家庭果蔬廢棄物蚯蚓處理箱性能研究

張薈杰　張潤澤　王?！±顦s旗　王剛　馬文林

摘? 要：近年來，我國生活垃圾年產(chǎn)生量達上千萬噸，如何將有機生活垃圾資源化利用已經(jīng)成為一個重要的議題。文章主要研究了家庭果蔬廢棄物蚯蚓處理箱的蚯蚓適宜接種量和蚯蚓對垃圾的減量化效果。通過三組對比實驗得出，蚯蚓箱啟動時適合的蚯蚓接入量為60-70g。在本實驗條件下，以鋸末和白菜分別作為基質(zhì)和處理物料，每克蚯蚓最高的處理效率為每天處理白菜干物質(zhì)量0.066g。經(jīng)估算，采用原位蚯蚓堆肥處理，比集中處理的溫室氣體減排率最高達89.70%。

關鍵詞：蚯蚓;果蔬廢棄物;有機質(zhì)

中圖分類號：X799.3? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

利用蚯蚓處理生活垃圾，因其不需要復雜的工藝和昂貴的設備，而且處理過程的最終產(chǎn)物——蚓糞可用作優(yōu)質(zhì)的肥料，受到人們的廣泛關注。國外對蚯蚓的研究起步于上個世紀。1974年，Graft在其實驗研究中率先發(fā)現(xiàn)蚯蚓對有機廢物具有巨大的處理潛力[1]。日本學者前田古顏培育出赤子愛勝蚓（Eisenia foetida）“太平二號”，這種蚯蚓繁殖倍數(shù)極高且適合人工養(yǎng)殖，極大地推動了有機廢棄物蚯蚓處理技術的發(fā)展[1]。之后的學者們進一步對蚯蚓處理污泥[2]、牲畜糞便[3]、生活垃圾[4]等的技術進行了深入研究。美國洛杉磯一個垃圾處理場地養(yǎng)殖1000萬條蚯蚓，每個月可處理垃圾7.5噸[5]。日本建成占地1.65萬平方米的蚯蚓養(yǎng)殖場，每月處理有機廢物3000噸[5]。我國清華大學環(huán)境工程研究所從20世紀80年代中期開始對生活垃圾蚯蚓處理技術的可行性進行研究，并于1989年通過成果鑒定，肯定了這個方法的可行性與優(yōu)越性[6]。2000年，我國在北京市海淀區(qū)三星莊垃圾處理廠建立了1座生活垃圾蚯蚓處理中試實驗示范場地，并配套以蚯蚓糞為基質(zhì)籌建生物有機肥廠[6]?？傮w而言，采用蚯蚓對有機垃圾進行集中處理的實踐應用取得了較好的處理效果，表明采用蚯蚓處理有機垃圾具有良好可行性。

2015年我國住房和城鄉(xiāng)建設部等十委聯(lián)合發(fā)布《關于全面推進農(nóng)村垃圾治理的指導意見》，意見中提出到2020年全國90%以上村莊的生活垃圾得到有效治理。當前，我國加速推行垃圾分類制度，全國垃圾分類工作由點到面、逐步啟動。然而，我國國內(nèi)對家用蚯蚓垃圾處理箱的研究很不系統(tǒng)，本文以白菜為處理對象，研究家用蚯蚓處理箱的蚯蚓適宜接種量和蚯蚓對垃圾的減量化效果。研究成果可為家庭果蔬廢棄物蚯蚓處理箱的設計和推廣提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料和裝置

實驗所采用的白菜為超市購買的新鮮白菜，蚓箱、酵素、鋸末和蚯蚓均為北京市科潤維德生物技術有限公司提供（圖1），蚯蚓箱為塑料材質(zhì)，分為上箱和下箱，各箱尺寸為40cm*30cm*20cm，上箱底部遍布6mm*6mm的小孔，蚯蚓可從這些孔進入底箱。每個蚓箱側面也有小圓孔，供空氣流動。

1.2 實驗設計

2018年8月31日至10月29日，在實驗室中進行小實驗研究。共使用9套蚯蚓箱，分為三組，每組三個重復，第Ⅰ組（1-3號箱）、第Ⅱ組（4-6號箱）、第Ⅲ組（7-9號箱）的設計初始蚯蚓接種量分別為200g/箱、100g/箱、50g/箱。實驗開始時（8月31日），向每套蚯蚓箱的上箱內(nèi)加入1000g用水浸濕的鋸末、800g切碎的白菜葉以及上述種量的蚯蚓，向下箱內(nèi)加入1000g干鋸末，即蚯蚓箱初始蚯蚓接種量與上箱鋸末、白菜質(zhì)量之和的比值為1/9、1/18、1/36。實驗期間，分別于9月16日和10月2日向各套蚯蚓箱添加白菜，每次每套蚓箱補充500g新鮮白菜。

在實驗開始時，測定鋸末和白菜的有機質(zhì)含量;實驗結束時稱量每個蚓箱內(nèi)生存蚯蚓的質(zhì)量，并測定蚓箱內(nèi)混合產(chǎn)物的濕重、含水率和灰分。實驗期間，每2-3天測量一次蚓箱內(nèi)的物料堆體內(nèi)部溫度。實驗所有數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel計算組內(nèi)標準差，originpro 8進行圖形處理。

1.3 指標測定方法

采用NY/T 304-1995的標準規(guī)定，對白菜、鋸末和蚯蚓處理產(chǎn)物的含水率、總固體、灰分進行測定，根據(jù)測定結果得出各種物料的有機質(zhì)含量。

采用重量法，對實驗開始前后的蚯蚓、蚓箱、白菜、鋸末等進行測定，計算得出相應質(zhì)量。

2 實驗結果

2.1 原料有機質(zhì)含量

按照NY/T 304標準中的實驗方法，測定實驗原料（白菜和鋸末）中的初始有機質(zhì)含量。結果如表1所示。

2.2 蚯蚓箱內(nèi)物料溫度的變化

蚯蚓箱放在實驗室內(nèi)，未采取保溫措施，蚯蚓箱的溫度受室溫影響。從8月31日開始一直到10月29日實驗結束，每隔兩天測量蚓箱內(nèi)物料的溫度，結果如圖2所示，實驗期間溫度變化趨勢與實驗室溫度變化保持相同趨勢。

2.3 蚯蚓生長數(shù)據(jù)

實驗開始時，向三組實驗組中分別加入蚯蚓200g、100g、50g，經(jīng)過60天的處理實驗后，將每套蚯蚓箱中的蚯蚓挑出，稱重。對每組三個蚯蚓箱中的蚯蚓質(zhì)量進行平均，結果列于圖3中。

2.4 蚯蚓箱總固體減重情況

實驗開始時測定空蚓箱質(zhì)量（M0）、加入到蚯蚓箱中干鋸末含水率（ρ1）、濕鋸末含水率（ρ2）、新鮮白菜的含水率（ρ3），分別在9月16日和10月2日向各蚓箱分別補充加入500g白菜，共補充1000g。實驗結束后，將蚯蚓挑出，稱量各蚯蚓箱質(zhì)量（M末期箱重），包括空蚓箱箱體質(zhì)量、殘余白菜質(zhì)量（M1）及其含水率（ρ4）、鋸末和蚯蚓排泄物，并求出三個蚓箱的平均質(zhì)量。依據(jù)實驗開始時和結束后的各組蚯蚓箱中的物料的總質(zhì)量平均值，按照公式（1）計算出各組蚯蚓箱的總質(zhì)量減重比率（D%），結果列于表2中。

2.5 蚯蚓分解白菜的性能

根據(jù)實驗過程中加入蚓箱中的白菜、鋸末的質(zhì)量以及表1中所示白菜、鋸末的干物質(zhì)含量，按照公式（2）計算出實驗中加入到蚯蚓箱中的白菜和鋸末的干物質(zhì)總量（M初始干重）;根據(jù)實驗結束時蚯蚓箱質(zhì)量（M末期箱重）、箱體質(zhì)量（M0）、實驗結束時混合物料含水率（ρ5）、殘余白菜質(zhì)量以及殘余白菜含水率，按照公式（3）計算實驗結束時處理產(chǎn)物的干物質(zhì)量（M末期干重）。綜合上述計算結果，按照公式（4）計算每克蚯蚓每天降解干物質(zhì)的質(zhì)量（DM分解），計算結果列于表3中。

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 蚓箱中適宜的蚯蚓接種量

實驗初始，三組蚯蚓箱的蚯蚓接種質(zhì)量比（蚯蚓接種量：底物投加量）分別為1/9、1/18、1/36。實驗結束后，第Ⅰ、Ⅱ組蚯蚓箱中的存活蚯蚓質(zhì)量分別減小了50.3%、20.4%，第Ⅲ組的則增加了29.9%。Ⅰ、Ⅱ組中蚯蚓質(zhì)量減少的原因可能是由于蚯蚓的接種密度過大，導致出現(xiàn)了食物與空間之間的爭奪，不利于生存[7]。按照第Ⅲ組蚯蚓箱實驗結束時存活的蚯蚓質(zhì)量計算出的最佳蚯蚓接種質(zhì)量比為1/14.7。因此，當本實驗所用蚯蚓箱內(nèi)放入1000g鋸末作為載體時，平均每日投加30g白菜，初期接種60-70g蚯蚓較為適宜。

3.2 不同接種量下蚯蚓箱減重效率

蚯蚓在將有機物降解為無機物的過程中起主要作用。本次實驗中各組蚓箱濕重分別減少了26%、26%、18%。比較而言，第Ⅰ組和第Ⅱ組的減重率相近，第Ⅲ組較少。第Ⅰ組和第Ⅱ組減重率高、第Ⅲ組減重率最低的原因是前兩組接種的蚯蚓量多，參與有機物降解的蚯蚓數(shù)量大。

3.3 不同接種量下蚯蚓對垃圾的降解能力

在本實驗中，實驗開始時蚯蚓箱中干物質(zhì)總量均為1226 g（不計蚯蚓的重量）。實驗結束后計算出每克蚯蚓每天分解白菜的量，作為評價蚯蚓處理能力的指標，結果為三組蚯蚓箱中蚯蚓處理垃圾干物質(zhì)的能力分別為0.026、0.029、0.066（g/（g·d）），表明第Ⅲ組蚯蚓箱對垃圾的效率最高。分析原因，第三組蚯蚓箱蚯蚓接種密度最接近蚯蚓的適宜接種密度，蚯蚓的存活率最高，且有增長，增加率為29.9%。而第Ⅰ組和第Ⅱ組的蚯蚓在實驗結束時的生存量低于實驗開始時的接種量，死亡率分別為50.3%和20.4%。因此，從提高蚯蚓利用效率角度，蚯蚓箱啟動時的蚯蚓接種量以接近蚯蚓適宜生存密度為宜，這種情況下單位蚯蚓處理垃圾的效率最高。

3.4 減排效果評估

生活垃圾的常用處理方式有填埋、堆肥和焚燒三種。環(huán)衛(wèi)工人將居民垃圾投放點的生活垃圾收集到垃圾轉運站，再送到垃圾處理場。

垃圾進入垃圾處理場，填埋過程主要排放CH4氣體，堆肥過程同時排放CH4和N2O，焚燒過程只排放N2O。經(jīng)計算，每噸垃圾經(jīng)填埋、堆肥和焚燒處理的溫室氣體排放量分別為0.39、0.038、0.0030 t CO2e。從源頭上推行垃圾分類處理，對廚余垃圾采用原位蚯蚓箱堆肥處理，每處理1噸廚余垃圾的溫室氣體排放量為0.038 t CO2e

各類垃圾收運車輛在收運垃圾過程中消耗燃油，排放CO2。假定垃圾從居民投放點送到垃圾處理場的平均里程是90km，每天收運1次，則一年的收運總里程為32850km。收運垃圾使用載重量為3t的車輛，每百公里油耗11L[8]。經(jīng)計算每噸垃圾轉運的溫室氣體排放為0.018 t CO2。

據(jù)統(tǒng)計，北京市平均每填埋1t 垃圾用電0.5～5kWh，平均每堆肥1t 垃圾用電20～30kWh，平均每焚燒1t 垃圾用電不超過100kWh，按照1kWh 用電排放0.997kgCO2 計算用電消耗的CO2排放量[8]。經(jīng)計算，每填埋、堆肥和焚燒1t垃圾的電力消耗CO2排放量分別為0.0027、0.025、0.10 t CO2。

依據(jù)溫室氣體排放量，按照由高到低的順序對不同處理方法的排序為：集中填埋（0.41）>集中焚燒（0.12）>集中堆肥（0.081）>原位蚯蚓箱堆肥（0.038）。采用原位蚯蚓堆肥處理的溫室氣體排放量比采用集中垃圾處理技術分別減少的溫室氣體排放情況，減排率在11.26%-89.70%。

4 結論

通過上述分析和討論，本實驗可以歸納得出以下三項結論：

（1）為了避免蚯蚓箱內(nèi)蚯蚓因投放密度過大而出現(xiàn)食物和空間的爭奪，在使用時加入的蚯蚓量應在60-70g。

（2）在本蚯蚓垃圾處理箱中，蚯蚓接種量越接近蚯蚓的適宜生長密度，處理垃圾的效率就越高。在本實驗中，蚯蚓處理垃圾的最高速率為0.066g白菜/（g蚯蚓·d）。

（3）對比不同垃圾處理方式的溫室氣體排放情況，原位蚯蚓堆肥處理的溫室氣體排放量比采用集中填埋、焚燒和堆肥處理技術分別減少89.70%、54.12%和11.26%的溫室氣體排放量，主要是減少了垃圾收運過程的燃油排放和集中處理設施運轉的化石能源和電力排放。

參考文獻：

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