图4,根据蚯蚓的日增重倍数受温度影响的生长曲线可以看出,在前2周,E组(20 ℃)和F组(25 ℃)达到最大值,而后明显下降,E组高于F组,而D组在第4周出现最大值,考虑可能由于温度高时,垃圾发酵好,而蚯蚓喜食

图4 温度对蚯蚓日增重倍数的影响

图5 温度对蚯蚓日繁殖倍数的影响

腐殖食物,所以E和F组堆肥速度较快,更有利于蚯蚓的生长.由图5可见,堆肥进行至2周后,E和F处理的日繁殖倍数相近,两者之间无显著差异,日繁殖倍数均明显高于D组,推测如果在2周后添加新的餐厨垃圾,E组和F组将继续出现上升趋势,因此,20 ℃和25 ℃均较利于蚯蚓的生存和繁殖,然而,考虑到在赤子爱胜蚓适宜生存的温度条件下,温度在25 ℃条件下餐厨垃圾的发酵速度要高于20 ℃,堆肥效率会更高,因此,综合蚯蚓生长繁殖与餐厨垃圾堆肥效率,认为25 ℃为本研究中的最适温度.

2.3 蚯蚓接种密度对蚯蚓生长繁殖的影响

以蚯蚓的日增重倍数曲线与日繁殖倍数曲线作为评价指标研究接种密度对蚯蚓生长繁殖的影响,如图6和图7所示.由图6不同接种密度的蚯蚓日增重倍数曲线发现,G、H和I组皆呈偏峰形,且均在培养进行至2周时出现峰值,而H组15条的曲线一直高于其他两组,峰值也最高,为0.061±0.005倍.根据图7不同接种密度的蚯蚓日繁殖倍数曲线,可以发现,3组处理的日繁殖倍数无显著差异.因此,综合蚯蚓日增重数和日繁殖倍数指标,H组即接种密度为每500 g基质中接种15条为最佳接种密度.

图6 接种密度对蚯蚓日增重倍数的影响

图7 接种密度对蚯蚓日繁殖倍数的影响

3 结 论

(1) 新鲜餐厨垃圾和基质土的质量比越小,短期内蚯蚓可能生长较快,但是随着食物耗尽,蚯蚓体重会急速下降,而质量比大,初期蚯蚓可能出现短暂的不适应,但是随着时间增长,其生长状态逐渐稳定.

(2) 20 ℃和25 ℃均较利于蚯蚓的生存和繁殖,鉴于温度在25 ℃条件下餐厨垃圾的发酵速度要高于20 ℃,堆肥效率更高,认为25 ℃为蚯蚓堆肥的最适温度.

(3) 蚯蚓接种密度过大会导致种群内发生食物与生存空间的争夺,不利于繁殖,而接种密度过小,堆肥效率较慢,本实验表明,蚯蚓接种密度为每500 g基质中接种15条蚯蚓时,有利于提高餐厨垃圾的堆肥效率.

(4) 经综合分析,在pH为7,湿度约70%条件下,堆肥沈阳大学校园餐厨垃圾与土壤混合基质时,温度25 ℃、餐厨垃圾与土壤质量比为1∶4,蚯蚓接种密度为15条/500 g基质为蚯蚓生长繁殖的最佳条件.

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【责任编辑: 胡天慧】

Vermicomposting Test of Fresh Kitchen Waste withEiseniafoetida

SongXueying,GuoPan,SongHan,RanYu,ZhaoMengzhu,CuiXiaowei,LiYushuang

(Key Laboratory of Regional Environmental and Eco-remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The laboratory experiment was conducted to stimulate the vermicomposting of fresh campus kitchen waste byEiseniafoetida. Effects of the ratio of fresh kitchen waste to soil substrate, culture temperature, and earthworm inoculating density were analyzed on the growth and reproduction of the earthworm during the 6-week vermicomposting of the campus kitchen waste. The earthworm weigh and the youth worm number were recorded by the routine observation, and the daily weight gain and breeding ratio of earthworm were calculated. Results showed that the ratio of fresh kitchen waste to substrate soil is 1∶4, the inoculating density 15 mature earthworms with initial weight of 400～600 mg into 500 substrate, and the temperature 25 ℃ were the optimum vermicomposting condition.

kitchen waste; vermicomposting; optimum condition;Eiseniafoetida

2016-06-28

国家自然科学基金资助项目(21377139; 21307084); 大学生创新创业训练计划项目(201511035000012); 辽宁省教育厅优秀人才计划项目(LJQ2013121); 沈阳市科技创新专项资金资助项目(F14-133-9-00).

宋雪英(1978-),女,黑龙江佳木斯人,沈阳大学副教授,博士.

2095-5456(2016)06-0452-05

S 181

A