一种微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障及其制备方法

本发明属于污染阻隔，涉及一种微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障及其制备方法。

背景技术：

1、在污染场地污染物阻控研究与应用中，采用原位竖向阻隔技术能够阻截污染物在地下水和土壤中的迁移，实现对污染场地的风险管控。目前竖向阻隔技术常见的是膨润土系柔性竖向阻隔屏障，因其具有阻隔性能好和材料成本低的优势受到广泛地研究与应用，适用于无阻隔屏障强度和变形控制要求的大规模污染场地。对于在产化工园区或医药园区等既有建筑物下污染物的阻隔，要求施加的竖向阻隔屏障具有一定的力学稳定性，避免临近货物堆放和重型器械运输等外荷载影响竖向阻隔屏障的完整性。

2、目前国内基本仍以水泥搅拌桩、塑性混凝土和地下连续墙等传统止水帷幕类地下结构物为主要阻隔措施。然而，水泥基材料在污染物胁迫下的水化作用将受到严重抑制而易造成渗流优势通道，导致其防渗抗污性能通常不能满足竖向阻隔屏障的防渗要求(＜10-8m/s)。此外，硅酸盐水泥为高能耗、高碳排放材料，不符合节能环保要求。因此，研发具有优良阻隔性能且低碳的半刚性竖向阻隔屏障是当前的发展趋势。

3、近年来，环境友好型的微生物矿化技术逐渐成为岩土工程和环境工程的研究热点，该技术主要利用微生物新陈代谢作用产物及生物化学反应生成物，在土体表面及颗粒间形成胶结物质，提高岩土体强度与防渗性能。这些特性意味着基于微生物矿化技术研发半刚性竖向阻隔屏障是具备可行性的。在常用的膨润土-原位土竖向阻隔屏障材料中引入微生物矿化技术能够进一步降低其渗透系数，并显著提升阻隔材料的强度。然而，微生物矿化技术对膨润土-原位土阻隔材料等细粒土的改良加固效果欠佳，仅使用菌液、氯化钙和尿素等常规处理方法难以达到污染场地半刚性竖向阻隔屏障材料的强度与防渗要求。此外，微生物矿化过程中产生的副产物铵根离子会影响水土环境质量，大量采用的氯化钙等钙源的材料成本较高。因此，微生物矿化技术在膨润土-原位土阻隔材料中的应用需要解决上述处理细粒土的优化方法、铵根副产物处理和低成本钙源等关键问题。

4、另一方面，膨润土系竖向阻隔屏障材料中使用的膨润土通常为钠基膨润土或钠化改性钙基膨润土，而矿产资源更丰富，材料成本更低的钙基膨润土则因防渗性和膨胀性较差而应用较少。因此，在研发基于微生物矿化的半刚性竖向阻隔屏障材料时不仅要考虑阻隔材料强度和防渗性能的提高，还要考虑如何充分利用钙基膨润土以及提高其膨胀性能。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障及其制备方法，以解决微生物矿化技术改良加固细粒土效果欠佳的缺陷，并显著提高基于钙基膨润土的阻隔屏障材料的强度与防渗性能，同时，利用了微生物矿化过程中的副产物铵根离子，降低了阻隔屏障材料的成本及碳排放。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一提供了一种微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障，其原料成分包括钙基膨润土、原位土、脲酶菌激发物和电石渣，其中，所述钙基膨润土干质量占原位土干质量的15.0％～25.0％，脲酶菌激发物中各组分总干质量占原位土干质量的2.0％～4.0％，电石渣干质量占原位土干质量的3.0％～6.0％。

4、进一步的，所述钙基膨润土的蒙脱石含量大于60％。

5、进一步的，所述脲酶菌激发物包括营养肉汤，尿素和氯化铵，其中，营养肉汤占原位土干质量的0.7％～1.3％，尿素占原位土干质量的0.8％～1.5％，氯化铵占原位土干质量的0.5％～1.2％。

6、进一步的，所述电石渣的含钙量大于65％，ph值在11.5～12.8之间。

7、本发明的技术方案之二提供了一种微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)按配比称取钙基膨润土、脲酶菌激发物和电石渣，混合后加水搅拌，制得膨润土泥浆；

9、(2)将膨润土泥浆与原位土拌合后置于标准养护室中养护，即得到微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障。

10、进一步的，步骤(1)中，搅拌时间为10min。

11、进一步的，步骤(1)中，膨润土泥浆的流动度通过调整水灰比为180mm-220mm，以满足施工工法(超深等厚水泥土连续搅拌墙工法(trd工法))的流动度要求。更进一步的，水灰比为2.3～2.5。

12、进一步的，步骤(2)中，养护时间为7～28天。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、(1)本发明提出的一种微生物矿化与电石渣协同强化的半刚性竖向阻隔屏障及其制备方法，全面考虑了阻隔屏障材料的环境效益与低碳效益。微生物矿化技术属于环境友好型的低碳技术，矿化过程中的细菌如脲酶菌在自然界中广泛存在且对人类身体健康无害，采用的脲酶菌激发物各充分属于无毒无害物质。采用的工业固体废物电石渣中存在少量的阳离子重金属可与微生物矿化产生的碳酸根离子反应生成碳酸盐沉淀，进而将重金属稳定化。此外，电石渣的资源化利用相较水泥基材料能够极大地减少碳排放量。

15、(2)本发明中采用电石渣作为半刚性阻隔屏障材料的主要固化材料，起到提供微生物矿化技术所需的钙源和诱导碱性激发下发生火山灰反应。首先，电石渣的主要成分氢氧化钙与脲酶菌激发物中的氯化铵在溶液中反应生成的氯化钙可作为微生物矿化过程所需的钙源，进而与尿素水解生成的碳酸根离子结合生成碳酸钙晶体。碳酸钙晶体则将填充土体孔隙并胶结土体颗粒，从而使阻隔材料的强度显著提升，并降低其渗透系数。其次，电石渣高ph值的特性显著增大了土体液相的碱性，可将黏土矿物中的si-o和al-o键断裂形成游离的不饱和活性键，易与氢氧化钙发生火山灰反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝物质，进一步提高阻隔材料的强度与防渗性。

16、(3)本发明中微生物矿化过程产生的副产物铵根离子可以与钙基膨润土的层间钙离子发生阳离子交换作用，使得钙基膨润土的双电层厚度显著增加，进而提高其在污染物胁迫下的膨胀性和化学相容性。通过借鉴钙基膨润土钠化改性的原理，本发明直接用与钠离子同价的铵根离子完成钙基膨润土改性，实现了微生物矿化技术副产物铵根的充分利用。

17、(4)原料中电石渣的存在将导致阻隔材料的碱性较高，本发明中采用原位激发微生物矿化方法，通过原位富集土著脲酶菌实现微生物矿化过程，能够在高碱性环境中筛选具有较强环境适应性的优势菌种。对比常规生物增强微生物矿化方法，虽然使用的高产脲酶菌具备一定的环境适应性，但脲酶活性及矿化效率在高碱性条件下均将受到显著影响。此外，原位激发方法相较生物增强方法省去了细菌分离、提纯、选择培养等过程，施工工艺简单，更适用于实际工程应用。

18、(5)本发明中提出的电石渣资源化利用，钙基膨润土在阻隔屏障材料中的应用以及微生物矿化过程副产物铵根的充分利用均可以降低阻隔材料的成本。首先电石渣为微生物矿化过程提供了钙源，无需采购价格更贵的化工产品；其次，钙基膨润土在市场中的价格约是钠基膨润土的50％～80％，极大减少了材料成本；最后，副产物铵根离子通过阳离子交换作用显著提高了钙基膨润土的膨胀性和化学相容性，无需通过额外改性措施来提高阻隔材料的防渗抗污性能。