一种基于镍渣负载微生物的重金属污染土固化方法

本发明属于微生物岩土工程，具体地，涉及一种基于镍渣负载微生物的重金属污染土固化方法，适用于软土地基。

背景技术：

1、重金属污染具有富集性，很难在环境中降解，在大气、水体、土壤、生物体中广泛分布，威胁生态环境安全和人民群众健康，重金属污染防控任重道远。其中铅和锌污染物占据重金属污染物的1/2，铅和锌污染物在土壤中为较典型的无机污染物，属于蓄积性毒物，极易侵入人体内脏器官，导致癌症以及其他恶性并发症，导致死亡。因此，寻求一种高效绿色的方法治理铅、锌污染土迫在眉睫。

2、现有的重金属污染土修复方法主要分为三类，第一类是物理方法，即直接将重金属污染土移除，但该技术只适用于小面积重度污染场所，且降解成本较高；第二类是化学方法，向土体直接注入化学试剂，通过降低、溶解其金属毒性从而达到治理的效果，该方法见效快，但会破坏土壤结构、降低土壤生物活性和土壤肥力等，且化学试剂本身就具有相应的毒性，存在毒性副产物的生成；第三类是生物方法，有着费用低廉，投资少等优势，其灵活应用土体中植物的自身根系结构，不破坏场地分布，具有一定的经济、生态效益，是一种修复大面积、低水平污染土壤的理想方法；但也存在超累积植物植株矮小、生物量低、生长缓慢等技术瓶颈；异地引种超累积植物造成的生物多样性的威胁也是一个不容忽视的问题。

3、微生物诱导碳酸钙沉淀技术治理重金属污染土的修复原理主要是利用micp技术，使得重金属离子和碳酸根离子发生反应，从而转化为碳酸盐沉淀。在这一过程中主要的金属污染物从可溶-可交换部分转化为碳酸盐部分，将其固定在晶体结构中，从而降低金属毒性和离子迁移性，填充土颗粒之间的缝隙，增加土颗粒之间的黏聚力，起到胶结作用，同步实现控制重金属污染物与提高土体强度的双重目标。相比现有的修复技术具有如下几点突出优势：(1)适用范围广，适用性强，可用于各种地理位置与环境条件包括许多极端气候环境，如盐湖、酸性矿山废水、沙漠、冰川等；(2)材料来源广泛，物产丰富，可实现回收资源二次利用；(3)绿色环保，符合低碳原则，可有效避免二次污染且不破坏土壤的基本结构；(4)低成本、高效率，修复性强；(5)修复技术方法简单，易于操作。因此micp固化重金属污染土作为新型岩土材料和加固手段为绿色环保建设带来了新的机遇。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于镍渣负载微生物的重金属污染土固化方法，针对铅锌污染的软土地基，降低其重金属的活动率、改善土的酸碱度、激发微生物固化效果，将该重金属污染土固化方法应用于实际工程当中，可有效提升土体地基的稳定性，注浆加固的均匀性、精准性、自主可控性及节能环保性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于镍渣负载微生物的重金属污染土固化方法，具体包括如下步骤：

3、步骤s1、培养巴氏芽孢杆菌菌液至菌液波长在600nm下的光密度od600值为1.8～2.0；

4、步骤s2、将50～100g的尿素、100～120g的cacl2溶于去离子水中，搅拌均匀，得到胶结液；所述胶结液的浓度为0.5mol/l～1mol/l；

5、步骤s3、将筛选好的镍渣碎粒加入步骤s2得到的胶结液中，镍渣碎粒与胶结液按照固液比为2:1～3:1混合，采用“二次静停”方式，搅拌5-10min后，静置3-5min，进行二次搅拌，得到反应液；

6、步骤s4、将光密度od600值为1.8～2.0的菌液和反应液轮流通过智能化注浆装置注入重金属污染土体中，直至重金属溶出值满足规定限值，完成对重金属污染土的固化；每次菌液的注入量为1～1.5倍土样孔隙体积、每次反应液的注入量为1～2倍土样孔隙体积。

7、进一步地，步骤s1包括如下子步骤：

8、步骤s101、在无菌操作台上，将巴氏芽孢杆菌接种到固体培养基上，将固体培养基倒置于25～35℃的恒温箱中培养24～48h；每升固体培养基中含有浓度为10～20g/l的胰蛋白胨、1～5g/l的大豆蛋白胨、1～5g/l的nacl、10～20g/l的酵母提取物、10～15g的琼脂，并通过1～2mol/l的naoh溶液调节固体培养基的ph为9.0～9.5，将配置好的固体培养基置于120～130℃的蒸汽锅中灭菌10～20min；

9、步骤s102、从固体培养基上挑选乳白色菌落，加入液体培养基中，在25～30℃下振荡培养，直至菌液波长在600nm下的光密度od600值为1.8～2.0；所述振荡培养的转速为100～150rpm；每升液体培养基中含有浓度为10～20g/l的胰蛋白胨、1～5g/l的大豆蛋白胨、1～5g/l的nacl、10～20g/l的酵母提取物，并通过1～2mol/l的naoh溶液调节液体培养基的ph为9.0～9.5，将配置好的液体培养基置于120～130℃的蒸汽锅中灭菌10～20min。

10、进一步地，所述筛选好的镍渣碎粒的获取过程具体为：

11、(a)清洗原状镍渣至去除杂质，自然晾干，露天存放1～2个月；

12、(b)用直径为5mm的方孔筛对原状镍渣进行筛分，筛除大于5mm的银渣碎粒；

13、(c)将保留的镍渣倒入颗粒破碎装置内，封闭装置，破碎时长为5～10min；

14、(d)得到不同破碎程度的镍渣碎粒，通过筛分法，按颗粒级配进行分装，保留粒径尺寸小于0.25mm的镍渣碎粒。

15、进一步地，所述智能化注浆装置包括：地插注浆管、土体压力调节器、地下连通分布管、地上连通分布管、蠕动泵、菌液储液罐、地上阀钮、恒温控制装置、反应液储液罐、液量监控设备、底座、遥控器、上注浆管、下注浆管、地下阀扭，所述地插注浆管设有多个，每个地插注浆管上均设有土体压力调节器，所述地插注浆管两侧均设有上注浆管、下注浆管，每个上注浆管、下注浆管处均设有地下阀扭；所述地插注浆管的顶部与地下连通分布管连接，所述地下连通分布管与地上连通分布管连接，所述蠕动泵设置于地上连通分布管中，所述菌液储液罐、反应液储液罐分别与地上连通分布管连接，所述连接菌液储液罐、反应液储液罐的地上连通分布管处均设有地上阀钮，所述菌液储液罐、反应液储液罐上均设有液量监控设备，所述蠕动泵、菌液储液罐、恒温控制装置、反应液储液罐均设置于底座上；所述菌液储液罐、反应液储液罐设置于恒温控制装置中，所述遥控器分别与土体压力调节器、蠕动泵、地上阀钮、恒温控制装置、液量监控设备、地下阀扭连接。

16、进一步地，所述地插注浆管的长度为20m，在地插注浆管的上半段设置钻孔间距为1m，钻孔直径为0.5m；在地插注浆管的中部向底部延伸5m处设置钻孔间距为1.5m，钻孔直径为0.8m；在地插注浆管的底部5m处设置钻孔间距1.5m，钻孔直径为1m。

17、进一步地，所述地插注浆管两侧伸出的横向注浆管长度为1.5m，纵向的上注浆管、下注浆管长度均为1.0m，地下阀扭设置在上注浆管、下注浆管的中部位置。

18、进一步地，所述地上阀钮、地下阀扭为电磁型自动闭合阀钮。

19、进一步地，所述蠕动泵为含在线检测系统的多缸高压横流蠕动泵。

20、进一步地，步骤s4具体包括如下子步骤：

21、步骤s401、通过遥控开关启动土体压力调节器、恒温控制装置、液量监控设备；

22、步骤s402、调节恒温控制装置，使得菌液和反应液的温度保持在1～5℃；

23、步骤s403、单独开启地下阀扭控制上注浆管；

24、步骤s404、单独开启控制菌液的地上阀钮，采用蠕动泵将菌液通过地上连通分布管、地下连通分布管注入地插注浆管、上注浆管中，并通过土体压力调节器控制菌液的释放量，菌液注入完毕后静置6～12h；

25、步骤s405、关闭控制菌液的地上阀钮，开启控制反应液的地上阀钮，采用蠕动泵将反应液通过地上连通分布管、地下连通分布管注入地插注浆管、上注浆管中，并通过土体压力调节器控制反应液的释放量，注浆完毕后静置12～15h；

26、步骤s406、关闭控制上注浆管的地下阀扭，单独开启控制下注浆管的地下阀扭，改变注浆渗流方向；

27、步骤s407、单独开启控制菌液的地上阀钮，采用蠕动泵将菌液通过地上连通分布管、地下连通分布管注入地插注浆管、下注浆管中，并通过土体压力调节器控制菌液的释放量，菌液注入完毕后静置6～12h；

28、步骤s408、关闭控制菌液的地上阀钮，开启控制反应液的地上阀钮；采用蠕动泵将反应液通过地上连通分布管、地下连通分布管注入地插注浆管、下注浆管中，并通过土体压力调节器控制反应液的释放量，注浆完毕后静置12～15h；

29、步骤s409、重复步骤s403～s408，现场取土样，直至测得重金属溶出值满足规定限值，通过遥控器13关闭智能化注浆装置。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、(1)本发明使用的镍渣是电镀、冶炼等行业排放废料中极为普遍的材料，镍渣的大量堆置会引发大气镍污染，水镍污染和土壤镍污染。同时镍可以通过呼吸道、消化道、皮肤接触等途径进入人体，分布并蓄积在全身多个器官组织，对人体健康造成不良影响。本发明将镍渣的合理利用可很大程度的改善镍污染，将镍渣合理的进行废物二次利用，成本低且高效，并且适当的激发可以进一步提升镍渣的使用效果；

32、(2)本发明有效利用镍渣的自身良好物理性能，采用镍渣碎粒多孔结构可共吸附的优势，提供适合微生物滋长的吸附性孔隙，从而达到负载效果；结合微生物诱导碳酸钙沉淀的技术，将镍渣碎粒掺入胶结液中，可以使胶结液很好的附着于镍渣碎粒的孔隙当中，诱导产生更多的钙源离子，在尿素水解的方式下产生更多的碳酸盐沉淀附着于土体表面，从而有效增强土的强度，使土壤达到酸碱平衡，保护土体并维持其稳定的健康状态。结合微生物诱导碳酸钙技术治理重金属污染土，利用镍渣自身良好的化学性能，由于自身的耐侵蚀性，将其混入胶结液中，在起到早期激活剂作用的同时还可对抗重金属侵蚀，有效降低修复后土体受重金属污染二次侵害的几率，增强土体修复后的稳定性与耐久性；

33、(3)本发明在重金属污染土固化方法中引入智能化注浆装置，步骤简单合理；通过一键控制智能化注浆装置，节约了人工成本，提升注浆的便利性；通过恒温控制装置，激活了浆液的活性，以保证注浆的质量，提升注浆的高效性；通过地上、地下分布管道运输，提升注浆的精准性；通过上、下注浆管，提升注浆的均匀性，从而更有效的对土体进行加固、修复。本发明的施工步骤方法可行，节约了施工成本，提高了施工效率，达到效益与环保最大化，有利于微生物诱导碳酸钙技术治理重金属污染土日后进一步的推广与应用。