一种提高城市生活垃圾焚烧飞灰生物淋滤效果的方法

摘要

一种提高城市生活垃圾焚烧飞灰生物淋滤效果的方法，涉及一种生物脱硅与生物淋滤联合浸出垃圾焚烧飞灰中重金属的方法。具体步骤是：利用硅酸盐细菌对飞灰进行生物脱硅处理，破坏飞灰中的矿物晶格释放出更多的金属氧化物；利用黑曲霉对脱硅处理后的飞灰进行生物淋滤，由于有更多的重金属氧化物能够与黑曲霉菌体产出的有机酸充分接触反应，从而显著提高了生物淋滤过程中的重金属溶出效果。该方法操作简便，效率高，经济可行，安全，是一种环境友好的去除垃圾焚烧飞灰中重金属的有效方法，并且浸出毒性远远低于危险废物鉴别标准，飞灰可进入填埋场或进一步资源化利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高城市生活垃圾焚烧飞灰生物淋滤处理中重金属去除效果的方法。

背景技术

随着中国经济的持续高速增长，人民生活水平迅速提高，城市生活垃圾处理问题已经成为中国最严重的公害之一。因此，垃圾焚烧发电技术在国内的迅速发展也带来了垃圾飞灰的产量也呈明显增加。

垃圾焚烧过程中产生大量的灰渣，包括炉渣(80～90％)和飞灰(10～20％)，但是飞灰中的重金属含量比炉渣要大几倍甚至几百倍。飞灰中的重金属主要来源于生活中的废纸、废电池以及建筑装饰材料、清道垃圾等，特别是我国垃圾分类体系很不完善，经常有工业垃圾、医疗垃圾混合在城市生活垃圾中，使得重金属污染物在焚烧过程中发生迁移和转化，使飞灰中富集了较高浓度的重金属等污染物。若将飞灰直接进行填埋或处理不当，在自然环境下由于酸雨等因素的作用，酸性环境下重金属将逐渐渗滤出来，重新进入环境，污染地下水源而危害人类，因此《国家危险废物名录》已经明确规定生活垃圾焚烧飞灰为危险废物，即编号为HW18，并且飞灰的处置必须严格按照危险废物处置的规范进行。

国内外学者尝试将生物湿法冶金技术(Biohydrometallurgy Technology)应用到处理固体废物领域，即生物淋滤法(Bioleaching)，即利用生物浸取剂或利用微生物代谢产物与焚烧飞灰作用，将其中的重金属从固相溶出到液相的方法。该方法优势在于反应温和、耗酸少、环境友好、无二次污染、运行成本较低。但相比传统的化学处理法仍存在处理负荷较低、处理时间长、重金属溶出率不理想等缺点。

飞灰有类似于矿石的结构和组成，主要是金属氧化物和硅酸盐。在生物淋滤的过程中，很大一部分包裹于Si-O晶格中的金属氧化物与菌体代谢产物-有机酸很难充分接触，从而影响了金属溶出效果。

发明内容

本发明的目的是利用该类细菌能破坏飞灰中硅酸盐组分Si-O键的特点，采用生物脱硅预处理与生物淋滤联合浸出的方式，使飞灰中被包裹的金属氧化物裸露出来，充分与生物淋滤时的菌体代谢产物-有机酸接触，从而提高生物淋滤的金属溶出效果。

本发明的具体步骤如下：

(一)利用硅酸盐细菌对飞灰进行生物脱硅处理

(a)选取一环活化好的硅酸盐细菌斜面菌种接入10～50mL种子培养基中，在25～35℃，140～220r/min的条件下恒温振荡培养40～55h。

硅酸盐细菌种子培养基的成分为：蔗糖4.0～10.0g/L，酵母粉0.5～2.0g/L，K₂HPO₄1.0～3.0g/L，MgSO₄·7H₂O 0.2～0.6g/L，CaCO₃ 0.1～0.2g/L，FeCl₃·6H₂O 0.005～0.010g/L，pH值7.5～8.5。

(b)将上述种子液以1～5％(v/v)的接种量接入硅酸盐细菌液体培养基中，培养基的装液量控制在培养容器的15～30％(v/v)，在25～35℃，140～220r/min的条件下恒温振荡培养2～7天。待其中的硅酸盐细菌进入对数生长期后，加入10～30g/L飞灰，继续震荡培养5～7天，进行脱硅处理。

硅酸盐细菌液体培养基的成分为：蔗糖5.0～10.0g/L，酵母粉10.0～15.0g/L，Na₂HPO₄1.0～3.0g/L，MgSO₄·7H₂O 0.2～0.8g/L，FeCl₃·6H₂O 0.005～0.010g/L，CaCO₃ 0.05～0.15g/L，调节pH值到6.0～8.0。

(二)利用黑曲霉对脱硅处理后的飞灰进行生物淋滤

(c)黑曲霉用PDA培养基进行斜面培养，在25～35℃培养5～7天，长出成熟孢子，用无菌去离子水洗脱孢子。孢子悬液用血球计数器计数，并用无菌去离子水调节孢子浓度至1×10⁷～2×10⁸个/mL。其中，PDA斜面培养基的成分为：马铃薯200～400g/L、葡萄糖15～25g/L、琼脂15～25g/L。

(d)将黑曲霉孢子悬液(c)接入蔗糖液体培养基中，使孢子浓度为0.5～2.5×10⁷个/mL，在25～35℃、140～220r/min条件下恒温振荡培养。待黑曲霉生长2～8天并进入产酸期后，按每L液体培养基投加飞灰10～80g的比例投加脱硅后飞灰(b)，在25～35℃、140～220r/min转速下恒温振荡淋滤15～25天。

蔗糖液体培养基的成分为：蔗糖100～150g/L、NaNO₃ 1.0～1.5g/L、KH₂PO₄0.5～0.8g/L、MgSO₄·7H₂O 0.02～0.03g/L、KCl 0.02～0.03g/L、NH₄Cl 3～5g/L。

本发明的优点是，利用硅酸盐细菌对飞灰进行生物脱硅处理，破坏飞灰中的矿物晶格释放出更多的金属氧化物，提高生物淋滤法对生活垃圾焚烧飞灰重金属溶出率。该方法操作简便，效率高，经济可行，安全，是一种环境友好的去除垃圾焚烧飞灰中重金属的有效方法。使用该方法处理后的飞灰其重金属被有效去除，并且浸出毒性远远低于危险废物鉴别标准，飞灰可进入填埋场或进一步资源化利用。

附图说明

图1为未脱硅飞灰经AS 3.879生物淋滤液后重金属溶出浓度及其溶出率。

图2为脱硅后飞灰经AS 3.879生物淋滤液后重金属溶出浓度及其溶出率。

图3为未脱硅飞灰和脱硅飞灰经AS 3.879生物淋滤后重金属溶出率对比。

具体实施方式

实施例1

(一)利用硅酸盐细菌对飞灰进行生物脱硅

(a)挑取一环活化好的硅酸盐细菌SDB6斜面菌种接入50mL种子培养基中，28℃，180r/min恒温振荡培养48h。其中，硅酸盐细菌种子培养基的成分为：蔗糖5.0g/L，酵母粉1.0g/L，K₂HPO₄ 2.0g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，CaCO₃ 0.1g/L，FeCl₃·6H₂O 0.005g/L，pH值8.0。

(b)将种子液(a)以2％(v/v)的体积比接入硅酸盐细菌液体培养基中，培养基的装液量控制在培养容器的20％(v/v)，在温度30℃，转速180r/min的条件下恒温振荡培养3天。然后，向该锥形瓶中加入10g/L的飞灰脱硅处理5天。其中，硅酸盐细菌液体培养基的成分为：蔗糖5.0g/L，酵母粉10.0g/L，Na₂HPO₄ 2.0g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，FeCl₃·6H₂O 0.005g/L，CaCO₃ 0.1g/L，调节pH值到7.0。以不加飞灰的试样作为空白对照，分析未脱硅处理飞灰和脱硅处理后飞灰的重金属含量(见表1)。结果表明：经过脱硅后的飞灰中重金属含量与脱硅前区别不大，说明硅酸盐细菌SDB6的代谢产物不能与重金属氧化物反应，对飞灰仅具有脱硅作用。

(二)利用黑曲霉AS 3.879对脱硅处理后的飞灰进行生物淋滤

(c)黑曲霉AS 3.879用PDA培养基进行斜面培养，在28℃培养5天，长出成熟孢子，用无菌去离子水洗脱孢子。孢子悬液用血球计数器计数，并用无菌去离子水调节孢子浓度至所需。

(d)将黑曲霉孢子悬液(c)接入蔗糖液体培养基中，使孢子浓度为1.7×10⁷个/mL，在30℃、140r/min条件下恒温振荡培养。其中，蔗糖液体培养基的成分为：蔗糖120g/L、NaNO₃ 1.5g/L、KH₂PO₄ 0.5g/L、MgSO₄·7H₂O 0.025g/L、KCl 0.025g/L、NH₄Cl 4g/L，待黑曲霉生长4天并进入产酸期后，按每L液体培养基投加飞灰70g的比例分别投加未脱硅飞灰和脱硅后飞灰(b)，在30℃、140r/min转速下恒温振荡淋滤20天。

分析未脱硅飞灰和脱硅后飞灰的生物淋滤液中重金属含量(见图1、图2)。结果表明飞灰用SDB6生物脱硅后，再用黑曲霉菌株AS 3.879对其进行生物淋滤，其组合处理的重金属溶出效果显著。与未脱硅处理相比，Cu、Mn、Cr、Zn以及Fe的溶出率分别提高了49％、48％、35％、26％和21％。总的重金属溶出率也从未脱硅的41％提高到了50％，淋滤液中重金属总量达到了1102.9mg/L。这是因为脱硅处理后的飞灰矿物结构被破坏，更多的重金属氧化物能够与菌体产出的有机酸充分接触反应，从而显著提高了生物淋滤过程中的重金属溶出效果。脱硅再经生物淋滤后的飞灰中重金属含量大大降低(见表1)。处理后飞灰经毒性浸出程序(TCLP)测试后发现，其重金属浸出毒性远远低于国家标准(见表2)。

实施例2

(a)步骤与实施例1相同；  (b)将种子液(a)以2％(v/v)的体积比接入硅酸盐细菌液体培养基中，培养基的装液量控制在培养容器的20％(v/v)，在温度25℃，转速150r/min的条件下恒温振荡培养5天。然后，向该锥形瓶中加入20g/L的飞灰脱硅处理5天。其中，硅酸盐细菌液体培养基的成分与实施例1相同，调节培养基的pH值到7.5。(c)和(d)步骤均与实施例1相同。图3表示未脱硅飞灰和脱硅后飞灰的生物淋滤液中重金属的溶出率，由此可知：脱硅后飞灰中重金属的生物淋滤效果比未脱硅飞灰显著提高。  

表1未脱硅飞灰、脱硅后飞灰和脱硅再经AS 3.879生物淋滤后

飞灰中重金属含量的平均值(mg/g)

表2  脱硅再经AS 3.879生物淋滤后飞灰TCLP浸出毒性(mg/L)

ND：未检出；NS：未列入

a危险废物鉴别标准(浸出毒性鉴别)：GB 5085.3-2007

b危险废物填埋污染控制标准：GB 18598-2001