稀土废渣原位碳酸盐矿化菌的筛选及固化应用研究

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稀土废渣是稀土矿物经过选冶后产生的固体废弃物,因大多稀土矿物为共伴生金属矿,所以在稀土尾渣中往往存在大量的重金属和放射性金属。虽然稀土尾渣均被储存在尾矿库,但随着时间的推移,不可避免地出现渗漏,所含有的重金属元素和放射性元素被扩散迁移,从而导致周边环境污染。此外,稀土矿物中往往含有放射性核素,这些核素不可避免地会产生氡气,给动植物及人类的健康构成威胁。固化稳定化是处理固体废弃物的方法,但采用常规的固化稳定化技术均存在增容和成本高等不足。而微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术作为一种新的固化稳定化技术,不仅可以将固体废物胶结为一个整体,还可以有效固定固废中有毒金属,是一种极具应用前景的尾矿渣固化技术。本研究以稀土湿法冶炼废渣为研究对象,通过筛选具有产脲酶活性的菌株,并研究其诱导碳酸钙沉淀固化稀土尾渣的相关性能,旨在为稀土废渣的长效封存以及稀土行业的可持续发展提供技术支持。首先探究了稀土废渣的相关理化性质以及污染元素种类及含量,结果表明稀土废渣中Fe和Ca占稀土废渣元素总量的56.89%,稀土元素(La、Ce)占7.629%,有回收利用的价值,通过毒性浸出实验发现稀土废渣浸出液中Cu(1.14 mg/L)、Pb(1.055 mg/L)、Cd(0.185 mg/L)、F(12.02 mg/L)的含量超出了污水综合排放标准限值,需对稀土废渣进行处理。为防止外源菌株造成物种入侵同时能对废渣环境具有更好的适应性,本文在稀土废渣中筛选了一株碳酸盐矿化菌株,经过鉴定该菌为赖氨酸芽孢杆菌,将其命名为KL-1,测定其生长曲线并且检测其产脲酶能力,再通过实验寻找菌株KL-1的最佳生长温度以及最佳生长p H值,在进行MICP固化实验前,需确定不同胶结液浓度下菌株KL-1的最佳实验条件。结果表明在培养24~48 h之间的菌液最适合用来进行实验,菌株KL-1在p H为7的时候菌液OD600值最高,并且菌株在30℃条件下生长最快。在MICP固化实验中,应选用0.8 mol/L的尿素和0.8 mol/L的氯化钙用来配置胶结液,并且菌株KL-1对废渣中的污染元素具有一定的耐受性。考察了菌株KL-1诱导碳酸钙沉淀胶结稀土废渣的性能,结果表明在固化30天时,固化体的抗压强度达到1.712 MPa,可以看出碳酸钙含量与抗压强度呈正相关,碳酸钙含量与抗压强度均随固化时间的增加而增加,且增加的幅度相似,由EDS、面扫、FT-IR及XRD图谱分析,菌株KL-1固化稀土废渣后的产物中出现了大量碳酸钙,晶型以球霰石和方解石为主,由SEM图像以及超景深三维立体建模分析可知,通过MICP固化后稀土废渣中被Ca CO3胶结在一起,质地更加紧密,并且孔隙度降低。经过MICP技术固化后,稀土废渣浸出液中Pb、Cd、Zn、Cu的含量分别降低了34.12%、32.43%、55.81%、30.52%,Th和U的含量分别降低了60.32%和40.28%,F的含量降低71.36%,形态提取结果显示,各个元素的碳酸盐结合态含量提高,可交换态含量下降。针对EPS在MICP过程中起着重要作用,本研究考察了加入EPS后,MICP固化稀土废渣的性能以及对金属离子的稳定性能,结果表明加入EPS固化30天后,固化体的无侧限抗压强度提高了12.13%,浸出液中的Cu、Pb、Zn、Cd、Th、U的浓度分别进一步降低了26.38%、33.64%、48.9%、47.22%、35.08%、50.7%。并且废渣中可交换态占比进一步降低,碳酸盐结合态和有机结合态占比提高。综上所述,本文利用稀土废渣筛选出一株菌株,并且利用MICP技术成功实现了固化稀土废渣,并降低了污染元素的迁移性,达到了双重管控。在添加EPS后,MICP固化效果得到了提升,说明EPS对MICP起辅助作用,有助于MICP固化的进行。
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