餐厨垃圾生化尾渣蚯蚓堆肥中矿物的调节效应

2022-03-18缪丽娟王依凡张明月应雨璀张承业冯宇宁王浪朱维琴

农业环境科学学报 2022年2期

缪丽娟，王依凡，张明月，应雨璀，张承业，冯宇宁，王浪，朱维琴

（杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州 311121）

近年来，我国餐饮业迅猛发展并导致大量餐厨垃圾产生，据报道，我国餐厨垃圾的年均产量高达9 000万t。餐厨垃圾具有水分、有机物及盐分高，易腐烂等特点，同时亦兼具危害性和资源性双重特点。餐厨垃圾处理技术包括填埋、机械破碎、好氧堆肥、厌氧消化和生化处理等，其中，相对而言，餐厨垃圾生化处理技术是指在处理设备及复合微生物菌剂作用下对餐厨垃圾进行高效分离、破碎、除油、快速高温（12~48 h，50~70 ℃）杀菌和生物发酵降解等并产生少量尾渣的过程。该技术更易实现餐厨垃圾的就地化、减量化处理，可有效避免餐厨垃圾可能产生的二次污染问题，使餐厨垃圾的污染源头得到有效控制。有研究表明，餐厨垃圾生化尾渣中富含氮、磷、钾等营养元素，因而具有资源化利用价值，但是其同时存在盐分高和腐熟度低等问题，不适合直接作为农业有机肥使用，例如，毕峰等调查发现，杭州市12 个生化处理机站点中约有75%站点所产餐厨垃圾生化尾渣的腐熟度根本无法满足《有机肥料》（NY/T 525—2021）的基本要求，其电导率（EC）平均值为7.14 mS·cm，而已腐熟的堆肥EC 值一般要求小于3 mS·cm，故餐厨垃圾生化尾渣中的EC 值总体相对偏高。因此，如何提高餐厨垃圾生化尾渣的腐熟度并降低其盐分，成为当前餐厨垃圾生化尾渣资源化再利用中亟待解决的问题之一。

蚯蚓堆肥是通过蚯蚓消化道及酶系统将有机废弃物彻底分解并加速堆肥腐熟的过程。有研究表明，蚯蚓堆肥过程中添加适宜矿物可以促进废弃物降解、增加腐殖化程度并提高蚯蚓堆肥的植物促长能力。例如，牛粪和废纸混合废物蚯蚓堆肥时添加2%~8%含磷水平的磷矿石可以明显促进废物生物降解、降低C/N、增加腐殖化程度和促进有效磷含量增加。对牛粪添加0%、5%和20%片麻岩或滑石并经蚯蚓处理60 d后，发现添加片麻岩或滑石后所获蚯蚓堆肥施用后可明显促进玉米株高及质量增加。蔡琳琳等研究发现，园林废弃物蚯蚓堆肥时添加5%沸石、膨润土和过磷酸钙可促进蚯蚓生长繁殖和腐熟度。同时，因矿物来源广泛、价廉、除盐能力强等而被广泛用于降盐处理，其中，脱硫石膏的主要成分为硫酸钙（CaSO·2HO），其经水溶解后形成可替换Na的Ca，从而降低钠盐含量；骨炭中主要成分羟基磷酸钙[Ca（PO）（OH）]中的Ca可通过发生离子交换反应代替Na等盐基离子，形成对应盐基离子的磷灰石。例如，屈忠义等研究表明，施加脱硫石膏可降低盐碱地土壤EC 值并促进番茄产量增长；徐峰研究发现，施加5%骨炭能降低土壤中的主要盐基离子和全盐量并促进玉米生长。可见，脱硫石膏或骨炭等矿物添加有望同时实现促进有机废弃物蚯蚓堆肥过程和降低盐分危害的双重效应。因此，针对餐厨垃圾生化尾渣的低腐熟度和高盐分问题，研究矿物添加对其蚯蚓堆肥过程的调节效应与差异，有望为餐厨垃圾生化尾渣的无害化、腐熟化处理及资源化利用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蚯蚓品种为赤子爱胜蚓（），购自杭州某花鸟市场，试验前选择体质量相近的成熟蚯蚓放入垫有多层湿滤纸的培养皿中暗处培养24 h，以排出肠道物。餐厨垃圾生化尾渣取自杭州市余杭街道某生活垃圾中转站；木屑和蛭石由江苏中远活性炭有限公司提供；脱硫石膏购自河北建投任丘热电有限公司；骨炭购自郑州永坤环保科技有限公司。各试验材料理化性质如表1所示。

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

1.2 试验设计

根据我们的前期预试验，本试验以餐厨垃圾生化尾渣为主料，木屑和蛭石为辅料，先将主辅料按质量比为4∶3∶3 混匀，分别以脱硫石膏和骨炭为矿物添加剂，按矿物添加水平分别为0%或5%，将各原辅物料及矿物添加剂充分混匀，然后用Milli−Q 超纯水调节含水率至70%，经14 d 预发酵后，将预发酵后所获物料分为3组，第1组为原物料处理组，为经14 d预发酵后所获原物料；第2 组为无蚯蚓处理组，为经14 d 预发酵所获原物料再经42 d 自然堆制处理；第3 组为蚯蚓处理组，为经14 d预发酵所获原物料再经42 d蚯蚓堆制处理，具体试验设计如表2所示，试验共设9个处理，每个处理设3 个重复。各处理均按表2 称取14 d发酵后原物料350 g（干物质量）置于塑料桶中（桶底直径12 cm，桶口直径15 cm，桶高15 cm），其中蚯蚓处理组另需按照50条·kg蚯蚓接种密度放入大小均匀、生长活跃和环带明显的赤子爱胜蚓，并用纱网（孔径为0.15 mm）封口以防蚯蚓逃逸和利于气体交换。然后，除原物料处理组外，将各桶均置于温度为20 ℃，湿度为70%，光照度为0 lx 的人工气候室中培养42 d，每隔2 d 浇一次Milli−Q 超纯水以保持基质湿度基本不变。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

1.3 分析方法

试验结束后，采集蚯蚓和蚓茧分别称质量和计数，每5 个蚓茧折合成1 尾蚯蚓，计算蚯蚓的存活率、日增质量倍数和繁殖率；然后对基质质量进行称量，计算基质日消耗量。计算方法为：

式中：为蚯蚓存活率，%；Q为试验末蚯蚓数量，条；Q为初始蚯蚓数量，条。

式中：为蚯蚓日增质量倍数；Q为试验末蚯蚓总质量，g；Q为初始蚯蚓总质量，g；为培养时间，d。

式中：为蚯蚓繁殖率，%；为折合后蚯蚓数量，条；同上。

式中：为基质日消耗量，g·d；H为初始基质干质量，g；H为试验末基质干质量，g；为培养时间，d。

1.4 数据处理

用Excel 进行数据计算和统计，采用SPSS17.0 进行单因素方差分析（One−way ANOVA）和T 检验（Paired−samples T test），显著性检验采用Duncan 法，相关图表采用Origin 8.0制作。

2 结果与讨论

2.1 蚯蚓生长及基质日消耗量变化

蚯蚓生长繁殖状况可反映其对生存环境的适应程度，而基质日消耗量反映的是蚯蚓及微生物对有机质的分解能力及堆肥的消耗性降解程度。如表3所示，各蚯蚓处理组（CKE、T1E 和T2E）的蚯蚓存活率、日增质量倍数、繁殖率和基质日消耗量范围分别为98.71%~121.68%、0.014~0.032、115.43%~155.12%和0.92~1.56 g·d，大小顺序均为T2E＞T1E＞CKE，且各处理间差异均达显著差水平（＜0.05）。因此，骨炭和脱硫石膏添加下蚯蚓均可以正常适应生长并促进基质降解，且以骨炭的促进效应更优。同样，刘顺会等研究发现蚯蚓生长和数量均与餐厨垃圾消耗速度成正比。分析其原因可能与脱硫石膏中硫酸钙（CaSO·2HO）能够降低钠盐含量及骨炭中含有蚯蚓生长需要的磷、钾、钙、镁等必需营养元素有关。综上，脱硫石膏和骨炭添加均可促进蚯蚓生长繁殖和基质消耗，尤以骨炭添加下最优。

表3 蚯蚓生长及基质日消耗量变化Table 3 Changes of earthworm growth and daily consumption of substrate

2.2 基本理化性质变化

一般认为pH 为7.5~8.5 时可获得最大堆肥速率。由表4 可见，蚯蚓处理组pH 均低于其原物料处理组和无蚯蚓处理组，这可能与蚯蚓活动增加有机酸含量或促进铵态氮转化为硝态氮致其堆肥pH 降低有关。而各蚯蚓处理组pH 大小顺序为：T2E＞CKE＞T1E，说明骨炭添加可提高蚯蚓堆肥的pH，而脱硫石膏添加则降低了其pH，这可能与骨炭的pH 较高而脱硫石膏中的SO2致其pH 降低有关。此外，无蚯蚓处理组和蚯蚓处理组pH范围为7.28~7.97，亦均符合pH为7.0~8.5的农业应用要求范围。

EC 可衡量堆肥中可溶性盐含量，当堆肥中EC 低于4 mS·cm时，可以安全施用于土壤。由表4 所示，各处理EC 范围为1.08~3.98 mS·cm，大小顺序为CKE＞CK＞CKR＞T1E＞T1＞T1R＞T2E＞T2＞T2R，且CKE、T1E 和T2E 相互间差异均达显著水平（＜0.05），说明蚯蚓活动提高了蚯蚓堆肥中EC，而脱硫石膏和骨炭均可降低其EC，这可能与蚯蚓活动促进有机质降解并释放盐分而脱硫石膏及骨炭中Ca可代换性降盐有关。

另由表4 可见，各处理有机质含量大小顺序为CKR＞T1R＞T2R＞T1＞T2＞CK＞CKE＞T1E＞T2E，即蚯蚓处理组和无蚯蚓处理组的有机质含量均低于其原物料处理组；同时，蚯蚓处理组（CKE、T1E 和T2E）总养分范围为7.71%~8.21%，明显高于无蚯蚓处理组（CK、T1 和T2）中7.03%~7.59%的总养分范围，符合《有机肥料》（NY/T 525—2021）中总养分（N+PO+KO）≥4%的要求。因此，蚯蚓活动可以降低堆肥中有机质含量而提高其总养分含量。这可能与蚯蚓的摄食作用和促进微生物分解有机质有关。表4 还可看出，与CKE 相比，T2E 中有机质含量显著降低（＜0.05）而其总养分含量显著提高（＜0.05），说明脱硫石膏和骨炭添加促进了有机质的消耗降解及养分释放，且添加骨炭的促进效应更为明显，这与上述骨炭添加下蚯蚓的良好生长具有一致性。

表4 堆肥中基本理化性质变化Table 4 Changes in basic physio−chemical properties during composting

2.3 酶活性变化

研究表明，堆肥腐熟过程亦是废弃物酶促生物化学转化过程，酶活性大小可直接反映物料的腐熟进程，其中，AKP、UA和CAT是参与微生物进行氮、磷代谢和循环的重要酶类，AKP可参与堆肥过程中速效磷的转化形成并供植物吸收利用；UA 活性与微生物数量、总氮含量密切相关，对促进氮素循环具有重要作用。由图1A 和图1B 所示，各处理AKP 和UA 活性大小顺序均为CKR＞T1R＞T2R＞CK＞T1＞T2＞CKE＞T1E＞T2E，即无蚯蚓处理组和蚯蚓处理组的UA 和AKP活性均低于其原物料处理组，蚯蚓处理组（CKE、T1E 和T2E）亦显著低于无蚯蚓处理组（CK、T1 和T2）（＜0.05），蚯蚓处理组中T2E 和T1E 处理AKP 和UA活性显著低于CKE，说明蚯蚓活动以及脱硫石膏和骨炭添加均可以降低堆肥中AKP 和UA 活性。朱能武研究亦发现堆肥初期AKP 和UA 活性明显上升而在中后期下降并趋于稳定，并认为这可能与有机废弃物中含氮有机物的酶解主要发生在堆肥初期有关。

图1 堆肥中酶活性变化Figure 1 Changes of enzyme activity during composting

CAT 可反映氧化分解有机质的强弱程度，图1C 所示，各处理CAT 活性大小顺序均为T2E＞T1E＞CKE＞T2＞T1＞CK＞T2R＞T1R＞CKR，即无蚯蚓处理组和蚯蚓处理组的CAT 活性都高于其原物料处理组，且蚯蚓处理组（CKE、T1E 和T2E）高于无蚯蚓处理组（CK、T1 和T2）；同时，与CKE 相比，T2E 和T1E 提高CAT活性，说明蚯蚓活动及矿物添加均可提高堆肥中CAT 活性，尤以骨炭添加下为优。同样，赵海涛等研究发现新鲜牛粪经蚯蚓处理后其CAT 活性增加了57.3%。这可能与蚯蚓活动改善堆肥内部环境、提高微生物活性、促进有机碳分解并增加CAT 活性有关。综上，蚯蚓处理和脱硫石膏、骨炭添加均能降低AKP和UA活性，而提高CAT活性。

2.4 腐熟度变化

2.4.1 C/N变化

C/N 是检验堆肥腐熟度的常用指标，当C/N 降至20 以下时，可认定堆肥腐熟。由图2 所示，各处理C/N 大小顺序为CKR＞T1R＞T2R＞CK＞T1＞T2＞CKE＞T1E＞T2E，即无蚯蚓处理组和蚯蚓处理组的C/N 均低于原物料处理组，且各蚯蚓处理组（CKE、T1E和T2E）与无蚯蚓处理组（CK、T1 和T2）之间的差异达显著水平（＜0.05），说明蚯蚓活动促进了堆肥中C/N 降低。同样，朱兰保等的研究表明农业废弃物堆肥各处理的C/N 分别由初始的26.1、26.3 和26.8 依次下降为15.6、14.6 和14.1。GARG 等和KAUSHIK 等研究认为，蚯蚓处理后混合物C/N 下降可能与堆肥中氨气挥发或蚯蚓生长消耗部分氮素有关。另由图2 可见，C/N 在蚯蚓处理组中的大小顺序为：CKE＞T1E＞T2E，说明脱硫石膏和骨炭添加均可降低蚯蚓堆肥中C/N，且骨炭较脱硫石膏对堆肥中C/N 的降低效应更为明显。综上所述，蚯蚓处理和添加脱硫石膏、骨炭能显著降低C/N，骨炭添加降低效应最大。

图2 堆肥中C/N比值变化Figure 2 Changes of C/N ratio during composting

图3 堆肥中NH−N/NO−N比值变化Figure 3 Changes of NH−N/NO−N ratio during composting

2.4.3 种子发芽指数变化

种子发芽指数（GI）是判定堆肥是否腐熟及其判定植物毒性大小的重要指标。一般认为，GI 大于50%时堆肥基本腐熟，而大于80%时则达到完全腐熟程度。如图4所示，蚯蚓处理组GI均高于其原物料处理组和无蚯蚓处理组，其中，无蚯蚓处理组和蚯蚓处理组GI 范围为68.39%~118.18%，均大于50%，即各处理组基本达到腐熟，而蚯蚓处理组GI 均达到80%以上，说明蚯蚓可以提高腐熟度并降低堆肥的植物毒性。同样，龚小强等的研究亦发现牛粪混合园林绿化废弃物的蚯蚓堆肥种子发芽指数均达到80%以上。此外，各蚯蚓处理组GI大小顺序为T2E＞T1E＞CKE，分别为118.18%、102.21%和96.23%，说明脱硫石膏和骨炭添加均可以提高蚯蚓堆肥的GI，且骨炭较脱硫石膏的提高效应更显著。综上所述，蚯蚓堆肥和矿物添加均可促进堆肥种子发芽指数上升，尤以骨炭添加下最优。

图4 堆肥中种子发芽指数变化Figure 4 Changes of seed germination index during composting

2.4.4 腐殖质含量变化

堆肥过程中形成的腐殖质（HS）主要包括HA 和FA，胡富比（HA/FA）是反映堆肥过程中胡敏酸和富里酸相互消长和转化的过程。一般认为，堆肥HA/FA＞1.7时堆肥完全腐熟。由表5所示，各处理堆肥中HS、HA 和FA 含量的大小顺序均为T2E＞T1E＞CKE＞T2＞T1＞CK＞T2R＞T1R＞CKR，即无蚯蚓处理组和蚯蚓处理组均高于其原物料处理组，其中，无蚯蚓处理组（CK、T1 和T2）堆肥中HA/FA 范围为1.92~2.01，而蚯蚓处理组（CKE、T1E 和T2E）HA/FA 范围为2.01~2.08，说明蚯蚓活动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 可见，蚯蚓处理组堆肥中HS、HA 和FA 大小顺序均为：T2E＞T1E＞CKE，说明脱硫石膏和骨炭添加均可以提高蚯蚓堆肥中腐殖质形成及腐熟度提高，尤以骨炭添加下最佳。