CN105268727B - 利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法。将蛋白胨、肉浸膏、尿素按质量比置于相比蛋白胨200质量倍量的蒸馏水中配制培养基，高温高压灭菌后，将具有矿化作用的菌种接种至培养基中，在摇床上进行振荡培养，至菌液完全浑浊；配制得到的菌液和垃圾焚烧飞灰按比例混合搅拌均匀，平铺于耐腐蚀性平面上；喷淋尿素溶液，即可获得团聚化后垃圾焚烧飞灰。本发明利用垃圾焚烧飞灰中富含钙离子、重金属离子和浸出液呈碱性的特点，只需向垃圾焚烧飞灰中添加含有矿化作用微生物的菌液和尿素溶液，即可团聚化垃圾焚烧飞灰，团聚化后垃圾焚烧飞灰颗粒粒径显著增大，粒径大于80μm的质量从15~20%增大到90~95%。

Description

利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法
技术领域
本发明涉及了一种飞灰团聚化的方法，尤其是涉及一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法。
背景技术
垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧的产物，呈灰色，颗粒粒径以0.02～0.08mm的粉粒为主，富含钙元素，呈碱性，因富含多种重金属离子及二噁英等污染物被列为危险废物，需经无害化处理后进行安全处置。目前我国垃圾焚烧飞灰日产量接近1万吨，其无害化处理处置已成为社会关注的热点问题。
目前垃圾焚烧飞灰最常用的处理方法是水泥固化和药剂螯合。水泥固化是将飞灰与水泥加水拌合，经水化反应产生的胶凝物质将飞灰颗粒胶结、包裹起来，形成坚硬的固化体而降低污染物浸出毒性。水泥固化工艺简单，其缺点是水泥掺量高(20～30％)，增容比大(1.5～2)，固化体易开裂，污染物稳定化效果难以确保。药剂螯合是通过化学反应，将重金属等污染物螯合成低溶解性、低迁移性物质。药剂螯合处理的增容问题不明显，对部分重金属稳定化效果好，但因飞灰含多种重金属及二噁英等有机污染物，难以找到普适性的螯合剂，另外药剂螯合处理成本高(2000～3000元/吨)。
为了解决水泥固化水泥掺量高、增容比大和药剂螯合普适性差、成本高等难题，本发明提出一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法，通过团聚化作用降低垃圾焚烧飞灰的浸出毒性。微生物矿化作用是指微生物在新陈代谢过程中会产生一种脲酶，该酶可以将尿素分解，形成铵根离子和碳酸根离子，由于该微生物细胞壁的特殊结构，微生物表面带负电荷，当溶液中含有一定浓度钙离子或其他金属离子时，该离子会被微生物吸附，从而以微生物为晶核，在微生物周围就会形成具有胶凝作用的碳酸盐结晶，微生物细胞体死亡并嵌入结晶体中。
产脲酶微生物用于团聚化垃圾焚烧飞灰时，由于垃圾焚烧飞灰富含钙离子、重金属离子及浸出液呈碱性特点，无须向其中添加钙源和碱性缓冲液，只需添加尿素等营养物质，即可产生矿化作用，胶结、包裹垃圾焚烧飞灰中的重金属、二噁英等有毒物质，降低其浸出毒性。
发明内容
为了解决我国危险废弃物填埋场库容量问题和上述现有垃圾焚烧飞灰处理处置的技术难题，本发明的目的在于提供一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法，利用垃圾焚烧飞灰富含内源钙和各种重金属离子的特点，通过自然界微生物资源进行团聚化处理，降低其浸出毒性。
本发明采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1)配制培养基：将蛋白胨、肉浸膏、尿素以4～6：2～4：15～25的质量比置于相比蛋白胨200质量倍量的蒸馏水中配制培养基，在121℃高温，103kPa高压，在15～20min灭菌后，将具有矿化作用的菌种接种至培养基中，然后在20～35℃温度和180～240r/min摇床上进行振荡培养24～48h，至菌液完全浑浊，培养基中菌种的OD600值在0.02～0.07之间；
步骤2)将步骤1)中配制得到的菌液和垃圾焚烧飞灰按以液固比200～400mL：1kg比例混合搅拌均匀，平铺于耐腐蚀性平面上，静置8～16h；
步骤3)将步骤2)中得到的垃圾焚烧飞灰平铺层上喷淋0.5～1.5mol/L尿素溶液200～400mL，相对于1kg的垃圾焚烧飞灰，5～7d后，即可获得团聚化后垃圾焚烧飞灰。
步骤1)中所述具有矿化作用的菌种，为巴氏生孢八叠球菌Sporosarcianpasteurii、南极生孢八叠球菌Sporosarcina antarctica、韩国芽孢八叠球菌Sporosarcina koreensis或缓慢芽孢杆菌Bacillus lentus。
步骤2)中所述垃圾焚烧飞灰平铺于耐腐蚀性平面上的层厚度为1～3cm。
步骤3)中所述喷淋速率为40～60mL/min，半径为2～4m。
步骤3)中作业温度为10℃～30℃。
本发明利用产脲酶微生物酶解介质中的尿素(NH2-CO-NH2)产生碳酸根离子(CO3 2-)与飞灰碱性环境中Ca2+、Zn2+、Pb2+等重金属离子(M2+)结合生成碳酸盐胶结物，或吸附在垃圾焚烧飞灰颗粒表面，或填充于垃圾焚烧飞灰颗粒空隙间，起到团聚化垃圾焚烧飞灰颗粒粒径的效果，包裹、吸附垃圾焚烧飞灰细小颗粒中的重金属、二噁英等有毒物质，降低其浸出毒性。
本发明具有的有益效果是：
1、利用垃圾焚烧飞灰中富含内源钙及重金属离子的特点，通过自然界提取的微生物菌种进行处理，只需向垃圾焚烧飞灰中添加含有矿化作用微生物的菌液和尿素溶液，不必另外添加钙源、碱性缓冲液及其他物质，即可团聚化垃圾焚烧飞灰；
2、尿素溶液稠度低，容易渗入到垃圾焚烧飞灰平铺层中，其渗透效果明显优于水泥基胶凝材料，同时，垃圾焚烧飞灰浸出液呈碱性，可促进团聚化作用的进行，更有利于碳酸盐的生成和结晶；
3、微生物矿化作用团聚化垃圾焚烧飞灰只需使用少量的尿素溶液和微生物菌种，团聚化后垃圾焚烧飞灰颗粒粒径显著增大，粒径大于80μm的质量从15～20％增大到90～95％，其浸出毒性显著降低，从而有效降低垃圾焚烧飞灰固化/稳定化处理成本。
附图说明
图1是本发明实施例方法涉及到的反应过程示意图。
图2是本发明实施例处理前后垃圾焚烧飞灰颗粒粒径筛余量对比。
图3是本发明实施例处理前垃圾焚烧飞灰颗粒SEM图。
图4是本发明实施例处理后垃圾焚烧飞灰颗粒SEM图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的原理如下：
本发明将产脲酶具有矿化作用的微生物接种至培养基中，以培养基中的底物蛋白胨、肉浸膏和尿素等为营养源，产生的脲酶具有分解底物中尿素的能力，如反应式(1)所示，随着底物的不断分解，NH3不断释放，使得溶液的pH值升高，如反应式(2)所示，同时pH值升高又促使以下可逆反应往正方向进行，如反应式(3)所示，使得CO3 2-的浓度不断提高。
飞灰中含有一定量的金属离子M2+(M2+指Ca2+、Zn2+、Pb2+等)，微生物细胞膜界面处带负电荷的SM(水可溶有机质)立即不断螯合M2+，如反应式(4)所示，诱导出局部的晶体，阴离子(CO3 2-)浓度进一步增大，从而吸引更多的M2+，直到晶体前驱物浓度增大到利于核化，从而沉积出起固结作用的矿化物质颗粒，如反应式(5)所示，具体过程如图1所示。
Cell+M2+→Cell-M2+ (4)
产脲酶微生物在新陈代谢过程中会产生一种脲酶，脲酶可以将尿素分解，形成铵根离子和碳酸根离子，由于该微生物细胞壁的特殊结构，微生物表面带负电荷，当溶液中含有一定浓度钙离子或其他金属离子时，这些离子会被微生物吸附，从而以微生物为晶核，在微生物周围就会形成具有胶凝作用的碳酸盐结晶，微生物死亡并嵌入结晶体中。垃圾焚烧飞灰富含内源钙及重金属离子，为矿化作用提供阳离子，同时矿化作用完成可降低垃圾焚烧飞灰的浸出毒性；垃圾焚烧飞灰浸出液呈碱性，可促进矿化作用的进行，更有利于碳酸盐的生成和结晶。
本发明的实施例如下：
实施例1
步骤1)配制培养基
配制培养基(培养基成分如表1所示)，在121℃高温，103kPa高压，灭菌20min，静置至室温，在超净台上将巴氏生孢八叠球菌Sporosarcian pasteurii(购自中国普通微生物菌种保藏中心，编号为cgmcc 1.3687)按1％(v/v)接种量接种至装有培养基的三角瓶中，在30℃温度和220r/min摇床上振荡培养46h。
表1培养基成分
菌液OD600值的测量
菌液浓度用OD600值来表示，其值采用紫外分光光度计来测量。取1mL经摇床经摇床培养好的菌液(保证对菌液的操作是在无菌环境中完成，避免污染菌液)，并立即注射到培养管中。每次取样2μL至紫外分光光度计测量其OD600值，当OD600值到达0.02～0.07时，可认为该菌液具有较高较合适浓度，具备团聚化垃圾焚烧飞灰的能力。本实施例菌种的OD600值具体是0.05，然后进行下一步骤。
步骤2)将步骤1)配制得到的菌液取200mL和1kg垃圾焚烧飞灰混合搅拌均匀，平铺于0.5cm厚的PVC塑料平板上，平铺厚度为1.5cm，静置12h后进行下一步骤。
步骤3)在步骤2)中得到的垃圾焚烧飞灰平铺层上均匀喷淋1.0mol/L尿素溶液200mL，喷淋采用小型喷雾壶(200mL)，7d后即获得团聚化后垃圾焚烧飞灰。作业温度为18℃～20℃。
颗粒级配：取出团聚化垃圾焚烧飞灰，自然风干，对团聚化后垃圾焚烧飞灰按照《水泥细度检验方法筛析法》(GBT1345-2005)进行颗粒分析实验。团聚化前后大于80μm的筛余量如图2所示。
表面微观：分别取团聚化前后垃圾焚烧飞灰试样少量做SEM，观察结果如图3、图4所示，在相同放大倍数(×5000)下，团聚化后垃圾焚烧飞灰颗粒粒径明显大于团聚化前，且团聚化后垃圾焚烧飞灰表面有晶体生成。
实施例2
步骤1)配制培养基
配制培养基(培养基成分如表1所示)，在121℃高温，103kPa高压，灭菌15min，静置至室温，在超净台上将南极生孢八叠球菌Sporosarcina antarctica(购自中国普通微生物菌种保藏中心，编号为cgmcc 1.6503)按1％(v/v)接种量接种至装有培养基的三角瓶中，在20℃温度和240r/min摇床上振荡培养24h。
表1培养基成分
菌液OD600值的测量
菌液浓度用OD600值来表示，其值采用紫外分光光度计来测量。取1mL经摇床经摇床培养好的菌液(保证对菌液的操作是在无菌环境中完成，避免污染菌液)，并立即注射到培养管中。每次取样2μL至紫外分光光度计测量其OD600值，当OD600值到达0.02～0.07时，可认为该菌液具有较高较合适浓度，具备团聚化垃圾焚烧飞灰的能力。本实施例菌种的OD600值具体是0.02，然后进行下一步骤。
步骤2)将步骤1)配制得到的菌液取300mL和1kg垃圾焚烧飞灰混合搅拌均匀，平铺于0.5cm厚的PVC塑料平板上，平铺厚度为1.0cm，静置8h后进行下一步骤。
步骤3)在步骤2)中得到的垃圾焚烧飞灰平铺层上均匀喷淋1.5mol/L尿素溶液300mL，喷淋采用小型喷雾壶(200mL)，5d后即获得团聚化后垃圾焚烧飞灰。作业温度为10℃～12℃。
处理前后垃圾焚烧飞灰颗粒粒径筛余量对比，处理前垃圾焚烧飞灰颗粒SEM图和处理后垃圾焚烧飞灰颗粒SEM图与实施例1相差不大。
实施例3
步骤1)配制培养基
配制培养基(培养基成分如表1所示)，在121℃高温，103kPa高压，灭菌20min，静置至室温，在超净台上将迟缓芽孢杆菌Bacillus lentus(购自中国普通微生物菌种保藏中心，编号为cgmcc 1.4082)按1％(v/v)接种量接种至装有培养基的三角瓶中，在35℃温度和180r/min摇床上振荡培养48h。
表1培养基成分
菌液OD600值的测量
菌液浓度用OD600值来表示，其值采用紫外分光光度计来测量。取1mL经摇床经摇床培养好的菌液(保证对菌液的操作是在无菌环境中完成，避免污染菌液)，并立即注射到培养管中。每次取样2μL至紫外分光光度计测量其OD600值，当OD600值到达0.02～0.07时，可认为该菌液具有较高较合适浓度，具备团聚化垃圾焚烧飞灰的能力。本实施例菌种的OD600值具体是0.07，然后进行下一步骤。
步骤2)将步骤1)配制得到的菌液取400mL和1kg垃圾焚烧飞灰混合搅拌均匀，平铺于0.5cm厚的PVC塑料平板上，平铺厚度为3.0cm，静置12h后进行下一步骤。
步骤3)在步骤2)中得到的垃圾焚烧飞灰平铺层上均匀喷淋0.5mol/L尿素溶液400mL，喷淋采用小型喷雾壶(200mL)，5d后即获得团聚化后垃圾焚烧飞灰。作业温度为28℃～30℃。
处理前后垃圾焚烧飞灰颗粒粒径筛余量对比，处理前垃圾焚烧飞灰颗粒SEM图和处理后垃圾焚烧飞灰颗粒SEM图与实施例1相差不大。

Claims (4)

1.一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤1)配制培养基：将蛋白胨、肉浸膏、尿素以4～6：2～4：15～25的质量比置于相比蛋白胨200质量倍量的蒸馏水中配制培养基，在121℃高温，103kPa高压，在15～20min灭菌后，将具有矿化作用的菌种接种至培养基中，然后在20～35℃温度和180～240r/min摇床上进行振荡培养24～48h，至菌液完全浑浊，培养基中菌种的OD600值在0.02～0.07之间；
步骤2)将步骤1)中配制得到的菌液和垃圾焚烧飞灰按液固比200～400mL：1kg比例混合搅拌均匀，平铺于耐腐蚀性平面上，静置8～16h；
步骤3)将步骤2)中得到的垃圾焚烧飞灰平铺层上喷淋0.5～1.5mol/L尿素溶液200～400mL，相对于1kg的垃圾焚烧飞灰，5～7d后，即可获得团聚化后垃圾焚烧飞灰；
步骤1)中所述具有矿化作用的菌种为南极生孢八叠球菌Sporosarcina antarctica、韩国芽孢八叠球菌Sporosarcina koreensis或缓慢芽孢杆菌Bacillus lentus。
2.根据权利要求1所述的一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法，其特征在于：步骤2)中所述垃圾焚烧飞灰平铺于耐腐蚀性平面上的层厚度为1～3cm。
3.根据权利要求1所述的一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法，其特征在于：步骤3)中所述喷淋速率为40～60mL/min，半径为2～4m。
4.根据权利要求1所述的一种利用微生物矿化作用实现垃圾焚烧飞灰团聚化的方法，其特征在于：步骤3)中作业温度为10℃～30℃。
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