餐厨垃圾乳酸发酵液去除飞灰中重金属的实验研究

郑卅琦 张丽荣 王晓娜 宋娜 刘俊杰 杜嘉佳

摘要：本文以北京科技大学食堂餐厨垃圾和北京市城市生活垃圾焚燒飞灰为研究对象，开展了“餐厨垃圾乳酸发酵法液去除飞灰中重金属”的相关实验研究，探究出餐厨垃圾发酵液去除飞灰中的重金属的最优浸出时间、最优固液比、最优浸出温度和最优浸出次数。首先对城市生活垃圾焚烧飞灰的基本性质进行了测定，其次研究超纯水对飞灰中重金属的最优脱除条件，乳酸发酵液的发酵条件和性质，并将水洗实验探究出的最优条件用于乳酸发酵液浸洗飞灰实验，用以探究出餐厨垃圾乳酸发酵液去除飞灰中的重金属的效果，以期能为有机酸浸出飞灰实验提供理论参考。

关键词：餐厨垃圾乳酸发酵液;飞灰;浸出实验;重金属

中图分类号：X13 文献标识码：A 文章编号：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

随着我国城市化进程的不断加快，城市生活垃圾的产生量也急剧增多，垃圾围城现象和城市生活垃圾污染问题越来越严重。目前国内外处理生活垃圾的方式主要有填埋法、焚烧法、堆肥法和厌氧发酵法等。其中焚烧法具有处理速度快、处理量大、占地面积小的优点，但焚烧垃圾过程中会产生大量的飞灰。由于飞灰中可溶性盐类和有机毒（多氯联苯、二噁英等）浓度都较高，处理难度大，对环境影响的潜在威胁很大[1]。本文提出了利用餐厨垃圾发酵产生的有机酸对飞灰进行处理实验，对浸出飞灰实验方法进行设计。

1 实验准备、原理与方法

1.1 实验材料和仪器

实验飞灰采自北京市某生活垃圾焚烧厂，对飞灰进行随机综合采样，密封保存。餐厨垃圾取自北京科技大学食堂，经简单分拣、搅碎后放入冰箱。实验材料为锥形瓶、发酵瓶、分液瓶、量筒、胶头滴管、移液管、清洗瓶、离心管、盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸和MRS肉汤培养基等。

实验仪器采用电子分析天平、空气浴振荡器、无菌工作台、立式压力蒸汽灭菌器、pH计、大容量低温高速离心机、干燥箱、高效液相色谱仪、超纯水机、原子吸收光谱仪等。

1.2 实验方法

（1）测定垃圾焚烧原始飞灰的基本理化性质[5]，包括全元素分析、原始飞灰的物相、粒径分布、孔径分析、含水率以及飞灰的原始形貌特征;

（2）设计水洗实验，对飞灰重金属浸出的浸出时间、固液比、温度等条件进行优化，探索最优的浸出条件;

（3）采用餐厨垃圾乳酸发酵液对飞灰进行浸出实验设计，考察分步水洗、乳酸发酵液浸出及水洗与乳酸发酵液浸出相结合的方式，得出最佳浸出方案;

（4）分析浸出后的飞灰中主要重金属的形态、飞灰主要物相，与原飞灰进行对比，分析浸出后飞灰重金属形态变化与脱除率。

2 实验设计

2.1 原始飞灰的基本理化性质测定

首先对采用的生活垃圾焚烧飞灰进行基本性质测定和分析。测定方法和研究方法：采用扫描电子显微镜分析飞灰的微观形貌;称取一定量的飞灰样品先烘干，恒重至两次称量值的误差小于±1%，计算飞灰含水率;通过激光粒度分析仪对飞灰进行粒度分析;采用X射线荧光分析仪分析飞灰元素组成;采用X射线衍射仪分析飞灰的主要物相组成;用原子吸收光谱仪测量其重金属浓度。

2.2 水洗实验设计研究

2.2.1 浸出时间实验设计

实验设置3组平行试验，首先分别取10g、20g和30g飞灰，置于所对应的锥形瓶中，按1：10的比例分别加入100 mL、200 mL和300 mL超纯水，将装有飞灰和水的锥形瓶置于空气浴振荡器中，在室温25℃，200 rpm条件下，间隔时间取样，测定样品中重金属离子的含量，直至重金属浸出总量没有变化，记录取样时间。分析实验结果，得出最优浸出时间。

2.2.2 固液比实验设计

为了探究不同的固液比条件对飞灰中重金属浸出效果的影响，实验中分别设计1：2、1：3、1：5、1：8、1：10、1：15和1：20七种固液比的条件进行实验，每组实验采用10g飞灰，分别加入20mL、30mL、50mL、80 mL、100mL、150 mL和200 mL超纯水，在转速为200rpm、温度为25℃的摇床条件下，浸出10h，取样测定浸出液中重金属含量。分析实验结果，得出最优固液比。

2.2.3 浸出温度实验设计

为探究不同温度条件下飞灰中重金属的浸出效果，实验设计了15℃、25℃、35℃、45℃和55℃五个温度梯度对浸出效果进行对比，本实验采用1：10的固液比，浸出时间为180min。分析实验结果，得出最优浸出温度。

2.3 餐厨垃圾乳酸发酵液浸洗飞灰实验设计

2.3.1 乳酸发酵液的制备及性质研究

对于餐厨垃圾接种屎肠球菌的发酵方式，本实验采用MRS肉汤作为培养基，按10%的接种比例进行扩大培养，后将扩大培养后的菌液接种至餐厨垃圾中，厌氧条件下培养4d，离心取上清液后，用液相色谱测定发酵后有机酸的种类及浓度。

2.3.2 餐厨垃圾乳酸发酵液浸出飞灰中重金属实验方式研究

将超纯水浸出飞灰中重金属的最优脱除条件，应用于酸洗实验中，并增加不同浸出方式对飞灰中重金属的浸出效果，设计了一步浸出法、两步浸出法 、三步浸出法的实验。

①一步浸出实验，取15g飞灰，置于锥形瓶中，再加入150mL乳酸发酵液，在200rpm、35℃的摇床中振荡6h，离心取出上层清液测定其中重金属含量，固体烘干，密封保存，待测其重金属含量。

②两步浸出实验，首先取15g飞灰，先加入75mL发酵液，在200rpm、35℃的摇床中振荡3h，离心取出固体和上清液，密封保存，待测其中重金属。然后再在一步浸出所得固体中加入75mL发酵液，放入200rpm、35℃的摇床中振荡3h，离心取出上层清液，测定其中重金属含量。剩余固体烘干，密封保存，待测其重金属含量。

③三步浸出实验，首先取15g飞灰，再加入50mL发酵液在200rpm、35℃的摇床中振荡2h，离心取出固体和上清液，密封保存，待测其中重金属;其次再在一步浸出所得固体中加入50mL的乳酸发酵液，在200rpm、35℃的摇床中振荡2h，离心取出固体和上清液，密封保留，待测其中重金属;再在第二步浸出所得固体中加入50mL发酵液，在200rpm、35℃的摇床中振荡2h，离心取出上层清液，测定其中重金属含量。剩余固体烘干，密封保存，待测其重金属含量。

对比了三次浸出实验，研究随着浸出步数的增加，所得上清液中重金属的含量的变化。分析餐厨垃圾乳酸发酵液浸出飞灰中重金属的效果，与超纯水浸出实验效果作对比，并根据实验结果得出发酵液酸洗飞灰中重金属的最优酸灰比、最优浸出方式、最优浸出温度、最优浸出时间等。

3 研究展望

本研究一定程度上可以实现餐厨垃圾的减量化，解决当前因餐厨垃圾处理难而带来的一系列问题，同时利用餐厨垃圾乳酸发酵液，来浸出除飞灰中的重金属，起到了一定的“以废治废”的目的，响应了目前国家提倡的“节能减排”，为机酸浸出飞灰实验提供理论参考，为后续飞灰的處理和工业化利用提供参考。

参考文献

[1]姚刚.垃圾焚烧飞灰处理技术现状与展望[J].化工时刊，2014，28（7）：45-46.

[2]张晓樵.生活垃圾焚烧飞灰毒性浸出规律及水洗预处理废水资源化处理探索[D].上海大学，2015：4-5.

[3]李建新，严建华，倪明江，岑可法.垃圾焚烧飞灰中重金属稳定化处理[J].热力发电，2013（12）：64-67.

[4]余磊，谢益东，季海冰等.不同pH浸提条件对生活垃圾焚烧炉渣重金属浸出影响研究[J].环境科学与管理，2016，41（1）：111-114.

[5]张海英，赵由才，祁景玉.生活垃圾焚烧飞灰的物理化学特性[J].环境科学与技术，2008，31（11）：96-98.

收稿日期：2019-06-23

基金项目：国家级大学生创新训练项目，项目编号201813898001。

作者简介：郑卅琦（1999-），男，汉族，北京科技大学天津学院环境工程系学生，研究方向为环境科学与工程。

通讯作者：张丽荣（1988-），女，汉族，北京科技大学天津学院环境工程系教师，助教，硕士研究生，研究方向为环境科学与工程，安全科学与工程。