基于生物（蚯蚓）垃圾分選工藝的探究

施培俊，王冠華，于穎軍，張齊杰，馬 帥（中國人民解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007）

基于生物（蚯蚓）垃圾分選工藝的探究

施培俊，王冠華，于穎軍，張齊杰，馬 帥
（中國人民解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007）

開展實驗驗證利用蚯蚓篩分垃圾的可行性及經濟性。通過實驗記錄了蚯蚓長度、數量、垃圾處理量及試驗箱內土壤變化，建立了蚯蚓吞食垃圾的數學模型，帶入處理后進行數據計算。實驗結果發現分選效率遠大于當前機械篩分效率。

蚯蚓；生物垃圾分選；篩分效率；垃圾處理；實驗

隨著改革開放的不斷深入、城市的發展及鄉村的城市化和城市人民生活水平的不斷提高，中國城市生活垃圾累積堆存量巨大，占地面積大，而且垃圾增長率逐年增加［1］。垃圾中含有大量有害成分，這些有害成分通過各種途徑嚴重影響環境，極大地威脅人們的身心健康，是社會公害之一［2］。對城市生活垃圾的處理已經刻不容緩。

要采用綜合處理方法處理城市居民生活垃圾，必須在垃圾源頭進行分類。由于種種原因，垃圾源頭分類在我國的推行未能達到預期目的，各個垃圾處理廠采用機械篩分的方式在將垃圾進行衛生填埋或焚燒堆肥之前進行分類。由于技術原因，采用滾筒篩等機械篩分方式的效果并不理想，現在通用的機械篩分工藝效率普遍在20％～30％，篩分效率低下。生物處理方法作為一種新型城市垃圾篩選方法，具有得天獨厚的優勢，其建設成本低、處理過程無害化和分選效率高的特點符合可持續發展要求。

1 實驗材料

1.1 實驗材料準備

大平二號紅蚯蚓1kg，透明塑料箱3只（60cm*80cm*50cm），電子天平、刻度尺、溫度計、濕度計、柱狀取樣器等。

1.2 實驗過程

在試驗箱內先放入一層15cm的適合蚯蚓生存的土壤，將試驗用蚯蚓放入土壤中。將已稱量過質量的生活垃圾覆蓋在土壤上層。培養一段時間后進行測量。將柱狀取樣器豎直插入土壤中均勻取樣，取出取樣器中的蚯蚓。將得到的蚯蚓向下垂直至其體長最大處測量長度，用電子天平稱量其質量。為保證實驗結果的準確性，在測量垃圾的剩余量時，將上層生活垃圾全部取出，測量其質量并記錄。

2 實驗結果及數據處理

2.1 實驗結果

實驗結果詳見表1。

表1 實驗數據匯總表

2.2 結果初步分析

2.2.1 蚯蚓長度（質量）變化

如圖1所示，在蚯蚓生長的初期，由于需要適應新的環境，故生長比較緩慢，體長增加不明顯，在經過約7d適應環境之后，種群樣本平均體長明顯增長。在快速增長期后，蚯蚓進入繁殖期，產生的子代蚯蚓在長度上較小，使得曲線在變化上的增加不如初期明顯，但仍有增加。后來最初投入的蚯蚓逐漸進入生命周期的末端，出現老死情況，同時新繁殖的蚯蚓不斷增長，種群平均長度逐漸穩定在100～120mm，種群蚯蚓年齡結構趨于穩定，平均長度不再有明顯增長。

由此可知，當蚯蚓種群結構趨于穩定之后，年幼期、成熟期、年老期蚯蚓在種群中所占比重相對隨時間變化較小，因此種群體長（及體重）分布服從成熟期種群分布，此時種群垃圾處理能力增長主要依賴于種群數量增長。

2.2.2 蚯蚓種群數量變化

蚯蚓種群數量統計如圖2所示。

圖1 平均蚯蚓體長變化曲線

圖2 平均種群數量變化曲線

第一階段：在投放初期，新的培養環境會對蚯蚓的成長產生不利影響。大量蚯蚓因不熟悉新的生活環境而嘗試鉆出紗布，導致在實驗前期實驗箱內蚯蚓種群數量大量減少。

第二階段：隨著實驗進行，成年蚯蚓通過不斷分泌粘液使得箱內實驗環境越來越適宜蚯蚓生存，成體開始大量繁殖，種群數量快速回升，蚯蚓種群進入擴張期。

第三階段：由于試驗箱體積以及營養的限制，種群數量趨于飽和，不再上升，同時由于試驗箱原料垃圾和營養物質的不斷消耗，蚯蚓種群數量出現了不明顯的下降。

2.2.3 垃圾處理量變化

如圖3所示，蚯蚓在成長過程中需要消耗大量的食物，在初期食物供給充足的情況下，成長更為迅速，食物消耗量更大，但由于初期整體種群數量急劇下降，所以垃圾處理量曲線受其影響表現為下降趨勢，后蚯蚓數量和體長增長期重合，使得種群處理能力得以快速增長，最后隨著種群結構趨于穩定，種群處理能力穩中有降。

2.2.4 試驗箱內土壤變化

經過兩個多月的實驗，試驗箱內土壤與垃圾在感官上發生明顯變化，土壤呈黑色，變得松軟，初期投入的垃圾除塑料、玻璃、鐵釘等無機物外都已難以辨別，消耗殆盡，箱底存留大量蚯蚓糞便。

圖3 平均種群數量變化曲線

3 對實驗結果的數學分析

本文從數學建模的角度刻畫蚯蚓種群進入穩定成長期后的垃圾處理能力變化。

定義垃圾篩分效率計算公式為：

式中：η—垃圾篩分效率；λa—實際去除有機垃圾占總垃圾的含量，單位％；λ—有機垃圾占總垃圾的含量，單位％。

蚯蚓種群實際垃圾處理能力為：

式中：ω—種群垃圾處理能力；νi—生命周期某階段的單體蚯蚓的垃圾處理能力，單位g；μi—種群內處于該生命周期階段的蚯蚓數量，單位條。

由于無法精確定義某一條蚯蚓處于生命周期的某一階段，因此使用平均吞食能力表示，則公式（2）可以表示為：

對于蚯蚓種群數量變化μ，忽略初期因投入遠超蚯蚓試驗箱所能容納種群數量的蚯蚓所造成的種群數量大規模下降情況外，可以利用改進的馬爾塞斯人口增長模型對蚯蚓種群的數量進行討論。

對于蚯蚓種群來說，蚯蚓種群增長率與種群數量在不考慮環境容納能力的情況下呈正相關，即：

式中：r—增長比例系數。

但在實際情況中，種群數量增長需要受到環境容納額度的影響，需要對公式（5）做出修正：

式中：A，B—比例系數。

求解公式（6）得到：

則對于穩定期內任意時間點，都能由公式（3）、（7）得到種群的垃圾處理能力，即：

這里需要指出的是，隨著實驗的進行，垃圾總量不斷減少，則有：

式中：α、β—有機、無機垃圾的質量；α—初始時有機垃圾的質量。

同樣的，有：

式中：αa—實際處理量有機垃圾的質量。

根據公式（1）、（8）、（9）、（10）得到生物垃圾分選工藝的分選效率計算公式為：

至此，模型建立完畢。

將實驗數據帶入公式（11）進行計算，取種群平均長度為105mm（平均體重1.57g），換算成同等日吞食能力帶入計算，最終得到實驗的分選效率為79.17％，大大超過目前垃圾處理廠普遍采用的滾筒篩垃圾分選效率，實驗達到了驗證目的。

4 結論

（1）基于生物（蚯蚓）法的垃圾分選工藝具有建設成本低、運行維護簡單、分選效率高等優點。在具體的項目建設過程中，可以達到垃圾資源化、無害化處理的目的。具有良好的潛在商業價值。

（2）生物（蚯蚓）法分選垃圾效率為79.17％，比通用機械篩選效率高1.63～2.96倍。生物法篩選效率更高。

［1］田立嬌，張健，宋靜，張傳義，袁麗梅.中國城市垃圾分類收集的可行性與必要性［J］.環境科技，2010，12（23）：138 -140.

［2］王建，胡巍，余果，代勇.中國垃圾處理產業發展的態勢分析法分析［J］.產業觀察，2011，8（242）：90-92.

［3］金杰，俞志敏，敬民，吳克.蠕蟲（蚯蚓）處理生物垃圾的初步研究［J］.安徽農業科學，2006，34（7）：1416-1417.

ResearchontheGarbageSortingProcesswithBiological（Earthworm）Method

SHIPei-jun，WANGGuan-hua，YUYing-jun，ZANGQi-jie，MAShuai
（NationalDefenseEngineerCorps，PLAUniv.ofSci.＆Tech.，NanjingJiangsu210007，China）

Theexperimentwasconductedtotestthefeasibilityofbiologicalwastesortingprocessusingearthworm.Thelengthandthenumberoftheearthwormaswellasthegarbageamountandthechangesofthesoilwereallwell recordedbeforeandafterthetest.Basedonthedata，thetheoreticalanalysiswasframed.Andthemathematical modelofearthwormeatingthegarbagewasbuiltup.Theresultscalculatedbythemodelwerecomparedwiththe screeningefficiencybythemachine.Itshowedthatthebiologicalefficiencywashigherthanthatofthemachine.

earthworm；biologicalwastesorting；screeningefficiency；garbagedisposal；experiment

X705

A

1673-9655（2015）03-0064-04

2014-12-19