校园垃圾制作有机肥料的工艺

校园垃圾制作有机肥料的工艺

摘要：为了实现校园垃圾的资源化利用，在分析了校园垃圾中可堆肥类物质含量的基础上，提出了蚯蚓堆肥技术处理校园垃圾制作有机肥料的工艺，同时，对蚯蚓堆肥获得的有机肥料和传统堆肥获得的有机肥料的养分进行了比较，研究了蚯蚓堆肥工艺中厌氧降解阶段有机质降解的适宜条件。结果表明，蚯蚓堆肥获得的有机肥料的养分为 6.85%，高于传统堆肥获得的有机肥料的养分；在接种量为10%、pH中性、温度为40 ℃、碳氮比为30∶1和初始含水量为60%的适宜条件下，厌氧降解阶段有机质降解率达到38.77%。

关键词：校园垃圾；有机肥料；工艺

校园垃圾是由校园内的厨余垃圾、生活垃圾和绿化垃圾等组成，其中，厨余垃圾主要包括剩饭、剩菜、肉骨和蛋壳等；生活垃圾主要包括果皮、零食、纸张、玻璃、塑料和金属等；绿化垃圾主要包括落叶、树枝、花草和水藻等。校园垃圾具有“种类多、产量大和价值高”的特点，是一种潜在的资源。2012年我国普通高等学校在校学生人数超过3 000万人，按照人均垃圾产量0.5 kg/d计算[1]，校园垃圾产量每天约为1.5万t，而且其中可利用成分含量较高，可回收类物质为15%左右，可堆肥类物质为80%左右，而一般城市生活垃圾的可回收类物质不足10%，可堆肥类物质约为50%[2]。

近年来，国内外许多研究者将蚯蚓引入到垃圾堆肥处理过程中。例如，Edwards等[3]、Kale[4]开展了蚯蚓处理有机垃圾的研究；胡秀仁等[5]就蚯蚓处理生活垃圾对肥效的影响进行了研究，结果表明，蚯蚓处理后的蚯蚓粪是优质的有机肥料。在微生物的协同作用下，蚯蚓利用自身丰富的酶系统促进有机物分解、转化成易于利用的稳定有机肥料；同时，蚯蚓本身又可提取酶、氨基酸和生物制剂。因此利用蚯蚓处理垃圾有着广阔的发展空间。研究采用蚯蚓堆肥技术处理校园垃圾，制作有机肥料，并探讨其处理效果及影响因素。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

试剂包括EM发酵糠、“大平二号”蚯蚓、硫酸、30%过氧化氢、氢氧化钠（化学纯）、二氧化硅（粉末状）、重铬酸钾标准溶液：1 mol/L 1/6（K2Cr2O7）、硫酸亚铁标准溶液：0.2 mol/L FeSO4、邻菲罗啉指示剂、去离子水等。

仪器包括发酵桶、蚯蚓箱、粉碎机、土肥速测仪、电子天平、恒温干燥箱、生化培养箱、立式灭菌锅、电热恒温水浴锅、多功能搅拌器等。

1.2 工艺流程

蚯蚓堆肥技术的基本原理是利用蚯蚓食性广、食量大及消化道可分泌出多种

消化酶类的特性，将经过一定程度微生物降解处理的有机物作为食物喂给蚯蚓，经过蚯蚓的消化、代谢以及蚯蚓消化道的挤压作用转化为物理、化学以及生物学特性都很好的有机肥料（蚯蚓粪）[6]。蚯蚓堆肥处理校园垃圾制作有机肥料的工艺流程主要包括分选调整、厌氧降解、风干粉碎、蚯蚓处理、肥料提取等步骤（图1）。

1.3 样品制备

1.3.1 养分测定样品制备测定样品选用校园垃圾制作有机肥料过程中风干粉碎后的传统肥料F1和有机肥料F2。分别称取试样1 g（精确至0.01 g），置于凯氏烧瓶底部，用少量水冲洗粘附在瓶壁上的试样，加10 mL硫酸和3 mL过氧化氢，小心摇匀，放置1 h。在可调电炉上缓慢升温至硫酸冒烟，取下，稍冷后再加20滴过氧化氢并分次消煮，至少消煮6次，直至溶液蒸发出的气体无刺激性气味后，继续加热10 min除尽剩余的过氧化氢。取下冷却，用少量水冲洗弯颈小漏斗，洗液收入原凯氏烧瓶中。将消煮液移入500 mL容量瓶中，加水定容，静置澄清后用滤纸过滤转移到三角瓶中，备用；称取12 g氢氧化钠（化学纯）溶于100 mL水中，配置质量浓度为120 g/L的NaOH标准溶液（调节pH），备用。

1.3.2 工艺优化样品制备将校园垃圾中可堆肥类物质分选出来，风干粉碎后灭菌20 min，然后放入到温度为4 ℃的生化培养箱中进行保藏，备用；重铬酸钾标准溶液：称取经过130 ℃烘3～4 h的重铬酸钾（分析纯）49.03 g放入400 mL 水中，加热溶解，冷却后稀释定容至1 L，摇匀备用；硫酸亚铁标准溶液：称取硫酸亚铁（分析纯）55.61 g，溶于水后加浓硫酸5 mL溶解，稀释定容到1 L，摇匀备用；邻菲罗啉指示剂：称取硫酸亚铁（分析纯）0.695 g和邻菲罗啉（分析纯）1.485 g溶于100 mL水中，摇匀备用。

1.4 方法原理

1.4.1 养分测定方法原理测定样品中的氮、磷和钾元素经过“硫酸-过氧化氢”体系消煮，转化为相应的具有不同吸光度的物质，利用土肥速测仪的比色法测量肥料中全氮、全磷和全钾的含量。

1.4.2 工艺优化方法原理采用定量的“重铬酸钾—硫酸”体系，在加热条件下，使有机肥料中的有机碳氧化，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁溶液滴定，同时以二氧化硅为添加物作空白试验。根据氧化前后氧化剂消耗量，计算有机碳含量，乘以系数1.724，即为有机质含量。

称取风干试样0.5 g（精确至0.001 g），置于250 mL的三角瓶中，准确加入1 mol/L重铬酸钾标准溶液30 mL，充分摇匀后加浓硫酸60 mL，缓缓摇动1 min，加一个弯颈小漏斗，置于沸水中保温30min，每隔约5 min摇动一次。取出冷却至室温，用水冲洗小漏斗，洗液接于三角瓶中。取下三角瓶，将反应物无损转入250 mL容量瓶中定容，吸取50 mL溶液于250 mL三角瓶内，加水约100 mL，加2～3滴邻菲罗啉指示剂，用0.2 mol/L硫酸亚铁标准溶液滴定，接近三角瓶容

量终点时，溶液由绿色变成暗绿色，再逐滴加人硫酸亚铁标准溶液直至生成砖红色为止。同时称取二氧化硅0.2 g（精确至0.001 g）代替试样，按照相同分析步骤，使用同样的试剂，进行空白试验。计算公式如下：有机质含量=

■×10-3×100%

式中，C为硫酸亚铁标准溶液的摩尔浓度，单位mol/L；V0为空白试验时使用硫酸亚铁标准溶液滴定的体积，单位mL；V为测定时使用硫酸亚铁标准溶液的体积，单位mL；3为四分之一碳原子的摩尔质量，单位g/mol；1.5为氧化校正系数；1.724由有机碳换算为有机质的系数；m为试样质量，单位g；X0为风干试样的含水量；D为稀释倍数：50/250；10-3为mL与L之间的换算因子。

由此可以得到有机质降解率的计算公式如下：

有机质降解率=

■×100%

2 结果与分析

2.1 校园垃圾组分分析

校园大多数功能分区明显，一般分为教学区、宿舍区、食堂区和园林区等，不同功能区的垃圾成分差异很大[7]，因此要科学选取采样点、采样时间及采样频率，以体现校园垃圾的区域差异。

参照《生活垃圾采样和物理分析方法》（CJ/T 3039-2009），在4个功能区中分别选取2个具有代表性的采样点，每个采样点采样3次以获得平均值。教学区采样点设在2号教学楼和1号实训楼；宿舍区采样点设在18栋女生公寓和5栋男生公寓；食堂区采样点设在一食堂1楼和二食堂2楼；园林区采样点设在校园内湖和校园环形路。各功能区的垃圾中可堆肥类组分主要包括剩饭、剩菜、肉骨、蛋壳、果皮、零食、落叶、树枝、花草和水藻等物质。

由表1可知，教学区垃圾中可堆肥类物质含量较少，其他3个区垃圾中可堆肥类物质含量均超过50%，可回收利用成分较少，适合于堆肥处理。

2.2 肥料养分测定结果

肥料养分是指传统堆制有机肥料和蚯蚓堆制有机肥料样品中全氮、全磷、全钾的含量。土肥速测仪测定传统堆制有机肥料F1（1号样）和蚯蚓堆制有机肥料F2（2号样）中全氮、全磷、全钾的含量见表2和图2。从表2和图2可以看出，蚯蚓堆制有机肥料的养分高于传统堆制有机肥料的养分，其中，全氮含量提高了70.99%，全磷含量提高了38.41%，全钾含量提高了142.11%，表明蚯蚓堆肥工艺处理校园垃圾效果较好；同时，蚯蚓堆制有机肥料的总养分为68.5 g/kg ，符