蚯蚓梯级利用餐厨垃圾及黑水虻虫粪研究

王聪 叶小梅 奚永兰 杜静 孔祥平 王莉 张应鹏

摘要：为解决有机废弃物预处理后依然存在高盐分、腐熟不完全以及存在有害物质等问题，探究利用蚯蚓堆肥处理餐厨垃圾与黑水虻虫粪的可行性。试验利用蚯蚓处理餐厨垃圾与黑水虻虫粪，对不同处理的蚯蚓生物学性状以及物料养分的变化情况进行比较分析。结果表明，蚯蚓堆肥处理后，处理组蚯蚓的日增质量倍数以及日增殖倍数均显著低于对照组（P<0.05）;2种物料的pH值趋于中性，并且电导率显著下降（P<0.05）;餐厨垃圾和黑水虻虫粪的有机质、铵态氮含量等均显著下降（P<0.05）;总磷、总钾、腐殖酸的含量均显著上升（P<0.05）。黑水虻虫粪的总氮含量上升，而餐厨垃圾的总氮含量下降;黑水虻虫粪和餐厨垃圾的种子发芽指数分别为86.67%、81.33%。通过对物料腐殖酸与种子发芽指数的测定，表明2种物料经过蚯蚓处理后，可用于农用。

关键词：蚯蚓堆肥;梯级利用;黑水虻虫粪;餐厨垃圾;物料养分

中图分类号： S141.4  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）20-0242-06

收稿日期：2021-02-22

基金项目：江苏现代农业产业技术体系专项资金[编号：JATS（2020）391]。

作者简介：王 聪（1992—），男，江苏南京人，硕士，研究实习员，主要从事废弃物昆虫高效转化研究。E-mail：823658947@qq.com。

通信作者：叶小梅，博士，研究员，主要从事养殖场污染控制及有机废弃物资源化利用研究。E-mail：yexiaomei610@126.com。

随着经济的发展以及人民生活水平的提高，在社会生产、流通以及消费的过程中，生活性有机废弃物（餐厨垃圾等）、农业生产性有机废弃物（畜禽粪便等）的产生量增多，严重影响生态环境以及居民的身体健康[1]。如何以无害化的方式对各种有机废弃物进行针对性处理是人们关注的重点之一。

有机废弃物的增加，导致处理难题日益凸显。其中，餐厨垃圾的养分含量高，是城市生活垃圾中有机废弃物的主要成分，也是一种可再利用的有机资源。目前所采用的餐厨垃圾处理手段为焚烧法、填埋法、堆肥法、厌氧处理等，但都存在不同程度的不足，比如处理之后依然存在高盐分、腐熟不完全以及含有有害物质（重金属）等问题，影响了餐厨垃圾的高效利用[2-5]。利用黑水虻等资源型昆虫进行有机废弃物处理，可以减少工厂能耗以及污染物排放等问题[6-7]。但黑水虻处理后的残留物生化稳定性较低，依旧存在水分含量高、氨气等恶臭气体排放量大、堆体易发酵发热等缺点[8-9]。若将黑水虻虫粪直接作为有机肥施用于农田，容易在土壤环境中再次降解与发酵，从而引起土壤产热，导致作物根系损伤[10-11]。

蚯蚓堆肥处理是一种传统方式和生物方式相互结合的新手段，因其绿色环保、可持续性被人们所关注[12]。如今，人们采用的蚯蚓是一种繁殖能力强、便于人工养殖的一类赤子爱胜蚓，即大平2号。通过这种堆肥处理方式可以实现更为良好的综合效益。蚯蚓利用其消化道分泌的蛋白酶、脂肪酶等多种酶类与环境微生物协同作用加速分解和转化有机物质，对有机废弃物进行无害化处理。蚯蚓粪同样可以作为优质的有机肥料，而蚯蚓自身也可以通过提取手段制作成生物制剂等[13-14]。本研究通过研究蚯蚓梯级转化有机废弃物的养分变化情况，以期为进一步的工程实践提供科学的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点为江苏省农业科学院农业资源与环境研究所内，时间为2020年3—5月。试验材料有赤子爱胜蚓（Eisenia fetid）、 新鲜牛粪、黑水虻虫粪、餐厨垃圾（高温发酵24 h）等。废弃物的初始理化性质见表1。

1.2 试验方法

本次试验过程中，采用上口尺寸为30 cm，下底22 cm，高度25 cm的塑料花盆，在花盆底部设置透水孔。花盆底部放置细纱网，防止蚯蚓逃逸。加入75%含水量的菜园土于细纱网上，厚度约为 8 cm，接种10条生长均一（蚯蚓质量大约为 0.28 g/条）、具有生殖环带的蚯蚓。将粗纱网（孔径6 mm）置于菜园土上方，以便分离物料和蚯蚓自由穿梭取食。以新鲜牛粪为对照组，黑水虻虫粪以及餐厨垃圾为处理组。将75%含水量的物料（干物质量为200 g）置于粗纱网上，每组重复3次，试验周期为40 d。

1.3 测试指标

蚯蚓日增质量倍数=（试验完成后蚯蚓质量-初始质量）/（初始质量×堆制时间）;日增殖倍数=（试验完成后蚯蚓数量-初始数量）/（初始数量×堆制时间）。

采用105 ℃烘干法测定含水率;采用玻璃电极法测定pH值;采用电导仪测定电导率（EC值）;采用重铬酸钾外加热法测定总有机质相对含量;采用凯氏定氮法测定总氮相对含量;采用钒钼黄比色法测定总磷相对含量;采用火焰光度计法测定总钾的相对含量;通过Skalar San++连续流动分析仪装置测定铵态氮（NH+4-N）与硝态氮（NO-3-N）相对含量;利用总有机碳分析仪（TOC）仪测定腐殖酸含量;种子发芽率：选取25粒小白菜种子在恒温培养箱中培养 96 h 测定发芽指数（GI），由以下公式计算：

GI=（堆肥浸提液种子的发芽率×根长均值）/（蒸馏水种子的发芽率×根长均值）×100%。

1.4 数据分析

数据通过SPSS 23工具进行处理，同时完成显著性差异分析。借助OriginPro 2018完成绘图。

2 结果与分析

2.1 物料以及蚯蚓生物學性状的变化情况

由表2可知，经过40 d蚯蚓处理后，对照组干物质减少了54.59%，餐厨垃圾和黑水虻虫粪处理组干物质分别减少了48.22%、39.49%，与对照组有显著性差异（P<0.05）。餐厨垃圾与黑水虻虫粪处理组中蚯蚓生物量分别增加了29.61%、40.63%，而对照组中蚯蚓生物量增加了70.53%，与处理组有显著性差异（P<0.05）。对照组的日增殖倍数为0.013 5，而餐厨垃圾与黑水虻虫粪处理组日增殖倍数分别为0.006 3、0.007 3。处理组的生物量、日增质量倍数、日增殖倍数均低于对照组。餐厨垃圾与黑水虻虫粪经过预处理，使得可利用养分含量低于对照组，不能满足蚯蚓正常生长与繁殖的营养需求[15]。

2.2 蚯蚓处理对有机废弃物理化性质的影响

2.2.1 蚯蚓处理对物料电导率的影响

由图1可知，40 d后与试验前相比，对照组EC值从 248.33 μS/cm降低到148.33 μS/cm，下降了40.27%。餐厨垃圾和黑水虻虫粪处理组的EC值分别下降了35.29%、25.85%，电导率减少量与对照组相比有显著性差异（P<0.05）。因为在蚯蚓堆制过程中，蚯蚓通过自身消化系统富集物料中的盐离子，也可以与微生物对盐离子发生络合作用，因此各试验组的EC值降低[16]。

2.2.2 蚯蚓处理对物料pH值的影响

由图2可知，经过蚯蚓处理后，餐厨垃圾和黑水虻虫粪处理组的pH值分别由4.81、6.83上升到7.14、7.26。对照组的pH值由8.06降低至7.43。试验结束后，各组物料环境中pH值逐渐转变为中性。因为物料的通气性状况因为蚯蚓的生理活动而得到改善，这样的环境对硝化细菌的生长和繁殖起到了促进的作用，促使铵态氮往更稳定的硝态氮转化，使得物料环境趋于中性;并且蚯蚓和微生物在转化物料的同时产生了大量的CO2和其他小分子有机酸性物质，促使物料pH值改变[17]。

2.2.3 蚯蚓处理对物料有机质含量的影响

由图3可知，经过蚯蚓处理后，餐厨垃圾和黑水虻虫粪的有机质含量分别由53.78%、38.85%下降到37.67%、28.52%。而对照组的有机质含量从41.27%下降到22.64%，下降了45.14%，其有机质含量减少量与处理组相比有显著性差异（P<0.05）。因为一方面在转化过程中蚯蚓与微生物通过利用有机质满足自身的生长繁殖需求，另一方面蚯蚓和微生物发生协同反应，促进了有机物质的矿化过程，导致一些有机质通过H2O与CO2的形式被消耗，所以有机质的相对含量下降[18-19]。

2.2.4 蚯蚓处理对物料总氮含量的影响

由图4可知，餐厨垃圾处理组的总氮相对含量由5.48%下降至4.37%，而黑水虻虫粪组的总氮相对含量由1.51%上升至2.09%。对照组总氮相对含量由1.63%上升至2.36%。转化后总氮含量升高的原因可能有以下几种：物料中NH+4在硝化细菌的作用下被氧化成更加稳定的NO-3减少氮损失，并且蚯蚓和微生物加速了物料有机质的矿化分解速度，有机碳以CO2和H2O的形式损失，引起了物料总量的减少。氮损失量小于总物料总量的减少量，所以使得氮的相对含量升高;蚯蚓堆制产物中总氮相对含量的增加主要以蚯蚓黏液、含氮排泄物等方式增加[20-21]。而餐厨垃圾预处理后未完全腐熟，在蚯蚓堆制过程中有大量铵态氮的释放，导致餐厨垃圾处理组的总氮相对含量降低。

2.2.5 蚯蚓处理对物料总磷和总钾含量的影响

由图5、图6可知，蚯蚓处理40 d后，餐厨垃圾与黑水虻虫粪的总磷含量分别从3.01%、2.11%上升到3.23%、2.19%，对照组的总磷含量从1.58%上升至1.72%。餐厨垃圾与黑水虻虫粪的总钾含量分别从2.89%、2.18%上升至3.02%、2.46%，对照组的总钾含量从2.31%上升至2.59%。蚯蚓转化过程中因为有机质的矿化和物料总量的减少，使物料中总磷跟总钾的相对含量升高。

2.2.6 蚯蚓處理对物料铵态氮与硝态氮的影响

由图7、图8可知，蚯蚓处理后物料中的铵态氮含量下降，黑水虻虫粪与餐厨垃圾的铵态氮含量分别从0.68%、2.18%下降至0.26%、1.17%，分别下降了61.76%、46.33%，铵态氮含量减少量与对照组相比均有显著性差异（P<0.05）。各组物料中硝态氮的含量明显上升，黑水虻虫粪的硝态氮含量由0.74%上升至1.38%，上升了86.49%，餐厨垃圾的硝态氮含量由1.84%上升至2.31%，上升了25.54%，均与对照组有显著性差异（P<0.05）。因为蚯蚓的生理活动可以促进物料的硝化作用，使得硝化细菌的活性和数量增加，从而促进氮元素的矿化，促使更多的NH+4-N转化为NO-3-N。

2.2.7 蚯蚓处理对物料腐殖酸的影响

图9、图10、图11反映了蚯蚓处理过程中物料的总腐殖酸、胡敏酸以及富里酸含量的变化过程。经过蚯蚓40 d堆制，黑水虻虫粪的总腐殖酸和胡敏酸含量分别为47.32、26.79 mg/kg，富里酸含量为16.23 mg/kg。餐厨垃圾的总腐殖酸和胡敏酸含量分别为67.64、33.18 mg/kg，富里酸含量为25.54 mg/kg。40 d后对照组总腐殖酸与胡敏酸的含量与0 d相比分别上升了19.89%、38.41%，对照组富里酸含量下降了26.06%。

2.2.8 种子发芽指数变化的情况

通过蚯蚓40 d堆制后，对照组的发芽指数提高到89.33%。黑水虻虫粪的种子发芽指数从18.67%上升至86.67%，餐厨垃圾的种子发芽指数从14.67%上升至81.33%。而发芽指数是体现堆肥对植物毒性的一个重要指标，另外也可以呈现出堆肥腐熟度的情况[22-23]。还有一些学者认为，在该指标实现80%时，就可判定堆肥对植物不存在毒性，或者充分腐熟，所以在蚯蚓转化后的物料可以用于正常农用。

3 讨论与小结

经过蚯蚓处理后物料的pH值呈中性，电导率下降，黑水虻虫粪以及餐厨垃圾的养分满足蚯蚓正常的生理活动需求。蚯蚓堆肥是一个在碳氮循环中的矿质化和腐殖化过程。物料中碳素为微生物和蚯蚓生命活动提供碳源，生物可代谢利用有机碳生成CO2、水和热量;而氮素转化重点是通过蚯蚓等发挥作用下的矿化过程以及生物固氮来实现的，正是因为蚯蚓的参与促进了物料的分解过程，从而加快了腐殖化[24]。

如今人们可运用碳氮比、NH+4-N/NO-3-N来描述相应的腐熟度指标[25]。不过在NH+4-N/NO-3-N上人们看法各异，一些学者提出在NH+4-N/NO-3-N小于1时就可判定堆肥完成;有的则认为堆肥后期NH+4-N/NO-3-N应该在0.5左右，但具体的 NH+4-N/NO-3-N 还应该根据原料作出判断[26]。黑水虻虫粪以及餐厨垃圾经过蚯蚓处理后，NH+4-N/NO-3-N 均小于1，并且通过对产物的腐殖酸相关成分的测定以及种子发芽指数（黑水虻虫粪为86.67%、餐厨垃圾为81.33%）的测定，表明蚯蚓转化的物料已经腐熟完全，对于植物没有毒害作用。

国内外早已将蚯蚓堆肥处理与传统堆肥化处理相结合，联合处理餐厨垃圾、畜禽粪便、城市污泥等固体有机废弃物。蚯蚓堆肥可以再次分选废弃物中没有分开的有机物或者无机物。蚯蚓消化道的代谢作用使得物料中有机物逐步分解，促进物料腐熟化，最终以颗粒状结构排出体外。有研究显示，蚓粪还可以促进硝化-脱氮的过程，并且预处理产物依然存在臭气、重金属等污染环境的因素，通过蚯蚓梯级处理不仅可以节约处理能耗，同时也可以改善环境。蚯蚓作为一种生态毒害指标生物，可以利用蚯蚓为媒介，在转化过程中进行毒理监测[27-29]。

本试验证明了蚯蚓可以在黑水虻虫粪以及高温发酵的餐厨垃圾中生存并进行堆肥化处理，为实践生产提供了一定的理论基础。不过蚯蚓生物学指标依然存在问题，所以在早期须要结合发酵工艺，从而制作更加适合的中间物料。

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