CN115583818B - 一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障及其制备方法，其原料包括：原位土、钙基膨润土、含菌营养液和胶结液，其中所述含菌营养液为含有絮状脲酶菌菌群的营养液，所述钙基膨润土干质量占原位土质量的5%~15%，含菌营养液与胶结液的质量比为1：2，胶结液与钙基膨润土的质量比为2~5：1，含菌营养液与原位土的质量比为1~2.5：10。本发明可以解决钙基膨润土在应用于竖向阻隔屏障中防渗性能不足的问题，并降低制备成本和碳排放。

Description

一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障及其制备方法
技术领域
本发明属于污染阻隔技术领域，具体涉及一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障及其制备方法。
背景技术
在土壤与地下水污染风险管控领域，竖向阻隔屏障一直是一个非常高效且实用的解决方案，通过较低渗透系数实现将污染物与未污染区域分离，从而达到污染管控的目的。在国外，土-膨润土竖向阻隔屏障是一种性价比极高的阻隔屏障，所需的竖向阻隔材料仅为膨润土，故在全世界范围得到广泛的应用于发展。而在国内，由于历史与技术的原因，更多的依旧在使用水泥土进行竖向阻隔。水泥土竖向阻隔屏障虽然具有土-膨润土或者水泥-膨润土-土竖向阻隔屏障所不具有的高强度，但是其防渗性能往往是得不到满足的；而如果单独浇筑水泥墙，则又会面临成本以及污染物侵蚀导致防渗性能下降进而防污性能不达标等问题。因此，大力发展膨润系竖向阻隔屏障是非常有必要的。
一般来说，作为膨润土系竖向阻隔屏障的主要材料——膨润土可以分为两种，即钙基膨润土与钠基膨润土，其中，钠基膨润土的性质远胜于钙基膨润土，因此，在阻隔领域，一般都是采用钠基膨润土。但是，在世界范围上，钙基膨润土的分布又广于钠基膨润土。比如我国具有非常大的膨润土矿，但是其中绝大部分都是钙基膨润土，因此在使用的时候只能对其进行钠化改性之后使用，增加了成本的同时也无法达到天然钠基膨润土的性能。于是，如何有效的利用钙基膨润土便成了一个重要问题。
微生物矿化（MICP）技术指的是利用自然界中某类细菌，其新陈代谢可产生分解尿素的脲酶，尿素分解后产生的碳酸根离子与铵根离子，碳酸根离子与游离的金属阳离子结合生成胶凝晶体的过程。MICP技术的应用对生产能耗、生产成本要求低，同时能减少温室气体排放。一般在现有研究中，所用的金属阳离子大多为钙离子，在与碳酸根离子结合后形成碳酸钙沉淀，一方面能够胶结岩土体颗粒，一方面能够填充土中孔隙，能够同时起到降低渗透系数与提高强度的效果。那么，基于这样的特性，通过MICP技术对钙基膨润土进行改良并应用于竖向阻隔屏障便有了可行性。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障及其制备方法，可以解决钙基膨润土在应用于竖向阻隔屏障中防渗性能不足的问题，并降低制备成本和碳排放。
技术方案：一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障，其原料包括：原位土、钙基膨润土、含菌营养液和胶结液，其中所述含菌营养液为含有絮状脲酶菌菌群的营养液，所述钙基膨润土干质量占原位土质量的5%~15%，含菌营养液与胶结液的质量比为1：2，胶结液与钙基膨润土的质量比为2~5：1，含菌营养液与原位土的质量比为1~2.5：10。
优选的，所述脲酶菌为巴氏芽孢八叠球菌。
优选的，所述含菌营养液通过将脲酶菌母液以1%比例接种于营养液中，震荡养护24h即得。
优选的，所述胶结液的溶质为尿素和钠盐，尿素和钠盐的摩尔浓度比为1：1~5。
优选的，所述胶结液的浓度为1~5mol/L。
一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障的制备方法，包括步骤如下：
步骤（1）.将含菌营养液与原位土拌合并养护；
步骤（2）.将钙基膨润土加入胶结液中并搅拌，制得膨润土泥浆；
步骤（3）.将膨润土泥浆与原位土拌合并养护，即可得到基于微生物成矿的竖向阻隔屏障。
优选的，所述步骤（1）和步骤（3）中养护的时间均不小于24h。
优选的，所述步骤（2）中搅拌的时间为10~20min。
有益效果：本发明将竖向阻隔屏障中常用的钠基膨润土替换为钙基膨润土，并通过脲酶菌将钙基膨润土改性从而提升其防渗性能。本发明通过引入MICP技术及钙基膨润土的应用，拓展了竖向阻隔屏障材料选择范围。
本发明有效降低了竖向阻隔屏障的成本：作为竖向阻隔屏障的主体材料——膨润土，钙基膨润土相较于钠基膨润土便宜70%以上；本发明具有低碳环保的优势：常规的钠化改性膨润土生产过程需要对膨润土进行加热，同时产生大量废液，而通过MICP技术将钠化的过程放在竖向阻隔屏障施工完成之后将能够大幅降低碳排放。
MICP技术的应用对生产能耗、生产成本要求低，同时能减少温室气体排放。钙基膨润土的钙离子在与碳酸根离子结合后形成碳酸钙沉淀，一方面能够胶结岩土体颗粒，一方面能够填充土中孔隙，能够同时起到降低渗透系数与提高强度的效果。
附图说明
图1是本发明的作用原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
其原料包括：原位土、钙基膨润土、含菌营养液和胶结液，其中所述含菌营养液为含有少量絮状脲酶菌菌群的营养液，通过接种1%比例菌种母液培养24h获得。原位土、钙基膨润土、含菌营养液和胶结液的质量比为：10:1:1:2。
所述脲酶菌为巴氏芽八叠球菌，此菌种不仅产脲酶能力较高，且对重金属离子具有相对于其他细菌更高的耐受力，适用于污染场地。
所述营养液用于为微生物提供繁殖及进行成矿作用所需的营养物质，其中含有酵母提取物15g/L、硫酸铵10 g/L和三羟基甲基氨基甲苯15.748 g/L。
所述含菌营养液通过将脲酶菌接种于营养液中，搅拌并养护24h即得。
所述胶结液的溶质为尿素和钠盐，尿素和钠盐的摩尔浓度比为1：1。
所述胶结液的浓度为1mol/L /L。
一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障的制备方法，包括步骤如下：
步骤（1）.将含菌营养液与原位土拌合，并养护不小于24h；
步骤（2）.将钙基膨润土加入胶结液中并搅拌，制得膨润土泥浆；
步骤（3）.将膨润土泥浆与原位土拌合，并养护不小于24h，即可得到基于微生物成矿的竖向阻隔屏障。
传统MICP技术中，细菌在土体中的迁移并不均匀，主要停留在所固化的土体表面上，从而导致固化或者封堵不均匀。因此，倘若将营养液与胶结液同时注入，将会导致菌群发育过程中即开始自我封堵，进而影响均匀性问题。
本发明通过两次注浆：分别将含菌营养液与胶结液注入原位土中，将菌群发育与胶结过程分开，有效解决微生物在成矿作用时自我封堵而导致的均匀性差的问题。
如图1所示，本发明将土-膨润土竖向阻隔屏障中常用的钠基膨润土或钠化改性膨润土替换为钙基膨润土后，利用脲酶菌分解尿素产生碳酸根的特性，通过微生物的成矿作用将钙基膨润土中的钙离子置换成钠离子，同时产生铵根离子，从而导致膨润土颗粒双电层中扩散层增厚及弱结合水增加，并通过形成的碳酸钙沉淀封堵土体中的孔隙，达到了降低渗透系数的效果。

Claims (6)

1.一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障，其特征在于，其原料包括：原位土、钙基膨润土、含菌营养液和胶结液，其中所述含菌营养液为含有絮状脲酶菌菌群的营养液，所述钙基膨润土干质量占原位土质量的5%~15%，含菌营养液与胶结液的质量比为1：2，胶结液与钙基膨润土的质量比为2~5：1，含菌营养液与原位土的质量比为1~2.5：10；所述胶结液的溶质为尿素和钠盐，尿素和钠盐的摩尔浓度比为1：1~5。
2.根据权利要求1所述的一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障，其特征在于，所述脲酶菌为巴氏芽孢八叠球菌。
3.根据权利要求1所述的一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障，其特征在于，所述含菌营养液通过将脲酶菌母液以1%比例接种于营养液中，震荡养护24h即得。
4.根据权利要求1所述的一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障，其特征在于，所述胶结液的浓度为1~5mol/L。
5.权利要求1所述的一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤（1）.将含菌营养液与原位土拌合并养护；
步骤（2）.将钙基膨润土加入胶结液中并搅拌，制得膨润土泥浆；
步骤（3）.将膨润土泥浆与原位土拌合并养护，即可得到基于微生物成矿的竖向阻隔屏障。
6.根据权利要求5所述的一种基于微生物成矿的竖向阻隔屏障的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（3）中养护的时间均不小于24h。
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