赤泥复杂特性下微生物沉积碳酸盐固化机理研究

Red mud is a byproduct of the refining of bauxite into alumina with extremely fine particle and strongly alkaline. The total amount of stockpiled red mud in our country has exceeded 420 million ton, which is not only occupation the land, pollution of surface water, but also bringing more serious environmental pollution and security risks. In view of this situation, this paper presents a creative approach to utilize the red mud which are enhanced through microbial induced carbonate precipitation (MICP) to construct the roadbed. In this method, the urease-producing microorganisms is utilized to precipitate carbonate crystal to solidify red mud by cementing particle and filling pore, and can completely satisfy the road function and technique requirements. Therefore, since red mud is a new processing object for the biogeotechnology with complex properties, the MICP experiments for red mud are conducted in the solution conditions, on the interface between microbe and mineral compositions of red mud and under stirring and infiltration conditions. Its aim is to unravel the influence of complex chemical characterization of red mud on biochemical reactions in MICP process and absorption and interface cementing properties of different minerals by microorganisms. Furthermore, the interactions between main minerals in red mud and the process of microbial induced carbonate precipitation are also studied to make clear the role in the joint action of red mud solidification. Red mud enhanced through microbial induced carbonate precipitation is one of the most effective ways to consume large amounts of red mud without pollution discharged and therefore, has a good development prospect.

赤泥是以铝土矿为原料生产氧化铝过程中产生的极细颗粒强碱性固体废物，我国赤泥的累计堆存量超过4.2亿吨，赤泥的大量堆存既占用土地浪费资源，又易造成环境污染。本研究将微生物诱导碳酸盐沉积技术（MICP）应用到赤泥固化处理中，利用脲酶菌在赤泥颗粒间生成碳酸盐结晶胶结填充赤泥，使其物理力学性质能够满足道路路基材料的要求。MICP技术固化赤泥面对的是全新的处理对象，其固化机理有许多不同之处，为此本文进行赤泥溶液环境下微生物沉积碳酸盐试验、微生物-赤泥各组分界面矿化沉积试验和微生物拌菌表面入渗法固化赤泥试验。目的是分析赤泥复杂化学特性对MICP过程中生化反应的影响；揭示赤泥中各主要矿物组分的微生物吸附特性和界面胶结特性；研究赤泥各主要矿物组分与MICP过程的相互作用，以及在固化中所起的共同胶结作用。微生物固化赤泥技术是实现大量消耗及无污染排放赤泥的最有效途径，能够实现显著的经济和生态效益，具有良好的发

中国作为世界第一大氧化铝生产国，电解铝的产量占全球57 %。赤泥作为氧化铝生产过程中不可避免产生的一种碱性固体废渣，在我国的排放量每年高达上亿吨，却只能露天堆存没有得到任何有效的利用。赤泥的综合利用一直是世界性难题。. 本研究创新性的将微生物诱导碳酸盐沉积技术（MICP）应用到赤泥处理之中，对自然界中普遍存在的微生物矿化过程加以控制和利用，通过向赤泥中注入耐碱性矿化菌，利用其在新陈代谢过程中产生的特定酶，在赤泥颗粒间析出具有良好胶凝性质的碳酸盐结晶。这些矿化沉积不仅能够胶结填充赤泥颗粒，显著改善其力学性能与水稳定性；还可以将赤泥中的各种离子由化学性质活跃的可提取态转化成稳定且不溶于水的碳酸盐结合态或有机结合态，阻止其进一步向食物链和环境中的迁移、扩散，从而实现大量消耗及无污染排放赤泥的目的。. 结果表明：MICP技术可以克服赤泥矿物成分复杂、粒度细小、碱性强、多有害物质特性的不良影响，处理拜耳法赤泥是有效、安全、高效的。在此基础上，通过固结排水三轴剪切试验对不同注浆轮数处理的赤泥试样应力-应变特性进行了研究，发现随着碳酸盐含量的增加，拜耳法赤泥的破坏形态由初始的塑性破坏转变为脆性破坏，抗剪强度有明显的增长。利用多种微观测试手段分析了在这一过程中化学成分、矿物组成、微观结构的变化，揭示了微生物固化赤泥的微观机制。.与现有高耗能、高污染、高成本的赤泥处理技术相比，本技术全过程在常温、常压下，通过天然环境中普遍存在的微生物自然生长完成，具有极低能耗、成本低廉、低碳环保等优势。经本技术固化处理后的赤泥可以大规模应用于各种等级道路的路基填筑材料，能够取得显著的经济和生态效益，有助于解决赤泥低成本减量化利用这一世界性难题。