餐廚垃圾生化尾渣蚯蚓堆肥中礦物的調(diào)節(jié)效應(yīng)

繆麗娟，王依凡，張明月，應(yīng)雨璀，張承業(yè)，馮宇寧，王浪，朱維琴

（杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，杭州 311121）

近年來(lái)，我國(guó)餐飲業(yè)迅猛發(fā)展并導(dǎo)致大量餐廚垃圾產(chǎn)生，據(jù)報(bào)道，我國(guó)餐廚垃圾的年均產(chǎn)量高達(dá)9 000萬(wàn)t。餐廚垃圾具有水分、有機(jī)物及鹽分高，易腐爛等特點(diǎn)，同時(shí)亦兼具危害性和資源性雙重特點(diǎn)。餐廚垃圾處理技術(shù)包括填埋、機(jī)械破碎、好氧堆肥、厭氧消化和生化處理等，其中，相對(duì)而言，餐廚垃圾生化處理技術(shù)是指在處理設(shè)備及復(fù)合微生物菌劑作用下對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行高效分離、破碎、除油、快速高溫（12~48 h，50~70 ℃）殺菌和生物發(fā)酵降解等并產(chǎn)生少量尾渣的過(guò)程。該技術(shù)更易實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的就地化、減量化處理，可有效避免餐廚垃圾可能產(chǎn)生的二次污染問(wèn)題，使餐廚垃圾的污染源頭得到有效控制。有研究表明，餐廚垃圾生化尾渣中富含氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，因而具有資源化利用價(jià)值，但是其同時(shí)存在鹽分高和腐熟度低等問(wèn)題，不適合直接作為農(nóng)業(yè)有機(jī)肥使用，例如，畢峰等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，杭州市12 個(gè)生化處理機(jī)站點(diǎn)中約有75%站點(diǎn)所產(chǎn)餐廚垃圾生化尾渣的腐熟度根本無(wú)法滿(mǎn)足《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的基本要求，其電導(dǎo)率（EC）平均值為7.14 mS·cm，而已腐熟的堆肥EC 值一般要求小于3 mS·cm，故餐廚垃圾生化尾渣中的EC 值總體相對(duì)偏高。因此，如何提高餐廚垃圾生化尾渣的腐熟度并降低其鹽分，成為當(dāng)前餐廚垃圾生化尾渣資源化再利用中亟待解決的問(wèn)題之一。

蚯蚓堆肥是通過(guò)蚯蚓消化道及酶系統(tǒng)將有機(jī)廢棄物徹底分解并加速堆肥腐熟的過(guò)程。有研究表明，蚯蚓堆肥過(guò)程中添加適宜礦物可以促進(jìn)廢棄物降解、增加腐殖化程度并提高蚯蚓堆肥的植物促長(zhǎng)能力。例如，牛糞和廢紙混合廢物蚯蚓堆肥時(shí)添加2%~8%含磷水平的磷礦石可以明顯促進(jìn)廢物生物降解、降低C/N、增加腐殖化程度和促進(jìn)有效磷含量增加。對(duì)牛糞添加0%、5%和20%片麻巖或滑石并經(jīng)蚯蚓處理60 d后，發(fā)現(xiàn)添加片麻巖或滑石后所獲蚯蚓堆肥施用后可明顯促進(jìn)玉米株高及質(zhì)量增加。蔡琳琳等研究發(fā)現(xiàn)，園林廢棄物蚯蚓堆肥時(shí)添加5%沸石、膨潤(rùn)土和過(guò)磷酸鈣可促進(jìn)蚯蚓生長(zhǎng)繁殖和腐熟度。同時(shí)，因礦物來(lái)源廣泛、價(jià)廉、除鹽能力強(qiáng)等而被廣泛用于降鹽處理，其中，脫硫石膏的主要成分為硫酸鈣（CaSO·2HO），其經(jīng)水溶解后形成可替換Na的Ca，從而降低鈉鹽含量；骨炭中主要成分羥基磷酸鈣[Ca（PO）（OH）]中的Ca可通過(guò)發(fā)生離子交換反應(yīng)代替Na等鹽基離子，形成對(duì)應(yīng)鹽基離子的磷灰石。例如，屈忠義等研究表明，施加脫硫石膏可降低鹽堿地土壤EC 值并促進(jìn)番茄產(chǎn)量增長(zhǎng)；徐峰研究發(fā)現(xiàn)，施加5%骨炭能降低土壤中的主要鹽基離子和全鹽量并促進(jìn)玉米生長(zhǎng)?？梢?jiàn)，脫硫石膏或骨炭等礦物添加有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)有機(jī)廢棄物蚯蚓堆肥過(guò)程和降低鹽分危害的雙重效應(yīng)。因此，針對(duì)餐廚垃圾生化尾渣的低腐熟度和高鹽分問(wèn)題，研究礦物添加對(duì)其蚯蚓堆肥過(guò)程的調(diào)節(jié)效應(yīng)與差異，有望為餐廚垃圾生化尾渣的無(wú)害化、腐熟化處理及資源化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蚯蚓品種為赤子愛(ài)勝蚓（），購(gòu)自杭州某花鳥(niǎo)市場(chǎng)，試驗(yàn)前選擇體質(zhì)量相近的成熟蚯蚓放入墊有多層濕濾紙的培養(yǎng)皿中暗處培養(yǎng)24 h，以排出腸道物。餐廚垃圾生化尾渣取自杭州市余杭街道某生活垃圾中轉(zhuǎn)站；木屑和蛭石由江蘇中遠(yuǎn)活性炭有限公司提供；脫硫石膏購(gòu)自河北建投任丘熱電有限公司；骨炭購(gòu)自鄭州永坤環(huán)保科技有限公司。各試驗(yàn)材料理化性質(zhì)如表1所示。

表1 各原材料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physico?chemical properties of raw materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)我們的前期預(yù)試驗(yàn)，本試驗(yàn)以餐廚垃圾生化尾渣為主料，木屑和蛭石為輔料，先將主輔料按質(zhì)量比為4∶3∶3 混勻，分別以脫硫石膏和骨炭為礦物添加劑，按礦物添加水平分別為0%或5%，將各原輔物料及礦物添加劑充分混勻，然后用Milli?Q 超純水調(diào)節(jié)含水率至70%，經(jīng)14 d 預(yù)發(fā)酵后，將預(yù)發(fā)酵后所獲物料分為3組，第1組為原物料處理組，為經(jīng)14 d預(yù)發(fā)酵后所獲原物料；第2 組為無(wú)蚯蚓處理組，為經(jīng)14 d 預(yù)發(fā)酵所獲原物料再經(jīng)42 d 自然堆制處理；第3 組為蚯蚓處理組，為經(jīng)14 d預(yù)發(fā)酵所獲原物料再經(jīng)42 d蚯蚓堆制處理，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示，試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。各處理均按表2 稱(chēng)取14 d發(fā)酵后原物料350 g（干物質(zhì)量）置于塑料桶中（桶底直徑12 cm，桶口直徑15 cm，桶高15 cm），其中蚯蚓處理組另需按照50條·kg蚯蚓接種密度放入大小均勻、生長(zhǎng)活躍和環(huán)帶明顯的赤子愛(ài)勝蚓，并用紗網(wǎng)（孔徑為0.15 mm）封口以防蚯蚓逃逸和利于氣體交換。然后，除原物料處理組外，將各桶均置于溫度為20 ℃，濕度為70%，光照度為0 lx 的人工氣候室中培養(yǎng)42 d，每隔2 d 澆一次Milli?Q 超純水以保持基質(zhì)濕度基本不變。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design

1.3 分析方法

試驗(yàn)結(jié)束后，采集蚯蚓和蚓繭分別稱(chēng)質(zhì)量和計(jì)數(shù)，每5 個(gè)蚓繭折合成1 尾蚯蚓，計(jì)算蚯蚓的存活率、日增質(zhì)量倍數(shù)和繁殖率；然后對(duì)基質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量，計(jì)算基質(zhì)日消耗量。計(jì)算方法為：

式中：為蚯蚓存活率，%；Q為試驗(yàn)?zāi)球緮?shù)量，條；Q為初始蚯蚓數(shù)量，條。

式中：為蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)；Q為試驗(yàn)?zāi)球究傎|(zhì)量，g；Q為初始蚯蚓總質(zhì)量，g；為培養(yǎng)時(shí)間，d。

式中：為蚯蚓繁殖率，%；為折合后蚯蚓數(shù)量，條；同上。

式中：為基質(zhì)日消耗量，g·d；H為初始基質(zhì)干質(zhì)量，g；H為試驗(yàn)?zāi)┗|(zhì)干質(zhì)量，g；為培養(yǎng)時(shí)間，d。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，采用SPSS17.0 進(jìn)行 單 因 素 方 差 分 析（One?way ANOVA）和T 檢 驗(yàn)（Paired?samples T test），顯著性檢驗(yàn)采用Duncan 法，相關(guān)圖表采用Origin 8.0制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓生長(zhǎng)及基質(zhì)日消耗量變化

蚯蚓生長(zhǎng)繁殖狀況可反映其對(duì)生存環(huán)境的適應(yīng)程度，而基質(zhì)日消耗量反映的是蚯蚓及微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解能力及堆肥的消耗性降解程度。如表3所示，各蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）的蚯蚓存活率、日增質(zhì)量倍數(shù)、繁殖率和基質(zhì)日消耗量范圍分別為98.71%~121.68%、0.014~0.032、115.43%~155.12%和0.92~1.56 g·d，大小順序均為T(mén)2E＞T1E＞CKE，且各處理間差異均達(dá)顯著差水平（＜0.05）。因此，骨炭和脫硫石膏添加下蚯蚓均可以正常適應(yīng)生長(zhǎng)并促進(jìn)基質(zhì)降解，且以骨炭的促進(jìn)效應(yīng)更優(yōu)。同樣，劉順會(huì)等研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓生長(zhǎng)和數(shù)量均與餐廚垃圾消耗速度成正比。分析其原因可能與脫硫石膏中硫酸鈣（CaSO·2HO）能夠降低鈉鹽含量及骨炭中含有蚯蚓生長(zhǎng)需要的磷、鉀、鈣、鎂等必需營(yíng)養(yǎng)元素有關(guān)。綜上，脫硫石膏和骨炭添加均可促進(jìn)蚯蚓生長(zhǎng)繁殖和基質(zhì)消耗，尤以骨炭添加下最優(yōu)。

表3 蚯蚓生長(zhǎng)及基質(zhì)日消耗量變化Table 3 Changes of earthworm growth and daily consumption of substrate

2.2 基本理化性質(zhì)變化

一般認(rèn)為pH 為7.5~8.5 時(shí)可獲得最大堆肥速率。由表4 可見(jiàn)，蚯蚓處理組pH 均低于其原物料處理組和無(wú)蚯蚓處理組，這可能與蚯蚓活動(dòng)增加有機(jī)酸含量或促進(jìn)銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮致其堆肥pH 降低有關(guān)。而各蚯蚓處理組pH 大小順序?yàn)椋篢2E＞CKE＞T1E，說(shuō)明骨炭添加可提高蚯蚓堆肥的pH，而脫硫石膏添加則降低了其pH，這可能與骨炭的pH 較高而脫硫石膏中的SO2致其pH 降低有關(guān)。此外，無(wú)蚯蚓處理組和蚯蚓處理組pH范圍為7.28~7.97，亦均符合pH為7.0~8.5的農(nóng)業(yè)應(yīng)用要求范圍。

EC 可衡量堆肥中可溶性鹽含量，當(dāng)堆肥中EC 低于4 mS·cm時(shí)，可以安全施用于土壤。由表4 所示，各處理EC 范圍為1.08~3.98 mS·cm，大小順序?yàn)镃KE＞CK＞CKR＞T1E＞T1＞T1R＞T2E＞T2＞T2R，且CKE、T1E 和T2E 相互間差異均達(dá)顯著水平（＜0.05），說(shuō)明蚯蚓活動(dòng)提高了蚯蚓堆肥中EC，而脫硫石膏和骨炭均可降低其EC，這可能與蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解并釋放鹽分而脫硫石膏及骨炭中Ca可代換性降鹽有關(guān)。

另由表4 可見(jiàn)，各處理有機(jī)質(zhì)含量大小順序?yàn)镃KR＞T1R＞T2R＞T1＞T2＞CK＞CKE＞T1E＞T2E，即 蚯 蚓處理組和無(wú)蚯蚓處理組的有機(jī)質(zhì)含量均低于其原物料處理組；同時(shí)，蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）總養(yǎng)分范圍為7.71%~8.21%，明顯高于無(wú)蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）中7.03%~7.59%的總養(yǎng)分范圍，符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）中總養(yǎng)分（N+PO+KO）≥4%的要求。因此，蚯蚓活動(dòng)可以降低堆肥中有機(jī)質(zhì)含量而提高其總養(yǎng)分含量。這可能與蚯蚓的攝食作用和促進(jìn)微生物分解有機(jī)質(zhì)有關(guān)。表4 還可看出，與CKE 相比，T2E 中有機(jī)質(zhì)含量顯著降低（＜0.05）而其總養(yǎng)分含量顯著提高（＜0.05），說(shuō)明脫硫石膏和骨炭添加促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的消耗降解及養(yǎng)分釋放，且添加骨炭的促進(jìn)效應(yīng)更為明顯，這與上述骨炭添加下蚯蚓的良好生長(zhǎng)具有一致性。

表4 堆肥中基本理化性質(zhì)變化Table 4 Changes in basic physio?chemical properties during composting

2.3 酶活性變化

研究表明，堆肥腐熟過(guò)程亦是廢棄物酶促生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，酶活性大小可直接反映物料的腐熟進(jìn)程，其中，AKP、UA和CAT是參與微生物進(jìn)行氮、磷代謝和循環(huán)的重要酶類(lèi)，AKP可參與堆肥過(guò)程中速效磷的轉(zhuǎn)化形成并供植物吸收利用；UA 活性與微生物數(shù)量、總氮含量密切相關(guān)，對(duì)促進(jìn)氮素循環(huán)具有重要作用。由圖1A 和圖1B 所示，各處理AKP 和UA 活性大小順序均為CKR＞T1R＞T2R＞CK＞T1＞T2＞CKE＞T1E＞T2E，即無(wú)蚯蚓處理組和蚯蚓處理組的UA 和AKP活性均低于其原物料處理組，蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）亦顯著低于無(wú)蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）（＜0.05），蚯蚓處理組中T2E 和T1E 處理AKP 和UA活性顯著低于CKE，說(shuō)明蚯蚓活動(dòng)以及脫硫石膏和骨炭添加均可以降低堆肥中AKP 和UA 活性。朱能武研究亦發(fā)現(xiàn)堆肥初期AKP 和UA 活性明顯上升而在中后期下降并趨于穩(wěn)定，并認(rèn)為這可能與有機(jī)廢棄物中含氮有機(jī)物的酶解主要發(fā)生在堆肥初期有關(guān)。

圖1 堆肥中酶活性變化Figure 1 Changes of enzyme activity during composting

CAT 可反映氧化分解有機(jī)質(zhì)的強(qiáng)弱程度，圖1C 所示，各處理CAT 活性大小順序均為T(mén)2E＞T1E＞CKE＞T2＞T1＞CK＞T2R＞T1R＞CKR，即無(wú)蚯蚓處理組和蚯蚓處理組的CAT 活性都高于其原物料處理組，且蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）高于無(wú)蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）；同時(shí)，與CKE 相比，T2E 和T1E 提高CAT活性，說(shuō)明蚯蚓活動(dòng)及礦物添加均可提高堆肥中CAT 活性，尤以骨炭添加下為優(yōu)。同樣，趙海濤等研究發(fā)現(xiàn)新鮮牛糞經(jīng)蚯蚓處理后其CAT 活性增加了57.3%。這可能與蚯蚓活動(dòng)改善堆肥內(nèi)部環(huán)境、提高微生物活性、促進(jìn)有機(jī)碳分解并增加CAT 活性有關(guān)。綜上，蚯蚓處理和脫硫石膏、骨炭添加均能降低AKP和UA活性，而提高CAT活性。

2.4 腐熟度變化

2.4.1 C/N變化

C/N 是檢驗(yàn)堆肥腐熟度的常用指標(biāo)，當(dāng)C/N 降至20 以下時(shí)，可認(rèn)定堆肥腐熟。由圖2 所示，各處理C/N 大 小 順 序 為CKR＞T1R＞T2R＞CK＞T1＞T2＞CKE＞T1E＞T2E，即無(wú)蚯蚓處理組和蚯蚓處理組的C/N 均低于原物料處理組，且各蚯蚓處理組（CKE、T1E和T2E）與無(wú)蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）之間的差異達(dá)顯著水平（＜0.05），說(shuō)明蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)了堆肥中C/N 降低。同樣，朱蘭保等的研究表明農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥各處理的C/N 分別由初始的26.1、26.3 和26.8 依次下降為15.6、14.6 和14.1。GARG 等和KAUSHIK 等研究認(rèn)為，蚯蚓處理后混合物C/N 下降可能與堆肥中氨氣揮發(fā)或蚯蚓生長(zhǎng)消耗部分氮素有關(guān)。另由圖2 可見(jiàn)，C/N 在蚯蚓處理組中的大小順序?yàn)椋篊KE＞T1E＞T2E，說(shuō)明脫硫石膏和骨炭添加均可降低蚯蚓堆肥中C/N，且骨炭較脫硫石膏對(duì)堆肥中C/N 的降低效應(yīng)更為明顯。綜上所述，蚯蚓處理和添加脫硫石膏、骨炭能顯著降低C/N，骨炭添加降低效應(yīng)最大。

圖2 堆肥中C/N比值變化Figure 2 Changes of C/N ratio during composting

圖3 堆肥中NH?N/NO?N比值變化Figure 3 Changes of NH?N/NO?N ratio during composting

2.4.3 種子發(fā)芽指數(shù)變化

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是判定堆肥是否腐熟及其判定植物毒性大小的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，GI 大于50%時(shí)堆肥基本腐熟，而大于80%時(shí)則達(dá)到完全腐熟程度。如圖4所示，蚯蚓處理組GI均高于其原物料處理組和無(wú)蚯蚓處理組，其中，無(wú)蚯蚓處理組和蚯蚓處理組GI 范圍為68.39%~118.18%，均大于50%，即各處理組基本達(dá)到腐熟，而蚯蚓處理組GI 均達(dá)到80%以上，說(shuō)明蚯蚓可以提高腐熟度并降低堆肥的植物毒性。同樣，龔小強(qiáng)等的研究亦發(fā)現(xiàn)牛糞混合園林綠化廢棄物的蚯蚓堆肥種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到80%以上。此外，各蚯蚓處理組GI大小順序?yàn)門(mén)2E＞T1E＞CKE，分別為118.18%、102.21%和96.23%，說(shuō)明脫硫石膏和骨炭添加均可以提高蚯蚓堆肥的GI，且骨炭較脫硫石膏的提高效應(yīng)更顯著。綜上所述，蚯蚓堆肥和礦物添加均可促進(jìn)堆肥種子發(fā)芽指數(shù)上升，尤以骨炭添加下最優(yōu)。

圖4 堆肥中種子發(fā)芽指數(shù)變化Figure 4 Changes of seed germination index during composting

2.4.4 腐殖質(zhì)含量變化

堆肥過(guò)程中形成的腐殖質(zhì)（HS）主要包括HA 和FA，胡富比（HA/FA）是反映堆肥過(guò)程中胡敏酸和富里酸相互消長(zhǎng)和轉(zhuǎn)化的過(guò)程。一般認(rèn)為，堆肥HA/FA＞1.7時(shí)堆肥完全腐熟。由表5所示，各處理堆肥中HS、HA 和FA 含量的大小順序均為T(mén)2E＞T1E＞CKE＞T2＞T1＞CK＞T2R＞T1R＞CKR，即無(wú)蚯蚓處理組和蚯蚓處理組均高于其原物料處理組，其中，無(wú)蚯蚓處理組（CK、T1 和T2）堆肥中HA/FA 范圍為1.92~2.01，而蚯蚓處理組（CKE、T1E 和T2E）HA/FA 范圍為2.01~2.08，說(shuō)明蚯蚓活動(dòng)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 可見(jiàn)，蚯蚓處理組堆肥中HS、HA 和FA 大小順序均為：T2E＞T1E＞CKE，說(shuō)明脫硫石膏和骨炭添加均可以提高蚯蚓堆肥中腐殖質(zhì)形成及腐熟度提高，尤以骨炭添加下最佳。

表5 堆肥中腐殖質(zhì)含量變化Table 5 Changes of humus content during composting

3 結(jié)論

（1）與無(wú)添加礦物相比，骨炭和脫硫石膏添加下蚯蚓均可以較好地適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境，尤以骨炭添加下效果最優(yōu)。

（2）與無(wú)蚯蚓處理相比，餐廚垃圾生化尾渣蚯蚓堆肥具有更高的pH、總養(yǎng)分含量和過(guò)氧化氫酶（CAT）活性，較低的EC、有機(jī)質(zhì)含量、堿性磷酸酶（AKP）和脲酶（UA）活性。添加骨炭較脫硫石膏提高了蚯蚓基質(zhì)的pH、總養(yǎng)分含量和CAT 活性，而降低了其EC、有機(jī)質(zhì)含量、AKP和UA活性。

（4）餐廚垃圾生化尾渣中添加適量的骨炭和脫硫石膏并進(jìn)行蚯蚓堆肥具有可行性，可以同時(shí)達(dá)到降低餐廚垃圾生化尾渣中鹽分、提高其腐熟度、增加其總養(yǎng)分等效果，有望為餐廚垃圾生化尾渣的再利用提供技術(shù)依據(jù)。