校園垃圾制作有機肥料的工藝

摘要：為了實現校園垃圾的資源化利用，在分析了校園垃圾中可堆肥類物質含量的基礎上，提出了蚯蚓堆肥技術處理校園垃圾制作有機肥料的工藝，同時，對蚯蚓堆肥獲得的有機肥料和傳統堆肥獲得的有機肥料的養分進行了比較，研究了蚯蚓堆肥工藝中厭氧降解階段有機質降解的適宜條件。結果表明，蚯蚓堆肥獲得的有機肥料的養分為6.85%，高于傳統堆肥獲得的有機肥料的養分；在接種量為10%、pH中性、溫度為40 ℃、碳氮比為30∶1和初始含水量為60%的適宜條件下，厭氧降解階段有機質降解率達到38.77%。

關鍵詞：校園垃圾；有機肥料；工藝

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2277-04

校園垃圾是由校園內的廚余垃圾、生活垃圾和綠化垃圾等組成，其中，廚余垃圾主要包括剩飯、剩菜、肉骨和蛋殼等；生活垃圾主要包括果皮、零食、紙張、玻璃、塑料和金屬等；綠化垃圾主要包括落葉、樹枝、花草和水藻等。校園垃圾具有“種類多、產量大和價值高”的特點，是一種潛在的資源。2012年我國普通高等學校在校學生人數超過3 000萬人，按照人均垃圾產量0.5 kg/d計算[1]，校園垃圾產量每天約為1.5萬t，而且其中可利用成分含量較高，可回收類物質為15%左右，可堆肥類物質為80%左右，而一般城市生活垃圾的可回收類物質不足10%，可堆肥類物質約為50%[2]。

近年來，國內外許多研究者將蚯蚓引入到垃圾堆肥處理過程中。例如，Edwards等[3]、Kale[4]開展了蚯蚓處理有機垃圾的研究；胡秀仁等[5]就蚯蚓處理生活垃圾對肥效的影響進行了研究，結果表明，蚯蚓處理后的蚯蚓糞是優質的有機肥料。在微生物的協同作用下，蚯蚓利用自身豐富的酶系統促進有機物分解、轉化成易于利用的穩定有機肥料；同時，蚯蚓本身又可提取酶、氨基酸和生物制劑。因此利用蚯蚓處理垃圾有著廣闊的發展空間。研究采用蚯蚓堆肥技術處理校園垃圾，制作有機肥料，并探討其處理效果及影響因素。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試劑包括EM發酵糠、“大平二號”蚯蚓、硫酸、30%過氧化氫、氫氧化鈉（化學純）、二氧化硅（粉末狀）、重鉻酸鉀標準溶液：1 mol/L 1/6（K2Cr2O7）、硫酸亞鐵標準溶液：0.2 mol/L FeSO4、鄰菲羅啉指示劑、去離子水等。

儀器包括發酵桶、蚯蚓箱、粉碎機、土肥速測儀、電子天平、恒溫干燥箱、生化培養箱、立式滅菌鍋、電熱恒溫水浴鍋、多功能攪拌器等。

1.2 工藝流程

蚯蚓堆肥技術的基本原理是利用蚯蚓食性廣、食量大及消化道可分泌出多種消化酶類的特性，將經過一定程度微生物降解處理的有機物作為食物喂給蚯蚓，經過蚯蚓的消化、代謝以及蚯蚓消化道的擠壓作用轉化為物理、化學以及生物學特性都很好的有機肥料（蚯蚓糞）[6]。蚯蚓堆肥處理校園垃圾制作有機肥料的工藝流程主要包括分選調整、厭氧降解、風干粉碎、蚯蚓處理、肥料提取等步驟（圖1）。

1.3 樣品制備

1.3.1 養分測定樣品制備 測定樣品選用校園垃圾制作有機肥料過程中風干粉碎后的傳統肥料F1和有機肥料F2。分別稱取試樣1 g（精確至0.01 g），置于凱氏燒瓶底部，用少量水沖洗粘附在瓶壁上的試樣，加10 mL硫酸和3 mL過氧化氫，小心搖勻，放置1 h。在可調電爐上緩慢升溫至硫酸冒煙，取下，稍冷后再加20滴過氧化氫并分次消煮，至少消煮6次，直至溶液蒸發出的氣體無刺激性氣味后，繼續加熱10 min除盡剩余的過氧化氫。取下冷卻，用少量水沖洗彎頸小漏斗，洗液收入原凱氏燒瓶中。將消煮液移入500 mL容量瓶中，加水定容，靜置澄清后用濾紙過濾轉移到三角瓶中，備用；稱取12 g氫氧化鈉（化學純）溶于100 mL水中，配置質量濃度為120 g/L的NaOH標準溶液（調節pH），備用。

1.3.2 工藝優化樣品制備 將校園垃圾中可堆肥類物質分選出來，風干粉碎后滅菌20 min，然后放入到溫度為4 ℃的生化培養箱中進行保藏，備用；重鉻酸鉀標準溶液：稱取經過130 ℃烘3～4 h的重鉻酸鉀（分析純）49.03 g放入400 mL水中，加熱溶解，冷卻后稀釋定容至1 L，搖勻備用；硫酸亞鐵標準溶液：稱取硫酸亞鐵（分析純）55.61 g，溶于水后加濃硫酸5 mL溶解，稀釋定容到1 L，搖勻備用；鄰菲羅啉指示劑：稱取硫酸亞鐵（分析純）0.695 g和鄰菲羅啉（分析純）1.485 g溶于100 mL水中，搖勻備用。

1.4 方法原理

1.4.1 養分測定方法原理 測定樣品中的氮、磷和鉀元素經過“硫酸-過氧化氫”體系消煮，轉化為相應的具有不同吸光度的物質，利用土肥速測儀的比色法測量肥料中全氮、全磷和全鉀的含量。

1.4.2 工藝優化方法原理 采用定量的“重鉻酸鉀—硫酸”體系，在加熱條件下，使有機肥料中的有機碳氧化，多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵溶液滴定，同時以二氧化硅為添加物作空白試驗。根據氧化前后氧化劑消耗量，計算有機碳含量，乘以系數1.724，即為有機質含量。

稱取風干試樣0.5 g（精確至0.001 g），置于250 mL的三角瓶中，準確加入1 mol/L重鉻酸鉀標準溶液30 mL，充分搖勻后加濃硫酸60 mL，緩緩搖動1 min，加一個彎頸小漏斗，置于沸水中保溫30min，每隔約5 min搖動一次。取出冷卻至室溫，用水沖洗小漏斗，洗液接于三角瓶中。取下三角瓶，將反應物無損轉入250 mL容量瓶中定容，吸取50 mL溶液于250 mL三角瓶內，加水約100 mL，加2～3滴鄰菲羅啉指示劑，用0.2 mol/L硫酸亞鐵標準溶液滴定，接近三角瓶容量終點時，溶液由綠色變成暗綠色，再逐滴加人硫酸亞鐵標準溶液直至生成磚紅色為止。同時稱取二氧化硅0.2 g（精確至0.001 g）代替試樣，按照相同分析步驟，使用同樣的試劑，進行空白試驗。計算公式如下：

有機質含量=

■×10-3×100%

式中，C為硫酸亞鐵標準溶液的摩爾濃度，單位mol/L；V0為空白試驗時使用硫酸亞鐵標準溶液滴定的體積，單位mL；V為測定時使用硫酸亞鐵標準溶液的體積，單位mL；3為四分之一碳原子的摩爾質量，單位g/mol；1.5為氧化校正系數；1.724由有機碳換算為有機質的系數；m為試樣質量，單位g；X0為風干試樣的含水量；D為稀釋倍數：50/250；10-3為mL與L之間的換算因子。

由此可以得到有機質降解率的計算公式如下：

有機質降解率=

■×100%

2 結果與分析

2.1 校園垃圾組分分析

校園大多數功能分區明顯，一般分為教學區、宿舍區、食堂區和園林區等，不同功能區的垃圾成分差異很大[7]，因此要科學選取采樣點、采樣時間及采樣頻率，以體現校園垃圾的區域差異。

參照《生活垃圾采樣和物理分析方法》（CJ/T 3039-2009），在4個功能區中分別選取2個具有代表性的采樣點，每個采樣點采樣3次以獲得平均值。教學區采樣點設在2號教學樓和1號實訓樓；宿舍區采樣點設在18棟女生公寓和5棟男生公寓；食堂區采樣點設在一食堂1樓和二食堂2樓；園林區采樣點設在校園內湖和校園環形路。各功能區的垃圾中可堆肥類組分主要包括剩飯、剩菜、肉骨、蛋殼、果皮、零食、落葉、樹枝、花草和水藻等物質。

由表1可知，教學區垃圾中可堆肥類物質含量較少，其他3個區垃圾中可堆肥類物質含量均超過50%，可回收利用成分較少，適合于堆肥處理。

2.2 肥料養分測定結果

肥料養分是指傳統堆制有機肥料和蚯蚓堆制有機肥料樣品中全氮、全磷、全鉀的含量。土肥速測儀測定傳統堆制有機肥料F1（1號樣）和蚯蚓堆制有機肥料F2（2號樣）中全氮、全磷、全鉀的含量見表2和圖2。從表2和圖2可以看出，蚯蚓堆制有機肥料的養分高于傳統堆制有機肥料的養分，其中，全氮含量提高了70.99%，全磷含量提高了38.41%，全鉀含量提高了142.11%，表明蚯蚓堆肥工藝處理校園垃圾效果較好；同時，蚯蚓堆制有機肥料的總養分為68.5 g/kg ，符合國家農業標準《有機肥料》（NY525-2011）要求的技術指標（總養分≥50.0 g/kg）。

2.3 蚯蚓堆肥工藝的優化

蚯蚓堆肥工藝分為厭氧降解和蚯蚓處理兩個階段，其中，蚯蚓處理階段主要是蚯蚓的吞噬轉化過程[8]，條件比較容易控制；厭氧降解階段影響因素較多，主要包括溫度、pH、碳氮比（C/N）、接種量、初始含水量等5個工藝參數，但是，由于采用復合微生物發酵劑EM發酵糠接種，需要嚴格控制投放比例，pH對于微生物的生長繁殖具有重要影響，需要調整保持為中性或弱堿性。另外，根據國家農業標準《有機肥料》（NY525-2011），除了總養分之外，可利用的有機質含量也是有機肥料的一個重要技術指標。因此，優化試驗主要考查厭氧降解階段中溫度、碳氮比（C/N）、初始含水量對校園垃圾有機質降解率的影響。

將EM發酵糠接種到預處理好的試樣中，分別對溫度、碳氮比（C/N）和初始含水量3個因素進行單因素試驗。在3 d時間內，每12 h定期取樣測定降解后校園垃圾中的有機質含量，并計算校園垃圾中有機質降解率在3 d時間內的變化情況，從而探討校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段的適宜條件。

2.3.1 溫度對有機質降解率的影響 為了確定適宜的有機質降解溫度，在接種量為10%（可堆肥類物質∶EM發酵糠=9∶1，m/m，下同）、pH中性、初始含水量為60%、C/N為30∶1條件下，將試樣放置在生化培養箱中，設定溫度分別為20、30、40、50和60 ℃。不同溫度情況下，試樣的有機質降解率如圖3所示。從圖3可以看出， 72 h后檢測，在40、50和60 ℃條件下，有機質降解率分別達到35.37%、35.79%和36.63%，相差不大。考慮到40 ℃的溫度既適合嗜溫菌又適合嗜熱菌生長，因此，校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段降解反應適宜的溫度為40 ℃。

2.3.2 碳氮比（C/N）對有機質降解率的影響 為了確定適宜的有機質降解碳氮比，在接種量為10%、pH中性、初始含水量為60%、溫度為40 ℃條件下，根據有機物質降解的常規碳氮比，設置試樣的碳氮比分別為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1。不同C/N試樣的有機質降解率如圖4所示。從圖4可以看出，72 h后檢測，碳氮比為30∶1、40∶1和50∶1時有機質降解率相近，分別為38.32%、38.38%和38.71%。考慮到原料C/N越高，氮素養料相對缺乏，降解菌的生長受到限制，有機質的降解速度變慢、降解過程變長，因此，校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段降解反應適宜的碳氮比（C/N）為30∶1。

2.3.3 初始含水量對有機質降解率的影響 為了確定適宜的有機質降解初始含水量，在接種量為10%、pH中性、C/N為30∶1、溫度為40℃條件下，設置試樣的初始含水量分別為30%、40%、50%、60%和70%。不同初始含水量試樣的有機質降解率如圖5所示。從圖5可以看出，校園垃圾制造有機肥料工藝厭氧降解階段降解反應適宜的初始含水量為60%，有機質降解率達到38.77%

3 結論與討論

蚯蚓堆肥處理技術是在傳統堆肥的基礎上發展起來的一種新型高效環保的生物處理技術。研究利用蚯蚓堆肥工藝處理校園垃圾獲得的有機肥料的養分高于傳統堆制有機肥料的養分，總養分為68.5 g/kg；通過優化試驗，初步確定了在接種量為10%、pH為中性、溫度為40 ℃、C/N為30∶1和初始含水量為60%的適宜條件下，厭氧降解階段有機質降解率達到38.77%。

校園垃圾中可堆肥類物質所占比例較大，填埋、焚燒或熱解處理的運行費用高、回收利用低，而蚯蚓堆肥工藝處理作為垃圾無害化、減量化和資源化的一個重要手段，勢必有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 吳文濤，慶承松，彭書傳.合肥工業大學校園生活垃圾現狀調查與分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2005，28（11）：1424-1426.

[2] 郭延柱，王艷艷，王聰杰.綠色學校垃圾分類回收體系的建設及運行[J].環境科學與管理，2008，33（1）：181-183.

[3] EDWARDS C A， NEUHAUSER E F. Earthworms in Waste and Environmental Management [M]. The Hague： SPB Academic Press，1988.

[4] KALE R D. Earthworms：Nature’s gift for utilization of organic wastes[A]. EDWARDS C A. Earthworm Ecology[C]. Boca Raton：CRC Press，1998.76-77.

[5] 胡秀仁，盧曉清.養殖蚯蚓處理城市生活垃圾的重金屬元素遷移研究[J].上海環境科學，1990，9（7）：20-23.

[6] 劉梅花，李延虎，朱 路，等.蚯蚓在固體廢物處理中的應用[J].遵義師范學院學報，2005，7（6）：51-53.

[7] 代 嵐，王皎，叢慧滋，等.校園垃圾分類回收及資源化利用的探討[J].遼寧城鄉環境科技，2004，24（6）：6-7.

[8] 馮 磊， RANINGER B，李潤東，等.城市有機垃圾蚯蚓堆肥處理的實驗研究[J].江蘇環境科技，2006，19（4）：10-12.