微生物诱导碳酸盐沉淀修复铅污染土试验研究

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微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)可用于土体加固和土与地下水中的重金属污染物固化处理。本文依托国家自然科学基金(资助编号:41472258)项目,通过室内试验和理论计算,研究了铅污染物浓度对细菌活性、固化效果的影响规律和控制机理,明确了微生物诱导碳酸盐沉淀固化铅污染物的主要控制因素和沉淀物演变规律。主要研究成果如下:(1)通过开展细菌活性试验,查明了重金属浓度对细菌各项生化指标随时间的变化规律。结果表明,不高于30 mM铅浓度下,电导率在试验周期内持续升高,pH持续降低;高于30 mM的铅浓度下,电导率在较短时间内迅速升高随后基本不变,pH迅速降低随后基本不变。活菌数和脲酶活性的变化表明,细菌耐受铅浓度的阈值为30 mM。(2)通过开展三种条件下混合溶液中铅污染物的微生物诱导碳酸盐沉淀固化试验,测试获取了表征尿素水解、铅固化效果的指示性参数,揭示了钙盐种类和细菌数量对尿素水解效率、铅固化效率的影响规律。结果表明,在控制尿素浓度相同的情况下,条件1(CaCl2+低浓度细菌菌液)的铅固化率范围为80-95%,条件2(Ca(Ac)2+低浓度细菌菌液)的铅固化率范围为20-80%,条件3(Ca(Ac)2+高浓度细菌菌液)的铅固化率为95-100%。通过测试活菌数、铵根离子浓度变化量、总沉淀质量,进一步验证了三种条件下铅固化率的差异特征。铅固化率与活菌数的相关性分析表明,三种条件下溶液中铅固化率均随着细菌浓度的增加而提高。(3)基于Visual MINTEQ软件计算分析了微生物催化尿素水解后诱导沉淀的反应过程,模拟了铅固化率演变过程,揭示了铅污染物在上述试验条件下的主要沉淀物类型。模拟结果表明,铅固化率随着尿素水解程度的提高而迅速上升至100%。在试验开始阶段,微生物诱导碳酸盐过程尚未完全进行时,沉淀主要为化学沉淀。随着尿素水解程度的逐步提高,三种条件下早期形成的PbCl2和Pb(OH)2等沉淀物逐渐转化为PbCO3,同时伴随CaCO3沉淀物的形成。基于此,提出了MICP固化重金属污染土的机理模式:以细菌细胞为中心、由内至外形成多层沉淀物结构。(4)采用预先拌和的方法制备了富含细菌菌液的铅污染土柱,测试获取了土柱中活菌数和土孔隙液脲酶活性。结果表明,土柱中活菌数、孔隙液脲酶活性随铅浓度升高而降低,细菌耐受铅浓度的阈值为100 mM。沿土柱轴向活菌数和脲酶活性整体分布均匀,但是土柱中铅浓度低于50 mM时,活菌数和孔隙液脲酶活性在土柱上部最高。
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