家庭果蔬废弃物蚯蚓处理箱性能研究

张荟杰　张润泽　王睿　李荣旗　王刚　马文林

摘  要：近年来，我国生活垃圾年产生量达上千万吨，如何将有机生活垃圾资源化利用已经成为一个重要的议题。文章主要研究了家庭果蔬废弃物蚯蚓处理箱的蚯蚓适宜接种量和蚯蚓对垃圾的减量化效果。通过三组对比实验得出，蚯蚓箱启动时适合的蚯蚓接入量为60-70g。在本实验条件下，以锯末和白菜分别作为基质和处理物料，每克蚯蚓最高的处理效率为每天处理白菜干物质量0.066g。经估算，采用原位蚯蚓堆肥处理，比集中处理的温室气体减排率最高达89.70%。

关键词：蚯蚓;果蔬废弃物;有机质

中图分类号：X799.3         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）34-0040-04

Abstract： In recent years， the annual output of kitchen waste in China reaches tens of millions of tons. It is an important issue to use organic domestic garbage which was conducted the present study. This experiment mainly studied the performance of earthworm treatment box for domestic fruit and vegetable waste and the quality suitable for inserting into earthworms. Through measuring the quality of earthworms in each earthworm box after 60 days and comparing with the initial data， it is concluded that the quantity of earthworms should be added in the earthworm box between 60-70g.

Keywords： earthworm; fruit and vegetable waste; organic matter

引言

利用蚯蚓处理生活垃圾，因其不需要复杂的工艺和昂贵的设备，而且处理过程的最终产物——蚓粪可用作优质的肥料，受到人们的广泛关注。国外对蚯蚓的研究起步于上个世纪。1974年，Graft在其实验研究中率先发现蚯蚓对有机废物具有巨大的处理潜力[1]。日本学者前田古颜培育出赤子爱胜蚓（Eisenia foetida）“太平二号”，这种蚯蚓繁殖倍数极高且适合人工养殖，极大地推动了有机废弃物蚯蚓处理技术的发展[1]。之后的学者们进一步对蚯蚓处理污泥[2]、牲畜粪便[3]、生活垃圾[4]等的技术进行了深入研究。美国洛杉矶一个垃圾处理场地养殖1000万条蚯蚓，每个月可处理垃圾7.5吨[5]。日本建成占地1.65万平方米的蚯蚓养殖场，每月处理有機废物3000吨[5]。我国清华大学环境工程研究所从20世纪80年代中期开始对生活垃圾蚯蚓处理技术的可行性进行研究，并于1989年通过成果鉴定，肯定了这个方法的可行性与优越性[6]。2000年，我国在北京市海淀区三星庄垃圾处理厂建立了1座生活垃圾蚯蚓处理中试实验示范场地，并配套以蚯蚓粪为基质筹建生物有机肥厂[6]。总体而言，采用蚯蚓对有机垃圾进行集中处理的实践应用取得了较好的处理效果，表明采用蚯蚓处理有机垃圾具有良好可行性。

2015年我国住房和城乡建设部等十委联合发布《关于全面推进农村垃圾治理的指导意见》，意见中提出到2020年全国90%以上村庄的生活垃圾得到有效治理。当前，我国加速推行垃圾分类制度，全国垃圾分类工作由点到面、逐步启动。然而，我国国内对家用蚯蚓垃圾处理箱的研究很不系统，本文以白菜为处理对象，研究家用蚯蚓处理箱的蚯蚓适宜接种量和蚯蚓对垃圾的减量化效果。研究成果可为家庭果蔬废弃物蚯蚓处理箱的设计和推广提供数据支持。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料和装置

实验所采用的白菜为超市购买的新鲜白菜，蚓箱、酵素、锯末和蚯蚓均为北京市科润维德生物技术有限公司提供（图1），蚯蚓箱为塑料材质，分为上箱和下箱，各箱尺寸为40cm*30cm*20cm，上箱底部遍布6mm*6mm的小孔，蚯蚓可从这些孔进入底箱。每个蚓箱侧面也有小圆孔，供空气流动。

1.2 实验设计

2018年8月31日至10月29日，在实验室中进行小实验研究。共使用9套蚯蚓箱，分为三组，每组三个重复，第Ⅰ组（1-3号箱）、第Ⅱ组（4-6号箱）、第Ⅲ组（7-9号箱）的设计初始蚯蚓接种量分别为200g/箱、100g/箱、50g/箱。实验开始时（8月31日），向每套蚯蚓箱的上箱内加入1000g用水浸湿的锯末、800g切碎的白菜叶以及上述种量的蚯蚓，向下箱内加入1000g干锯末，即蚯蚓箱初始蚯蚓接种量与上箱锯末、白菜质量之和的比值为1/9、1/18、1/36。实验期间，分别于9月16日和10月2日向各套蚯蚓箱添加白菜，每次每套蚓箱补充500g新鲜白菜。

在实验开始时，测定锯末和白菜的有机质含量;实验结束时称量每个蚓箱内生存蚯蚓的质量，并测定蚓箱内混合产物的湿重、含水率和灰分。实验期间，每2-3天测量一次蚓箱内的物料堆体内部温度。实验所有数据使用Microsoft Excel计算组内标准差，originpro 8进行图形处理。

1.3 指标测定方法

采用NY/T 304-1995的标准规定，对白菜、锯末和蚯蚓处理产物的含水率、总固体、灰分进行测定，根据测定结果得出各种物料的有机质含量。

采用重量法，对实验开始前后的蚯蚓、蚓箱、白菜、锯末等进行测定，计算得出相应质量。

2 实验结果

2.1 原料有机质含量

按照NY/T 304标准中的实验方法，测定实验原料（白菜和锯末）中的初始有机质含量。结果如表1所示。

2.2 蚯蚓箱内物料温度的变化

蚯蚓箱放在实验室内，未采取保温措施，蚯蚓箱的温度受室温影响。从8月31日开始一直到10月29日实验结束，每隔两天测量蚓箱内物料的温度，结果如图2所示，实验期间温度变化趋势与实验室温度变化保持相同趋势。

2.3 蚯蚓生长数据

实验开始时，向三组实验组中分别加入蚯蚓200g、100g、50g，经过60天的处理实验后，将每套蚯蚓箱中的蚯蚓挑出，称重。对每组三个蚯蚓箱中的蚯蚓质量进行平均，结果列于图3中。

2.4 蚯蚓箱总固体减重情况

实验开始时测定空蚓箱质量（M0）、加入到蚯蚓箱中干锯末含水率（ρ1）、湿锯末含水率（ρ2）、新鲜白菜的含水率（ρ3），分别在9月16日和10月2日向各蚓箱分别补充加入500g白菜，共补充1000g。实验结束后，将蚯蚓挑出，称量各蚯蚓箱质量（M末期箱重），包括空蚓箱箱体质量、残余白菜质量（M1）及其含水率（ρ4）、锯末和蚯蚓排泄物，并求出三个蚓箱的平均质量。依据实验开始时和结束后的各组蚯蚓箱中的物料的总质量平均值，按照公式（1）计算出各组蚯蚓箱的总质量减重比率（D%），结果列于表2中。

2.5 蚯蚓分解白菜的性能

根据实验过程中加入蚓箱中的白菜、锯末的质量以及表1中所示白菜、锯末的干物质含量，按照公式（2）计算出实验中加入到蚯蚓箱中的白菜和锯末的干物质总量（M初始干重）;根据实验结束时蚯蚓箱质量（M末期箱重）、箱体质量（M0）、实验结束时混合物料含水率（ρ5）、残余白菜质量以及残余白菜含水率，按照公式（3）计算实验结束时处理产物的干物质量（M末期干重）。综合上述计算结果，按照公式（4）计算每克蚯蚓每天降解干物质的质量（DM分解），计算结果列于表3中。

3 数据分析与讨论

3.1 蚓箱中适宜的蚯蚓接种量

实验初始，三组蚯蚓箱的蚯蚓接种质量比（蚯蚓接种量：底物投加量）分别为1/9、1/18、1/36。实验结束后，第Ⅰ、Ⅱ组蚯蚓箱中的存活蚯蚓质量分别减小了50.3%、20.4%，第Ⅲ组的则增加了29.9%。Ⅰ、Ⅱ组中蚯蚓质量减少的原因可能是由于蚯蚓的接种密度过大，导致出现了食物与空间之间的争夺，不利于生存[7]。按照第Ⅲ组蚯蚓箱实验结束时存活的蚯蚓质量计算出的最佳蚯蚓接种质量比为1/14.7。因此，当本实验所用蚯蚓箱内放入1000g锯末作为载体时，平均每日投加30g白菜，初期接种60-70g蚯蚓较为适宜。

3.2 不同接种量下蚯蚓箱减重效率

蚯蚓在将有机物降解为无机物的过程中起主要作用。本次实验中各组蚓箱湿重分别减少了26%、26%、18%。比较而言，第Ⅰ组和第Ⅱ组的减重率相近，第Ⅲ组较少。第Ⅰ组和第Ⅱ组减重率高、第Ⅲ组减重率最低的原因是前两组接种的蚯蚓量多，参与有机物降解的蚯蚓数量大。

3.3 不同接种量下蚯蚓对垃圾的降解能力

在本实验中，实验开始时蚯蚓箱中干物质总量均为1226 g（不计蚯蚓的重量）。实验结束后计算出每克蚯蚓每天分解白菜的量，作为评价蚯蚓处理能力的指标，结果为三组蚯蚓箱中蚯蚓处理垃圾干物质的能力分别为0.026、0.029、0.066（g/（g·d）），表明第Ⅲ组蚯蚓箱对垃圾的效率最高。分析原因，第三组蚯蚓箱蚯蚓接种密度最接近蚯蚓的适宜接种密度，蚯蚓的存活率最高，且有增长，增加率为29.9%。而第Ⅰ组和第Ⅱ组的蚯蚓在实验结束时的生存量低于实验开始时的接种量，死亡率分别为50.3%和20.4%。因此，从提高蚯蚓利用效率角度，蚯蚓箱启动时的蚯蚓接种量以接近蚯蚓适宜生存密度为宜，这种情况下单位蚯蚓处理垃圾的效率最高。

3.4 减排效果评估

生活垃圾的常用处理方式有填埋、堆肥和焚烧三种。环卫工人将居民垃圾投放点的生活垃圾收集到垃圾转运站，再送到垃圾處理场。

垃圾进入垃圾处理场，填埋过程主要排放CH4气体，堆肥过程同时排放CH4和N2O，焚烧过程只排放N2O。经计算，每吨垃圾经填埋、堆肥和焚烧处理的温室气体排放量分别为0.39、0.038、0.0030 t CO2e。从源头上推行垃圾分类处理，对厨余垃圾采用原位蚯蚓箱堆肥处理，每处理1吨厨余垃圾的温室气体排放量为0.038 t CO2e

各类垃圾收运车辆在收运垃圾过程中消耗燃油，排放CO2。假定垃圾从居民投放点送到垃圾处理场的平均里程是90km，每天收运1次，则一年的收运总里程为32850km。收运垃圾使用载重量为3t的车辆，每百公里油耗11L[8]。经计算每吨垃圾转运的温室气体排放为0.018 t CO2。

据统计，北京市平均每填埋1t 垃圾用电0.5～5kWh，平均每堆肥1t 垃圾用电20～30kWh，平均每焚烧1t 垃圾用电不超过100kWh，按照1kWh 用电排放0.997kgCO2 计算用电消耗的CO2排放量[8]。经计算，每填埋、堆肥和焚烧1t垃圾的电力消耗CO2排放量分别为0.0027、0.025、0.10 t CO2。

依据温室气体排放量，按照由高到低的顺序对不同处理方法的排序为：集中填埋（0.41）>集中焚烧（0.12）>集中堆肥（0.081）>原位蚯蚓箱堆肥（0.038）。采用原位蚯蚓堆肥处理的温室气体排放量比采用集中垃圾处理技术分别减少的温室气体排放情况，减排率在11.26%-89.70%。

4 结论

通过上述分析和讨论，本实验可以归纳得出以下三项结论：

（1）为了避免蚯蚓箱内蚯蚓因投放密度过大而出现食物和空间的争夺，在使用时加入的蚯蚓量应在60-70g。

（2）在本蚯蚓垃圾处理箱中，蚯蚓接种量越接近蚯蚓的适宜生长密度，处理垃圾的效率就越高。在本实验中，蚯蚓处理垃圾的最高速率为0.066g白菜/（g蚯蚓·d）。

（3）对比不同垃圾处理方式的温室气体排放情况，原位蚯蚓堆肥处理的温室气体排放量比采用集中填埋、焚烧和堆肥处理技术分别减少89.70%、54.12%和11.26%的温室气体排放量，主要是减少了垃圾收运过程的燃油排放和集中处理设施运转的化石能源和电力排放。

参考文献：

[1]肖波.农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征[D].大连：中国海洋大学，2011.

[2]丁平天.蚯蚓处理城市污泥应用研究[D].成都：四川农业大学，2015.

[3]魏佳伦.利用蚯蚓堆肥处理羊粪和菇渣及蚓粪肥效的研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2017.

[4]赖发英，周颖，王国锋，等.蚯蚓对农村有机生活垃圾分解处理的研究[J].农业环境科学学报，2011，30（07）：1450-1455.

[5]戴金佑.利用蚯蚓处理厨房垃圾的方法探究[J].科技创新与应用，2015（16）：72.

[6]霍维周，丁雪梅.蚯蚓处理垃圾及产业化问题的探讨[J].城市管理与科技，2002（01）：16-18.

[7]宋雪英，郭畔，宋晗，等.利用新鲜餐厨垃圾进行蚯蚓堆肥的试验[J].沈阳大学学报（自然科学版），2016，28（06）：452-456.

[8]曹长明，李文忠，吴敬东，等.农村厨余垃圾堆肥对土壤环境及苹果重金属含量的影响[J].北京水务，2017（01）：42-47.