基于微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）的建筑渣土和剩余污泥混合改性方法

作     者：郑浩 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈萍;徐辉

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：微生物诱导碳酸盐沉淀 建筑渣土 剩余污泥 混合改性 环境土工特性 绿化用土 

摘      要：目前建筑渣土和剩余污泥的资源化利用率低,大量的建筑渣土和剩余污泥被粗放式地处置。建筑渣土与剩余污泥进行混合改性处理可改善剩余污泥的土力学性能,增大污泥的透气性能,若能再降低重金属污染负荷,则有望成为再生绿化用土。本文利用微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbial Induced Calcite Precipitation,MICP）技术降低重金属污染,同时提升建筑渣土和剩余污泥的环境土工特性,从而实现建筑渣土和剩余污泥的资源化利用。本文对建筑渣土和剩余污泥及其混合料的环境土工特性进行了系统测试,提出了混合料改性方向;开展了利用MICP技术对五种不同比例的建筑渣土和剩余污泥混合料进行改性的模拟柱试验,监测了 MICP改性过程中混合料剪切波速、脲酶活性和CaCO3含量的变化规律,分析了改性后混合料的环境土工特性,并揭示了 MICP改性过程中混合料强度提高、水力特性变化以及重金属稳定化等机理。主要内容及结论如下:（1）建筑渣土、剩余污泥及其混合料的环境土工特性。建筑渣土试样属于砂质粉土,主要粒径范围较大,含水率较低,强度和渗透系数较大;剩余污泥试样属于高液限黏土,主要粒径范围较小,含水量高,强度和渗透系数较小。随着建筑渣土掺入比例的降低,混合料的渗透系数和内摩擦角减小,持水量和粘聚力增大。当建筑渣土的掺入比例为90%时,混合料的渗透系数能满足《绿化种植土壤标准》的要求。当建筑渣土的掺入比例为70%时,混合料的有机质和电导率EC均满足上述标准要求。不同比例的混合料重金属含量均不满足上述标准要求,需采取措施降低其潜在的重金属污染。（2）MICP改性建筑渣土和剩余污泥混合料模拟柱试验的动态监测结果。在微生物菌液和胶结液灌注完成后的12～20 h,微生物脲酶活性较高,MICP反应较强烈。在微生物菌液和胶结液灌注完成后的10 h内,五种不同比例混合料的剪切波速持续增加,达到一定剪切波速后保持稳定;随着混合料中建筑渣土的掺入比例越高,混合料的最高剪切波速逐渐增大,碳酸钙含量逐渐增加。在微生物菌液和胶结液灌注完成后,模拟柱中碳酸钙含量呈先快速增长后缓慢增长的变化趋势。（3）MICP改性后混合料的环境土工特性。改性后混合料的无侧限抗压强度在66.4～129.7 kPa;相比于相同配比下改性前混合料,改性后混合料的渗透系数和重金属浸出毒性均出现显著降低,持水性能、pH值、有机质含量和电导率EC均有所增大。当混合料中建筑渣土的掺入比例达到90%时,除As和Ni外,改性后混合料的重金属浸出毒性能满足《地下水质量标准》Ⅳ类水和《地表水环境质量标准》V类水的要求。当混合料中建筑渣土的掺入比例小于80%时,有机质含量能满足《绿化种植土壤标准》要求。改性后混合料的电导率EC均不能满足上述标准的要求。基于混合改性模拟柱动态试验结果,推荐较优的建筑渣土和剩余污泥混合比例为80:20,混合料各项指标基本能够满足绿化种植土壤的要求。（4）MICP对建筑渣土和剩余污泥混合料的改性机理。随着碳酸钙含量的增加,混合料的剪切波速呈现明显的线性增大趋势,因此可以通过监测剪切波速间接获得混合料中碳酸钙含量的变化规律。随着碳酸钙含量的增加,饱和渗透系数逐渐减小;这是因为MICP过程生成的碳酸钙晶体充填了混合料颗粒之间的孔隙,降低了混合料的空隙率,从而减小了渗流通道。随着碳酸钙含量的增加,混合料的无侧限抗压强度逐渐增大;这是因为MICP过程一方面通过碳酸钙填充作用减少了混合料的孔隙,使其更加密实,另一方面通过碳酸钙胶结作用增大了颗粒之间的接触面积,增强了颗粒之间的粘结性。此外,MICP过程通过碳酸盐化和物理封闭作用实现对重金属的固定,从而降低混合料的重金属浸出浓度。