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农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 摘要 畜禽粪便、作物秸秆和菜叶等有机废弃物在农业废弃物中占相当的比例，此类 有机废弃物的堆存引起的环境污染已成为一个亟待解决的问题，利用蚯蚓处理有机 废弃物是公认的比较好的处理方法。蚯蚓堆肥处理有机废弃物将传统的堆肥法与蚯 蚓处理相结合，通过蚯蚓的新陈代谢作用，将有机废弃物转化为物理、化学和生物 学特性俱佳的蚯蚓粪。 由于新鲜粪便、作物秸秆和菜叶等混合垃圾的初始条件不太适合蚯蚓的生长繁 殖，且蚯蚓也难以忍受垃圾堆肥过程中可能产生的高温，因此，畜禽粪便、秸秆和 菜叶等有机垃圾在进行蚯蚓堆肥时需先进行堆肥预处理。 本文以牛粪、玉米秸秆、小麦秸秆和菜叶等混合垃圾为实验材料，研究了适于 蚯蚓堆肥的物料组合以及堆肥过程中各个参数的变化，同时检测分析蚯蚓堆肥过程 中温室气体的排放特征，并探讨温室气体的控制和减排策略。研究表明： ( 1 ) 一系列比例的8 组混合物经过3 9 天堆肥处理后，物料的c n 由最初的3 5 左右下降到2 5 以下，有机质的含量也有所下降；总氮的浓度比处理前略有升高，其 质量百分比由最初的1 左右上升到1 11 左右，物料中氨氮的浓度在处理过程中呈 现先增加后降低的趋势，最后浓度在2 0 0 , - - 3 0 0m g k g 之间。 ( 2 ) 堆肥处理后的8 组堆肥物料接种蚯蚓3 0 天后，含有小麦秸秆的4 组混合物 在接种蚯蚓第1 1 天后，蚯蚓全部死亡，存活率为0 ，而含有玉米秸秆的4 组混合物 接种蚯蚓3 0 天后存活率在6 2 5 以上，其中，牛粪、玉米秸秆和菜叶垃圾的物料比 例为1 ：3 ：l ( 干重比) 的混合物蚯蚓的存活率最高，为8 7 5 。 ( 3 ) 物料比例为1 ：3 ：1 ( 牛粪：玉米秸秆：菜叶垃圾) 的混合垃圾分别经过通风 堆肥和翻堆堆肥预处理后，物料的有机质含量和c n 均有所下降，总氮的含量略有 升高，总磷含量变化不明显；接种蚯蚓后，物料的有机质含量和c n 继续下降，总 氮、总磷和有效磷的含量明显升高，总氮的质量分数由1 0 9 分别上升到1 3 0 和 1 2 5 ，总磷的质量分数分别由0 4 9 0 和0 4 7 5 上升到0 6 1 2 和0 6 0 7 ，有效磷 的浓度分别由2 0 0m g k g 和1 4 4m g k g 上升到2 1 0m g k g 和1 9 5m g k g 。 ( 4 ) 物料在通风堆肥预处理过程中前期择傲c 0 2 较多，后期减少，而翻堆堆肥 预处理过程则恰好相反，前期c 0 2 排放较少，后期增加；接种处理后，堆肥箱内 c 0 2 的浓度先降低后增加，处理结束时又降到最低。 ( 5 ) 蚯蚓的引入减少了废弃物处理过程中c 0 2 的排放；翻堆堆肥是蚯蚓堆肥处 理较好的预处理方式。 关键词：农村垃圾；畜禽粪便；作物秸秆；蚯蚓堆肥：温室气体 i i v e r mic o m p o s tin go fr u r a1w a s t ea n dc h ar a c t e ris tic so f g r e e n h o u s eg a s e mis sio n s a b s t r a c t t h eo r g a n i cw a s t e sc o n s i s t e do fl i v e s t o c km a n u r e ，c r o pr e s i d u e sa n dl e a v e sa c c o u n t f o rac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o no fa g r i c u l t u r ew a s t e t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db y s t o c k p i l i n go ft h e s er u r a lw a s t e sh a sb e c o m ea l lu r g e n tp r o b l e m i ti sr e c o g n i z e d 弱a b e t t e ra p p r o a c ht ot r e a tt h eo r g a n i cw a s t e sw i t he a r t h w o r m v e r m i c o m p o s t i n gi st h e c o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n a lc o m p o s ta n dt h ee a r t h w o r mt r e a t m e n t w i t ht h e m e t a b o l i s mo fe a r t h w o r m ，t h eo r g a n i cw a s t e sw i l lb ec h a n g e di n t oe a r t h w o r me x c r e m e n t w i t ht h eb e s tp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s et h ei n i t i a lc o n d i t i o no ff r e s hm a n u r ed o e sn o ts t t i te a r t h w o r m sr e p r o d u c t i o n a n dt h ee a r t h w o r ma l s oc a l ln o te n d u r et h eh i g ht e m p e r a t u r ew h i c hp r o d u c e si nt h e c o m p o s t i n g ，t h eo r g a n i cw a s t e sc o n s i s t e do fl i v e s t o c km a n u r e ，c r o pr e s i d u e sa n dl e a v e s s h o u l db ep r e - c o m p o s t e df i r s ta n dt h e nv e r m i c o m p o s t e d i nt h i sp a p e r , c o wd u n g ，c o r ns t a l k s ，w h e a ts t r a wa n dl e a v e sa r ec h o o s e d 够 e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s t h em i x t u r e c o n s i s i t e do fd i f f e r e n tm a t e r i a l s a p p l i e d t o v e r m i c o m p o s t i n ga r ea s c e r t a i n e d ，a n dt h ec h a n g e so fp a r a m e t e r sa r ea l s os t u d i e dd u r i n g t h ec o m p o s t i n g b e s i d e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sa r em e a s u r e d d u r i n gt h ec o m p o s t i n g t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t ， ( 1 ) 8g r o u p so fm i x t u r e sw i t hd i f f e r e n tr a t i ow e r ep r e - c o m p o s t e df o r3 9d a y s a f t e r c o m p o s t i n g ，t h ec no fm i x t u r ed r o p p e dt ob e l o w2 5f r o mi n i t i a l l y3 5 t h ec o n t e n t so f o r g a n i cm a t t e rw e r ea l s od e c r e a s e d t h et o t a ln i t r o g e ni n c r e a s e dt oa b o v e1 1l ( 、t ) f r o mi n i t i a l l y1 ( 叭) t h ec o n t e n t so fa m m o n i a ni n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d d u r i n gt h et r e a t m e n t , f i n a l l yb e t w e e n2 0 0m g k ga n d3 0 0m g a c g ( 2 ) t h em i x t u r e so f8g r o u p sw e r ei n o c u l a t e dw i t he a l t h w o r l n sf o r3 0d a y sa f t e r c o m p o s t i n g t h ee a r t h w o r m sa l ld i e di nt h em i x t u r e sc o n t a i n e dw h e a ts t r a w sa f t e r11 d a y s t h es u r v i v a lr a t e so fe a r t h w o r m sw e r e0 t h es u r v i v a lr a t e so fe a r t h w o r m sw e r e a b o v e6 2 5 i nt h em i x t u r e sc o n t a i n e dc o r ns t a l k sa f t e r3 0d a y s t h em a x i m u mo f s u r v i v a lr a t eo fe a r t h w o r m sw a sf o u n di nt h em i x t u r eo fc o wd u n g ，c o r ns t a l k sa n dl e a v e s i i i w i t har a t i oo f1 ：3 ：1 ( d r yw e i g h t ) 1 1 1 ev a l u ew a s8 7 5 ( 3 ) c o n d u c t st h ef o r c e da e r a t i o nc o m p o s t i n ga n dm a n u a l l yt u r n e dw i n d r o wo ft h e m i x t u r eo fc o wd u n g c o ls t a l k sa n dl e a v e sw i t har a t i oo f1 ：3 ：1 雒p r e - t r e a t m e n t t h e c na n dc o n t e n to fo r g a n i cm a t t e ra l ld e c l i n e dd u r i n gc o m p o s t i n g n et o t a ln i t r o g e n i n c r e a s e ds l i g h t l y 1 1 1 et o t a lp h o s p h o r u sc h a n g e dl i t t l e a f t e ri n o c u l a t i n gw i t he a r t h w o r m s t h ec na n dc o n t e n to fo r g a n i cm a t t e rc o n t i n u e dt od e c l i n e t o t a l n i t r o g e n , t o t a l p h o s p h o r u sa n da v a i l a b l ep h o s p h o r u sw e r es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d n et o t a ln i t r o g e n i n c r e a s e dt o1 3 0 ( w t ) a n d1 2 5 ( w t ) f r o m1 0 9 ( 、玑) ，r e s p e c t i v e l y t h et o t a l p h o s p h o r u s i n c r e a s e dt o0 612 ( w t ) a n d 0 6 0 7 ( w t ) f r o m0 4 9 0 ( w t ) a n d 0 4 7 5 ( w t ) r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ea v a i l a b l ep h o s p h o r u si n c r e a s e dt o2 10m g k ga n d1 9 5 m g k gf r o m2 0 0m g k ga n d1 4 4m g k g r e s p e c t i v e l y ( 4 ) h i g he m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fc 0 2w a sm e a s u r e di nt h ep r i o rp e r i o do ft h e f o r c e da e r a t i o nc o m p o s t i n g , a n dl o w e ri nt h el a t e rp e r i o d c o n t r a r yt ot h ef o r c e da e r a t i o n c o m p o s t i n g ，h i g he m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fc 0 2w a sm e a s u r e di nt h el a t e rp e r i o do f m a n u a l l yt u r n e dw i n d r o w , a n dl o w e ri n t h ep r i o rp e r i o d a f t e ri n o c u l a t i n gw i t h e a r t h w o r m s ，t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fc 0 2w a sf i r s td e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e d i t 危i la tl o w e s tw h e nf i n i s h ( 5 ) v e r m i c o m p o s t i n gr e d u c e se m i s s i o n so fc 0 2 嬲ar e s u l to ft h ei n o c u l m i o no f e a r t h w o r m s t u r n e dw i n d r o wc o u l db eu s e d 私p r e t r e a t m e n tb e f o r ev e r m i c o m p o s t i n g k e y w o r d s ：r u r a lw a s t e ；l i v e s t o c km a n u r e ；c r o pr e s i d u e s ；v e r m i c o m p o s t i n g ； g r e e n h o u s eg a s i v 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 o 前言 近年来，随着我国农村经济的快速发展，农民的生活水平有了明显提高，但是， 农村垃圾、污水等污染源治理工作却相对滞后，造成农村卫生环境状况下降，尤其 是农村生活垃圾问题，由于垃圾清运不及时产生的堆存现象，严重影响人们居住环 境的卫生状况和农民的生活质量，这一问题已成为全国大多数农村所面临的普遍性 问题，也引起了众多农民以及社会各界有识之士的广泛关注。 上个世纪8 0 年代，作为自然生态系统中的分解者蚯蚓被人们引入到有机废 弃物处理技术中，实现了在人工控制的条件下蚯蚓对有机废弃物处理。在微生物的 协同作用下，蚯蚓利用自身分泌的酶( 蛋白酶、脂肪酶、纤维酶和淀粉酶等) 将有 机废弃物迅速分解并转化成易于利用的营养物质，加速了废弃物的稳定化过程。 本文以牛粪、玉米秸秆、小麦秸秆和菜叶等农村混合垃圾为基质，尝试利用蚯 蚓处理农村有机垃圾，研究了适于蚯蚓处理的物料组合以及蚯蚓堆肥处理工艺的预 处理方式，此外本文还对蚯蚓堆肥过程中温室气体的排放特征进行检测，并对温室 气体的控制和减排进行探讨。 本文的创新点是：利用蚯蚓处理牛粪、作物秸秆和菜叶等农村混合垃圾，并检 测处理过程中c 0 2 等温室气体的排放特征，探讨废弃物处理过程中温室气体的减排 问题。但由于作者水平有限，时间仓促，文中难免有错误和不足，恳请专家批评指 正，提出宝贵意见。 一一 一 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 1 绪论 1 1 农村废弃物的处理现状 农村固体废弃物主要包括农村生产和生活垃圾、作物秸秆以及畜禽粪便等，农 村垃圾既是宝贵的可利用资源，也是农村的主要污染源。 1 1 1 农村垃圾的分类 在我国，农村垃圾与城市垃圾的构成成分并不相同，目前还没有制定统一的分 类标准。根据农村地区的特点，按照垃圾是否有害和能否回收利用，可将农村垃圾 分为以下四类： ( 1 ) 可回收垃圾，垃圾中可回收再利用的物质，如纸类、塑料、玻璃、废旧金 属和家具等； ( 2 ) 可堆肥垃圾，垃圾中可利用微生物堆肥处理形成生物肥料的有机废弃物， 如作物秸秆、畜禽粪便、剩余饭菜等厨余垃圾以及树叶、杂草等； ( 3 ) 不可回收垃圾，垃圾中不易回收的物质，如废织物、不可降解塑料制品( 农 膜、超薄塑料袋) 等； ( 4 ) 有害垃圾，垃圾中危害人体健康和自然环境的物质，如废旧电池、小电子 产品、废弃的灯管灯泡、过期药品及医疗垃圾等。 1 1 2 农村垃圾污染的特点 ( 1 ) 垃圾产生量大，且来源广泛 随着我国经济的快速发展，农村垃圾产生量越来越大，且来源广泛，对环境的 污染日益加剧。调查显示【1 1 ，在我国农村地区，每人每天产生的垃圾量约为0 8 6k g ， 在2 0 0 6 年，我国仅农村生活垃圾排放量就已逼近3 亿t ，约为当年城市生活垃圾产生 量的7 0 8 0 ，且城乡生活垃圾产生排放量正以每年8 1 0 的速度持续增长 2 1 。 而随着农业和畜牧业的发展，农作物秸秆和人畜禽粪便产生量也骤然增长，据测算， 我国农村地区的人粪尿年产生量已达2 6 亿t ，而畜禽粪便的年排放量约2 7 亿t 3 】， 2 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 但由于畜禽粪便的有效利用率和无害化处理率偏低，使其成为农村垃圾污染的重要 组成部分，严重影响农村的卫生环境状况。 ( 2 ) 垃圾成分复杂 从垃圾的种类看，现代农村垃圾除了包含传统垃圾中的菜叶、果皮、杂草、农 作物秸秆、废纸、畜禽粪便等可降解有机废弃物以及煤渣、破碎瓦片、瓷片等常规、 易处置的无机废弃物外，还包括许多的现代工业产物，如化学纤维、废弃塑料、废 旧电池、废旧橡胶、玻璃、废旧金属、建筑垃圾、医疗废物以及废旧电子产品形成 的电子垃圾等难降解难处置的废弃物，其中有机垃圾约占5 0 ，灰土建筑垃圾占 2 0 ，塑料、玻璃、金属及其他垃圾d 5 2 8 1 钔，废弃塑料占垃圾总量的1 5 以上，每 年遗留在农村的塑料废弃物达10 0 0 万t 【2 】。 ( 3 ) 城市垃圾向农村转移 随着我国城市化水平的提高以及环保配套设施的日益完善，城市形象日渐整洁 干净，市容市貌有所改观，城市生活垃圾污染问题得到一定程度的解决。但受制于 技术、资金、设施等诸多因素的制约，城市生活垃圾处理率依然在6 0 以下，能够 真正达到无害化处理和回收再利用的比例不足2 0 2 1 ，大量的城市垃圾未经处理就 转移到广大的农村地区或城郊城乡的接合处；此外，我国现有的主要固体废弃物处 理场所( 卫生填埋场和垃圾焚烧厂等) 几乎全部地处乡村远离城区，使得大量城市 垃圾向农村地区集中，因此，从这个意义上讲，我国城市垃圾正在被“乡村化”， 向农村转移。 1 1 3 农村垃圾污染的危害 固体废弃物在一定的条件下会发生物理化学反应或生物转化，对周围环境造成 一定的影响，如果采取的处理方法不当，废弃物中的有害物质将通过水、气、土壤、 食物链等途径危害环境与人体健康。农村垃圾对环境的污染和破坏主要体现在： ( 1 ) 占用土地，损伤地表植被。农村垃圾的处理主要采取填埋和自然堆放等方 法，这不仅会侵占大量的土地，直接影响农业生产，影响环境卫生，还可能破坏地 表的植被。在土地中残留率较高的地膜、塑料袋等塑料制品不仅危害各种农作物的 生长，还会影响农村的村容村貌、破坏农村秀美的自然环境。 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 ( 2 ) 导致传染病滋生，危害人类健康和其他生物生长。垃圾的长期露天堆放会 散发臭味和多种毒气，且容易滋生各种病源微生物、蚊蝇和老鼠等，严重危害人类 健康，并影响其他生物的生长。 ( 3 ) 污染土壤、水体和大气。农村垃圾及其渗出液会降低土壤肥力和土壤活力， 影响土壤的生态平衡；垃圾渗出液如果流入河流，极易造成水体污染，并进一步污 染地下水。作物秸秆等农村垃圾的随意焚烧对空气污染也较为严重。 1 1 4 农村固体废弃物处理现状及存在的问题 固体废弃物传统的最终处置方式主要包括卫生填埋、焚烧和堆肥等，但在广大 农村地区，由于缺乏有效的管理以及受资金、技术等条件的限制，农村垃圾的排放 和处理还无法实现卫生填埋或焚烧处理，大量的农村垃圾除部分回收利用外其余未 经任何处理便随意排放，以下是农村垃圾中主要成分的利用和处理情况。 ( 1 ) 作物秸秆的利用和处理 我国农作物秸秆的年产量约7 亿t ，其中，4 2 用于直接还田或过腹还田，3 0 用作燃料，8 用作加工业原材料，2 0 未被利用【5 1 。秸秆直接还田的机械技术尚待 完善，且腐烂速度慢，利用效果较差；秸秆过腹还田中，畜禽对秸秆的有效利用率 只有4 6 左右，而且氨化处理后氮源损失较多，达到7 0 左右【5 】；秸秆用作燃料直 接燃烧，热量利用不充分，而秸秆气化技术尚不成熟，且成本较高；不能被利用的 秸秆则随意堆放，占用大量土地并成为火灾隐患；大量秸秆的露天焚烧造成土壤矿 化和大气污染等环境问题，而燃烧产生的烟气则影响空气能见度致使航班延误、交 通事故频发等社会问题。 ( 2 ) 畜禽粪便的利用和处理 全国畜禽粪便年产生量1 7 3 亿t 左右，是工业废弃物的2 7 倍，其中一部分用于 沼气发酵，其它则用作有机肥【5 1 。受处理技术及设备的制约，大部分畜禽粪便经短 期堆沤或未经任何处理就直接排放，对周围的地表水和饮用水造成严重污染；堆放 期间，粪便中的有机质在微生物的作用下，分解产生甲烷、硫化氢、氨气等气体， 污染大气环境，影响人类和其他生物的生活环境。 ( 3 ) 农村生产、生活垃圾的利用和处理 4 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 农村生产、生活垃圾主要包括产品的包装物、一次性用品、厨余垃圾等废弃物。 由于缺乏对农村垃圾的有效管理和忽视农村环境的整治，广大农村地区的田头、路 旁、水边成了天然垃圾场，垃圾的随意堆放侵占了耕地，还成为“四害”的滋生场 所，而且垃圾的长期堆放会导致有毒有害物质的渗漏，随着垃圾的降解还会产生有 毒有害气体，污染周围的空气、水体和土壤，严重影响农作物的生长和发育，且进 入生物链的有毒有害物质最终会危害人体健康，甚至生命安全。 农村垃圾是农村环境的主要污染源，也是宝贵的可利用资源。农村垃圾的处理 利用情况，对农村的生态环境以及农业的增产增收和持续发展有直接影响。 1 2 蚯蚓堆肥处理废弃物的研究 蚯蚓堆肥处理技术是指利用蚯蚓特殊的生态学功能，与环境中微生物协同作用 而加速有机物质分解和转化的处理技术【6 】。 1 2 1 蚯蚓处理废弃物的原理 蚯蚓是陆地生态系统中重要的大型土壤动物之一，属于无脊椎动物，环节动物 门，寡毛纲，后孔寡毛引7 】，穴居生活在土壤或凋落物层中，昼伏夜出，迁移能力 相对较弱。 依据其食性、习性及生态功能，自然界中的蚯蚓一般被分为3 个生态类群【8 】：表 层种( e p i g e i e ) 、内层种( e n d o g e i c ) 和深层种( a n e c i c ) ，其中内层种又常被分为多腐殖质 种( p o l y h u m i c ) 、中腐殖质种( m e s o h u m i c ) 、贫腐殖质种( o l i g o h u m i c ) 和内深土栖类 ( e n d o a n e c i c ) 等，三个生态类群在分类学上并没有明显界限，而且经常会出现一些过 渡类型，如表内层种( 印i e i l d o g e i c ) 和表深层种( 印i a n e c i c ) 9 1 。通常，表层种食量最 大、食性最杂、分解有机质能力最强、活跃程度最高，而内层种和深层种则体形较 大，对温度、氧含量等耐受性较好。由于环境的不同，不同地区分布的蚓种其分解 能力和耐受性也会不同。 随着人们对自然界中蚯蚓分解有机质能力的深入了解，对蚯蚓处理有机废弃物 的开发逐步展开。蚯蚓是自然生态系统中的分解者，具有促进物质分解转化的功能， 可加快植物残体和落叶的降解、有机物质的分解和矿化等一系列复杂过程，促进自 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 然界中生态系统的物质和能量循环，且蚯蚓在土壤中的运动可以混合土壤、改善土 壤结构、提高土壤透气、排水和深层持水能力。 蚯蚓的消化系统非常发达，其胃部有砂囊结构，可以通过砂囊的研磨作用将大 颗粒的废弃物粉碎；蚯蚓的消化道可分泌大量的酶形成丰富的酶系统，有机物被蚯 蚓吞食后经体内酶的作用很快就会形成蚓粪一种高度融合的有机无机复合肥 【1 0 1 ，最后被排出体外；此外，蚯蚓体内某些组织中的细胞具有蓄积某些重金属的作 用【1 1 1 ，因此，大部分蚯蚓对重金属都具有一定的耐受性，但过量的重金属会对蚯蚓 产生毒害作用，甚至致死。 蚯蚓处理废弃物时，废弃物中的微生物也会参与有机物的降解，因此蚯蚓处理 有机废弃物的过程是蚯蚓与微生物联合作用下生物氧化废弃物中有机质的过程，此 过程包括两方面，一是蚯蚓胃部砂囊的机械研磨作用，一是蚯蚓消化道内的生物化 学作用，消化道内的生化作用主要是酶的作用，蚯蚓消化道分泌的酶种类很多，包 括纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、过氧化物酶等多种活性极高的生物酶，对废弃物中 的有机质具有高效降解作用。此外，蚯蚓在废弃物中的穿梭和取食促进了物料中不 同组分的充分混合，并增强微生物的作用，加强蚯蚓和微生物对废弃物处理的协同 作用【1 2 1 。处理过程中，蚯蚓通过取食、分泌粘液( 包括各种酶) 、消化、排泄代谢 产物和掘穴等活动对废弃物的粒径、孔隙度及团聚体的形成等产生影响，从而改变 废弃物的理化性质【”】。首先，蚯蚓每天摄入的食物量是自身体重的0 7 倍，它排泄出 的颗粒状蚓粪改善了废弃物团聚体的粒径大小、数量和性质，使处理后产物的持水 力和保肥能力有了很大提高【1 4 】。其次，蚯蚓在废弃物中的穿梭活动形成孔穴，可以 疏松底料、改善物料的透水、透气性。最后，蚯蚓对粗有机质的摄食，促进了腐殖 质的形成【1 5 】。蚯蚓与微生物的相互作用是一个十分复杂的过程。p a r l e 【1 6 1 研究了蚯蚓 粪中微生物学和物理化学性质的变化，发现在蚓粪前段细菌或放线菌的数量很多， 而在蚓粪后段丝状真菌和酵母菌的数量迅速增加，说明沿蚯蚓的消化道前后，微生 物种群发生了十分深刻的变化。 蚯蚓与微生物的协同作用可以加速有机物质的分解转化是利用蚯蚓处理有机垃 圾的一个根本原因。邱江平【1 2 】的研究表明，与未加入蚯蚓时相比，加入蚯蚓后垃圾 中有机物质的分解速度提高了3 4 倍，且最终产物的c n 比较低( 小于1 3 ) ，稳定性 6 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 较好。 废弃物的处理过程中，蚯蚓的引入可带来以下好处【1 2 】： ( 1 ) 蚯蚓对废弃物中的有机物质有选择吞食作用，有利于废弃物中初级分选未 能分开的有机物和无机物的再次分选； ( 2 ) 蚯蚓通过消化道的研磨和代谢活动使废弃物中的有机物质逐渐分解，并释 放出可为作物所利用的n 、p 、k 等，同时代谢产物以颗粒状结构排出体外，利于垃 圾中其它物质的分离，且颗粒状的蚓粪还可以促进硝化脱氮过程，此外，垃圾组织 中的n 每天以1 0 以上的比例更新； ( 3 ) 蚯蚓的活动改善废弃物中的水气循环，同时也使得废弃物及其其中的微生 物得到有效的活动，从而消除堆肥过程中产生的臭气，以减轻堆肥产生的空气污染， 大大缩短堆肥处理中二次发酵的时间【1 7 】； ( 4 ) 利用蚯蚓，可以对整个废弃物处理过程及其产品进行毒理监测。 1 2 2 蚯蚓处理废弃物的应用 几乎所有的有机固体废弃物均可用于蚯蚓处理，这些有机固体废弃物包括污水 厂污泥、畜禽粪便、作物秸秆、纸质废弃物、果林废弃物等。然而，不同的废弃物 在食物质量和营养条件方向存在着差异，部分废弃物在处理过程中可能会产生对蚯 蚓有毒害作用的物质。因此，许多有机废弃物在蚯蚓处理之前需经过预处理或与其 它物质混合，从而使之易于被蚯蚓接受，并为蚯蚓提供全面的营养所需。 国外学者m a s c a i n d a o r 等【1 8 】对5 个不同比例的厌氧和好氧污泥混合物进行蚯蚓 处理，结果表明随着混合物中厌氧污泥百分数的升高，蚯蚓逃逸的数量增加；有机 物的矿化度和腐殖化程度取决于两种污泥的混合比例，当混合物中好氧污泥的数量 高于5 0 时，会刺激土壤微生物的代谢，使污泥混合体更容易矿化和腐殖化。a l b a n e l l 等将羊粪与纺织工业产生棉质废料以3 ：1 的比例混合，研究了接种蚯蚓与未接种蚯 蚓两种处理后，混合物中总有机质、可氧化碳的含量和总腐殖酸含量的变化，结果 表明蚯蚓的引入加速了有机质的降解，并提高了有机质的矿化作用和腐殖化程度。 b a n s a l 掣2 0 1 利用蚯蚓分别处理芥菜残体和牛粪以及甘蔗废料和牛粪的混合垃圾，结 果表明与没有接种蚯蚓的处理相比，接种的物料c n 明显下降，无机氮含量升高。 7 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 v i n c e s l a s a 砷a 等口1 1 对城市园林中修剪下来的植物残体( 主要是枫木) 分别进行传统 堆肥和蚯蚓堆肥处理，研究表明包括纤维素在内的多糖、木质素及芳环化合物均可 被蚯蚓降解，而且蚯蚓的引入促使堆肥物料中的腐殖质作用向更高级的形式发展。 f r e d e r i c k s o n 等【2 2 1 将绿色废弃物( 庭院废物) 经传统堆肥预处理后接种蚯蚓进行蚯蚓 处理，结果表明蚯蚓在新鲜的绿色废弃物中得到很好的生长和生殖率，与单独的堆 肥相比，蚯蚓堆肥可以提高废弃物处理后的稳定性，与传统堆肥联合作用可以加速 废弃物的稳定。 国内学者杨文霞等口3 1 研究了蚯蚓堆肥处理果皮、菜叶和木屑混合垃圾中蚯蚓的 生长繁殖特性、堆肥残留物干重及堆肥产物的化学和生物学性质，结果表明：蚯蚓 处理明显加速了有机质的矿化，促进了有机物料的降解，提高了堆肥产物的总氮含 量，降低了堆肥产物有机碳含量和碳氮比。张威等 2 4 】研究了蚯蚓对不同组合的作物 秸秆( 玉米秸秆和水稻秸秆) 和畜禽粪便( 马粪和鸭粪) 的处理能力，试验结果表 明各组合中的蚯蚓生长、繁殖状况良好，鸭粪混合物中蚯蚓体重波动大于马粪混合 物；影响蚯蚓生长的两个主要因素是畜禽粪便的种类和秸秆的种类，而混合物的比 例是非主要因素。各组合中蚯蚓的产茧量随时间变化总体呈递增趋势，鸭粪混合物 比马粪混合物更利于蚯蚓繁殖。 1 2 3 蚯蚓堆肥处理的优势 用蚯蚓处理废弃物，是继填埋、焚烧、堆肥之后的第四种可行方法。蚯蚓堆肥 处理技术是根据蚯蚓在自然生态系统中具有促进有机物质分解转化的功能而在垃圾 发酵处理的基础上发展起来的一项主要针对城市有机混合垃圾和农业有机垃圾的生 物处理技术，因其工艺简单、费用低廉、能获得优质有机肥和高蛋白饲料、不产生 二次污染并能最大程度地实现废弃物的资源化而越来越受到人们的重视。 与其他废弃物的处理处置方法相比，蚯蚓堆肥处理废弃物的优势在于： ( 1 ) 处理效率高：蚯蚓每天消耗的有机物超过自身体重的一半并使物料的体积 减少大约5 0 ； ( 2 ) 可操作性强：在废弃物的处理过程中，蚯蚓吞食废弃物后胃部砂囊的机械 研磨、消化道对废弃物的消化以及颗粒状蚓粪的排泄在很大程度上减小废弃物预处 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 理和终产物深加工的工作量，从而降低人工成本和能耗： ( 3 ) 经济效益高 首先，处理后的最终产物蚓粪，是一种优质的高效有机肥，也是很好的土 壤改良剂。由于颗粒状的蚓粪比表面积较大，理化性质较稳定，非常适宜微生物的 增殖，因此其微生物活性较高，有利于土壤中n 、p 、k 及c a 等元素的释放和转化， 使之易于被植物吸收利用，且蚓粪与n 、p 、k 化肥配合施用，可有效提高土壤养分 含量【2 5 ，2 6 】；蚓粪可以调节土壤的酸碱度，使单施n 、p 、k 化肥带来的土壤p h 值下降 问题得到解决；蚓粪颗粒较小且均匀，施用后可提高土壤中 趔 爱 謇 s u 02 04 06 08 0 堆肥时间d 一通风堆肥+ 蚯蚓处理, a - 翻堆堆肥+ 蚯蚓处理 图3 - 1 0 蚯蚓堆肥处理过程中堆肥箱内c 0 2 的浓度变化曲线 堆肥过程中堆肥箱内c 0 2 等温室气体的浓度，虽不能直接反映气体的排放通 量，但它表明了处理过程中c 0 2 排放量的趋势。物料堆肥过程中堆肥箱内c 0 2 的浓 度如图3 1 0 所示，堆肥开始后，进行通风堆肥预处理的物料由于氧气充足，微生物 活性较高且堆体温度也较高，产生的c 0 2 较多，在堆肥箱内的浓度较大，而进行翻 堆堆肥预处理的物料在堆肥开始后由于缺氧，微生物将物料中的大分子有机质水解 4 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 o 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 酸化产生较小的分子，这一过程产生的c 0 2 较少，因此在堆肥前期，通风堆肥产生 的c 0 2 大于翻堆堆肥产生的c 0 2 ，随着堆肥的进行，通风堆肥的堆体温度降低，微 生物活性降低且物料中可利用的有机物也有所减小，而翻堆堆肥的物料中先前水解 酸化产生的大量小分子有机物被微生物利用产生c 0 2 ，因此在堆肥后期，通风堆肥 产生的c 0 2 小于翻堆堆肥产生的c 0 2 。 接种蚯蚓后，堆肥箱内c 0 2 的浓度有所降低，但经过短暂的适应之后，在蚯 蚓与微生物的协同作用下，堆肥箱内c 0 2 的浓度有所上升，两组物料的变化趋势基 本一致，直到处理结束，堆肥箱内c 0 2 的浓度降到最低。 此外，当堆肥进行到第3 4 天时，在进行翻堆堆肥预处理的箱内检测出有c i - h 出 现，其浓度和持续时间如表3 2 所示，直到堆肥进行到第4 0 天接种蚯蚓之前，箱内一 直有c h 4 检出，且浓度有所增加，但远远小于箱内c 0 2 的浓度；接种蚯蚓后，厌氧环 境变为好氧，箱内再无c 出检出。 表3 2 翻堆堆肥处理过程中堆肥箱内c h 4 的浓度 3 3 蚯蚓堆肥工艺温室气体的控制及减排效果探讨 3 3 1 蚯蚓堆肥处理过程中c 0 2 的减排效果 蚯蚓堆肥工艺包括预处理和蚯蚓处理两部分，预处理采用传统堆肥的方法，包 括通风堆肥和翻堆堆肥两种方式。与翻堆堆肥相比，通风堆肥的处理时间较短，且 进行通风堆肥的物料由于物料总量减少较多，使其总氮、总磷等营养元素的质量百 分比相对较大，但通风堆肥的能耗较大，而且由于空气的吹脱作用，物料中的n h 3 挥发较多，氮素损失较大，且研究表明断】，通风良好的条件下，c 0 2 的排放量增加。 由此可见，不同的预处理方式能耗不同，且c 0 2 的排放量也不相同，但预处理方式 的不同对蚯蚓处理的结果影响不大，由3 2 的结果可知，不同预处理方式处理后的 物料经蚯蚓处理后，物料的总氮、总磷的含量，有效磷的浓度均有所增加，且基本 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 在同一水平。因此从节能减排的角度讲，翻堆堆肥是蚯蚓堆肥处理工艺较好的预处 理方式。 蚯蚓处理废弃物的过程中，蚯蚓与微生物的联合作用，不仅加速了有机物的降 解，也促进了碳、氮等营养元素的矿化。蚯蚓的消化系统通过胃部砂囊的机械研磨 和各种酶的生化作用，将废弃物中易分解的碳水化合物、脂肪、蛋白质和不易分解 的纤维素等物质分解并部分矿质化，使其转化为碳酸、氨、尿素、尿嘌呤及速效态 的磷、钾等矿质养分【7 】，并且在分解转化的过程中，碳、氮等营养物质的一部分被 吸收同化为蚯蚓自身的组成成分，变成动物蛋白、脂肪和糖类，代谢剩余的产物则 以蚓粪的形式排出【8 6 1 ，蚓粪含有大量有机质，肥效较高。此过程可以看出，蚯蚓的 引入将碳、氮等营养元素更多的转化为动物蛋白、脂肪、糖类和蚓粪等固体物质， 而不是简单的将有机物分解转化为c 0 2 气体，因此，堆肥过程中蚯蚓的引入减少了 c 0 2 的排放，对温室气体的减排具有重要意义。 由图3 1 0 可以看出，接种蚯蚓后，由于环境的变化，蚯蚓与微生物的活性不高， 使得箱内c 0 2 的浓度较低，经过短暂的适应后，箱内c 0 2 的浓度有所升高，但整个 蚯蚓处理过程，箱内c 0 2 的浓度与预处理时相比，变化不大甚至略有下降。 由图3 5 和图3 7 可知，在蚯蚓处理时期，物料的c n 下降幅度高于有机质下 降的幅度，这是因为物料总氮含量的增加造成的，有机物的降解使得物料总量减少， 物料总氮的含量相对增加，此外，蚯蚓肠道内的固氮菌也可以增加物料中总氮的含 量，使得物料c n 下降更快。与传统堆肥相比，如果物料从较高c n 的降解到相同 水平的c n ，由于蚯蚓处理的物料中总氮含量相对较多，蚯蚓处理物料中的有机碳 含量会比传统堆肥物料中有机碳略高，使有机碳更多的转化为腐殖酸等有机物质， 从而蚯蚓处理排放的c 0 2 的量会相应减少。因此从理论上讲，蚯蚓的引入减少了堆 肥过程中c 0 2 的排放。 3 3 2 蚯蚓堆肥处理过程中其他温室气体的控制措施探讨 堆肥( 包括蚯蚓堆肥) 过程中释放的温室气体，主要有c 0 2 、c i - 1 4 和n 2 0 ，c 0 2 是堆肥过程中产生量最多的温室气体，是由微生物对有机物的降解产生的；c i - h 是 在堆肥过程中由于翻堆不均匀形成厌氧区产生的；n 2 0 是在堆肥过程中氮的硝化与 4 7 农村垃圾蚯蚓堆肥处理工艺及其温室气体排放特征 反硝化产生的，等量的c h 4 和n 2 0 比c 0 2 产生的温室效应要高很多。 调整堆肥过程中的反应条件可以控制温室气体的排放，由表3 2 可知，堆肥过 程中c h 4 的产量较小，无回收利用价值，可在物料表层覆盖矿化垃圾，利用矿化垃 圾中的甲烷氧化茵将产生的c h 4 氧化为c 0 2 【6 8 】；此外，为避免c h 4 的产生，可以在 堆肥时通过通风避免出现厌氧条件，但由于能耗问题，减排成本较高，且通风良好 时c 0 2 排放量也会增大惭】，因此可以利用机械翻堆的方式减少厌氧区的出现，避免 c h 4 的大量产生，而且机械翻堆还可破碎部分秸秆，有利于有机物的降解。 n ：o 是硝化与反硝化过程的产物，若干湿交替，会增加n 2 0 的排放量【删，而且 高含水率会产生更多的温室气体【7 l 】。因此堆肥过程中物料的含水率不宜过高。 3 4 本章小结 ( 1 ) 通风堆肥进行到第3 5 天时开始接种蚯蚓，翻堆堆肥进行到第4 0 天时开始 接种蚯蚓，接种蚯蚓时，两组物料的c n 都在3 5 以下。 ( 2 ) 接种蚯蚓前，经过预处理，物料的有机质含量和c n 则呈下降趋势，但由 于环境温度较低，下降幅度不大，有机质含量分别由7 0 8 4 和7 0 0 9 下降到6 1 6 5 和6 3 5 4 ，c n 由4 0 1 3 和4 1 0 9 下降到3 2 9 4 和3 3 8 1 ，总氮含量略有增加，总磷 变化不大，基本维持在0 4 5 0 - 4 ) 4 9 0 之间，有效磷变化明显，通风堆肥过程中有 效磷浓度一直呈增加趋势，1 3 2m g k g 上升到2 0 0m g k g ，而翻堆堆肥过程则先增 加后降低，但最后的浓度高于未处理时的浓度，由最初的1 2 7m g k g 上升到1 4 4 m g k g 。 ( 3 ) 接种蚯蚓后，物料的有机质含量和c n 继续下降，处理结束时有机质含量 分别为5 2 2 9 和5 5 5 9 ，c n 分别为2 3 3 3 和2 5 7 0 ；物料总氮的含量明显上升， 最终含量分别为1 3 0 和1 2 5 ；物料总磷和有效磷的含量增加显著，处理结束时， 物料总磷的含量分别为0 6 1 2 和0 6 0 7 ，有效磷含量分别为2 1 0 m g k g 和 1 9 5 m g k g ，整个处理过程中氨氮浓度呈先上升后降低趋势，最终浓度低于初始浓度。 ( 4 ) 物料在通风堆肥预处理过程前期排放c 0 2 较多，而后期则明显减少；翻堆 堆肥预处理过程则与好氧过程