微生物法固化赤泥工艺及流程研究
绪论
1.1研究背景 人类从开始出现在地球上就一直主要依靠的是地球的自然资源而生存，然而直到现在我们仍在没有限制地砍伐森林，开挖矿产资源，用填海造田的方式来扩大可建筑面积，用刀耕火种的方式扩大耕地面积，并把工业生产中产生的污水排入江河湖海中，废气排入大气中，造成严重的危害。随着世界范围内的人口增长和社会发展，我们对建设用地的需求也在不断增大，因为这些情况，我们的大气污染开始变得越来越严重，臭氧层变得稀薄并出现空洞，资源开始枯竭，植被遭到严重破坏，江河湖海也被污染的愈发严重。这些严重的环境和生态问题使人类的生存环境不断恶化，甚至可能使我们自身也受到威胁。几年来，我国经济发展迅速，基础设施也在不停断完善，各个民生项目也逐渐提上轨道，但是不太好的影响也开始逐渐出现。改革开放都进入了关键时期，而社会矛盾不断凸显，经济发展的过于快速由我国生态系统开始逐渐退化，资源环境遭到破坏，造成了深远的影响，而这使得环境问题成为了必须也需要尽快解决的一个问题。环境问题已经开始成为现代人普遍关注的全球性问题，他与我们的生活未来息息相关。随着现代工业生产的迅猛发展，人类的可持续发展已经成为现代国际社会关注的焦点，全球各国也都将可持续发展作为现代社会的发展战略。中国认真学习了世界上各个工业化国家的“先污染，后治理”的惨痛教训，把可持续发展的实现作为我国的一项基本国策。
可持续发展是指既能满足当代人的需求，而且又不对后代人满足他的需要的能留构成危害的发展。既能达到发展经济的目的，又能保护人类赖以生存的自然资源和环境，使人类能够不断的发展。可持续发展对一个区域或者城市来说，包括这三个相互关系的重要方面：社会可持续性发展，经济可持续性发展，环境资源的可持续性发展。而环境问题在可持续性发展中是其核心内容，环境资源的可持续性发展是指控制环境恶化局势以及生态危机，建立完善的环境资源法规体系，提高自然环境资源的综合利用率。环境雨发展密不可分，相辅相成。发展应以环境保护与治理为前提，发展要建立在以不破坏人类生存环境的基础上并且应在发展过程中解决已经造成并且能够解决的环境问题。
伴随着全球运输业，建筑业，包装业的发展，我们对铝的需求量夜越来越大，赤泥的产量也随之逐年增加，这使得铝工业的环保压力剧增。越来越严格的环境标准不仅增加了赤泥处理以及堆存的费用，而且严重限制了铝工业的发展。我国在1954年开始使用烧结法生产氧化铝，赤泥是氧化铝生产过程中最大的废弃物也是氧化铝厂最大的污染源，它音其为赤红色的泥浆而被称为赤泥。中国在20世纪80年代初，提出了lsquo;优先发展铝工业rsquo;的发展方针，我国也逐渐具备了一系列条件用于发展铝工业。由此，铝工业有了长足的发展。截至今日，我国已经成为了世界第一大铝生产国，结束了铝靠进口的局面，这非常的具有意义。世界原铝的需求前景非常广阔。铝使世界上所有元素中储存量排名第三位的元素，一百多年来，铝由原来的比黄金、铂金还要贵，通过工艺、设备、效能以及规模的逐渐改进和发展，已经取得了巨大的成就。工艺体系日趋现代化、逐渐完善，这对世界文明做出了重大贡献。但是不管是氧化铝的生产工艺还是电解铝的生产工艺。它的生产过程依然对一次资源有着重度的依赖性，核心技术仍然没有突破过去的技术原型，这限制了我们更好的发展氧化铝工业。原生铝产业和再生铝产业组成了现代铝工业，在再生铝工业领域，它的初始资源型态和原生铝工业的最终产品非常接近，而为了达到目标产品，它的生产工艺和矿物的处理方法有着本质上的差别。在原生铝的工业领域，不可再生的矿产资源和能源是它的根本，采用传统的矿物加工处理方法来提取金属铝。再生铝工业对于循环经济发展过程具有重要意义，再生铝工业的崛起将会缓解原生铝工业对于环境造成的压力减少，减轻原生铝工业对于能源、资源的依赖。再生铝工业不仅仅是现代铝工业的重要组成部分，而且还代表着现代铝工业未来的发展方向。我们应重新规划铝工业的发展模式，大力发展再生铝工业，逐步实现经济、环境、资源与社会的全面、协调和可持续发展，将铝工业从产品工业转换为绿色工业。在国内“电解铝热”之后，“氧化铝热”急剧升温。在我国国内铝土矿资源并没有较大增加，煤电油运依然持续紧张的情况下，而氧化铝产业的发展又必须考虑又充足、持续的能源和资源保障，所有发展的不确定因素逐渐增多。
海外氧化铝生产企业的赤泥原先主要的处理方法是填海堆存，那么世界上最严重的赤泥破坏生态环境的案例大概就是发生在匈牙利的赤泥泄露的事件了。在2010年10月4日，700000多立方米的赤泥由于大坝的坍塌而从赤泥的堆场中流动到了农业区，匈牙利的多瑙河受到了严重污染，在这次事件中导致了10人死亡，上百人受伤。而随着可持续发展的逐渐重视以及全球环境保护意识的不断增强，并且赤泥堆存和处理的问题会给环境带来各种风险，赤泥的填海堆存已经被明令禁止，筑坝堆存逐渐成为主要的排放方式。我国的氧化铝生产企业由于受到地理位置的限制，一直以来赤泥除了少量是用于生产水泥以外，其他大多是湿法露天筑坝堆存。赤泥的综合利用是一项跨越多学科、多个技术领域的技术难题。长期以来，国内外的研究者们都围绕着赤泥的综合利用的研究进行了大量的工作，尤其是在赤泥配料用来生产水泥和用赤泥做筑路材料的技术领域取得了较大的成功，赤泥的消耗量大，但是经济成本较高，不太适合大范围的推广。那么针对赤泥综合利用技术的工作应该主要针对大规模消耗赤泥的渣量，其次关注赤泥的高附加值产物，应该多种途径总和开发，并且控制经济成本，最终实现赤泥的零排放。土壤作为一个生态系统，大量微生物细菌存在其中，这些微生物细菌数量庞大，它们的新陈代谢作用调节着我们地球的化学反应同时还伴随着生物气、生物膜、表面活性剂以及矿物沉淀的产生。因此，这为我们利用微生物的天然活动或者激发微生物代谢来固化赤泥提供了机遇。
固化技术
地球土壤中的某些细菌，如巴氏芽孢杆菌能够将松散沙粒胶凝在一起，它利用反应环境中的尿素等有机物和钙离子，能够快速析出具有良好凝胶性质的碳酸钙结晶。这一项技术就被我们称为MICP。MICP即微生物诱导碳酸钙沉淀技术是一种将化学固定与微生物原位修复结合的土壤重金属污染修复的新技术。细菌产生尿酶将尿素分解成铵根离子和碳酸根离子，在碱性条件下，钙离子与碳酸根离子结合形成了碳酸钙沉淀，同时又可以将重金属离子沉淀是MICP的基本原理，也是我们固化赤泥的核心。宏观工程特性研究主要侧重与微生物队土体强度、渗透性、刚度等特性的改性作用，通过微生物来加固赤泥。赤泥是氧化铝厂生产氧化铝的固体废物，如何处理利用赤泥是国内外十分关注的话题。赤泥为细粒级土料，固化的表面积较大，若使用胶结的材料对赤泥进行固化，那么所需要的凝结材料数量很大，会增加他的成本。赤泥是高碱性的物质，他其中的化学成分和物料，其中的游离碱会对固结的强度和固化体的持久性能产生较大的影响。赤泥是一种不溶性的残渣，它的表面看起来虽然是土，但是粘结性较差，它的化学成分取决也有铝土矿的成分，生产氧化铝的方法及其生产过程。传统的化学灌浆材料和化学固化剂，大多含有有毒化学物质，对环境造成了严重的影响，研究一种新型环保的土壤加固方法这就变得十分迫切。微生物诱导碳酸钙沉淀是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程，快速高效，机理简单并且环境耐受性好。尿素水解的MICP一般是基于一种高产尿酶的巴氏芽孢杆菌，它是土壤中一种富含嗜碱性的细菌，并且它可以在高盐度、强酸、强碱等恶劣环境中都能保持较强的生物活性。它能以尿素为能源，通过细菌微生物的新陈代谢活动产生大量的高活性尿酶，由此产生的沉淀固化。巴氏芽孢杆菌在这个反应中起到了两个核心作用：一是水解尿素提供尿酶，二是为碳酸钙的沉淀提供核点。反应生成的碳酸钙在土体中会填充赤泥颗粒之间的缝隙、增加赤泥颗粒之间的摩擦和赤泥的密实程度，还会对赤泥颗粒之间产生胶结作用。这样就如同一种粘结剂将微小的赤泥颗粒粘结在一起，形成密实的块状体，增加了赤泥颗粒间的粘聚力，从而达到了固化赤泥的目的。微生物诱导的碳酸钙沉淀技术在这些年来已经一起了学者在许多领域的探索，它不仅可以应用于固化赤泥，还可以用于土壤中金属和放射性物质的降解、挽救修复重大文物古建筑、缓解沿海沿江地区海水入侵和土壤盐碱化的程度、改善土建基础设施耐久性和安全性等诸多领域。尿酶导致的微生物诱导碳酸钙沉淀能够经济高效地固化重金属或者放射性金属并且有利于队金属的生物回收。微生物诱导碳酸钙沉淀是一个精细复杂的过程，由于不同类型的微生物对于营养物质的代谢能力各有不同，在诱导碳酸钙沉淀方面也有所差异，而酸碱值的变化队碳酸钙的形成起着很大的决定作用，温度、微生物浓度也会对碳酸钙的沉淀产生影响。通过微生物诱导碳酸钙沉淀作用，赤泥的力学性能主要在两个方面产生变化：首先，赤泥的刚度和强度会增长、压缩性降低，我们称之为生物胶结；其次，赤泥的渗透性降低，这被我们称为生物防渗。由于生物胶结和生物防渗相互作用，微生物诱导碳酸钙沉淀固化赤泥可以增强赤泥的强度，防止赤泥遭受水力的侵蚀即防止水土流失，强化赤泥本身的强度，防止赤泥遭受风的侵蚀并且控制赤泥流动污染水体。
赤泥的固化技术有，粉煤灰抑制赤泥碱反应技术：加入碱抑制剂是抑制集料反应的有效措施。硅灰是在工程中应用较为普遍且确实可行的碱抑制剂。而在现在的研究工程中，由于粉煤灰价格低廉并且存量丰富，正在对分梅花作为赤泥的碱抑制剂进行开发研究。赤泥压力成型技术：利用震动压路机的振动对赤泥进行振动压力固化，这样不仅加快了建路的效利，而且减少了用水量，提高了混凝土的固化强度和密实性。赤泥离子交换和活化技术：赤泥中氧化铝和氧化铁的含量相比其他粉状土而言更高，而研究表明，铁离子与铝离子的置换能使得置换的能力最强，能明显提高土体的强度。化灰废渣固化赤泥技术：煤灰、石灰粉固化赤泥是赤泥基层实验的应用，基层强度较高，水稳性好。微生物诱导碳酸钙沉淀作为生物矿化中重要的一种途径，它符合环境友好和低碳经济的原则，微生物通过新陈代谢产生尿酶，尿酶通过巴氏芽孢杆菌的水解尿素形成了碳酸钙晶体从而达到固化作用。芽孢杆菌一类的细菌是我们目前为止发现的具有前景的一类产尿酶微生物。微生物胶结砂石强度的提升很大程度商是受到砂颗粒内部碳酸钙晶体的沉淀含量影响。而在目前为止，众多学者仅仅是对微生物固化胶结完成的整个土体进行了力学性能方面的测试，但是岩土赤泥是由许多微观颗粒组成，这些颗粒中的粘结强度还没有得到有效充分的研究。
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