CN109650685A - 基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法 - Google Patents

基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法 Download PDF

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吴帅峰
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宋建正
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Abstract

本发明涉及一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法，所述基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂由巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐制备，所述营养盐包括钙源和尿素。方法为采用拌和的方法掺入到淤泥中，进行养护即可。本发明的有益效果：本发明的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂可明显提高淤泥的抗剪强度，应用该方法能有效降低淤泥中的含水率，固化淤泥土样的无侧限抗压强度均比未固化有明显提高。

Description

基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法
技术领域
本发明属于淤泥处理技术领域，具体涉及一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法。
背景技术
淤泥在辽东湾、渤海湾、黄河三角洲、莱州湾、海州湾及黄河三角洲，江苏沿海、长江三角洲、浙闽港湾及珠江三角洲等地广为分布，仅浙江省河湖库塘淤泥总量达3.50亿m3。改革开放以来，沿海地区水利、围海造田、港口及航道建设工程等越来越多的建设项目也产生了大量淤泥，淤泥抛填废弃需要大量的耕地来堆放和存储，环境污染和浪费耕地问题日益严重，得到了社会各界的广泛关注。通过固化处理来实现大规模淤泥资源化利用，有效控制沉降和保证强度是淤泥相关工程的关键技术之一，重视程度也越来越高。
燃煤发电厂排出的粉煤灰长期大量积压堆放，占用土地，也污染大气和水系，甚至还会对人体和生物造成危害。粉煤灰排放已经成为中国工业固体废物的最大单一污染源；2009年，中国粉煤灰产量达到3.75×108t，体积达到4.24×108m3，然而，对环境危害极大的粉煤灰综合利用率目前实际仅有30％左右。
传统的淤泥强化方法主要利用晾晒、热处理等常规物理方法进行处理，需要较长的周期，成本高；对塑性指数高、有机含量高的淤泥采用水泥、石灰或粉煤灰固化处理，效果也不理想，且水泥固化土的干缩系数和温缩系数较大，易开裂，而石灰固化土的强度增长较慢，易影响施工进度。
微生物具有繁殖迅速、代谢灵活性大的特点，对土的力学及工程学性质也有重要影响。微生物诱导碳酸钙沉积技术具有能耗小、种类多、资源丰富、环境友好等特点。目前国内外主要将微生物成因的碳酸钙作为粘结剂，用于松散砂土中。由于淤泥特殊的化学组成及土力学性质，对于微生物法用于淤泥的固化人们还知之甚少。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法，其具有固化效果较好，操作方便等特点。
本发明的目的是提供一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂。
本发明的再一目的是提供上述基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，所述基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂由巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐制备，所述营养盐包括钙源和尿素。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐在淤泥中的添加量在淤泥中的添加量为：所述巴氏芽孢八叠球菌菌液和粉煤灰在淤泥中的添加量为：所述巴氏芽孢八叠球菌菌液为30-60mL/100cm3，所述粉煤灰为10-30wt％；所述营养盐的添加量为淤泥中含水总量的0.6-0.9mol/L。营养盐的添加量随着淤泥中含水量的不同而变化，若含水总量为0.4L，则营养盐的添加量0.24-0.36mol。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，进一步的，所述营养盐为等摩尔浓度的CaCl2·H2O和尿素的混合溶液。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，进一步的，所述营养盐的添加量为淤泥中含水总量的0.75mol/L。营养盐的添加量随着淤泥中含水量的不同而变化，若含水总量为0.4L，则营养盐的添加量为0.4L×0.75mol/L＝0.3mol。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液通过包括以下步骤的制备工艺制备得到：
(1)培养基的制备：每1.0L水中添加20.0g酵母粉、10.0g硫酸铵和1.0mL氯化镍，混合均匀后将培养基的pH调为8.0-9.0，灭菌后形成待发酵培养基；
(2)菌株培育：在步骤(1)得到的所述待发酵培养基中接入1％-5％的巴氏芽孢八叠球菌种子发酵液，接种完成后，温控30℃，培养24h，形成巴氏芽孢八叠球菌菌液。
试验所用巴氏芽孢八叠球菌菌株为化能异养菌，细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，进一步的，步骤(1)中，所述灭菌为采用高压蒸汽灭菌锅在120℃灭菌20分钟；步骤(2)中，在170r/min的振荡培养箱中进行培养。
优选的，培养基的pH为9.0。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，进一步的，步骤(2)中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液的酶活为1.2，OD600为3.14。酶活越高，经固化剂强化后的淤泥的强度也越高。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，所述方法包括以下步骤：向淤泥中加入基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂进行拌和，搅拌均匀即可。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，进一步的，所述方法包括以下步骤：粉煤灰烘干后，向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液、所述粉煤灰和营养盐进行拌和，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后放保湿缸中养护即可。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，更进一步的，所述养护的时间为28天。在经本发明的固化剂养护后1-2天，固化强度就有良好效果，28天后的固化效果更好。
根据本发明的具体实施方式的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，更进一步的，所述保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。推广应用时可不必养护，自然条件下就有良好强化效果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂可明显提高淤泥的抗剪强度，应用该方法能有效降低淤泥中的含水率，固化淤泥土样的无侧限抗压强度均比未固化有明显提高；
(2)传统的灌注法和泵送法进行淤泥和粉煤灰的微生物固化往往有显著的不均匀性，而采用拌合法制备试样在有效保证菌液活性前提下，能明显提高菌液和营养盐在土样中空间分布的均匀性，更有利于诱导碳酸钙的生成，制样有明显的优势，操作方便；
(3)长期以来，淤泥大多以抛填废弃为主，利用该技术进行淤泥固化处理对淤泥的资源化利用有重要现实意义；
(4)该技术将微生物和粉煤灰相结合应用于淤泥固化中，是一种新型的兼顾资源、环境以及可持续发展的淤泥固化处理技术，还能有效的促进了粉煤灰的资源化利用，有良好的工程应用前景。
附图说明
图1显示不同粉煤灰掺比下固化得到的淤泥试样的含水率的比较效果。
图2显示不同粉煤灰掺比下固化得到的淤泥试样的无侧限抗压强度的比较效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例中所用的巴氏芽孢八叠球菌菌株为化能异养菌，细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm，采购自美国ATCC细胞库，编号ATCC11859。选用的培养基为，每1.0L水中添加20.0g酵母粉，10.0g硫酸铵，1.0mL氯化镍，将培养基的pH值调整为8.0-9.0，用高压蒸汽灭菌锅在120℃灭菌20分钟，接种完成后，在温控30℃，170r/min的振荡培养箱中培养24h，得到巴氏芽孢八叠球菌菌液的酶活为1.2，OD600为3.14。
本发明实施例中提供了一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，包括巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐。巴氏芽孢八叠球菌菌液的添加量为淤泥的30-60mL/100cm3，粉煤灰的添加量为淤泥的10-30wt％；营养盐的添加量为淤泥中含水总量乘以0.6-0.9mol/L。
基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，包括以下步骤：粉煤灰烘干后，向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液、所述粉煤灰和营养盐进行拌和，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后放入保湿缸中进行养护0.5、1、3、7、14或28天即可。
实施例1-6分别提供了一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，包括巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐。巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐的添加量，以及固化前的淤泥和固化剂的混合物的含水率(即制样完成时淤泥含水率)，以及固化后淤泥的含水率见表1。
基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，均包括以下步骤：粉煤灰烘干后，向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液、所述粉煤灰和营养盐进行拌和，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后放入保湿缸中进行养护28天即可，保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。对固化淤泥样进行无侧限抗压试验中试验机的加载速度为1mm/min。
表1巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐的添加量及淤泥的含水率
对比例1
本对比例中采用与实施例1-3同样的淤泥土样，即淤泥含水率为30％；始终未添加任何菌液和营养液。只是用调土刀拌和淤泥10min，搅拌均匀，然后放入保湿缸中进行养护28天即可得到未固化淤泥，保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。加载速度为1mm/min。
对比例2
本对比例中采用与实施例4-6同样的淤泥土样，即淤泥含水率为40％；始终未添加任何菌液和营养液。只是用调土刀拌和淤泥10min，搅拌均匀，然后放入保湿缸中进行养护28天即可得到未固化淤泥，保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。加载速度为1mm/min。
比较本实施例1-6不同粉煤灰掺比下固化得到的淤泥试样的含水率，并与对比例1和对比例2得到的未固化淤泥进行对比，结果见图1。
由图1可见，采用本发明的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂对淤泥进行强化处理后，所得到的固化后淤泥样与相同含水率的对比例1或对比例2的淤泥样比较，含水率均有降低，平均降低了5％左右，最大降幅为15.2％。
比较本实施例1-6不同粉煤灰掺比下固化得到的淤泥试样的无侧限抗压强度，并与对比例1和对比例2得到的未固化淤泥进行对比，淤泥试样的无侧限抗压强度曲线见图2。
由图2可见，采用本发明的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂对淤泥进行强化处理后，所得到的固化后淤泥样与对比例1和对比例2的淤泥样比较，含水率为30％和40％的淤泥掺入30％粉煤灰，固化后淤泥样的强度最高，为144.97kPa和38.68kPa；也表明含水率对淤泥固化强度有重要影响。相比之下，对比例1和对比例2未固化处理淤泥的无侧限抗压强度最高仅20.45kPa。这进一步表明采用本发明的微生物、营养盐和粉煤灰的淤泥复合固化处理方法处理淤泥具有较好的效果。
本发明的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂可明显提高淤泥的抗剪强度，应用该方法能有效降低淤泥中的含水率，固化淤泥土样的无侧限抗压强度均比未固化有明显提高。
本发明中的巴氏芽孢八叠球菌菌株菌种来源很广泛，不限于美国ATCC细胞库，也可以采购自中科院的菌种库等其他菌种保藏管理中心。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其特征在于，所述基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂由巴氏芽孢八叠球菌菌液、粉煤灰和营养盐制备，所述营养盐包括钙源和尿素。
2.根据权利要求1所述的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其特征在于，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液和粉煤灰在淤泥中的添加量为：所述巴氏芽孢八叠球菌菌液为30-60mL/100cm3，所述粉煤灰为10-30wt％；所述营养盐的添加量为淤泥中含水总量的0.6-0.9mol/L。
3.根据权利要求2所述的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其特征在于，所述营养盐为等摩尔浓度的CaCl2·H2O和尿素的混合溶液；所述营养盐的添加量为淤泥中含水总量的0.75mol/L。
4.一种基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其特征在于，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液通过包括以下步骤的制备工艺制备得到：
(1)培养基的制备：每1.0L水中添加20.0g酵母粉、10.0g硫酸铵和1.0mL氯化镍，混合均匀后将培养基的pH调为8.0-9.0，灭菌后形成待发酵培养基；
(2)菌株培育：在步骤(1)得到的所述待发酵培养基中接入1％-5％的巴氏芽孢八叠球菌种子发酵液，接种完成后，温控30℃，培养24h，形成巴氏芽孢八叠球菌菌液。
5.根据权利要求4所述的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其特征在于，步骤(1)中，所述灭菌为采用高压蒸汽灭菌锅在120℃灭菌20分钟；步骤(2)中，在170r/min的振荡培养箱中进行培养。
6.根据权利要求4所述的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂，其特征在于，步骤(2)中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液的酶活为1.2，OD600为3.14。
7.一种权利要求1-6任一所述的基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂强化淤泥的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：向淤泥中加入基于微生物和粉煤灰的淤泥固化剂进行拌和，搅拌均匀即可。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：粉煤灰烘干后，向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液、所述粉煤灰和营养盐进行拌和，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后放保湿缸中养护即可。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述养护的时间为28天。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。
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