餐厨浆液沼渣与黑水虻虫粪共堆肥效能研究

张浩，阮文权，刘皓，肖小兰*

（1.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122；2.江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏 无锡 214122）

日益增长的人口和对食品的需求给餐厨垃圾等有机废弃物的处理带来了严峻挑战。我国2019 年生活垃圾清运量达24 206.2 亿t，其中餐厨垃圾占20%～45%。餐厨垃圾具有高含水量、高含油量和高含盐量等特点，会危害水体和土壤，造成生态污染。如何安全有效地处理大量餐厨垃圾是目前亟待解决的问题。餐厨垃圾处理流程主要包括预处理（高温蒸煮和三相分离）、厌氧消化反应及好氧生化反应，经过这些流程后最终达标排放，其经过预处理后会产生原油、有机浆液和有机固渣。

有机浆液中的化学需氧量（COD）约为100 g·L，通过厌氧消化可将有机浆液转化为沼气。然而，厌氧过程中周期性排泥会产生沼渣，即餐厨有机浆液厌氧沼渣。据报道，每100 t 餐厨有机浆液经厌氧消化产生20～30 t 沼渣，这些沼渣含水量高、病原微生物多、碳氮比失衡、处理难度大。从另一方面看，沼渣富含有机质和氮、磷、钾，具有成为有机肥料的潜力，可应用于园林绿化和农作物用肥。此外，大量有机固渣处理也是棘手的问题。目前，我国针对有机固渣采用的处理方法主要为填埋或焚烧，这不仅浪费资源，还会产生二次污染。有机固渣含有高蛋白质和碳水化合物，可利用黑水虻幼虫将其高效转化为具有高附加值的昆虫体蛋白，并排出一些代谢产物，即黑水虻虫粪。KIM 等报道指出，虫粪中有机物、微量元素含量较高，且含有多种淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶，这些特性使其成为一种潜在的肥料。但是，BESKIN等发现黑水虻虫粪存在高盐度、恶臭和高水分等问题，直接应用于农田会导致土壤发热，损害植物根系。因此，进一步处理黑水虻虫粪，使其稳定化、无害化显得尤为重要。

堆肥可减少有机固废的质量和体积，杀死病原微生物，并将有机固废转化为安全稳定的土壤改良剂，是处理有机固废的有效方法。近年来，许多研究者开始关注共堆肥。ZHANG 等发现将生活垃圾占比控制在55%以下，可提高污泥和城市有机固废共堆肥品质。CESTRONARO 等发现增加牛粪与绵羊垫料比例可将蚯蚓堆肥时间从148 d 减少至94 d。BAI等对沼渣和牛粪共堆肥效果进行了研究，发现牛粪的加入使胡敏酸含量增加了17.21%～26.02%，纤维素含量降低了3.90%～22.81%，堆肥高温期延长了1～4 d。共堆肥可同时处理不同类型的废弃物，减少额外的处置成本。另外，多种成分混合可让堆肥生境中的微生物获取充足多样的营养物质，从而优化堆肥过程。目前，国内外关于餐厨有机浆液厌氧沼渣和黑水虻虫粪处理方法的报道较少。沼渣与虫粪共堆肥为城市有机固废的管理提供了一条新的途径，具有良好的发展前景。

基于上述原因，本研究采用共堆肥的方法处理沼渣和虫粪，研究了不同比例沼渣和虫粪共堆肥的理化性质、植物毒性、腐殖质组成和含量变化，以期为沼渣和虫粪的集中管理和处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

堆肥材料包括餐厨有机浆液厌氧消化后排出的沼渣、黑水虻虫粪和水稻秸秆。沼渣取自张家港某餐厨垃圾处理厂；虫粪和秸秆取自张家港某黑水虻养殖场。将秸秆搅碎至1 cm 长度，用以调节堆肥的碳氮比和孔隙度。堆肥原料的基础理化性质见表1。

表1 堆肥原料的基础理化性质Table 1 The basic properties of composting raw materials

1.2 实验设计和样品采集

堆肥物料总质量为8 kg。如表2 所示，实验设计了5 个不同比例的沼渣和虫粪处理组。将原料充分混合后放入25 L 塑料桶，用去离子水将初始含水率调节为60%左右。在每个处理组中心插入电子温度计记录温度。整个堆肥过程持续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 天通过五点取样法采集样品，并将样点分为两部分：一部分风干后用于测定总碳（TC）和总氮（TN）；另一部分在4 ℃下储存，用于测定pH、电导率（EC）、铵态氮（NH-N）、硝态氮（NO-N）、有机质（OM）、种子发芽指数（）、腐殖质（HS）、富里酸（FA）和胡敏酸（HA）。

表2 各处理组的成分和含量（湿质量）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 记录各处理组温度。样品在105 ℃下烘干至恒质量以测定含水率。将样品与2 mol·LKCl以1∶10（∶）的固液比混合后在摇床中以200 r·min摇动1 h，用来提取NH-N 和NO-N，并使用连续流动化学分析仪（AA3，SEAL，德国）测定NH-N和NO-N含量。将样品置于马弗炉中，温度设定为600 ℃，持续6 h，以测定OM 含量。根据WANG等的方法测定木质素、纤维素和半纤维素含量。pH、TC、TN、、PO和KO测定方法与ZHANG 等的方法一致，其中测定所用种子为黑麦草种子，发芽天数为3 d。EC根据ZHANG等所述方法测定。HS、HA和FA含量根据WU等的研究方法测定。

1.4 统计分析

化学分析结果取3 次测定的平均值。使用IBM SPSS 21.0软件对数据进行单因素方差分析（ANOVA），＜0.05表示具有显著差异。使用Origin 2018做图。

根据下列公式计算：

式中：和分别为处理组和空白组根长，cm；和分别为处理组和空白组种子发芽率，%。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中温度的变化

温度可反映堆肥的生物活性和动态过程。如图1 所示，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组温度在前2 d 迅速上升到高温阶段（＞50 ℃），且高温期持续时间分别为11、10、9、7 d 和6 d。KIM 等的研究指出，虫粪含有的较多易降解有机物、较少纤维素和丰富氨基酸，有助于提高微生物活性。此外，添加虫粪增加了堆肥原料的TN（表1），有利于微生物生长增殖，进一步增强了微生物活动，导致易降解物质在前期快速消耗，从而缩短了高温期持续时间。据报道，堆肥温度在50 ℃以上维持3～4 d 可达到堆肥腐熟标准。在本实验中，各处理组高温期均持续了5 d 以上。当大部分有机物被降解后，堆肥温度开始下降，嗜热微生物逐渐被嗜温微生物取代，所有处理组温度最终都接近环境温度。

图1 堆肥过程中温度的变化Figure 1 Variations of temperature during composting

2.2 堆肥过程中pH、EC的变化

EC 可反映堆料盐度。如图2b 所示，由于虫粪比沼渣的初始EC更高（表1），T2、T3、T4和T5处理组初始EC 显著高于T1（＜0.05）。随着堆肥进行，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组EC 均呈上升趋势，最终分别稳定在2.92、3.64、3.68、3.94 mS·cm和4.04 mS·cm。这与CHAREST 等和ZHANG 等所观察到的现象一致，可能有两个原因：第一，高温期水分蒸发浓缩了堆肥基质，提高了EC；第二，有机质降解释放出无机盐，如磷酸盐和NH。最终，除T5 处理组外，T1、T2、T3、T4处理组的EC均小于农业堆肥上限值4 mS·cm。

图2 堆肥过程中pH和EC的变化Figure 2 Variations of pH and EC during composting

2.3 堆肥过程中氮素的变化

图3 堆肥过程中的变化Figure 3 Variations of during composting

2.4 堆肥过程中有机质和碳氮比的变化

在堆肥过程中，有机物具有不同代谢途径，如矿化、腐殖化等。图4a为堆肥过程中各处理组有机质含量的变化。T1、T2、T3、T4 和T5 处理组有机质含量在高温阶段（2～10 d）迅速下降，最终分别稳定在72.77%、70.8%、71.61%、71.98%和72.12%，有机质降解 率 分 别 为9.58%、13.80%、12.30%、12.32% 和11.93%。据报道，黑水虻幼虫肠道微生物可使餐厨垃圾堆肥中、和等具有较强代谢能力的细菌增殖。此外，相比于沼渣，虫粪中含有更多易降解有机物。因此，虫粪的加入使T2、T3、T4和T5处理组有机质降解率高于T1，其中T2处理组有机质降解率最高。

堆肥过程中，微生物利用碳和氮进行能量生产和细胞生长，从而导致碳氮比发生变化。如图4b 所示，随着堆肥进行，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组碳氮比均逐渐降低，最终分别为14.77、13.86、13.75、13.33 和13.69。原因有两个方面：第一，有机质降解导致总碳减少；第二，尽管堆肥过程中氮会流失，但由于干物质减少引起的浓缩效应，总氮在整体上仍呈上升趋势。CHAN 等在餐厨垃圾堆肥中也观察到总氮有所增加，碳氮比小于21.7。在堆肥结束时，各处理组碳氮比均小于20，符合堆肥腐熟标准。有文献表明，当值（初始碳氮比/最终碳氮比）低于0.7 时，可获得成熟堆肥。在本研究中，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组值分别为0.64、0.62、0.63、0.63和0.66，均满足腐熟要求。

图4 堆肥过程中有机质和碳氮比的变化Figure 4 Variations of OM and C/N during composting

2.5 堆肥过程中GI的变化

图5 堆肥过程中种子发芽指数的变化Figure 5 Variations of GI values during composting

2.6 堆肥过程中腐殖质含量与组成变化

腐殖质是堆肥过程中有机物的重要转化产物，主要由富里酸和胡敏酸组成，在滋养环境基质和调节氧化还原反应方面发挥着重要作用。如图6a所示，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组腐殖质含量总体呈上升趋势，在 堆 肥 结 束 时 分别 为90.97、107.55、102.80、102.86 g·kg和102.37 g·kg。T2、T3、T4 和T5 处理组腐殖质含量显著高于T1 处理组（＜0.05），表明加入虫粪促进了腐殖质的形成。富里酸是一种低分子量腐殖质，含有较多羧基，其变化如图6b 所示。在堆肥初期（0～5 d），由于有机质降解，各处理组富里酸含量均增加。随着堆肥进行，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组富里酸含量最终分别下降到28.18、28.35、28.18、28.40 g·kg和28.68 g·kg。这是由于富里酸可通过缩合和聚合转化为聚合度更高、分子量更大、结构更稳定的胡敏酸。因此，T1、T2、T3、T4和T5处理组中的胡敏酸含量在整个堆肥过程中均持续上升，最终分别 达到62.79、79.20、74.62、74.46 g·kg和73.69 g·kg。其中，T2、T3、T4和T5处理组胡敏酸含量显著高于T1（＜0.05），这是因为胡敏酸是由多糖和氨基酸合成。WU等发现，虫粪含有较多此类物质，可为胡敏酸的形成提供更多前体物质。另外，胡富比（HA/FA）可反映堆肥的腐熟程度。如图6d 所示，T1、T2、T3、T4 和T5 处理组胡富比在堆肥过程中持续上升，最终分别达到2.23、2.79、2.65、2.62 和2.57。综上所述，T2处理组具有较高的腐殖质、胡敏酸含量和胡富比，说明其腐殖化程度最高。

图6 堆肥中腐殖质、富里酸、胡敏酸和胡富比的变化Figure 6 Variations of HS，FA，HA and HA/FA during composting

3 结论

（1）黑水虻虫粪的加入可提高堆肥产品硝态氮含量。

（2）沼渣和黑水虻虫粪共堆肥可促进堆料有机质降解，强化堆肥腐殖化进程，提高堆肥产品品质。

（3）过量的黑水虻虫粪会增加堆料盐度，降低种子发芽指数。沼渣与虫粪最佳配比为3∶1，此配比下堆料具有最高的有机质降解率，堆肥产品具有较高的腐殖质和胡敏酸含量。