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MICP微生物优选及其对垃圾焚烧飞灰稳定化的效果研究

MICP微生物优选及其对垃圾焚烧飞灰稳定化的效果研究

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作者：丁晓青浙江理工大学

学位级别：硕士

生活垃圾焚烧处理因减量化显著而得到重视,由此产生大量的生活垃圾焚烧飞灰,我国目前年产飞灰约220～370万吨/年,飞灰因含多种重金属及二噁英等有毒物质而被列为危险废弃物,必须经过固化/稳定化处理后才能进行安全处置或资源化利用。目... 详细信息

生活垃圾焚烧处理因减量化显著而得到重视,由此产生大量的生活垃圾焚烧飞灰,我国目前年产飞灰约220～370万吨/年,飞灰因含多种重金属及二噁英等有毒物质而被列为危险废弃物,必须经过固化/稳定化处理后才能进行安全处置或资源化利用。目前常用的固化/稳定化方法有水泥固化法、高温熔融稳定法、化学药剂稳定法等,但存在增容大、成本高、二次污染等问题。微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbial Induced Calcite Precipitation,MICP)广泛存在于自然界中,因机理简单、成本低、快速高效和环境友好受到了土木工作者的关注,应用于砂土固化、古建筑修复、土壤污染治理等领域。本文在国家自然科学基金面上项目(5157081460)的资助下,将MICP用于高污染性的垃圾焚烧飞灰进行固化/稳定化处理。首先从花坛土壤中进行了脲酶微生物的分离和鉴定,基于各微生物的生化特性测试以及固化/稳定化飞灰的环境土工特性测试,通过熵值法评价模型确定了固化/稳定化飞灰的最佳微生物种类,接着开展了多因素条件下的MICP固化/稳定化垃圾焚烧飞灰的试验,研究了菌液浓度、养护条件、孔隙比、液固比四类因素对飞灰固化/稳定化效果的影响,分别通过熵值法和内梅罗指数法评价模型确定了利用MICP技术固化和稳定化飞灰的最优条件,最后对固化/稳定化飞灰试样进行微观测试,探讨了MICP技术固化和稳定化飞灰的机理。本文主要获得以下结论:(1)产脲酶微生物分离及优选。从土壤中分离出多种脲酶菌并对其中5个优势菌种进行了基因鉴定,分别为Sphingobacterium multivorum(UR-G53)、Raoultella ornithinolytica(UR-A51)、Bacillus aryabhattai(UR-429)、Ensifer adhaerens(UR-UA)和Pseudomonas putida(UR-422);测试了5种脲酶菌的生化特性(脲酶活性、菌液pH、胞外多糖),以及固化/稳定化飞灰的土工特性(无侧限抗压强度、颗分曲线)和环境特性(金属浸出浓度),考虑到巴氏芽孢杆菌被广泛应用于MICP研究中,同时对巴氏芽孢杆菌开展了上述试验。根据上述生化、土工和环境测试结果,基于熵值法建立了微生物性能评价模型,发现固化/稳定化垃圾焚烧飞灰的最优微生物种类为UR-UA。(2)MICP固化和稳定化垃圾焚烧飞灰的最优条件。利用UR-UA开展了菌液浓度、养护条件、孔隙比、液固比等因素对飞灰固化/稳定化效果的影响试验,试验表明:随着菌液浓度的增大,垃圾焚烧飞灰的固化效果先增强后减弱,存在最佳菌液浓度(14.92×10～7cells/mL),稳定化效果(即重金属浸出浓度)变化不显著;在恒温恒湿(温度20±0.5℃、湿度>95%)养护条件下,飞灰的固化/稳定化效果均优于自然养护条件;随着孔隙比的增大,垃圾焚烧飞灰的固化效果逐渐弱化,而稳定化效果则逐渐增强;随着液固比的增大,垃圾焚烧飞灰的固化效果逐渐增强,稳定化效果无明显变化规律。根据上述试验结果,基于熵值法,建立了以固化飞灰的颗粒级配、比重、渗透性和抗压强度为评价指标的飞灰固化效果评价模型,确定了利用MICP对飞灰进行固化处理的最优条件为菌液浓度14.92×10～7cells/mL、孔隙比0.552、液固比0.15、恒温恒湿养护;基于内梅罗指数法,建立了以稳定化飞灰的重金属浸出浓度为评价指标的飞灰稳定化效果评价模型,确定了利用MICP对飞灰进行稳定化处理的最优条件为菌液浓度22.09×10～7cells/mL、孔隙比0.939、液固比0.1、恒温恒湿养护。(3)MICP固化/稳定化垃圾焚烧飞灰的机理分析。通过对固化/稳定化飞灰试样进行SEM-EDS测试,结合飞灰固化/稳定化试验结果,对MICP固化和稳定化垃圾焚烧飞灰的机理分别进行了分析。固化机理主要有:飞灰的火山灰反应产物(水化硅酸钙等)和MICP生成的碳酸钙等产物沉淀在飞灰颗粒表面,或将多个飞灰颗粒胶结成团,或填充飞灰颗粒间的孔隙,从而导致固化飞灰的颗粒增粗、抗压强度增大;稳定化机理主要为:a)碳酸盐沉淀作用,重金属离子与碳酸根离子结合生成碳酸盐沉淀;b)物理封存作用,生成的胶结物质在包裹飞灰颗粒的同时将吸附在飞灰表面的重金属也一起封闭,从而使重金属不易浸出。

关键词：微生物诱导碳酸盐沉淀生活垃圾焚烧飞灰固化/稳定化微生物种类优选环境土工特性

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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

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...

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作者：郑浩浙江理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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