餐廚漿液沼渣與黑水虻蟲糞共堆肥效能研究

張浩，阮文權(quán)，劉皓，肖小蘭*

（1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122）

日益增長(zhǎng)的人口和對(duì)食品的需求給餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物的處理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國(guó)2019 年生活垃圾清運(yùn)量達(dá)24 206.2 億t，其中餐廚垃圾占20%～45%。餐廚垃圾具有高含水量、高含油量和高含鹽量等特點(diǎn)，會(huì)危害水體和土壤，造成生態(tài)污染。如何安全有效地處理大量餐廚垃圾是目前亟待解決的問題。餐廚垃圾處理流程主要包括預(yù)處理（高溫蒸煮和三相分離）、厭氧消化反應(yīng)及好氧生化反應(yīng)，經(jīng)過這些流程后最終達(dá)標(biāo)排放，其經(jīng)過預(yù)處理后會(huì)產(chǎn)生原油、有機(jī)漿液和有機(jī)固渣。

有機(jī)漿液中的化學(xué)需氧量（COD）約為100 g·L，通過厭氧消化可將有機(jī)漿液轉(zhuǎn)化為沼氣。然而，厭氧過程中周期性排泥會(huì)產(chǎn)生沼渣，即餐廚有機(jī)漿液厭氧沼渣。據(jù)報(bào)道，每100 t 餐廚有機(jī)漿液經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生20～30 t 沼渣，這些沼渣含水量高、病原微生物多、碳氮比失衡、處理難度大。從另一方面看，沼渣富含有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀，具有成為有機(jī)肥料的潛力，可應(yīng)用于園林綠化和農(nóng)作物用肥。此外，大量有機(jī)固渣處理也是棘手的問題。目前，我國(guó)針對(duì)有機(jī)固渣采用的處理方法主要為填埋或焚燒，這不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)產(chǎn)生二次污染。有機(jī)固渣含有高蛋白質(zhì)和碳水化合物，可利用黑水虻幼蟲將其高效轉(zhuǎn)化為具有高附加值的昆蟲體蛋白，并排出一些代謝產(chǎn)物，即黑水虻蟲糞。KIM 等報(bào)道指出，蟲糞中有機(jī)物、微量元素含量較高，且含有多種淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶，這些特性使其成為一種潛在的肥料。但是，BESKIN等發(fā)現(xiàn)黑水虻蟲糞存在高鹽度、惡臭和高水分等問題，直接應(yīng)用于農(nóng)田會(huì)導(dǎo)致土壤發(fā)熱，損害植物根系。因此，進(jìn)一步處理黑水虻蟲糞，使其穩(wěn)定化、無害化顯得尤為重要。

堆肥可減少有機(jī)固廢的質(zhì)量和體積，殺死病原微生物，并將有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為安全穩(wěn)定的土壤改良劑，是處理有機(jī)固廢的有效方法。近年來，許多研究者開始關(guān)注共堆肥。ZHANG 等發(fā)現(xiàn)將生活垃圾占比控制在55%以下，可提高污泥和城市有機(jī)固廢共堆肥品質(zhì)。CESTRONARO 等發(fā)現(xiàn)增加牛糞與綿羊墊料比例可將蚯蚓堆肥時(shí)間從148 d 減少至94 d。BAI等對(duì)沼渣和牛糞共堆肥效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)牛糞的加入使胡敏酸含量增加了17.21%～26.02%，纖維素含量降低了3.90%～22.81%，堆肥高溫期延長(zhǎng)了1～4 d。共堆肥可同時(shí)處理不同類型的廢棄物，減少額外的處置成本。另外，多種成分混合可讓堆肥生境中的微生物獲取充足多樣的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而優(yōu)化堆肥過程。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于餐廚有機(jī)漿液厭氧沼渣和黑水虻蟲糞處理方法的報(bào)道較少。沼渣與蟲糞共堆肥為城市有機(jī)固廢的管理提供了一條新的途徑，具有良好的發(fā)展前景。

基于上述原因，本研究采用共堆肥的方法處理沼渣和蟲糞，研究了不同比例沼渣和蟲糞共堆肥的理化性質(zhì)、植物毒性、腐殖質(zhì)組成和含量變化，以期為沼渣和蟲糞的集中管理和處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

堆肥材料包括餐廚有機(jī)漿液厭氧消化后排出的沼渣、黑水虻蟲糞和水稻秸稈。沼渣取自張家港某餐廚垃圾處理廠；蟲糞和秸稈取自張家港某黑水虻養(yǎng)殖場(chǎng)。將秸稈攪碎至1 cm 長(zhǎng)度，用以調(diào)節(jié)堆肥的碳氮比和孔隙度。堆肥原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 The basic properties of composting raw materials

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

堆肥物料總質(zhì)量為8 kg。如表2 所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5 個(gè)不同比例的沼渣和蟲糞處理組。將原料充分混合后放入25 L 塑料桶，用去離子水將初始含水率調(diào)節(jié)為60%左右。在每個(gè)處理組中心插入電子溫度計(jì)記錄溫度。整個(gè)堆肥過程持續(xù)30 d，在前10 d 每2 d 人工翻堆一次，之后每5 d 人工翻堆一次。在第0、2、5、10、15、20、25 天和第30 天通過五點(diǎn)取樣法采集樣品，并將樣點(diǎn)分為兩部分：一部分風(fēng)干后用于測(cè)定總碳（TC）和總氮（TN）；另一部分在4 ℃下儲(chǔ)存，用于測(cè)定pH、電導(dǎo)率（EC）、銨態(tài)氮（NH-N）、硝態(tài)氮（NO-N）、有機(jī)質(zhì)（OM）、種子發(fā)芽指數(shù)（）、腐殖質(zhì)（HS）、富里酸（FA）和胡敏酸（HA）。

表2 各處理組的成分和含量（濕質(zhì)量）Table 2 The constituents and contents of all the treatments（wet weight basis）

1.3 分析方法

每日上午10：00 記錄各處理組溫度。樣品在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量以測(cè)定含水率。將樣品與2 mol·LKCl以1∶10（∶）的固液比混合后在搖床中以200 r·min搖動(dòng)1 h，用來提取NH-N 和NO-N，并使用連續(xù)流動(dòng)化學(xué)分析儀（AA3，SEAL，德國(guó)）測(cè)定NH-N和NO-N含量。將樣品置于馬弗爐中，溫度設(shè)定為600 ℃，持續(xù)6 h，以測(cè)定OM 含量。根據(jù)WANG等的方法測(cè)定木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量。pH、TC、TN、、PO和KO測(cè)定方法與ZHANG 等的方法一致，其中測(cè)定所用種子為黑麥草種子，發(fā)芽天數(shù)為3 d。EC根據(jù)ZHANG等所述方法測(cè)定。HS、HA和FA含量根據(jù)WU等的研究方法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

化學(xué)分析結(jié)果取3 次測(cè)定的平均值。使用IBM SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），＜0.05表示具有顯著差異。使用Origin 2018做圖。

根據(jù)下列公式計(jì)算：

式中：和分別為處理組和空白組根長(zhǎng)，cm；和分別為處理組和空白組種子發(fā)芽率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中溫度的變化

溫度可反映堆肥的生物活性和動(dòng)態(tài)過程。如圖1 所示，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組溫度在前2 d 迅速上升到高溫階段（＞50 ℃），且高溫期持續(xù)時(shí)間分別為11、10、9、7 d 和6 d。KIM 等的研究指出，蟲糞含有的較多易降解有機(jī)物、較少纖維素和豐富氨基酸，有助于提高微生物活性。此外，添加蟲糞增加了堆肥原料的TN（表1），有利于微生物生長(zhǎng)增殖，進(jìn)一步增強(qiáng)了微生物活動(dòng)，導(dǎo)致易降解物質(zhì)在前期快速消耗，從而縮短了高溫期持續(xù)時(shí)間。據(jù)報(bào)道，堆肥溫度在50 ℃以上維持3～4 d 可達(dá)到堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。在本實(shí)驗(yàn)中，各處理組高溫期均持續(xù)了5 d 以上。當(dāng)大部分有機(jī)物被降解后，堆肥溫度開始下降，嗜熱微生物逐漸被嗜溫微生物取代，所有處理組溫度最終都接近環(huán)境溫度。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Figure 1 Variations of temperature during composting

2.2 堆肥過程中pH、EC的變化

EC 可反映堆料鹽度。如圖2b 所示，由于蟲糞比沼渣的初始EC更高（表1），T2、T3、T4和T5處理組初始EC 顯著高于T1（＜0.05）。隨著堆肥進(jìn)行，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組EC 均呈上升趨勢(shì)，最終分別穩(wěn)定在2.92、3.64、3.68、3.94 mS·cm和4.04 mS·cm。這與CHAREST 等和ZHANG 等所觀察到的現(xiàn)象一致，可能有兩個(gè)原因：第一，高溫期水分蒸發(fā)濃縮了堆肥基質(zhì)，提高了EC；第二，有機(jī)質(zhì)降解釋放出無機(jī)鹽，如磷酸鹽和NH。最終，除T5 處理組外，T1、T2、T3、T4處理組的EC均小于農(nóng)業(yè)堆肥上限值4 mS·cm。

圖2 堆肥過程中pH和EC的變化Figure 2 Variations of pH and EC during composting

2.3 堆肥過程中氮素的變化

圖3 堆肥過程中的變化Figure 3 Variations of during composting

2.4 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)和碳氮比的變化

在堆肥過程中，有機(jī)物具有不同代謝途徑，如礦化、腐殖化等。圖4a為堆肥過程中各處理組有機(jī)質(zhì)含量的變化。T1、T2、T3、T4 和T5 處理組有機(jī)質(zhì)含量在高溫階段（2～10 d）迅速下降，最終分別穩(wěn)定在72.77%、70.8%、71.61%、71.98%和72.12%，有機(jī)質(zhì)降解 率 分 別 為9.58%、13.80%、12.30%、12.32% 和11.93%。據(jù)報(bào)道，黑水虻幼蟲腸道微生物可使餐廚垃圾堆肥中、和等具有較強(qiáng)代謝能力的細(xì)菌增殖。此外，相比于沼渣，蟲糞中含有更多易降解有機(jī)物。因此，蟲糞的加入使T2、T3、T4和T5處理組有機(jī)質(zhì)降解率高于T1，其中T2處理組有機(jī)質(zhì)降解率最高。

堆肥過程中，微生物利用碳和氮進(jìn)行能量生產(chǎn)和細(xì)胞生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致碳氮比發(fā)生變化。如圖4b 所示，隨著堆肥進(jìn)行，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組碳氮比均逐漸降低，最終分別為14.77、13.86、13.75、13.33 和13.69。原因有兩個(gè)方面：第一，有機(jī)質(zhì)降解導(dǎo)致總碳減少；第二，盡管堆肥過程中氮會(huì)流失，但由于干物質(zhì)減少引起的濃縮效應(yīng)，總氮在整體上仍呈上升趨勢(shì)。CHAN 等在餐廚垃圾堆肥中也觀察到總氮有所增加，碳氮比小于21.7。在堆肥結(jié)束時(shí)，各處理組碳氮比均小于20，符合堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。有文獻(xiàn)表明，當(dāng)值（初始碳氮比/最終碳氮比）低于0.7 時(shí)，可獲得成熟堆肥。在本研究中，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組值分別為0.64、0.62、0.63、0.63和0.66，均滿足腐熟要求。

圖4 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)和碳氮比的變化Figure 4 Variations of OM and C/N during composting

2.5 堆肥過程中GI的變化

圖5 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Figure 5 Variations of GI values during composting

2.6 堆肥過程中腐殖質(zhì)含量與組成變化

腐殖質(zhì)是堆肥過程中有機(jī)物的重要轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，主要由富里酸和胡敏酸組成，在滋養(yǎng)環(huán)境基質(zhì)和調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。如圖6a所示，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組腐殖質(zhì)含量總體呈上升趨勢(shì)，在 堆 肥 結(jié) 束 時(shí) 分別 為90.97、107.55、102.80、102.86 g·kg和102.37 g·kg。T2、T3、T4 和T5 處理組腐殖質(zhì)含量顯著高于T1 處理組（＜0.05），表明加入蟲糞促進(jìn)了腐殖質(zhì)的形成。富里酸是一種低分子量腐殖質(zhì)，含有較多羧基，其變化如圖6b 所示。在堆肥初期（0～5 d），由于有機(jī)質(zhì)降解，各處理組富里酸含量均增加。隨著堆肥進(jìn)行，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組富里酸含量最終分別下降到28.18、28.35、28.18、28.40 g·kg和28.68 g·kg。這是由于富里酸可通過縮合和聚合轉(zhuǎn)化為聚合度更高、分子量更大、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的胡敏酸。因此，T1、T2、T3、T4和T5處理組中的胡敏酸含量在整個(gè)堆肥過程中均持續(xù)上升，最終分別 達(dá)到62.79、79.20、74.62、74.46 g·kg和73.69 g·kg。其中，T2、T3、T4和T5處理組胡敏酸含量顯著高于T1（＜0.05），這是因?yàn)楹羲崾怯啥嗵呛桶被岷铣?。WU等發(fā)現(xiàn)，蟲糞含有較多此類物質(zhì)，可為胡敏酸的形成提供更多前體物質(zhì)。另外，胡富比（HA/FA）可反映堆肥的腐熟程度。如圖6d 所示，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組胡富比在堆肥過程中持續(xù)上升，最終分別達(dá)到2.23、2.79、2.65、2.62 和2.57。綜上所述，T2處理組具有較高的腐殖質(zhì)、胡敏酸含量和胡富比，說明其腐殖化程度最高。

圖6 堆肥中腐殖質(zhì)、富里酸、胡敏酸和胡富比的變化Figure 6 Variations of HS，F(xiàn)A，HA and HA/FA during composting

3 結(jié)論

（1）黑水虻蟲糞的加入可提高堆肥產(chǎn)品硝態(tài)氮含量。

（2）沼渣和黑水虻蟲糞共堆肥可促進(jìn)堆料有機(jī)質(zhì)降解，強(qiáng)化堆肥腐殖化進(jìn)程，提高堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。

（3）過量的黑水虻蟲糞會(huì)增加堆料鹽度，降低種子發(fā)芽指數(shù)。沼渣與蟲糞最佳配比為3∶1，此配比下堆料具有最高的有機(jī)質(zhì)降解率，堆肥產(chǎn)品具有較高的腐殖質(zhì)和胡敏酸含量。