摘 要：餐厨垃圾发酵产生的大量酸性发酵液可淋洗去除土壤重金属。为增加餐厨垃圾发酵液中的挥发性有机酸产量， 并探讨发酵液淋洗去除土壤重金属的效果，研究了控制pH、添加酵母菌和醋酸菌以及预处理3种手段对发酵过程产酸 的影响。结果表明：添加酵母菌和醋酸菌可有效提高乙酸的产量，添加 5% 时乙酸产量为 7.32 g · L-1，添加 10% 时为 15.06 g · L-1；持续调控pH为6.00和碱预处理可增加发酵液中乙酸的比例。在5种预处理条件下，碱预处理对反应的促 进作用最大，乙酸产量可提高到18.29 g · L-1。小型批实验中，采用最佳预处理条件发酵液对土壤重金属进行去除，Cd 去除率为 92.9%、Cu 去除率为 78.8%、Pb 去除率为 34.5%、Zn 去除率为 52.2%、Ni 去除率为 61.2%。在柱淋洗实验中， 发现 Cd、Cu、Zn、Ni的去除效果较好，Pb的去除效果稍差。发酵液的重金属淋洗效果相比醋酸提高了 20%~52%。有 机酸发酵液是一种具有应用前景的土壤重金属淋洗剂。
关键词 土壤重金属；土壤淋洗；发酵液；重金属淋洗剂；有机酸
我国对餐厨垃圾的处理问题直到近几年才引起广泛关注。2015年，我国城市垃圾产生量达1.86 × 108 t，其中餐厨垃圾占 37% ~ 62%，可见其已成为影响城市健康绿色发展不可忽视的顽疾之一[1]。餐厨 垃圾厌氧发酵仍是目前的主流处理技术，垃圾中的淀粉、油脂和蛋白质等在厌氧条件下首先水解，随 后在酶的作用下变成丙酮酸，丙酮酸进一步转化为乙醇或甲烷[2]，从而实现无害化和资源化的目的。 但是，有研究发现，由于发酵体系中酸性物质的积累，导致发酵液pH较低，从而抑制了产甲烷菌的活 性，使甲烷的产率较低，限制了该技术的大规模应用[3]。同时，随着排放标准的提高，厌氧发酵产生 的大量发酵液亦急需有效处理，也使得该技术面临较大挑战[4]。
餐厨垃圾发酵液表观颜色呈棕黄色，为酸性、高悬浮物、高浓度有机废液，氮磷含量高，碳氮比 高。李梦琪等[5] 发现，发酵液中金属元素和无机阴离子以 K+、Na+、Cl-、SO42- 等食品中常见的离子为 主。有机垃圾发酵废液中的有机物种类以芳香族蛋白质类似物质为主，约占有机物含量的80%，挥发 性有机物质中以挥发酸及醇类物质为主。目前，此类发酵液往往采用生化处理达标后排放。由于发酵 液中含有较多的小分子有机物和无机离子，具有资源利用的可能。如何开发利用其中的有效资源，逐渐成为近几年关注的热点问题。
程喆等[6] 发现，以发酵液中小分子物质作为碳源，可有效提高污水处理反硝化段中的C/N比，提高 反硝化效率[7]。DACERA 等[8] 认为发酵液具有弱酸性，是天然螯合剂，可把重金属从土壤中转移出来。 同时，发酵液中的某些成分具有氧化还原性，可改变重金属的存在形态，降低其生态毒性。餐厨垃圾 发酵产生的有机酸对重金属Cd有一定的络合效果，同时发酵液中的有机质和钾、钙元素，可改变土壤 的理化性质、提高肥力[9]。由于传统的螯合剂、无机酸和表面活性剂成本较高，发酵液用于替代传统 的有机酸淋洗剂具有可行性。
为进一步提高有机酸发酵液中的乙酸含量，本研究采用预处理和外加菌种的手段提高发酵液中的 挥发性脂肪酸(VFA)含量。采用实验室批实验和土柱模拟实验研究了发酵液对土壤中 5 种典型重金属 Cd、Cu、Pb、Zn、Ni的淋洗效果，为后续的发酵液淋洗重金属工艺选择提供基础。
1.材料与方法
1.1 实验原料
餐厨垃圾；安琪高活性干酵母(固体，湖北安琪酵母股份有限公司)；沪酿 1.01号醋酸菌(固体，上 海佳民酿造食品有限公司酿造一厂)；5种重金属盐：Cd、Cu、Pb、Zn、Ni；HCl、NaOH、HNO3、HF、 HClO4均为分析纯。
1.2 实验装置
电搅拌机；恒温水浴锅；离心机；气相色谱仪 Agilent 6890N(FID氢火焰离子化检测器，美国安捷 伦公司)；COD消解仪；pH计(PHS-3C，上海雷磁)；马弗炉；精密分析天平；电感耦合等离子发射光谱 仪Agilent 72OES。
1.3 餐厨垃圾有机酸发酵液制备
实验发酵所用餐厨垃圾取自上海市某学校食堂，该餐厨垃圾包含米饭、蔬菜、肉、蛋等，经过简 单压榨，人工剔除骨头、纸张、塑料等杂质，置于4 ℃环境下防止预酸化。与自来水按重量1∶1混合 并用电搅拌机搅碎，得到餐厨垃圾浆液后备用。该餐厨垃圾的基本理化性质见表1。
餐厨垃圾厌氧发酵在实验室自制的厌氧反应装置中进行。取 200 mL 餐厨垃圾浆液于 250 mL 锥形 瓶中，置于35 ℃恒温水浴锅中进行厌氧发酵，搅拌。发酵过程中记录发酵液酸碱度变化，并定时取样测 定挥发性脂肪酸(VFAs)的含量。每次取样后用N2排除氧气以保证体系的厌氧环境。发酵液样品以4 000 r · min-1 离心10 min，取上清液稀释过0.45 μm滤膜后测定VFA含量。
实验选择 5种预处理方式，分别为酸、碱、超声、热、热碱预处理，操作步骤如下：酸碱预处理 是在不断搅拌的条件下，分别采用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH为3.0和9.0，并在室温下静置24 h；超 声处理是采用超声波细胞粉碎机(20 kHz)超声 30 min；热处理是将反应器置入 80 ℃恒温水浴锅中加热 30 min；热碱处理是综合酸碱处理和热处理过程[10]。菌剂添加量根据菌剂与餐厨垃圾干基的质量比进 行计算。实验设计如表2所示。
1.4 土壤淋洗
为研究土壤中多种类型的重金属淋洗效果，本实验针对Cd、Cu、Pb、Zn、Ni 5种典型重金属，采 用模拟方法进行污染土壤的制备。空白土壤选自上海市桃浦区某污染工业地块附近的森林表层土，其未受污染且土壤结构性质与污染土类似，可用于本实验中的土壤模拟。土壤采样深度为 0~20 cm，土 样经自然风干后，剔除植物残体和石块，压碎，过 2 mm(10 目)尼龙筛备用。将 Cd(NO3)2、Cu(NO3)2、 Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Ni(NO3)2配成混合溶液，取 20 L加入干净 20 kg园林土壤中进行浸泡，置于室外自 然风干，稳定60 d以上。监测土壤含水率，待含水率低于50%时视为稳定。收集模拟土壤，破碎筛分 后备用，Pb、Ni、Cu等重金属浓度参照上海市桃浦区某一实际污染地块确定，Cd和 Zn的浓度参照相 关研究确定[9]。模拟完成的土壤基本性质如表3所示。
小型批实验：小型批实验是初步确定淋洗效果而在实验室进行的小试实验。取 1 g土壤于一系列 50 mL离心管中，根据1∶50的固液比，向离心管内分别加入发酵时间为9 d的有机酸发酵液，将上述 离心管置于 BS-S空气浴恒温振荡器中，控制温度为 30 ℃，以 150 r · min-1 的速度振荡。取出离心管置 于离心机中以4 000 r · min-1 速率离心10 min，上清液过0.45 μm滤膜，待消解。
淋洗柱实验：选取内径为 6 cm、外径 7 cm、高 50 cm的 PVC管作为淋洗土柱，在土柱底部放一层 定性滤纸，上层装入高约3 cm的鹅卵石，下层鹅卵石粒度稍大于上层，后装入500 g土样(需考虑土壤 紧实度)。土壤高约 30 cm。用成熟发酵液(发酵 10 d)按最大速率进行淋洗，同时与实验室配置的相同 pH的醋酸对比。淋洗柱上开有小孔，位置在土壤中间高度部分(平时用橡胶塞塞住)，每次取样用镊子 在柱中相同位置取约1 g土壤，装在小容器中，等待烘干后测量。实验装置如图1所示。
1.5 分析方法
挥发性脂肪酸采用气相色谱法(Agilent 6890N)测定，色谱柱为DB-WAX-etr极性柱(30.0 m×0.53 mm× 1.00 μm)；浸出液和土壤中的重金属预先消解，采用电感耦合等离子发射光谱仪(Agilent 72OES)进行分 析。所有数据进行3次重复实验，采用SPSS 21.0进行平均值计算(P<0.05)和统计学分析。
2.结果与讨论
2.1 餐厨垃圾厌氧发酵
餐厨垃圾厌氧发酵经历了 3 个主要过程。在厌氧状 态下，有机物首先逐渐降解为小分子物质，其间产生挥 发性有机酸。据研究[11]，发酵液中的乙酸含量占 90% 以 上。由图2可以看出，在无其他变量发酵的情况下，餐厨 垃圾厌氧发酵液酸化，乙酸产量逐渐增多至 4.6 g · L-1。 随着时间的变化，乙酸的含量逐渐增多至平缓。由于酸 性物质的积累，pH 也随着发酵过程的进行由 6.3 迅速降 低到 3.5，后来随着发酵过程的进行逐渐降到 3.2，从而 达到稳定。发酵液酸性的稳定使发酵液成分可控，为发 酵液的工程应用提供了可能。
如图2所示，餐厨垃圾中添加酵母菌和醋酸菌可以有效提高VFAs和乙酸的含量。当添加质量分数 为 5% 和 10% 的醋酸菌和酵母菌混合物时，10 d 内乙酸含量增加到 7.32 g · L-1和 15.06 g · L-1。这是因 为，一方面，由于醋酸菌和酵母菌主要作用是氧化葡萄糖为葡萄糖酸，菌粉的加入有效提高了发酵体 系中的活性微生物含量，从而提高了乙酸的产量[12]。另一方面，醋酸菌亦能氧化酒精生成醋酸，促进 了发酵过程中酒精的转化。大量醋酸菌和酵母菌的加入也抑制了产甲烷菌的活性，减少了乙酸向甲烷 的转化。研究[13] 发现添加酵母菌和醋酸菌都能有效提高乙酸的含量，同时加入2种菌种可使乙酸产量 增加1倍。反应过程中，持续调控pH为6.0，可增加乙酸的比例，因为pH的调控使得有机酸可迅速转 化为盐，促进了反应正向进行。
为了进一步提高酸性物质的含量，比较了酸、碱、水浴热、超声以及热碱预处理方法对后续产乙 酸的影响，结果如表 3所示。酸、碱预处理都可以大幅度增加发酵产物中乙酸的含量，主要是因为酸 碱促进了大分子的水解，加快了葡萄糖向丙酮酸的转化，从而增加了乙酸的产量[4]。水浴加热和超声 处理可一定程度上增加乙酸含量。其原因在于超声波的高振荡及其产生的空化效应可以破坏发酵底物 细胞壁的维持力，同时释放出细胞内容物[14]，但是超声效果不如酸碱预处理明显，同时超声不适合工 程放大和应用。虽然水浴加热也可促进大分子转化，但水浴加热预处理的同时使微生物灭活，从而抑 制了微生物的增长和活性，减弱了反应效果[15]。
从以上分析来看，餐厨垃圾发酵时，碱预处理同时加入少量的酵母菌和醋酸菌，可大幅度提高乙 酸的产量，从而提高发酵液中的有机酸含量。碱处理中的 OH- 除了能破坏有机垃圾的絮体结构外，碱 性环境还能够使微生物的胞外聚合物(EPS)物质带负电荷，破坏微生物的细胞壁及细胞膜，加速EPS中 可溶性蛋白质和多糖发生溶解，导致细胞裂解，最后使餐厨垃圾大分子物质分解成小分子物质，为酸 化细菌提供了酸化基质；同时碱性环境可抑制产甲烷菌的活性，降低产甲烷菌对挥发性脂肪酸的消耗， 使得发酵液中VFAs和乙酸的积累要多于其他环境条件[16-18]。在工程上来说，碱性物质可通过简单地调 节pH来实现，易于操作运行。因此，工程上可选用热碱预处理发酵产生的发酵液作为淋洗液，提高处 理效果。
2.2 淋洗批实验
选择VFA产量较高的碱预处理发酵液(实验6)，采取小型实验研究淋洗液对土壤中重金属的去除效 果，同时以相同浓度的乙酸溶液和去离子水作对比，结果如图 3所示。去离子水、发酵液、乙酸都可 以一定程度上去除5种重金属，去离子水主要针对水溶态重 金属。本实验中可分别去除 38.8% 的 Cd、23.4% 的 Cu、 9.3%的Pb、3.5%的Zn和19.4%的Ni。当使用纯乙酸作为淋 洗液时，对重金属的去除进一步增加，主要是因为乙酸可 以部分去除酸溶态的重金属物质，同时乙酸中的羟基物质 提供了大量的结合位点，可大量络合重金属[19]。相比之下， 有机物发酵液大幅增加重金属的淋洗，其中 Cd 提高到 92.9%、 Cu 提 高 到 78.8%、 Pb 提 高 到 34.5%、 Zn 提 高 到 52.2%、Ni提高到 61.2%，等于甚至大于去离子水和乙酸的 总和。类似结果也见于其他研究，如LIU等[20] 发现醋酸混合 液和EDTA极易洗脱土壤中的Cu，但EDTA的成本较高。由 于发酵液中含有众多的有机酸物质，包括氨基酸、葡萄糖 酸、乙酸丙酸和腐殖质等，此类物质促进了土壤中水溶态、 酸溶态、氧化还原态类重金属的溶解，从而提高了化学淋 洗效果[21]。而且，由于发酵液中含有不同的微生物，淋洗过程中也可能存在微生物作用，提高了淋洗 效率[22-23]。
从批实验来看，有机酸发酵液对Cd、Cu、Ni的去除率较好，但对Pb和Zn的去除效果较差。这主 要是因为有机酸发酵液的pH在3.2左右，此时不同重金属的溶解度不同。而且，Pb、Zn较容易形成难 以溶解的残渣态，导致淋洗较为困难，降低了去除率[24]。SCHWAB等[25] 也发现，虽然有机酸可部分结 合土壤中的Pb，但大部分Pb仍然停留在土壤中未被洗脱。
2.3 淋洗柱实验
土柱淋洗实验结果如图4所示。对于5种重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Ni而言，醋酸和发酵液对重金 属都有一定的淋洗去除效果。并且随着时间的延长，去除率逐步升高。醋酸对重金属的去除主要体现 在对土壤中水溶态和酸溶态物质的淋洗。在本实验室中，醋酸分别淋洗去除 23.2%、38.7%、22.45%、 36.2% 和 29.4% 的 Cd、Cu、Pb、Zn与 Ni。陈海凤等[26] 发现醋酸对 Cu和 Zn的去除效果较好，随着醋酸 溶液浓度的增大，其对重金属的淋洗能力呈增强趋势。 虽然有机酸发酵液中的主体成分是乙酸等 VFA组分，但发酵液淋洗效果明显比醋酸好，5种重金 属的淋洗数据都得到了相同的结论。其中，对 Cd、Cu 和 Zn 的淋洗效果较好，8 d 内去除率分别达到57.82%、61.64%和56.78%。这主要是因为Cd和Cu较易被酸性组分淋洗出来，乙酸、丙酸等酸性组分 中的—COOH极易与Cd和Cu进行络合，从而使重金属转化为可淋洗组分转移到淋洗液中。BABEL等[18] 发现发酵液中大量的腐殖酸类物质，也有许多酸性微生物作用，使得发酵液的去除效果优于乙酸溶液。
Ni和Pb在淋洗柱实验中的效果较差，8 d内去除率分别为46.47%和50.37%，可能是2种重金属的 残渣态含量较高。许端平等[27] 研究发现，淋洗解吸过程为非均相扩散过程，有机酸分子中的质子活化 了土壤中的重金属，促使其解吸。由于发酵液中含有较多组分的酸性物质，活化效率高，因而土壤中 重金属的解吸较快。另一方面，发酵液中可形成较多的重金属配体，相比乙酸可淋洗更多的重金属[24]。 相比于批实验，淋洗柱实验中的Ni和Pb效果较差。这主要是因为批实验中土壤颗粒与发酵液的混合较 为均匀，机械振荡强化了液固传质过程。
由实验结果可知，由于土壤淋洗过程需要耗费大量的化学合成试剂，成本较高。有机酸发酵液等 天然有机酸，经过简单预处理后，可应用于土壤淋洗，能够达到废物利用的目的，具有巨大的经济和 环境效益。在实际应用中，工艺过程主要包括挖土及晾土、湿式筛分及破氰、粗粒清洗、细粒淋洗、 净土压滤、淋洗剂处理及预处理、发酵产物压滤、净土回填及外运等。餐厨垃圾等有机废物经过一定 的预处理(如破碎，过滤，干燥)后进入厌氧中温消化过程。针对不同的土壤类型，期间可加入醋酸菌、 酵母菌等特殊菌种以强化有机酸的产量。在消化过程中进行沼气的收集和贮存。在发酵一定时间后， 泵入到板框压滤机(或离心脱水机)中，液体过滤后加入到土壤柱中，以一定的速率进行淋洗去除。最 后，淋洗液通过沉淀的办法，去除重金属，回收利用。
3 结论
1) 餐厨垃圾在自然厌氧发酵过程中，VFAs含量逐渐增大至稳定。微生物菌剂的添加和强加预处理 可显著提高发酵液中乙酸的含量,其中碱预处理和添加菌剂的共同作用效果最好，可使乙酸含量提高到18.29 g · L-1。
2) 餐厨垃圾有机酸发酵液可用于重金属土壤的去除。通过淋洗批实验，土壤重金属的去除效果顺 序为Cd>Cu>Ni>Zn>Pb，效果优于传统无机酸乙酸。在淋洗柱实验中，餐厨垃圾有机酸发酵液8 d内可 分别淋洗去除 57.8% 的 Cd、61.6% 的 Cu、56.7% 的 Zn、46.4% 的 Ni 和 50.3% 的 Pb，具有较好的应用 前景。
原标题：餐厨垃圾有机酸发酵液淋洗去除土壤重金属
