校園垃圾制作有機肥料的工藝

摘要：為了實現(xiàn)校園垃圾的資源化利用，在分析了校園垃圾中可堆肥類物質(zhì)含量的基礎(chǔ)上，提出了蚯蚓堆肥技術(shù)處理校園垃圾制作有機肥料的工藝，同時，對蚯蚓堆肥獲得的有機肥料和傳統(tǒng)堆肥獲得的有機肥料的養(yǎng)分進行了比較，研究了蚯蚓堆肥工藝中厭氧降解階段有機質(zhì)降解的適宜條件。結(jié)果表明，蚯蚓堆肥獲得的有機肥料的養(yǎng)分為6.85%，高于傳統(tǒng)堆肥獲得的有機肥料的養(yǎng)分；在接種量為10%、pH中性、溫度為40 ℃、碳氮比為30∶1和初始含水量為60%的適宜條件下，厭氧降解階段有機質(zhì)降解率達到38.77%。

關(guān)鍵詞：校園垃圾；有機肥料；工藝

中圖分類號：X705 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2277-04

校園垃圾是由校園內(nèi)的廚余垃圾、生活垃圾和綠化垃圾等組成，其中，廚余垃圾主要包括剩飯、剩菜、肉骨和蛋殼等；生活垃圾主要包括果皮、零食、紙張、玻璃、塑料和金屬等；綠化垃圾主要包括落葉、樹枝、花草和水藻等。校園垃圾具有“種類多、產(chǎn)量大和價值高”的特點，是一種潛在的資源。2012年我國普通高等學(xué)校在校學(xué)生人數(shù)超過3 000萬人，按照人均垃圾產(chǎn)量0.5 kg/d計算[1]，校園垃圾產(chǎn)量每天約為1.5萬t，而且其中可利用成分含量較高，可回收類物質(zhì)為15%左右，可堆肥類物質(zhì)為80%左右，而一般城市生活垃圾的可回收類物質(zhì)不足10%，可堆肥類物質(zhì)約為50%[2]。

近年來，國內(nèi)外許多研究者將蚯蚓引入到垃圾堆肥處理過程中。例如，Edwards等[3]、Kale[4]開展了蚯蚓處理有機垃圾的研究；胡秀仁等[5]就蚯蚓處理生活垃圾對肥效的影響進行了研究，結(jié)果表明，蚯蚓處理后的蚯蚓糞是優(yōu)質(zhì)的有機肥料。在微生物的協(xié)同作用下，蚯蚓利用自身豐富的酶系統(tǒng)促進有機物分解、轉(zhuǎn)化成易于利用的穩(wěn)定有機肥料；同時，蚯蚓本身又可提取酶、氨基酸和生物制劑。因此利用蚯蚓處理垃圾有著廣闊的發(fā)展空間。研究采用蚯蚓堆肥技術(shù)處理校園垃圾，制作有機肥料，并探討其處理效果及影響因素。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試劑包括EM發(fā)酵糠、“大平二號”蚯蚓、硫酸、30%過氧化氫、氫氧化鈉（化學(xué)純）、二氧化硅（粉末狀）、重鉻酸鉀標(biāo)準溶液：1 mol/L 1/6（K2Cr2O7）、硫酸亞鐵標(biāo)準溶液：0.2 mol/L FeSO4、鄰菲羅啉指示劑、去離子水等。

儀器包括發(fā)酵桶、蚯蚓箱、粉碎機、土肥速測儀、電子天平、恒溫干燥箱、生化培養(yǎng)箱、立式滅菌鍋、電熱恒溫水浴鍋、多功能攪拌器等。

1.2 工藝流程

蚯蚓堆肥技術(shù)的基本原理是利用蚯蚓食性廣、食量大及消化道可分泌出多種消化酶類的特性，將經(jīng)過一定程度微生物降解處理的有機物作為食物喂給蚯蚓，經(jīng)過蚯蚓的消化、代謝以及蚯蚓消化道的擠壓作用轉(zhuǎn)化為物理、化學(xué)以及生物學(xué)特性都很好的有機肥料（蚯蚓糞）[6]。蚯蚓堆肥處理校園垃圾制作有機肥料的工藝流程主要包括分選調(diào)整、厭氧降解、風(fēng)干粉碎、蚯蚓處理、肥料提取等步驟（圖1）。

1.3 樣品制備

1.3.1 養(yǎng)分測定樣品制備 測定樣品選用校園垃圾制作有機肥料過程中風(fēng)干粉碎后的傳統(tǒng)肥料F1和有機肥料F2。分別稱取試樣1 g（精確至0.01 g），置于凱氏燒瓶底部，用少量水沖洗粘附在瓶壁上的試樣，加10 mL硫酸和3 mL過氧化氫，小心搖勻，放置1 h。在可調(diào)電爐上緩慢升溫至硫酸冒煙，取下，稍冷后再加20滴過氧化氫并分次消煮，至少消煮6次，直至溶液蒸發(fā)出的氣體無刺激性氣味后，繼續(xù)加熱10 min除盡剩余的過氧化氫。取下冷卻，用少量水沖洗彎頸小漏斗，洗液收入原凱氏燒瓶中。將消煮液移入500 mL容量瓶中，加水定容，靜置澄清后用濾紙過濾轉(zhuǎn)移到三角瓶中，備用；稱取12 g氫氧化鈉（化學(xué)純）溶于100 mL水中，配置質(zhì)量濃度為120 g/L的NaOH標(biāo)準溶液（調(diào)節(jié)pH），備用。

1.3.2 工藝優(yōu)化樣品制備 將校園垃圾中可堆肥類物質(zhì)分選出來，風(fēng)干粉碎后滅菌20 min，然后放入到溫度為4 ℃的生化培養(yǎng)箱中進行保藏，備用；重鉻酸鉀標(biāo)準溶液：稱取經(jīng)過130 ℃烘3～4 h的重鉻酸鉀（分析純）49.03 g放入400 mL水中，加熱溶解，冷卻后稀釋定容至1 L，搖勻備用；硫酸亞鐵標(biāo)準溶液：稱取硫酸亞鐵（分析純）55.61 g，溶于水后加濃硫酸5 mL溶解，稀釋定容到1 L，搖勻備用；鄰菲羅啉指示劑：稱取硫酸亞鐵（分析純）0.695 g和鄰菲羅啉（分析純）1.485 g溶于100 mL水中，搖勻備用。

1.4 方法原理

1.4.1 養(yǎng)分測定方法原理 測定樣品中的氮、磷和鉀元素經(jīng)過“硫酸-過氧化氫”體系消煮，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的具有不同吸光度的物質(zhì)，利用土肥速測儀的比色法測量肥料中全氮、全磷和全鉀的含量。

1.4.2 工藝優(yōu)化方法原理 采用定量的“重鉻酸鉀—硫酸”體系，在加熱條件下，使有機肥料中的有機碳氧化，多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵溶液滴定，同時以二氧化硅為添加物作空白試驗。根據(jù)氧化前后氧化劑消耗量，計算有機碳含量，乘以系數(shù)1.724，即為有機質(zhì)含量。

稱取風(fēng)干試樣0.5 g（精確至0.001 g），置于250 mL的三角瓶中，準確加入1 mol/L重鉻酸鉀標(biāo)準溶液30 mL，充分搖勻后加濃硫酸60 mL，緩緩搖動1 min，加一個彎頸小漏斗，置于沸水中保溫30min，每隔約5 min搖動一次。取出冷卻至室溫，用水沖洗小漏斗，洗液接于三角瓶中。取下三角瓶，將反應(yīng)物無損轉(zhuǎn)入250 mL容量瓶中定容，吸取50 mL溶液于250 mL三角瓶內(nèi)，加水約100 mL，加2～3滴鄰菲羅啉指示劑，用0.2 mol/L硫酸亞鐵標(biāo)準溶液滴定，接近三角瓶容量終點時，溶液由綠色變成暗綠色，再逐滴加人硫酸亞鐵標(biāo)準溶液直至生成磚紅色為止。同時稱取二氧化硅0.2 g（精確至0.001 g）代替試樣，按照相同分析步驟，使用同樣的試劑，進行空白試驗。計算公式如下：

有機質(zhì)含量=

■×10-3×100%

式中，C為硫酸亞鐵標(biāo)準溶液的摩爾濃度，單位mol/L；V0為空白試驗時使用硫酸亞鐵標(biāo)準溶液滴定的體積，單位mL；V為測定時使用硫酸亞鐵標(biāo)準溶液的體積，單位mL；3為四分之一碳原子的摩爾質(zhì)量，單位g/mol；1.5為氧化校正系數(shù)；1.724由有機碳換算為有機質(zhì)的系數(shù)；m為試樣質(zhì)量，單位g；X0為風(fēng)干試樣的含水量；D為稀釋倍數(shù)：50/250；10-3為mL與L之間的換算因子。

由此可以得到有機質(zhì)降解率的計算公式如下：

有機質(zhì)降解率=

■×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 校園垃圾組分分析

校園大多數(shù)功能分區(qū)明顯，一般分為教學(xué)區(qū)、宿舍區(qū)、食堂區(qū)和園林區(qū)等，不同功能區(qū)的垃圾成分差異很大[7]，因此要科學(xué)選取采樣點、采樣時間及采樣頻率，以體現(xiàn)校園垃圾的區(qū)域差異。

參照《生活垃圾采樣和物理分析方法》（CJ/T 3039-2009），在4個功能區(qū)中分別選取2個具有代表性的采樣點，每個采樣點采樣3次以獲得平均值。教學(xué)區(qū)采樣點設(shè)在2號教學(xué)樓和1號實訓(xùn)樓；宿舍區(qū)采樣點設(shè)在18棟女生公寓和5棟男生公寓；食堂區(qū)采樣點設(shè)在一食堂1樓和二食堂2樓；園林區(qū)采樣點設(shè)在校園內(nèi)湖和校園環(huán)形路。各功能區(qū)的垃圾中可堆肥類組分主要包括剩飯、剩菜、肉骨、蛋殼、果皮、零食、落葉、樹枝、花草和水藻等物質(zhì)。

由表1可知，教學(xué)區(qū)垃圾中可堆肥類物質(zhì)含量較少，其他3個區(qū)垃圾中可堆肥類物質(zhì)含量均超過50%，可回收利用成分較少，適合于堆肥處理。

2.2 肥料養(yǎng)分測定結(jié)果

肥料養(yǎng)分是指傳統(tǒng)堆制有機肥料和蚯蚓堆制有機肥料樣品中全氮、全磷、全鉀的含量。土肥速測儀測定傳統(tǒng)堆制有機肥料F1（1號樣）和蚯蚓堆制有機肥料F2（2號樣）中全氮、全磷、全鉀的含量見表2和圖2。從表2和圖2可以看出，蚯蚓堆制有機肥料的養(yǎng)分高于傳統(tǒng)堆制有機肥料的養(yǎng)分，其中，全氮含量提高了70.99%，全磷含量提高了38.41%，全鉀含量提高了142.11%，表明蚯蚓堆肥工藝處理校園垃圾效果較好；同時，蚯蚓堆制有機肥料的總養(yǎng)分為68.5 g/kg ，符合國家農(nóng)業(yè)標(biāo)準《有機肥料》（NY525-2011）要求的技術(shù)指標(biāo)（總養(yǎng)分≥50.0 g/kg）。

2.3 蚯蚓堆肥工藝的優(yōu)化

蚯蚓堆肥工藝分為厭氧降解和蚯蚓處理兩個階段，其中，蚯蚓處理階段主要是蚯蚓的吞噬轉(zhuǎn)化過程[8]，條件比較容易控制；厭氧降解階段影響因素較多，主要包括溫度、pH、碳氮比（C/N）、接種量、初始含水量等5個工藝參數(shù)，但是，由于采用復(fù)合微生物發(fā)酵劑EM發(fā)酵糠接種，需要嚴格控制投放比例，pH對于微生物的生長繁殖具有重要影響，需要調(diào)整保持為中性或弱堿性。另外，根據(jù)國家農(nóng)業(yè)標(biāo)準《有機肥料》（NY525-2011），除了總養(yǎng)分之外，可利用的有機質(zhì)含量也是有機肥料的一個重要技術(shù)指標(biāo)。因此，優(yōu)化試驗主要考查厭氧降解階段中溫度、碳氮比（C/N）、初始含水量對校園垃圾有機質(zhì)降解率的影響。

將EM發(fā)酵糠接種到預(yù)處理好的試樣中，分別對溫度、碳氮比（C/N）和初始含水量3個因素進行單因素試驗。在3 d時間內(nèi)，每12 h定期取樣測定降解后校園垃圾中的有機質(zhì)含量，并計算校園垃圾中有機質(zhì)降解率在3 d時間內(nèi)的變化情況，從而探討校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段的適宜條件。

2.3.1 溫度對有機質(zhì)降解率的影響 為了確定適宜的有機質(zhì)降解溫度，在接種量為10%（可堆肥類物質(zhì)∶EM發(fā)酵糠=9∶1，m/m，下同）、pH中性、初始含水量為60%、C/N為30∶1條件下，將試樣放置在生化培養(yǎng)箱中，設(shè)定溫度分別為20、30、40、50和60 ℃。不同溫度情況下，試樣的有機質(zhì)降解率如圖3所示。從圖3可以看出， 72 h后檢測，在40、50和60 ℃條件下，有機質(zhì)降解率分別達到35.37%、35.79%和36.63%，相差不大?？紤]到40 ℃的溫度既適合嗜溫菌又適合嗜熱菌生長，因此，校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段降解反應(yīng)適宜的溫度為40 ℃。

2.3.2 碳氮比（C/N）對有機質(zhì)降解率的影響 為了確定適宜的有機質(zhì)降解碳氮比，在接種量為10%、pH中性、初始含水量為60%、溫度為40 ℃條件下，根據(jù)有機物質(zhì)降解的常規(guī)碳氮比，設(shè)置試樣的碳氮比分別為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1。不同C/N試樣的有機質(zhì)降解率如圖4所示。從圖4可以看出，72 h后檢測，碳氮比為30∶1、40∶1和50∶1時有機質(zhì)降解率相近，分別為38.32%、38.38%和38.71%?？紤]到原料C/N越高，氮素養(yǎng)料相對缺乏，降解菌的生長受到限制，有機質(zhì)的降解速度變慢、降解過程變長，因此，校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段降解反應(yīng)適宜的碳氮比（C/N）為30∶1。

2.3.3 初始含水量對有機質(zhì)降解率的影響 為了確定適宜的有機質(zhì)降解初始含水量，在接種量為10%、pH中性、C/N為30∶1、溫度為40℃條件下，設(shè)置試樣的初始含水量分別為30%、40%、50%、60%和70%。不同初始含水量試樣的有機質(zhì)降解率如圖5所示。從圖5可以看出，校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段降解反應(yīng)適宜的初始含水量為60%，有機質(zhì)降解率達到38.77%

3 結(jié)論與討論

蚯蚓堆肥處理技術(shù)是在傳統(tǒng)堆肥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型高效環(huán)保的生物處理技術(shù)。研究利用蚯蚓堆肥工藝處理校園垃圾獲得的有機肥料的養(yǎng)分高于傳統(tǒng)堆制有機肥料的養(yǎng)分，總養(yǎng)分為68.5 g/kg；通過優(yōu)化試驗，初步確定了在接種量為10%、pH為中性、溫度為40 ℃、C/N為30∶1和初始含水量為60%的適宜條件下，厭氧降解階段有機質(zhì)降解率達到38.77%。

校園垃圾中可堆肥類物質(zhì)所占比例較大，填埋、焚燒或熱解處理的運行費用高、回收利用低，而蚯蚓堆肥工藝處理作為垃圾無害化、減量化和資源化的一個重要手段，勢必有著廣闊的應(yīng)用前景。

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