鄭卅琦 張麗榮 王曉娜 宋娜 劉俊杰 杜嘉佳

摘要：本文以北京科技大學(xué)食堂餐廚垃圾和北京市城市生活垃圾焚燒飛灰為研究對(duì)象，開展了“餐廚垃圾乳酸發(fā)酵法液去除飛灰中重金屬”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，探究出餐廚垃圾發(fā)酵液去除飛灰中的重金屬的最優(yōu)浸出時(shí)間、最優(yōu)固液比、最優(yōu)浸出溫度和最優(yōu)浸出次數(shù)。首先對(duì)城市生活垃圾焚燒飛灰的基本性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，其次研究超純水對(duì)飛灰中重金屬的最優(yōu)脫除條件，乳酸發(fā)酵液的發(fā)酵條件和性質(zhì)，并將水洗實(shí)驗(yàn)探究出的最優(yōu)條件用于乳酸發(fā)酵液浸洗飛灰實(shí)驗(yàn)，用以探究出餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液去除飛灰中的重金屬的效果，以期能為有機(jī)酸浸出飛灰實(shí)驗(yàn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液;飛灰;浸出實(shí)驗(yàn);重金屬

中圖分類號(hào)：X13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）11-00-02

Abstract： In this paper， food waste of cafeteria in USTB and the fly ash from municipal solid waste incineration plant in Beijing were chosen as research objects. Experimental studies of the leaching of heavy metals of fly ash by food waste lactic acid fermented broth were conducted in this paper to find out the optimum leaching time， solid liquid ratio， leaching temperature and leaching times. Firstly， the fundamental properties of fly ash were analyzed by the instruments. And the optimum leaching conditions of the mainly heavy metals in the fly ash were studied by ultrapure water washing. And the paper studied the fermentation conditions and properties of food waste lactic acid fermented broth. And the optimum leaching conditions by ultrapure water washing were used to study the heavy metals in the fly ash washout rate by food waste lactic acid fermented broth leaching experiments. The information would be hopeful to be reference for the development of organic acid leaching of heavy metals.

Keywords： Food waste lactic acid fermented broth;Fly ash;Leaching;Heavy metals

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市生活垃圾的產(chǎn)生量也急劇增多，垃圾圍城現(xiàn)象和城市生活垃圾污染問題越來越嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)外處理生活垃圾的方式主要有填埋法、焚燒法、堆肥法和厭氧發(fā)酵法等。其中焚燒法具有處理速度快、處理量大、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，但焚燒垃圾過程中會(huì)產(chǎn)生大量的飛灰。由于飛灰中可溶性鹽類和有機(jī)毒（多氯聯(lián)苯、二噁英等）濃度都較高，處理難度大，對(duì)環(huán)境影響的潛在威脅很大[1]。本文提出了利用餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)酸對(duì)飛灰進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)，對(duì)浸出飛灰實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)飛灰采自北京市某生活垃圾焚燒廠，對(duì)飛灰進(jìn)行隨機(jī)綜合采樣，密封保存。餐廚垃圾取自北京科技大學(xué)食堂，經(jīng)簡(jiǎn)單分揀、攪碎后放入冰箱。實(shí)驗(yàn)材料為錐形瓶、發(fā)酵瓶、分液瓶、量筒、膠頭滴管、移液管、清洗瓶、離心管、鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸和MRS肉湯培養(yǎng)基等。

實(shí)驗(yàn)儀器采用電子分析天平、空氣浴振蕩器、無菌工作臺(tái)、立式壓力蒸汽滅菌器、pH計(jì)、大容量低溫高速離心機(jī)、干燥箱、高效液相色譜儀、超純水機(jī)、原子吸收光譜儀等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）測(cè)定垃圾焚燒原始飛灰的基本理化性質(zhì)[5]，包括全元素分析、原始飛灰的物相、粒徑分布、孔徑分析、含水率以及飛灰的原始形貌特征;

（2）設(shè)計(jì)水洗實(shí)驗(yàn)，對(duì)飛灰重金屬浸出的浸出時(shí)間、固液比、溫度等條件進(jìn)行優(yōu)化，探索最優(yōu)的浸出條件;

（3）采用餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液對(duì)飛灰進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察分步水洗、乳酸發(fā)酵液浸出及水洗與乳酸發(fā)酵液浸出相結(jié)合的方式，得出最佳浸出方案;

（4）分析浸出后的飛灰中主要重金屬的形態(tài)、飛灰主要物相，與原飛灰進(jìn)行對(duì)比，分析浸出后飛灰重金屬形態(tài)變化與脫除率。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原始飛灰的基本理化性質(zhì)測(cè)定

首先對(duì)采用的生活垃圾焚燒飛灰進(jìn)行基本性質(zhì)測(cè)定和分析。測(cè)定方法和研究方法：采用掃描電子顯微鏡分析飛灰的微觀形貌;稱取一定量的飛灰樣品先烘干，恒重至兩次稱量值的誤差小于±1%，計(jì)算飛灰含水率;通過激光粒度分析儀對(duì)飛灰進(jìn)行粒度分析;采用X射線熒光分析儀分析飛灰元素組成;采用X射線衍射儀分析飛灰的主要物相組成;用原子吸收光譜儀測(cè)量其重金屬濃度。

2.2 水洗實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

2.2.1 浸出時(shí)間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組平行試驗(yàn)，首先分別取10g、20g和30g飛灰，置于所對(duì)應(yīng)的錐形瓶中，按1：10的比例分別加入100 mL、200 mL和300 mL超純水，將裝有飛灰和水的錐形瓶置于空氣浴振蕩器中，在室溫25℃，200 rpm條件下，間隔時(shí)間取樣，測(cè)定樣品中重金屬離子的含量，直至重金屬浸出總量沒有變化，記錄取樣時(shí)間。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)浸出時(shí)間。

2.2.2 固液比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究不同的固液比條件對(duì)飛灰中重金屬浸出效果的影響，實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)計(jì)1：2、1：3、1：5、1：8、1：10、1：15和1：20七種固液比的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)采用10g飛灰，分別加入20mL、30mL、50mL、80 mL、100mL、150 mL和200 mL超純水，在轉(zhuǎn)速為200rpm、溫度為25℃的搖床條件下，浸出10h，取樣測(cè)定浸出液中重金屬含量。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)固液比。

2.2.3 浸出溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究不同溫度條件下飛灰中重金屬的浸出效果，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了15℃、25℃、35℃、45℃和55℃五個(gè)溫度梯度對(duì)浸出效果進(jìn)行對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)采用1：10的固液比，浸出時(shí)間為180min。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)浸出溫度。

2.3 餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液浸洗飛灰實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 乳酸發(fā)酵液的制備及性質(zhì)研究

對(duì)于餐廚垃圾接種屎腸球菌的發(fā)酵方式，本實(shí)驗(yàn)采用MRS肉湯作為培養(yǎng)基，按10%的接種比例進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，后將擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌液接種至餐廚垃圾中，厭氧條件下培養(yǎng)4d，離心取上清液后，用液相色譜測(cè)定發(fā)酵后有機(jī)酸的種類及濃度。

2.3.2 餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液浸出飛灰中重金屬實(shí)驗(yàn)方式研究

將超純水浸出飛灰中重金屬的最優(yōu)脫除條件，應(yīng)用于酸洗實(shí)驗(yàn)中，并增加不同浸出方式對(duì)飛灰中重金屬的浸出效果，設(shè)計(jì)了一步浸出法、兩步浸出法 、三步浸出法的實(shí)驗(yàn)。

①一步浸出實(shí)驗(yàn)，取15g飛灰，置于錐形瓶中，再加入150mL乳酸發(fā)酵液，在200rpm、35℃的搖床中振蕩6h，離心取出上層清液測(cè)定其中重金屬含量，固體烘干，密封保存，待測(cè)其重金屬含量。

②兩步浸出實(shí)驗(yàn)，首先取15g飛灰，先加入75mL發(fā)酵液，在200rpm、35℃的搖床中振蕩3h，離心取出固體和上清液，密封保存，待測(cè)其中重金屬。然后再在一步浸出所得固體中加入75mL發(fā)酵液，放入200rpm、35℃的搖床中振蕩3h，離心取出上層清液，測(cè)定其中重金屬含量。剩余固體烘干，密封保存，待測(cè)其重金屬含量。

③三步浸出實(shí)驗(yàn)，首先取15g飛灰，再加入50mL發(fā)酵液在200rpm、35℃的搖床中振蕩2h，離心取出固體和上清液，密封保存，待測(cè)其中重金屬;其次再在一步浸出所得固體中加入50mL的乳酸發(fā)酵液，在200rpm、35℃的搖床中振蕩2h，離心取出固體和上清液，密封保留，待測(cè)其中重金屬;再在第二步浸出所得固體中加入50mL發(fā)酵液，在200rpm、35℃的搖床中振蕩2h，離心取出上層清液，測(cè)定其中重金屬含量。剩余固體烘干，密封保存，待測(cè)其重金屬含量。

對(duì)比了三次浸出實(shí)驗(yàn)，研究隨著浸出步數(shù)的增加，所得上清液中重金屬的含量的變化。分析餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液浸出飛灰中重金屬的效果，與超純水浸出實(shí)驗(yàn)效果作對(duì)比，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出發(fā)酵液酸洗飛灰中重金屬的最優(yōu)酸灰比、最優(yōu)浸出方式、最優(yōu)浸出溫度、最優(yōu)浸出時(shí)間等。

3 研究展望

本研究一定程度上可以實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的減量化，解決當(dāng)前因餐廚垃圾處理難而帶來的一系列問題，同時(shí)利用餐廚垃圾乳酸發(fā)酵液，來浸出除飛灰中的重金屬，起到了一定的“以廢治廢”的目的，響應(yīng)了目前國(guó)家提倡的“節(jié)能減排”，為機(jī)酸浸出飛灰實(shí)驗(yàn)提供理論參考，為后續(xù)飛灰的處理和工業(yè)化利用提供參考。

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收稿日期：2019-06-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)201813898001。

作者簡(jiǎn)介：鄭卅琦（1999-），男，漢族，北京科技大學(xué)天津?qū)W院環(huán)境工程系學(xué)生，研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與工程。

通訊作者：張麗榮（1988-），女，漢族，北京科技大學(xué)天津?qū)W院環(huán)境工程系教師，助教，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與工程，安全科學(xué)與工程。