果蔬加工固体废物资源化研究

陈艺敏，陈建发



果蔬加工固体废物资源化研究

陈艺敏1,2，陈建发1,2

（1. 漳州职业技术学院 食品工程系，福建 漳州 363000； 2. 福建省高职院校精细化工应用技术协同中心，福建 漳州 363000）

某生产冻干果蔬的企业在生产过程中产生大量含木质纤维素的固体废物，利用纤维素吸附能力可以治理工业废水，达到以废治废，废物资源化的目的。利用固体废弃物在室温下吸附废水中的六价铬、铜离子和亚甲基蓝，去除率可以达到88%，66.8%和75.1%。因此，可将其作为工业废水的预处理措施，减轻后续处理的负担。

果蔬废弃物；吸附；以废治废；废物资源化

随着我国工业的迅速发展，工业废水的产生量逐年上升，如果不加以处理直接排放会对我国的生态环境和人民身体健康产生重大的影响。废水中的六价铬主要来自铬矿石加工、金属表面处理、皮革鞣制、印染等行业，具有强毒性，为致癌物质，易被人体吸收而在体内蓄积。水中的铜离子主要来自电镀、冶炼、矿山开采、石油化工等行业，过量的铜离子不仅会影响水中生物的生长和繁殖还会危害人体健康。亚甲基蓝主要来自印染行业，浓度过高会影响水的色度、浊度，并影响水生生态环境。这些物质在废水处理过程中很难被生物降解，一般采用吸附法进行处理[1-3]。常用的活性炭吸附剂由于价格昂贵，在实际运用中受到了很大的限制。国内外学者研究发现生物质材料对重金属离子、亚甲基蓝等具有较强的吸附能力，经过改性后吸附效果更好[4-6]。

食品工业是关系国计民生的基础性产业，仅福建省食品工业的总产值超过2 000亿元[7]。食品加工行业每年产生大量的农林废弃物，这些固体废弃物富含木质纤维素资源如纤维素、半纤维素、木质素等，可作为优质吸附剂，运用于污水的处理[8]。植物类的固体废弃物干燥后具有可燃性可作为能源使用，但绝大多数是作为一般垃圾处理，造成了资源的浪费。本研究利用某生产冻干果蔬的企业在生产过程中产生的固体废弃物，处理工业废水中的六价铬、铜离子和亚甲基蓝，探索固体废物资源化发展道路，以达到“以废治废”的目的，促进生态环境的可持续发展。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验所用吸附剂来自某生产冻干果蔬的企业。企业生产所用的水果和蔬菜在筛选、清洗、去皮过程中产生大量的果皮、菜叶等固体废弃物，经压榨脱水后运往垃圾填埋场处理。实验取脱水后的固体废弃物，放入干燥箱干燥至恒重后备用。果蔬类废弃物富含纤维素，经高温活化后，纤维素表面布满微孔，表面积增大，具备吸附能力。

测量水中六价铬所需实验药品：二苯基碳酰二肼、重铬酸钾、硫酸、磷酸等均为分析纯。

测量水中铜离子所需实验药品：柠檬酸铵、氨水、双环己酮草酰二腙（BCO）、乙醇、硝酸等均为分析纯，以及纯铜。

测量水中亚甲基蓝实验药品：亚甲基蓝。

仪器：紫外可见分光光度计，pH计，数显鼓风干燥箱。

1.2 实验原理

测量水中六价铬采用二苯碳酰二肼分光光度法，在酸性介质中，六价铬与二苯碳酰二肼反应，生成紫红色的络合物，于540nm波长处测定吸光度。测量铜离子采用BCO光度法，铜（Ⅱ）离子与BCO在碱性溶液中生成蓝色络合物，于600nm波长处测吸光度。测量亚甲基蓝采用分光光度法，于664nm波长处测吸光度。

1.3 计算公式

式中：C0和Ct分别代表Cr(VI)溶液的初始溶液浓度和t 时刻的浓度，单位mg/L；V 为实验移取的溶液体积，单位L；M为吸附剂用量，单位g。

Lagergren准一级动力学模型和准二级动力学模型：

式中：q和q分别为吸附平衡时和时间吸附剂的吸附量，单位mg/g；K是准一级吸附速率常数，min-1；K是准二级吸附速率常数，g/mg·min。

2 结果与讨论

2.1 吸附水中六价铬

2.1.1吸附剂对六价铬的吸附

已有研究[9]发现利用生物质吸附剂吸附六价铬时，受到溶液酸碱度的影响较大，酸性溶液为吸附六价铬的有利条件。取100 mL，4 mg/L的六价铬溶液，分别加入3个锥形瓶中，调节废水的pH值分别为2、4和6.4，加入0.4 g吸附剂，进行实验。结果得到吸附剂对六价铬的去除率为90%、88%和66%，吸附量为0.90、0.88 和0.66 mg/g。可见，将废水的酸碱度调到弱酸性可以大大提高对六价铬的吸附能力，但酸性太强对吸附能力的提高影响不大反而会造成水体的污染。因此在实际运用中，可调节pH=4，在室温下进行吸附。

吸附剂对溶液中六价铬的吸附量和去除率随时间的变化如图1所示。可以发现，吸附剂对六价铬的吸附量和去除率均随着时间的增加而增大，前1个 h吸附速度较快，2 h后吸附速度明显变慢，并逐渐接近平衡。

图1 Cr(IV)吸附量和去除率随时间变化

2.1.2吸附动力学

根据实验结果拟合得到准一级动力学模型：= -0.003 8X-0.079 5，R=0.967 3；准二级动力学模型为：= 0.978 5X+51.388，R=0.996 8。可见，果蔬废弃物对六价铬的吸附过程更符合准二级动力学模型（图2），计算得到理论的吸附量q=1.02mg/g，准二级吸附速率常数K=0.018 7 g/mg·min。

图2 准二级动力学吸附模型

2.2 吸附水中铜离子

2.2.1吸附剂对铜离子的吸附

溶液的酸碱度对生物质吸附剂吸附铜离子的影响较大。实验取100 ml，20 mg/L的六价铬溶液，分别加入3个锥形瓶中，分别调节废水的pH值为2、6.4和8，加入0.4g吸附剂，进行实验。结果得到吸附剂对铜离子的去除率为59.5%、66.8%和77.7%，吸附量为2.97、3.34和3.88mg/g。在碱性溶液中，Cu(II)主要以Cu(OH)2形式沉淀，使得溶液中的铜离子减少。由于pH=6.4接近一般污水的酸碱度，在实际运用中不需要在吸附过程中添加化学药品，既经济又环保。因此在实际运用中，可不调节pH值，在室温下进行吸附。

吸附剂对溶液中铜离子的吸附量和去除率随时间的变化如图3所示。可以发现，吸附剂对铜离子的吸附量和去除率均随着时间的增加而增大，前0.5 h吸附速度较快，1 h后吸附速度明显变慢，并逐渐接近平衡。

图3 Cu(II)吸附量和去除率随时间变化

2.2.2吸附动力学

根据铜离子吸附量随时间变化的实验结果拟合动力学模型。得到准一级动力学模型：= -0.003 9X+0.2829，R=0.731 8；准二级动力学模型为：=0.271 2X+3.885 5，R=0.992 3。可见，果蔬废弃物对水中铜离子的吸附过程更符合准二级动力学模型（图4），计算得到理论的吸附量q=3.66mg/g，准二级吸附速率常数K=0.019 2g/mg·min。

图4 准二级动力学吸附模型

2.3 吸附水中亚甲基蓝

2.3.1吸附剂对亚甲基蓝的吸附

由于吸附剂对亚甲基蓝的吸附受溶液pH值的影响，有研究发现pH在5~7时吸附效果最好。[8]取100ml，20 mg/L的亚甲基蓝溶液，分别加入3个锥形瓶中，分别调节废水的pH=4、6.4和10，加入0.4g吸附剂，进行实验。结果得到吸附剂对亚甲基蓝的去除率分别为73.9%、75.1%和69.4%，吸附量为3.70mg/g 、3.75 和3.47。考虑pH=6.4接近正常污水的酸碱度，因此实际操作中可不调节pH值，在室温下进行吸附实验。

吸附剂对溶液中铜离子的吸附量和去除率随时间的变化如图5所示。可以发现，吸附剂对铜离子的吸附量和去除率均随着时间的增加而增大，前0.5 h吸附速度较快，1 h后吸附速度明显变慢，并逐渐接近平衡。

图5 亚甲基蓝吸附量和去除率随时间变化

2.3.2吸附动力学

根据亚甲基蓝吸附量随时间变化的实验结果拟合动力学模型。得到准一级动力学模型：= -0.003 4+0.563 1，R=0.964 5；准二级动力学模型为：= 0.223 6+7.711 2，R=0.998 4。可见，果蔬废弃物对水中亚甲基蓝的吸附过程更符合准二级动力学模型（图6），计算得到理论的吸附量q=4.47mg/g，准二级吸附速率常数K=0.006 5g/mg·min。

图6 准二级动力学吸附模型

3 结语

利用某冻干果蔬生产企业产生的固体废物来处理含六价铬离子、铜离子和亚甲基蓝的废水，达到以废治废，废物资源化的目的。为方便实际操作，固体废物在干燥后即作为吸附剂使用，里面含有杂质，容易堵塞吸附孔隙，导致吸附能力下降。吸附条件选择在室温条件下，且溶液的pH值近可能接近实际废水的酸碱度来进行实验，使得实验结果更具实际参考价值。

结果发现当pH=4时，吸附剂对六价铬离子的吸附量为0.88 mg/g，去除率为88%。当pH=6.4时，吸附剂对铜离子的吸附量为3.34 mg/g，去除率为66.8%，对亚甲基蓝的吸附量为3.75 mg/g，去除率为75.1%。吸附剂对三种污染物的吸附过程更符合准二级动力学方程。

可见，果蔬类固体废物对六价铬离子、铜离子和亚甲基蓝有较好的吸附作用，可以作为工业废水处理的预处理，能够大大减轻后续污水处理的负担，保证出水稳定。

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（责任编辑：黄文丽）

Research on the Reclamation of Solid Wastes from Fruit and Vegetable Processing

CHEN Yi-min1,2, CHEN Jian-fa1,2

(1. Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou, Fujian, 363000, China; 2. Fujian Fine Chemicals Application Technology Cooperation Center in Vocational Colleges, Zhangzhou, Fujian, 363000, China)

A large number of solid wastes containing lignocellulose are produced in the process from an enterprise producing freeze-dried fruits and vegetables. The adsorption capability of cellulose can be applied to treat industrial wastewater, in order to achieve the purposes of treat waste with waste and reclamation of wastes. The solid waste is used to adsorb hexavalent chromium, copper ion and methylene blue in wastewater at room temperature, and the removal rates reach 88% 66.8% and 75.1% respectively. Therefore, the solid wastes can be used to pretreat industrial wastewater and lighten the burden of subsequent treatment as well.

fruit and vegetable wastes; adsorption; treat waste with waste; reclamation of wastes

2018－09－10

福建省自然科学基金（2015J01356）。

陈艺敏（1979—），女，福建漳州人，讲师，硕士，研究方向：环境污染治理、污水处理。

1673-1417（2018）04-0079-06

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2018.04.0016

X705

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