论文部分内容阅读
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。