CN111153618B - 一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置及制备方法，该装置包括内部盛装有微生物/钙离子混合培养液的可密闭箱体，箱体内部设有支撑架，支撑架上放置有承载再生骨料的托盘，该托盘底部开孔、孔径小于再生骨料的粒径，托盘底面高于混合培养液的液面；托盘上方设置有喷淋管道和喷头，喷淋管道的进水口通过抽水泵与混合培养液连接；该装置还包括与箱体内部连通的装有养护气体的气瓶。开启抽水泵，混合培养液可进入喷淋管道、从喷头喷出，喷淋再生骨料，喷淋后多余的混合培养液可自托盘底部的孔流入箱体底部、循环使用；同时，喷淋与养护可同时进行，有效避免了喷淋养护分步进行时喷淋过程碳源供给不足及养护过程微生物供给不足的问题。

Description

一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种再生骨料的强化装置及方法，特别涉及一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置及制备方法，属于微生物学与固体废弃物资源化利用交叉技术领域。
背景技术
近年来，随着我国城市化进程加速，建筑废弃骨料产生量也在逐年增加。再生骨料的性能跟天然骨料相比，存在很大的差异，如：孔隙率高、吸水率高、压碎指标高等，限制了再生骨料在工程结构中的再利用。通过一系列骨料强化技术对再生骨料性能进行强化，使之性能满足工程应用要求、重新应用到实际工程之中，这样既能缓解工程建设中的骨料需求紧张，又能实现骨料资源的再利用，同时也能解决“建筑垃圾围城”问题。
再生骨料与天然骨料的性能差异主要是由附着砂浆的存在导致的，首先，附着砂浆孔隙率大、强度低导致再生骨料性能差，其次，附着砂浆-水泥浆体过渡区界面疏松多孔，影响了再生混凝土的性能。针对再生骨料表面附着砂浆带来的问题，国内外学者对再生骨料进行强化，强化措施主要分为两类，即强化附着砂浆和去除附着砂浆。现有的方法主要分为物理机械方法与化学方法两种；然而，物理方法存在周期长、成本高、二次污染等问题，化学方法则是一种能源的二次消耗，有腐蚀结构的危险，不符合当今工业节能减排的要求。
近年来，借鉴微生物自修复裂缝技术，已有学者利用微生物矿化沉积碳酸钙原理填补修复再生骨料表面孔隙以改善再生骨料性能，但是矿化方式单一，浸泡法矿化制备再生骨料时，会出现微生物由于重力作用沉积在下部、无法附着在再生骨料表面进行碳酸钙沉积的情况，改性效果一般，同时菌液利用率低；喷淋法矿化制备再生骨料时，混合培养液只能使用一次，且喷淋和养护操作需要分步进行，导致喷淋过程中碳源供给不足、养护过程中微生物供给不足，造成资源、时间和空间的浪费。
发明内容
发明目的：针对现有微生物矿化修复再生骨料时存在的问题，本发明提供一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置，并基于该装置提供一种微生物矿化强化再生骨料的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置，包括能够密闭的箱体，其内部盛装有微生物/钙离子混合培养液；箱体内部设有支撑架，支撑架上放置有用于承载再生骨料的托盘，该托盘底部开孔、孔径小于再生骨料的粒径，且托盘底面高于微生物/钙离子混合培养液的液面；托盘上方设置有喷淋管道和喷头，喷淋管道的进水口通过抽水泵与箱体内的微生物/钙离子混合培养液连接；该装置还包括气瓶，其内部装有用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体，该气瓶通过通气管道与箱体内部连通。
该装置底部盛放混合培养液，开启抽水泵后，混合培养液可自喷淋管道的进水口进入喷淋管道、从喷头喷出，对托盘中的再生骨料进行喷淋，由于托盘底部开孔，多余的混合培养液可自该孔流入箱体底部、循环使用；且托盘底面不与微生物/钙离子混合培养液基础，可保证微生物附着在再生骨料表面而不随混合培养液流走，也可防止再生骨料被底部积聚的液体浸没影响其与气体接触的面积。同时，通过调节抽水泵流量可控制混合培养液的喷淋压力，使混合培养液与再生骨料充分接触，提高矿化改性效果。
其中，箱体可包括箱身和箱盖，箱盖与箱身之间可通过密封扣形成密闭连接。
较优的，抽水泵的进水口通过进水管道连接箱体内的微生物/钙离子混合培养液，出水口连接喷淋管道的进水口，且进水管道与箱体连接一侧的管口高度低于微生物/钙离子培养液液面高度。抽水泵与喷淋管道的连接通路上可设有压力表、用于监测喷淋压力。
用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体与选择的微生物种类有关。优选的，其可为二氧化碳气体和/或氧气等；二氧化碳气体可直接用于微生物矿化沉积碳酸钙；对于某些好氧矿化菌，可以为氧气，微生物通过呼吸作用产生二氧化碳、进行矿化沉积碳酸钙。
本发明所述的一种微生物矿化强化再生骨料的制备方法，基于上述制备装置进行，具体包括如下步骤：
(1)制备微生物培养液；
(2)将该微生物培养液倒入箱体中，外加钙离子溶液，得到微生物/钙离子混合培养液，控制其液面低于托盘底面；
(3)将再生骨料放置于托盘上，打开抽水泵，微生物/钙离子混合培养液进入喷淋管道、自喷头喷出，对再生骨料进行喷淋，同时，打开气瓶、通过通气管道向箱体内通入用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体养护，制得强化的再生骨料。
步骤(1)中，微生物培养液可为胶质芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌及光合菌等微生物中的至少一种的培养液。
优选的，外加钙离子为钙盐溶液，钙盐溶液中钙离子浓度C为：0＜C≤7mol/L。
上述步骤(3)中，气体条件下养护时，最好保证养护压力小于喷淋压力，以确保喷淋的正常进行。其中，喷淋条件优选为：喷淋压力为0.20MPa以上，喷淋时间为5～7d；养护条件优选为：养护的气体压力为0.15～0.20Mpa，养护时间与喷淋时间相同。
发明原理：混合培养液喷淋再生骨料时，微生物附着在再生骨料表面，通过矿化作用提供更多碳酸钙晶体可成核位点，将混合培养液中的钙离子转化为碳酸钙沉积在再生骨料表面孔隙中，从而堵塞再生骨料表面孔隙，改善再生骨料的性能；同时通入用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体(如二氧化碳、氧气等)养护，在压力作用下提高再生骨料改性能力并为矿化提供充足的碳源。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的制备装置简单易行，可实现自动地、连续地对再生骨料喷淋矿化，循环利用混合培养液，避免混合培养液的浪费，同时提高了微生物附着在再生骨料表面的数量，增强碳酸钙沉积作用；而且，本发明的装置可密封，在喷淋的同时通入气体养护，有效避免了喷淋养护分步进行导致的喷淋过程中碳源供给不足及养护过程中微生物供给不足的问题；(2)采用本发明提供的装置和方法进行微生物矿化处理，可以有效降低再生骨料孔隙率，降低再生骨料的吸水率和压碎指标值。
附图说明
图1为本发明的一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置的结构示意图；
图2为托盘的结构示意图；
图3为本发明的微生物矿化强化再生骨料的制备装置的使用状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1～3，本发明的一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置，包括箱体100，箱体100可密闭，其包括箱身101和箱盖102，箱盖102上可设置密封扣103，通过密封扣103使箱身101与箱盖102之间形成密闭连接。
箱体100内部盛装有微生物/钙离子混合培养液。箱体100内还设有支撑架1，支撑架1上放置托盘2，托盘2用于装载再生骨料，其底面高于微生物/钙离子混合培养液的液面，与混合培养液液面不接触。
托盘2上方设有喷淋管道3和喷头4，喷淋管道3可固定在箱体100的箱盖102上；喷淋管道3的进水口通过抽水泵5与箱体100内的微生物/钙离子混合培养液连接，从而可利用该混合培养液进行喷淋；喷头4可根据需要设置多个。具体而言，抽水泵5的进水口可通过进水管道6连接箱体100内的混合培养液，且进水管道6与箱体100连接的一侧管口高度低于微生物/钙离子混合培养液的液面高度，同时抽水泵5的出水口连接喷淋管道3的进水口；开启抽水泵5，混合培养液进入喷淋管道3，由喷头4喷出，对再生骨料进行喷淋；通过调节抽水泵5的流量可控制混合培养液的喷淋压力，使混合培养液与再生骨料充分接触，提高矿化改性效果。抽水泵5与喷淋管道3的连接通路上可设置压力表7，用于监测控制喷淋的混合培养液的压力。
如图2，托盘2底部开孔，喷淋过程中，部分混合培养液与再生骨料接触，通过矿化作用钙离子转化为碳酸钙沉积到再生骨料表面孔隙中，多余的混合培养液可自该孔流入箱体100底部、循环使用，大大提高了混合培养液的利用率；托盘2底部孔径小于再生骨料的粒径，避免再生骨料流出。
本发明的装置还包括气瓶8，气瓶8内装有用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体，气体种类与选择的微生物种类有关，如可选择二氧化碳气体、氧气等中的至少一种，二氧化碳气体可直接用于微生物矿化沉积碳酸钙；对于某些好氧矿化菌，可选择氧气，微生物通过呼吸作用产生二氧化碳、进行矿化沉积碳酸钙。气瓶8通过通气管道9与箱体100内部连通，向箱体100内通入用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体、对再生骨料进行养护，在压力作用下可提高再生骨料改性能力并为矿化提供充足的碳源；而且，在喷淋的同时通入气体养护，有效避免了喷淋养护分步进行导致的喷淋过程中碳源供给不足及养护过程中微生物供给不足的问题。气瓶8的出气口可设置阀门，通过调节阀门开关和打开程度可调节通入气体的压力；通气管道9上可设置压力表10，记录并显示通入箱体100内的气体压力。
基于该装置的微生物矿化强化再生骨料制备方法包括如下步骤：
(1)制备微生物培养液：将微生物接种于微生物培养基中培养，振荡，得到微生物培养液；
微生物培养液可为胶质芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌及光合菌等微生物中的至少一种的培养液。
(2)将该微生物培养液倒入箱体100中，外加钙离子溶液，得到微生物/钙离子混合培养液，控制其液面低于托盘2底面；
外加钙离子为钙盐溶液，如硝酸钙溶液，钙盐溶液中钙离子浓度C为：0＜C≤7mol/L。
(3)将再生骨料放置于托盘2上，密封箱体100，打开抽水泵5，微生物/钙离子混合培养液进入喷淋管道3、自喷头4喷出，对再生骨料进行喷淋，同时，通过通气管道9向箱体100内通入气体(二氧化碳、氧气等)养护，制得强化的再生骨料。
养护时，保证养护压力小于喷淋压力，以确保喷淋的正常进行。喷淋条件为：喷淋压力为0.20MPa以上，喷淋时间为5～7d；养护条件为：养护的气体压力为0.15～0.20Mpa，养护时间与喷淋时间相同。
应用例1
称取5g蛋白胨、3g牛肉浸膏和1000mL去离子水于锥形瓶中，接种巴氏芽孢杆菌，在30℃条件下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h，得微生物培养液。
将上述1000mL微生物培养液缓慢倒入本发明的制备装置中，并加入400mL外加钙离子溶液，得混合培养液。外加钙离子选用硝酸钙溶液，浓度为7mol/L。
再生骨料过4.75mm筛，粒径范围为4.75mm～20mm，称取500g放入托盘2中，托盘2放入支撑架1上。打开抽水泵5，混合培养液进入喷淋管道3、从喷头4喷出，对放在托盘2中的再生骨料进行喷淋，控制抽水泵5流量，使混合培养液压力控制在0.2MPa以上。
同时密封本发明的制备装置，通入氧气养护，通过阀门控制进入通气管道9内的气体流量，使气体压力控制在0.15MPa，喷淋、养护5d。
将经微生物矿化处理后的再生骨料放于干燥箱中，干燥至恒重，干燥温度为50～60℃。
参照标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生骨料》测试微生物矿化处理前后再生骨料表观密度、吸水率和压碎指标值，结果如下表1。
表1处理前后再生骨料性能
Figure BDA0002354943970000051
由表1可以看出，与微生物矿化处理前相比，矿化处理后的再生骨料表观密度提高了3.13％，吸水率降低了39.62％，压碎指标值降低了38.10％。
应用例2
称取6g蛋白胨、4g牛肉浸膏和1000mL去离子水于锥形瓶中，接种胶质芽孢杆菌，在30℃条件下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h，得微生物培养液。
将上述1000mL微生物培养液缓慢倒入本发明的制备装置中，并加入400mL外加钙离子溶液，得混合培养液。外加钙离子选用硝酸钙溶液，浓度为5mol/L。
再生骨料过4.75mm筛，粒径范围为4.75mm～20mm，称取400g放入托盘2中，拖盘2放入箱体100内的支撑架1上。打开抽水泵5，混合培养液进入喷淋管道3、从喷头4喷出，对放在托盘2中的再生骨料进行喷淋，控制抽水泵5流量，使混合培养液压力控制在0.2MPa以上。
同时密封本发明的制备装置，通入二氧化碳气体养护，通过阀门控制进入通气管道9内的气体流量，使气体压力控制在0.18MPa，喷淋、养护7d。
将经微生物矿化处理后的再生骨料放于干燥箱中，干燥至恒重，干燥温度为50～60℃。
参照标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生骨料》测试微生物矿化处理前后再生骨料表观密度、吸水率和压碎指标值，结果如下表2。
表2处理前后再生骨料性能
Figure BDA0002354943970000061
由表2可以看出，与微生物矿化处理前相比，矿化处理后的再生骨料表观密度提高了2.23％，吸水率降低了45.28％，压碎指标值降低了42.86％。

Claims (9)

1.一种微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，包括能够密闭的箱体，其内部盛装有微生物/钙离子混合培养液；所述箱体内部设有支撑架，支撑架上放置有用于承载再生骨料的托盘，该托盘底部开孔、孔径小于再生骨料的粒径，且托盘底面高于微生物/钙离子混合培养液的液面；所述托盘上方设置有喷淋管道和喷头，喷淋管道的进水口通过抽水泵与箱体内的微生物/钙离子混合培养液连通；还包括气瓶，其内部装有用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体，该气瓶通过通气管道与箱体内部连通；
上述装置通过如下方法制备微生物矿化强化再生骨料：
(1)制备微生物培养液；
(2)将该微生物培养液倒入箱体中，外加钙离子溶液，得到微生物/钙离子混合培养液，控制其液面低于托盘底面；
(3)将再生骨料放置于托盘上，打开抽水泵，微生物/钙离子混合培养液进入喷淋管道、自喷头喷出，对再生骨料进行喷淋，同时，打开气瓶、通过通气管道向箱体内通入用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体养护，制得强化的再生骨料。
2.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，所述抽水泵的进水口通过进水管道连接箱体内的微生物/钙离子混合培养液，出水口连接喷淋管道的进水口，所述进水管道与箱体连接一侧的管口高度低于微生物/钙离子培养液液面高度。
3.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，所述抽水泵与喷淋管道的连接通路上设有压力表、用于监测喷淋压力。
4.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，所述箱体包括箱身和箱盖，箱盖与箱身之间通过密封扣形成密闭连接。
5.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，所述用于促进微生物矿化沉积碳酸钙的气体为二氧化碳和/或氧气。
6.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，步骤(1)中，所述微生物培养液为胶质芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌及光合菌中的至少一种微生物的培养液。
7.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，所述外加钙离子为钙盐溶液，钙盐溶液中钙离子浓度C为：0＜C≤7mol/L。
8.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，步骤(3)中，所述喷淋条件为：喷淋压力为0.20MPa以上，喷淋时间为5～7d。
9.根据权利要求1所述的微生物矿化强化再生骨料的制备装置，其特征在于，步骤(3)中，所述养护条件为：养护的气体压力为0.15～0.20Mpa，养护时间与喷淋时间相同。
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