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餐厨垃圾堆肥处理的蚯蚓适应性研究 * 王清威张松林臧兰兰刘攀亮庞文君 西北师范大学 地理与环境科学院, 兰州 730070 摘要 为探究校园餐厨垃圾堆肥过程中蚯蚓生长、 繁殖的最佳条件, 从赤子爱胜蚓的生活习性和生理特性入手, 在 pH 值、 含水率和温度相对稳定条件下, 设计了 4 组为期 7 周的堆肥实验, 每周观察和记录蚯蚓的体重和数量, 计算其日增 重倍数和日繁殖倍数。结果表明 向 120 g 质量比为 1∶ 6的新鲜餐厨垃圾与基土混合物中投加 6 条单蚓重 150 ~ 200 mg的赤子爱胜蚓进行餐厨垃圾堆肥时, 蚯蚓的生长繁殖状况最好, 这可能是从生物视角上餐厨垃圾蚯蚓堆肥处理 的最佳条件。 关键词 餐厨垃圾; 蚯蚓堆肥; 赤子爱胜蚓; 生长繁殖; 最佳条件 DOI 10. 13205/j. hjgc. 201409027 THE ADAPTABILITY OF EARTHWORM EISENIA FOETIDA DURING COMPOSTING TREATMENT OF KITCHEN WASTE Wang QingweiZhang SonglinZang LanlanLiu PanliangPang Wenjun Academy of Geography and Environmental Sciences,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China AbstractIn order to explore the optimal condition for earthworm to grow and reproduce in campus kitchen waste, the four sets of vermicomposting experiments during 7 weeks were designed upon the life habits and physiological characteristics of earthworm Eisenia foetida under the pH value,moisture content and temperature relatively stable conditions. The weight and quantity of earthworm were weekly observed and recorded,and the daily weight gain and breeding ratio of earthworm were calculated. The experimental results showed that their growth and reproduction was best when six earthworms with single weight of 150 ~200 mg were added to the 120 g mixture of fresh kitchen waste and substrate soil mass ratio 1∶ 6 . Thus,from the biological perspective,this might be the optimum condition for the vermicomposting of kitchen waste. Keywordskitchen waste;vermicomposting;Eisenia foetida;growth and reproduction;optimal conditions * 国家自然科学基金 51068025 。 收稿日期 2013 -12 -17 餐厨垃圾含水率高、 易腐烂但营养丰富 [1 ], 有较 高的利用价值, 但必须对其进行适当的处理。蚯蚓是 土壤的主要动物类群之一, 在蛋白酶、 脂肪酶、 纤维酶 和淀粉酶等作用下 [2 ], 通过自身消化系统可促进有 机物质的分解和矿化, 改善土壤的理化性质和透气能 力。利用蚯蚓处理餐厨垃圾不仅工艺简单、 投资少, 而且处理后的蚓粪可用作除臭剂和有机肥料。此外, 蚯蚓本身因为有降压、 抗血栓、 溶栓和改善血液循环 等 [3 ]作用, 可加以利用。因此, 国内外对餐厨垃圾蚯 蚓处理技术开展了不少的研究[4- 6 ]。餐厨垃圾蚯蚓堆 肥处理的前提是蚯蚓很好地生长和繁殖, 才可保持足 够的生物量以加快处理进程。本研究参考前人采用 蚯蚓处理城市生活垃圾的经验, 以校园餐厨垃圾为对 象, 探究赤子爱胜蚓堆肥的最佳生长、 繁殖条件, 为餐 厨垃圾蚯蚓堆肥的实际进行提供科学依据。 1实验部分 1. 1供试材料 赤子爱胜蚓 Eisenia foetida 系自行培养。新鲜 餐厨垃圾取自西北师范大学校园餐厅, 经分拣、 脱盐 后剪碎至 5 mm 以下, 混匀备用。基质土为本实验室 蚯蚓堆肥处理污泥后的蚓粪, 经阴干和过筛后挑出蚓 茧、 成蚓和幼蚓后备用。 1. 2实验方法 温度、 湿度、 基料种类、 透气性、 pH 值、 C/N 和蚯 蚓密度等因素都会影响堆料中蚯蚓的生长与繁殖, 进 911 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 而影响餐厨垃圾的堆肥处理效果。因此, 本文参考前 人研究在 pH 为 7、 温度 25 ℃[7 ]和含水率 65[8 ]左 右的相对稳定条件下, 探究 4 个因素对餐厨垃圾堆肥 处理时赤子爱胜蚓生长、 繁殖的影响。 1. 2. 1新鲜餐厨垃圾和土壤的配比 由于新鲜餐厨垃圾久放会腐败、 发霉发臭, 对蚯 蚓生长繁殖不利, 故添加蚯蚓原先生长的基质土, 调 整基料组成和 C/N, 可减轻甚至消除这种不利影响。 取一次性纸杯 上口直径 7. 5 cm, 下口直径 5 cm, 深 8 cm , 命名为 A、 B、 C、 D、 E 和 F 组, 分别加入新鲜餐 厨垃圾和基质土质量比为 1∶ 1、 1∶ 2、 1∶ 3、 1∶ 4、 1∶ 6和 1∶ 9的混合土 120 g 以及体重和体形接近的 6 条蚯蚓 单蚓重 150 ~ 200 mg , 每个处理重复 3 次。每隔 2 d加适量蒸馏水调节湿度至 65 左右, 适量酸碱溶 液调 pH 值至 7, 于 25 ℃恒温培养 49d, 每隔 7d 观察 和记录蚯蚓的体重和数量变化, 以确定适合蚯蚓生长 繁殖的基质土添加比例。 1. 2. 2餐厨垃圾是否腐烂 鉴于餐厨垃圾久放腐败, 所以考察新鲜餐厨垃圾 和自然腐烂后的餐厨垃圾对堆肥处理过程中蚯蚓生 长繁殖的影响。设三个处理 KB 为空白组, 120 g 基 质 6 条蚯蚓 同 1. 2. 1, 下略 ; TJF 组, 120 g 基质土 和餐厨垃圾混合物 参照 1. 2. 1 所得最佳配比, 自然 腐烂 30 d 6 条蚯蚓; TJX 组, 120 g 土壤和新鲜餐 厨垃圾 配比同 TJF6 条蚯蚓; 每个处理3 个重复。 蚯蚓的培养和观察方法同 1. 2. 1。 1. 2. 3蚯蚓体重 蚯蚓的食量取决于其体重大小, 蚯蚓的生长繁殖 状况与其初始体重也有很大关系。所以在此考察蚓 重对堆肥过程中蚯蚓生长繁殖的影响。向 QTA、 QTB、 QTC、 QTD、 QTE 和 QTF 组纸杯 规格同上 各加 入 120 g 按 1. 2. 1 确定的最佳配比的新鲜餐厨垃圾 和基质土混合物, 依次加入单蚓重分别为 150 ~200, 200 ~250, 250 ~ 300, 300 ~ 350, 350 ~ 400, 400 ~ 450 mg 体形接近的 6 条蚯蚓, 每个处理 3 个重复。蚯蚓 的培养和观察方法同 1. 2. 1。 1. 2. 4蚯蚓数量 整个实验过程中不补充食物基质时, 随着蚯蚓的 生长和增殖, 预计实际的蚯蚓密度将先增大再随着食 物基质的消耗而逐渐减小 [9- 11 ]。故考察蚯蚓初始数 量对堆肥过程中蚯蚓生长繁殖的影响。先向 SA、 SB、 SC、 SD、 SE 和 SF 组纸杯 规格同上 均加入 120 g 按 1. 2. 1 确定的最佳配比的新鲜餐厨垃圾和基质土混 合物, 再依次加入 2, 4, 6, 8, 10 和 12 条的蚯蚓 体形 接近和单蚓重 150 ~ 200 mg , 每个处理 3 个重复。 蚯蚓的培养和观察方法同 1. 2. 1。 1. 3pH 值和湿度分析 pH 值 称取鲜样, 按照每克样品 湿重 加水 10 mL的比例加蒸馏水浸提振荡 2 h, 用 pHs- 3c 型 pH 计测试上清液 [12 ]; 湿度 称取鲜样在 105 ℃下烘至恒 重后再称重计算含水率[12 ]。 1. 4数据处理 实验结束后分离蚯蚓、 蚓茧和蚓粪。蚯蚓水洗后 用滤纸吸干水分称重 不进行消化道残余物较正 , 蚯蚓总数包括蚓茧数、 成蚓数和幼蚓数, 每个蚓茧按 1 条蚯蚓计, 培养时间以天计, 蚓重以克计 [13 ]。 统计分析数据, 并计算以下参数 日增重倍数 培养一段时间后的蚯蚓总重 - 初始蚓重 / 初始蚓重 培养时间 日繁殖倍数 培养一段时间后的蚯蚓总数 - 初始蚯蚓数 / 初始总蚯蚓数 培养时间 2结果和分析 2. 1餐厨垃圾和基质土配比对蚯蚓生长繁殖的影响 以蚯蚓日增重倍数和日繁殖倍数评价生长基质对 蚯蚓生长繁殖的影响, 根据生长繁殖趋势及相关系数分 析并预测蚯蚓生长繁殖的规律, 详见图1、 表1。随着新 鲜餐厨垃圾和基质土配比的降低及蚯蚓培养天数增加, C 1∶3组日增重倍数呈 M 形变化并在第7 天和第 21 天 达到极大值, 而 D 1∶4、 E 1∶6和 F 1∶9组蚯蚓日增重倍数 整体呈偏峰形从第 7 天开始逐渐降低, 且相关系数 R2 >0.90, D 1∶ 4组最大, 为 0.079 0.005, 其次为 E 1∶ 6 0.063 0.007 组; C 1∶3、 D 1∶4、 E 1∶6和 F 1∶9组日繁殖 倍数整体呈凸形, 且相关系数多数 R2>0.705 F 1 9 组 R2>0.550 , 并在第 14 天和第 28 天之间有最大值, E 1∶6组单峰型明显且最大, 为0.119 0.003 图1、 表1 。 由于 A 1∶ 1和 B 1∶ 2组培养的蚯蚓在 14 天后全 部死亡 蚯蚓死亡后的数量和重量全部按 0 计 , 可 见用蚯蚓处理新鲜餐厨垃圾时基质土的质量分数最 好大于 66. 67。餐厨垃圾较多时, 腐烂过程中气味 和化学变化导致蚯蚓死亡。这与赖发英等人 [2 ]发现 的当垃圾质量分数 >50, 蚯蚓存活率急剧下降, 无 土时难以成活相一致。因为蚯蚓的日增重倍数和日 繁殖倍数最大值不都在同一组, 故将各组周蚯蚓日增 重倍数和日繁殖倍数相加求和再平均, 选出最优值进 021 环境工程 Environmental Engineering 行比较。可见, E 1∶ 6组的日增重倍数平均值和日繁 殖倍数周平均值都最大, 分别为 0. 027 0. 019 和 0. 051 0. 045。因此, 选用新鲜餐厨垃圾和基质土质 量比 1∶ 6作为蚯蚓处理新鲜餐厨垃圾的最优条件。 图 1餐厨垃圾和基质土配比对蚯蚓生长繁殖的影响 Fig. 1The effect of fresh kitchen waste and substrate soil mixture ratio on growth and delivery of earthworm 表 1餐厨垃圾和基质土配比对蚯蚓生长繁殖的影响 Table 1The effect of fresh kitchen waste and substrate soil mixture ratio on growth and delivery of the earthworm 组别 日增重倍数 周平均值 生长曲线方程及相关系数 R2 日繁殖倍数 周平均值 繁殖曲线方程及相关系数 R2 A-0. 027 0. 031Y 0. 00011X2-0. 00667X 0. 04898 R20. 39483 -0. 033 0. 022Y 0. 00007X2-0. 00339X -0. 00159 R20. 31653 B-0. 028 0. 021Y 0. 00009X2-0. 00492X 0. 02670 R20. 47722 -0. 031 0. 015Y 0. 00005X2-0. 00258X -0. 00927 R20. 46624 C0. 009 0. 005Y -0. 00001X20. 00035X 0. 01039 R20. 59095 0. 029 0. 014Y -0. 00006X20. 00398X -0. 02156 R20. 88641 D0. 022 0. 025Y 0. 00006X2-0. 00505X 0. 10289 R20. 93861 0. 017 0. 015Y -0. 00007X20. 00417X -0. 03201 R20. 81216 E0. 027 0. 023Y 0. 00003X2-0. 00309X 0. 08746 R20. 97115 0. 051 0. 046Y -0. 00021X20. 01115X -0. 05443 R20. 70539 F0. 011 0. 019Y 0. 00005X2-0. 00420X 0. 07552 R20. 96447 0. 044 0. 041Y -0. 00016X20. 00849X -0. 03220 R20. 58400 2. 2餐厨垃圾新鲜程度对蚯蚓生长繁殖的影响 在新鲜餐厨垃圾和基质土质量比1∶6时, 考察餐厨 垃圾新鲜与否对蚯蚓生长繁殖的影响, 详见图 2、 表 2。 随着蚯蚓培养天数增加, TJF 和 TJX 组蚯蚓的日增重倍 数整体呈偏峰形, 从第7 天时开始逐渐降低且相关系数 R2> 0.90, 其蚯蚓日增重倍数最大值相近, 分别为 0.055 0.009 和0.052 0.001。而餐厨垃圾投加组和空 白组的日增重倍数差别极显著, 显示餐厨垃圾对蚯蚓日 增重的贡献很大。TJF 和 KB 组蚯蚓的日繁殖倍数整体 呈 M 形变化, TJX 组则是三峰形, 第14 天后 TJX 组蚯蚓 的日繁殖倍数明显高于其他组, 同时在第14 天、 28 天和 42 天有极大值, 分别为 0.028 0.007、 0. 022 0. 004 和 0. 013 0. 001 见图2、 表2 。最优值方法选取同 2. 1, 得出选择新鲜餐厨垃圾进行配制更佳。 2. 3蚯蚓体重对生长繁殖的影响 在新鲜餐厨垃圾与基质土质量比为 1∶ 6基础上, 考察投加蚯蚓体重对餐厨垃圾堆肥过程中蚯蚓生长 繁殖的影响, 详见图 3、 表 3。随着蚯蚓培养天数增 加, 蚯蚓日增重倍数整体呈偏峰形, 从第 7 天时开始 逐渐降低且相关系数 R2>0. 95, 最大值为 QTA 150 ~ 200 mg 组的 0. 098 0. 005。QTF 400 ~450 mg 组蚯 蚓的日繁殖倍数呈多峰形, 其他各组呈 M 形, 从第 7 天后各组繁殖曲线相关系数 R2< 0. 60, 并且在第 7 天和 21 天或 35 天出现极大值。其中, 最大日繁殖倍 数为 QTD 300 ~ 350 mg 组的 0. 127 0. 081, 但该组 及 QTE 350 ~400 mg 和 QTF 400 ~ 450 mg 组的日增 重倍数整体较小, 可能是因为接种成年蚯蚓虽然繁殖 率较高, 但生长受到空间和食物限制 见图 3、 表 3 。 最优值方法选取同 2. 1, 由表 3 可见 QTA 组的日增 重倍数周平均值最大, 日繁殖倍数周平均值第三。因 此, 后续试验选用每组接种单蚓重 150 ~ 200 mg 的 蚯蚓。 121 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 图 2餐厨垃圾新鲜与否对蚯蚓生长繁殖的影响 Fig. 2The effect of putrefaction extent of kitchen waste on growth and delivery of the earthworm 表 2餐厨垃圾新鲜与否对蚯蚓生长繁殖的影响 Table 2The effect of putrefaction extent of kitchen waste on growth and delivery of the earthworm 组别 日增重倍数 周平均值 生长曲线方程及相关系数 R2 日繁殖倍数 周平均值 繁殖曲线方程及相关系数 R2 TJF0. 015 0. 019Y 0. 00005X2-0. 00388X 0. 07722 R20. 99015 0. 005 0. 004Y 0. 00002X2-0. 00131X 0. 02328 R20. 83275 TJX0. 024 0. 019Y 0. 00002X2-0. 00212X 0. 06817 R20. 98494 0. 012 0. 009Y -0. 00003X20. 00162X -0. 00249 R20. 37119 KB-0. 006 0. 003Y 0. 00001X2-0. 00072X 0. 00427 R20. 91156 0. 003 0. 004Y -0. 00563ln X0. 02124 R20. 60879 图 3蚯蚓体重对蚯蚓生长繁殖的影响 Fig. 3The effect of weight on growth and delivery of the earthworm 表 3蚯蚓体重对蚯蚓生长繁殖的影响 Table 3The effect of weight on growth and delivery of the earthworm 组别 日增重倍数 周平均值 生长曲线方程及相关系数 R2 日繁殖倍数 周平均值 繁殖曲线方程及相关系数 R2 QTA0. 047 0. 035Y 0. 00004X2-0. 00459X 0. 13690 R20. 95279 0. 038 0. 024Y 0. 00006X2-0. 00387X 0. 08564 R20. 26024 QTB0. 032 0. 022Y 0. 00001X2-0. 00202X 0. 08047 R20. 95393 0. 029 0. 010Y 0. 00001X2-0. 00047X 0. 03064 R20. 10167 QTC0. 033 0. 025Y -0. 00003X2-0. 00343X 0. 10014 R20. 98654 0. 024 0. 016Y -0. 00002X20. 00092X 0. 02033 R20. 16804 QTD0. 028 0. 017Y 0. 00001X2-0. 00154X 0. 06447 R20. 97309 0. 041 0. 037Y 0. 00012X2-0. 00765X 0. 14306 R20. 44914 QTE0. 018 0. 022Y 0. 00005X2-0. 00440X -0. 08902 R20. 98842 0. 036 0. 018Y 0. 00005X2-0. 00355X 0. 08724 R20. 58538 QTF0. 017 0. 017Y 0. 00003X2-0. 00260X 0. 06450 R20. 98184 0. 044 0. 018Y -0. 01722ln X0. 09824 R20. 35160 221 环境工程 Environmental Engineering 2. 4蚯蚓数量对生长繁殖的影响 在新鲜餐厨垃圾与基质土质量比 1∶ 6和单蚓重 150 ~200 mg 时, 考察投加蚯蚓数量对餐厨垃圾堆肥 过程中蚯蚓生长繁殖的影响, 见图 4、 表 4。结果表 明, 随着蚯蚓培养天数增加, 各组蚯蚓的日增重倍数 整体呈偏峰形并从第7 天时逐渐降低 各组的相关系 数 R2> 0. 90, 表 4 , 最大值为投加 10 条蚯蚓组的 0. 106 0. 009, 其次是投加 6 条组的 0. 105 0. 005, 但在 28 天后部分组由于受食物限制蚯蚓的日增重倍 数开始出现负值。投加 4 条蚯蚓组的日繁殖倍数整 体呈 M 形, 且相关系数 R2<0. 25, 而其他组呈非正态 分布的凸形变化。所有组中最大日繁殖倍数为投加 4 条 组 的 0. 095 0. 012, 其 次 是 投 加 6 条 组 的 0. 066 0. 011 图 4 。 图 4接种数量对蚯蚓生长繁殖影响 Fig. 4Effect of inoculation number on growth and delivery of the earthworm 表 4接种数量对蚯蚓生长繁殖影响 Table 4Effect of inoculation number on growth and delivery of the earthworm 组别 日增重倍数 周平均值 生长曲线方程及相关系数 R2 日繁殖倍数 周平均值 繁殖曲线方程及相关系数 R2 SA0. 014 0. 026Y 0. 00007X2-0. 00560X 0. 10529 R20. 98897 0. 031 0. 019Y -0. 00006X20. 00271X 0. 01747 R20. 81787 SB0. 016 0. 036Y 0. 00011X2-0. 00831X 0. 14728 R20. 95626 0. 039 0. 027Y -0. 00005X20. 00247X 0. 02287 R20. 22844 SC0. 024 0. 039Y -0. 00010X2-0. 00832X 0. 15892 R20. 92973 0. 039 0. 025Y -0. 00012X20. 00654X -0. 02317 R20. 89975 SD0. 020 0. 033Y 0. 00009X2-0. 00733X 0. 13662 R20. 93287 0. 028 0. 019Y -0. 00006X20. 00286X 0. 00941 R20. 62030 SE0. 018 0. 036Y 0. 00011X2-0. 00854X 0. 14777 R20. 90997 0. 026 0. 023Y -0. 00004X20. 00117X 0. 03363 R20. 55489 SF0. 011 0. 025Y 0. 00008X2-0. 00594X 0. 10339 R20. 95594 0. 018 0. 017Y -0. 00004X20. 00179X 0. 01091 R20. 44713 此外, 由于蚯蚓的日增重倍数和日繁殖倍数最大 值不都在同一组, 故最优值方法选取同 2. 1, 可知, 投 加 6 条试验组的日增重倍数和日繁殖倍数周平均值 均最大, 所以后续试验选择蚯蚓投加数量为 6 条。该 结果与仓龙等人 [11 ]在 100 g 干重 物料中投加 8 条 赤子爱胜蚓为最佳投加密度的结果很接近。 3结论 1新鲜餐厨垃圾和基质土的质量比越小, 短期 内越有利蚯蚓生存, 但从长期看会由于食物耗尽而限 制蚯蚓的生长繁殖; 反之, 若餐厨垃圾过多则在堆肥 中会腐败发霉不利于蚯蚓的生存。新鲜餐厨垃圾和 基质土质量比为 1∶ 6时, 蚯蚓的生长繁殖较好。 2与自然腐烂 30 d 的餐厨垃圾和基质土混合 物相比, 新鲜餐厨垃圾与基质土混合物中蚯蚓的日增 重倍数和日繁殖倍数更高, 表明其生长繁殖情况更 好。与赖发英等人 [2 ]的研究结果吻合。 3蚯蚓初始体重表征其成熟度。正常蚯蚓体重 较小时处于对数期, 生长较快、 消耗食物较多; 相反, 体重较大时处于稳定期, 成熟度高、 繁殖率较高但生 长率较低。本研究表明, QTA 和 QTF 组的日增重倍 321 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 数和日繁殖倍数周平均值最大, 投加单重 150 ~ 200 mg的蚯蚓进行餐厨垃圾堆肥时, 蚯蚓的生长繁殖 较好。 4蚯蚓投加密度较小有利于单位容积内的蚯蚓 生长繁殖, 但蚯蚓堆肥的效果欠佳; 但投加密度过高 使种群内发生生存空间和食物的争夺, 也不利于蚯蚓 的生长繁殖。本研究表明, 投加 6 条蚯蚓时的餐厨垃 圾堆肥过程中蚯蚓的生长繁殖较好。 总之, 在 25 ℃、 含水率 65 和 pH 值为 7 左右, 向 120 g 质量比为 1∶ 6的新鲜餐厨垃圾与基质土混合 物中投加单蚓重 150 ~200 mg 的蚯蚓 6 条是该餐厨 垃圾堆肥过程中赤子爱胜蚓生长繁殖的最佳条件。 由于蚯蚓良好的生长繁殖是餐厨垃圾蚯蚓堆肥的前 提, 所以这也可能是新鲜餐厨垃圾蚯蚓堆肥的最佳条 件, 其具体机理还有待于进一步探讨。 参考文献 [1]汪群慧, 马鸿志, 王旭明, 等. 厨余垃圾的资源化技术[J] . 现代 化工, 2004, 24 7 56- 57. 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