优化蚯蚓投放密度以提高食物垃圾和污泥蚯蚓堆肥过程中的效率及堆肥成熟度

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优化蚯蚓投放密度以提高食物垃圾和污泥蚯蚓堆肥过程中的效率及堆肥成熟度

时间：2026年1月29日

来源：Bioresource Technology Reports

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通过评估不同蚯蚓密度对餐厨垃圾和污泥混合堆肥的影响，发现中等密度（约15 worms/kg）最优化解有机质降解、微生物活性与养分稳定性，生成成熟无 phytotoxicity 的堆肥，支持循环经济和农业应用。

Mohammed Abiola Akanbi | Ayesha Imtiyaz Cheema | Leidy Yesenia Cely-Vargas | Nan Lv | Bin Dong

同济大学环境科学与工程学院，上海，200092，中国

摘要

本研究进行了全面评估，以探讨蚯蚓投放密度对食物垃圾（FW）和污水污泥（SS）堆肥效果的影响。这两种城市废弃物产量快速增长，但处理成本高且运营面临挑战。研究旨在验证中等蚯蚓投放密度能够创造最平衡的生物和物理化学条件，从而提高稳定性能和堆肥成熟度，进而提升工艺可靠性和可扩展性。实验监测了6种不同密度的Eisenia fetida蚯蚓在60天内的表现，包括蚯蚓种群动态、物理化学变化、养分有效性、酶活性、微生物群落演替及植物毒性。结果表明，系统性能存在明显的密度依赖性：低密度有利于蚯蚓个体生长，但导致基底稳定效果不佳；中等密度则能实现最平衡的结果，增强有机物降解、养分稳定性和微生物活性；高密度虽加快了整体分解和生物量周转，但在后期表现出资源竞争和功能稳定性下降。中等和高密度下生产的堆肥成熟且无植物毒性，有利于种子发芽和植物早期生长。通过将废弃物稳定过程与农艺功能相结合，本研究展示了将城市有机废弃物转化为高价值土壤改良剂的实用途径，从而支持可持续废物管理，同时提高农业生产力并减少投入损失。研究结果为将蚯蚓堆肥纳入循环生物经济框架提供了关键思路，并指出了未来需要在不同废弃物组成条件下进行现场验证和工艺优化的工作。

引言

食物垃圾（FW）和污水污泥（SS）的产生是全球环境和经济面临的挑战，这一现象由城市化加速、人口增长以及全球污水处理基础设施扩张所驱动（Gu等人，2024年）。据估计，全球每年产生的FW超过13亿吨，约占人类消费食品总量的三分之一；而SS的产量预计将增加50%以上，达到近6800万吨干固体（Molaey等人，2024年）。这些生物废弃物由于含水量高、易产生异味、携带病原体且养分不平衡，若管理不当，将带来高昂的处理成本和环境风险。因此，开发成本低廉、基于生物技术的废弃物稳定策略以实现废弃物稳定、养分回收和安全农业再利用已成为亚洲、欧洲、非洲和北美的优先事项。

最近的全球污水污泥管理趋势强调以碳生物有效性为导向的优化和综合能源回收，研究表明热液预处理可改善发酵过程、减少反应器体积和停留时间、提高脱水性和卫生性能，并通过稳定的下游增值途径增强经济可行性（Vochozka和Maroušková，2017年）。此外，经济驱动的优化研究揭示了能够提高甲烷产量、有机物去除率和脱水性能的污泥处理方法，尽管其全部技术经济潜力尚未得到充分挖掘（Vochozka等人，2016年）。机器学习在污泥基生物能源系统中的应用提高了工艺稳定性和资源回收效率，凸显了数据驱动的运营控制在现代生物固体管理中的重要性（Marousek等人，2026年）。食物垃圾的含水量通常超过70%，碳氮比（C/N）较低，限制了好氧降解；而污水污泥则往往氮含量过高，导致挥发损失和养分流失（Wu等人，2025年）。蚯蚓堆肥可以有效解决这些问题：FW提供必要的碳来平衡SS中的氮过剩，而SS的固体成分有助于调节FW的含水量。

蚯蚓堆肥在温和条件下（20–25°C）进行，可最小化氮挥发并促进木质纤维素化合物的微生物降解（Pottipati和Kalamdhad，2022年）。最终产物——蚯蚓堆肥具有更好的物理结构、更高的养分可用性和较低的植物毒性，优于传统堆肥（da Silva等人，2023年）。特别是地表种Eisenia fetida在分解有机物、激活微生物活动和加速养分矿化过程中起核心作用（Wang等人，2021年）。相关微生物群落分泌胞外酶（如脱氢酶和磷酸酶），推动蚯蚓粪便中的碳、氮和磷循环（Liao等人，2024年）。

蚯蚓投放密度（以每公斤基质的蚯蚓数量表示）是影响堆肥效果的关键操作参数（Ma等人，2024年）。低密度（5–15条/公斤）可能不足以有效分解废弃物。例如，Devi等人（2023年）发现较低的投放密度（5–7条/公斤）能促进微生物活动和养分矿化。投放密度与基质特性（如碳生物有效性、C/N比、含水量和蛋白质脂质组分）密切相关。C/N比适中的基质和25%的适宜含水量可提升蚯蚓活性；富含养分的基质在适当生物负荷下能促进其生长和繁殖（Kok等人，2014年；Zhou等人，2021年）。然而，这些密度阈值主要基于粪便或绿色废弃物系统得出，对于具有不同物理化学和微生物特性的FW和SS混合物，这些阈值尚未得到充分验证。除了环境性能外，生物废弃物处理技术的大规模应用还取决于经济可持续性和私人投资行为。投资可行性受回报可预测性、风险敞口以及对技术和价格冲击的敏感性影响，投资者倾向于选择降低不确定性、稳定现金流并具有市场抗冲击能力的资本高效系统（Akbari等人，2021年；Pavolová等人，2021年）。能够提供稳定工艺效果和农艺功能堆肥的蚯蚓堆肥系统更有可能得到工业应用和下游市场的认可。

尽管蚯蚓堆肥研究取得了显著进展，但投放密度优化主要基于粪便和绿色废弃物系统，而FW和SS混合物具有独特的物理化学和微生物特性，这些特性会改变蚯蚓的生物反应和堆肥过程。污水污泥富含氮、磷和微生物生物质，但通常碳含量不足；FW则含有高有机碳和木质纤维素，但氮含量较低（Kwarciak-Kozłowska，2019年；Voběrková等人，2020年）。现有的投放密度建议主要基于粪便或绿色废弃物系统，对于具有独特物理化学特性的FW和SS适用性有限（Ma等人，2024年；Suthar，2012年；Yadav等人，2011年）。基质特性与投放密度之间的相互作用对蚯蚓的生理反应（如生物量发展、繁殖和存活）至关重要，但这些生物学指标很少与养分可用性和细菌活性一起明确量化（Yang等人，2025年）。为填补这些空白，本研究旨在探讨蚯蚓投放密度如何调节FW和SS堆肥过程中的生物性能、工艺效率和堆肥成熟度。具体目标包括：（1）评估投放密度对蚯蚓生长、繁殖和种群动态的影响；（2）分析投放密度对基质稳定、养分转化、酶活性和微生物功能的影响；（3）利用植物毒性指标确定堆肥的成熟度和农艺适用性。

鉴于蚯蚓堆肥对生物负荷的敏感性，本研究假设中等投放密度能创造最平衡的生物和物理化学条件，从而提高稳定性能和堆肥质量。

实验材料

实验使用了一个高度为16厘米、底部直径为6厘米、顶部直径为8厘米的塑料桶进行蚯蚓堆肥处理（见图1）。在塑料桶底部3厘米处放置了一个带有足够开口的支撑板，以方便蚯蚓从基质移动到3厘米厚的垫层区域。此外，在桶底还开了一个小孔用于通风，同时确保孔径足够小以防止蚯蚓通过。

蚯蚓种群和生长性能

蚯蚓种群动态随投放密度显著变化。实验第0天时，所有处理组的蚯蚓均为幼体（定义为体重小于0.5克且无环带的蚯蚓），因此所有反应器中的蚯蚓总数和幼体数量相同，成体数量为零（Ganesan等人，2023年）。低密度处理组（TV1）的蚯蚓总数（见图2a）在整个实验过程中保持稳定，TV2组仅有轻微变化；而TV3组在60天时数量略有下降。

结论

本研究指出，在蚯蚓堆肥系统中，蚯蚓投放密度是一个核心的设计因素，而非固定的操作参数。结果表明，中等投放密度能促进更高效的分解、更好的养分稳定性和更高的堆肥成熟度，从而提升植物生长表现。这些发现表明，蚯蚓堆肥效率受到生物学因素的限制。

作者贡献声明

Mohammed Abiola Akanbi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析。 Ayesha Imtiyaz Cheema：撰写 – 审稿与编辑、验证工作、监督、方法论设计。 Leidy Yesenia Cely-Vargas：初稿撰写、数据可视化。 Nan Lv：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计。 Bin Dong：项目监督、资源协调、资金争取、概念构思。