微生物固化垃圾焚烧灰渣强度试验

邵光辉，陈相宇，崔小相

（1.南京林业大学土木工程学院，南京 210037；2.南京市建筑安装管理处，南京 210016）

城市生活垃圾焚烧发电作为无害化、资源化、减量化的垃圾处理技术，日益得到广泛的应用。在垃圾焚烧后，会产生底渣、飞灰等固体废弃物，如果直接填埋，不仅占用大量土地，还会对环境造成污染［1］。因此，如何实现垃圾焚烧灰渣的无害化与资源化利用成为我国环境保护领域亟待解决的共性问题。

焚烧底渣由于具有较好的岩土特性，且其重金属和盐类浸出浓度低，若经过合适的处理可以作为天然建筑材料的替代品，用于道路施工的填料、混凝土/沥青添加剂、建筑基础等，有利于节约天然资源和保护环境［2］。而焚烧飞灰颗粒较小，其中最细微颗粒对环境、人类可能的危害最大，是国内外公认的危险废弃物［3］。目前应用于垃圾焚烧灰渣固化与稳定化处理的方法主要有高温处理、水泥处理、化学药剂处理、水泥⁃化学药剂复合处理等［4］。这4 种处理方法均有各自的优点，但都存在成本高和不环保等缺点［5］。微生物诱导碳酸钙沉积（mi⁃crobial induced calcium precipitation，MICP）胶结松散颗粒材料作为一种绿色、环保的新技术，近年来日益受到重视并得到快速发展［6］，已被尝试引入到垃圾焚烧灰渣的固化处理中［7］。

MICP 是指利用一些特定的微生物，通过为之提供富含钙离子和氮源的营养盐，快速析出具有胶凝作用的碳酸钙结晶的微生物成矿技术［8］。国内外学者对微生物胶结不同性状的散体材料进行了许多研究。Whiffin［9］提出采用MICP 技术胶结松散砂颗粒，以提高砂土的强度和刚度等宏观力学性质。Van Paassen［10］采用微生物注浆固化处理砂颗粒，使之抗压强度达20 MPa。随着注浆量的增加，固化砂的强度还能进一步提高［11］。李驰等［12］利用微生物诱导碳酸钙沉积固化沙漠风沙土，使其无侧限抗压强度提高到0.66 MPa。刘汉龙等［13］采用MICP 胶结钙质砂发现，通过MICP 胶结的钙质砂动剪应力比和抵抗变形的能力得到了明显提高。Soon 等［14］通过生物注浆方式处理低渗透性的残积粉土，对不同密度土样处理后使其强度提高了1.4～2.6 倍。彭邦阳等［15］采用拌菌与循环入渗胶结液的方法有效固化了孔喉小、难注浆的海相吹填粉土。

垃圾焚烧灰渣具有松散土体颗粒类似的级配特征，但颗粒微观结构也有自身特点，飞灰颗粒表面疏松多孔［7］，具有很强的吸附性。高炎旭［7］利用垃圾焚烧飞灰内源钙，通过MICP 对其进行固化取得了一定效果，对飞灰的微生物固化处理进行了有益探索。对内源钙含量相对较少的焚烧底渣或飞灰，采用微生物固化是否有效，以及固化后的强度能否满足应用需要等问题尚待研究。

笔者通过微生物诱导碳酸钙沉积固化垃圾焚烧灰渣（细粒底渣和飞灰）试验，研究菌液浓度、胶结液浓度和处理轮数对垃圾焚烧灰渣固化体强度的影响，探讨微生物固化垃圾焚烧灰渣的可行性与有效性，为微生物固化技术用于垃圾焚烧灰渣固化及资源化利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 垃圾焚烧灰渣

试验用垃圾焚烧灰渣取自江苏省无锡市某垃圾焚烧发电厂，包括底渣（底渣中的细粒组分）和飞灰。试样的基本物理指标参照土工试验方法标准（GB/T 50123—1999）所得如表1。

表1 底渣和飞灰的基本物理指标Table 1 Properties of the bottom slag and fly ash

图1 灰渣颗粒级配曲线Fig.1 Particle grading curves of bottom slag and fly ash

底渣和飞灰试样的颗粒级配曲线如图1。底渣的颗粒分布主要在3～420 μm 之间，其中黏粒（＜5 μm）的质量分数为2.14%，粉粒（5～75 μm）的质量分数为35.47%。不均匀系数Cu＝10.27，曲率系数Cc＝1.27，级配良好。飞灰的颗粒分布主要在4～250 μm 之间，其中黏粒（＜5 μm）的质量分数为2.25%，粉粒（5～75 μm）的质量分数为73.67%。不均匀系数Cu＝4.94，曲率系数Cc＝0.95，级配不良。

1.2 微生物菌种与培养

选用来自德国菌种保藏中心（DSMZ33）的巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）为试验菌种。采用DSMZ 推荐的液体培养基，培养基的溶剂为去离子水。具体组成成分为：15 g/L 的胰蛋白胨（tryptone，oxoid LP0042），5 g/L 的大豆蛋白胨（neutralised soya peptone，oxoid LP0044），5 g/L 的NaCl 和20 g/L 的尿素，调节营养液pH 至7.3。将配制完成的营养液，经121 ℃高温蒸汽灭菌20 min，待冷却后备用。

将菌种接种至新鲜营养液中，在30 ℃和135 r/min 培养条件下恒温振荡培养16 h 后，取菌液［原菌液，浓度为1.2×108CFU/mL，脲酶活性控制在（5.5±0.1）ms/（cm·min）］待用。本试验选用菌液为两种配比的稀释菌液，稀释菌液为将原菌液分别与营养液按照体积比1∶50 和1∶100 的比例进行混合，并分别记为A 菌液和B 菌液。其中，A 菌液的脲酶活性控制在1.78 ms/（cm·min）左右；B 菌液脲酶活性控制在0.65 ms/（cm·min）左右。

1.3 胶结液

胶结液是尿素和氯化钙的混合溶液，为MICP过程提供必需的氮源和钙源。尿素与氯化钙的摩尔浓度比为1∶1，取浓度为0.25，0.50，0.75，1.00 和1.25 mol/L 的胶结液进行试验。

1.4 试样制备

用于微生物注浆的灰渣试样为重塑圆柱样，直径30 mm，其中底渣试样高度为85 mm，干密度为1.42 g/cm3；飞灰试样高度为81 mm，干密度为1.25 g/cm3。采用分层击实法制样并饱和。

1.5 注浆装置及注浆方法

固化底渣和飞灰试样的容器采用内腔直径30 mm 的PVC 注射器，为了防止固化后的灰渣试样和管内壁粘结，管内壁涂抹一层凡士林。试样两端各布置一层镍网和2 mm 厚的高纱布层作为滤层，注浆管一端连接出浆管，另一端则对容器内的试样进行自下而上的注浆，出口连接流出液收集容器。具体实验装置如图2 所示。

图2 微生物注浆装置示意图Fig.2 Schematic diagram of microbial grouting device

首先利用蠕动泵通过注射器底部的注浆口以1 mL/min 速度注入2 倍孔隙体积的去离子水，然后封闭注浆口，静置24 h 饱和试样。待试样饱和完毕，再以1 mL/min 的注浆速度自下而上注入约1.2 倍孔隙体积的稀释菌液，静置12 h，然后注入5～10 mL 的去离子水，作为菌液与胶结溶液的隔离层，避免菌液与胶结溶液直接接触发生反应产生CaCO3堵塞管道与注浆口。最后自下而上注入约2倍孔隙体积的胶结溶液，静置12 h。再按上述注浆方法交替注入菌液和胶结液（注1 次稀释菌液和1次胶结液为1 轮次）。在注浆过程中，须时刻保持浆液液面高于试样表面，以保证试样饱和。饱和底渣和飞灰试样分别进行2，4，6，8，10 轮微生物注浆后，进行无侧限抗压强度试验，并对试样进行上、中、下三等分取样以测定加固后试样内CaCO3生成量。将菌液替换为去离子水，按上述同样方法分别对饱和底渣和飞灰试样进行注浆作为对照。

1.6 测试方法

1.6.1 强度试验

采用无侧限抗压强度试验得到微生物注浆处理前后试样的强度，加载速率为1 mm/min。

1.6.2 CaCO3生成量测定

将微生物注浆加固前后试样分为上、中、下3层，其中下层为靠近注浆口一侧的位置，上层为靠近出浆口一侧的位置。无侧限压缩破坏后每层各取一部分样体。采用盐酸浸泡法［16］测定试样内不同位置处CaCO3生成量。分别将微生物注浆加固处理前后的试样置于105.5 ℃烘箱内烘干后，加入1 mol/L 盐酸搅拌浸泡，用真空抽滤装置过滤，滤膜孔径为0.45 μm。抽滤后土样再加入盐酸搅拌并重复以上步骤，以确保土样内没有CaCO3残留。用烘干后的质量损失量占酸洗后干试样质量的百分比表示CaCO3生成量，具体计算方法见式（1）：

式中：A为碳酸钙生成量，%；m1为稀盐酸未浸泡前烘干试样的质量，g；m2为稀盐酸浸泡过滤后烘干试样的质量，g；s为原试样中不溶于盐酸的质量与可溶于盐酸的质量之比，%。

2 结果与分析

2.1 菌液浓度的影响

巴氏芽孢杆菌主要通过诱导CaCO3矿物沉淀以固化散体材料，因此，CaCO3生成量和强度是评价微生物固化底渣和飞灰效果的主要指标。图3是采用菌液A、B 固化底渣和飞灰的无侧限抗压强度和CaCO3生成量随注浆轮次的变化曲线，其中胶结溶液浓度均为0.50 mol/L。

对比图3a、b 可见，无论底渣还是飞灰，采用A菌液注浆的试样的无侧限抗压强度和CaCO3生成量均高于B 菌液注浆的试样。对于底渣试样，在第2 轮注浆时，采用A 菌液比B 菌液的无侧限抗压强度高4.28%，到第10 轮注浆时这一差异扩大到了25.76%。A、B 菌液均为稀释菌液，但A 菌液浓度是B 菌液的2 倍，可见适当提高菌液浓度有助于固化底渣强度的提高。菌液浓度引起的强度差异会随着注浆轮次增多而产生累积，在达到同等强度的前提下，采用低浓度菌液需要的注浆轮次更多。而对于飞灰试样，采用菌液A、B 引起的无侧限抗压强度差异从1.64%到4.02%，虽然还是呈现增长的趋势，但是幅度较小。同样，从图3a、b 对比可见，底渣和飞灰试样的CaCO3生成量均随着菌液浓度的提高而增大。菌液浓度适当提升，能够提高其对胶结液中钙离子及尿素的转换能力，诱导更多的CaCO3产生沉淀。但需要注意的是，并非菌液浓度越高越好。本研究在前期试注试验时发现，当向底渣和飞灰注入未稀释的原菌液时，由于菌液浓度较大，细菌尺寸与底渣和飞灰的孔喉尺寸接近，细菌堆积效应明显，注浆过程中易发生微生物菌群拥堵，试样出现断层和注浆堵塞的问题，以至远端无法加固造成固化失败（图4）。因此，菌液浓度是决定注浆固化底渣和飞灰能否有效的重要因素，采用适当稀释后的菌液注浆才能保证固化效果。

图3 菌液A、B 处理试样的强度、CaCO3生成量与注浆轮数的关系Fig.3 Relationship between strength，CaCO3content of samples and grouting rounds treated by bacterial suspensions A and B

图4 灰渣未稀释菌液注浆效果图Fig.4 Grouting effect diagram of undiluted bacterial liquid from slag

2.2 胶结液浓度的影响

2.2.1 胶结液浓度对试样CaCO3生成量的影响

胶结溶液是氯化钙和尿素的混合溶液，为MICP 提供细菌生长所必需的氮源和CaCO3沉淀所需的钙离子。MICP 过程中，通常认为使用高浓度胶结溶液可获得较多CaCO3沉淀［17］。图5 是采用B 菌液注浆10 轮固化底渣和飞灰试样中的CaCO3生成量随胶结溶液浓度变化情况。由图5 可见，胶结液浓度越大，其所对应试样CaCO3的生成量越多。但从总体趋势上看，CaCO3生成量在试样内部的分布不均匀，依旧呈现试样上部（出浆端）CaCO3生成量少、下部（注浆端）CaCO3生成量多的规律。但当胶结液浓度大于1.00 mol/L 后CaCO3生成量增长趋缓。当胶结液浓度较高时，其中的尿素和钙离子可能没有被充分利用。虽然提高胶结液浓度能够提高CaCO3生成量，改善微生物固化效果，但尿素和钙离子的利用率却会降低。考虑到经济因素，实际应用中不宜采用过高浓度的胶结液来提高微生物固化效果。

图5 灰渣试样CaCO3生成量与胶结液浓度的关系Fig.5 Relationship between CaCO3content and concentration of cementing solution of cemented samples

2.2.2 胶结液浓度对固化试样强度的影响

取0.25，0.50，0.75，1.00 和1.25 mol/L 5 种不同浓度胶结液，以研究胶结液浓度对微生物注浆固化底渣和飞灰强度的影响。图6 是采用B 菌液及不同浓度的胶结液分别进行微生物注浆10 轮加固处理前后底渣和飞灰试样无侧限强度的变化情况。

由图6 可见，随胶结液浓度提升，底渣和飞灰试样的无侧限抗压强度增长趋缓。胶结液浓度越大，总体上试样强度也越大。飞灰试样则在注浆1.00 mol/L 浓度胶结液时出现了最大峰值强度，当胶结液浓度达到1.25 mol/L 时，胶结液浓度增大对强度提高作用不大。综合考虑胶结液浓度对底渣和飞灰的强度影响，为提高固化材料利用效率，微生物注浆加固灰渣时胶结液浓度取1.00 mol/L 左右为宜。

图6 不同胶结液浓度对微生物固化灰渣强度的影响Fig.6 Effects of cementing solution concentration on strength of cemented samples

2.3 注浆轮数的影响

采用B 菌液及0.50 mol/L 的胶结液加固处理前后试样的无侧限强度和碳酸钙生成量变化情况见图7。由图7 可见，随着注浆轮数的增加，试样的无侧限抗压强度和CaCO3生成量均有不同程度的提高，说明微生物注浆对垃圾焚烧底渣和飞灰起到了一定加固作用。通常在微生物注浆固化过程中，随着胶结物生成，试样的孔隙会逐渐堵塞，试样的渗透性也逐渐下降，在多轮注浆后最终会形成封堵，无法继续注入。试注结果表明，在注浆10 轮后浆液就难以继续注入试样。

图7 不同注浆轮数对灰渣试样强度和碳酸钙生成量的影响Fig.7 Effects of grouting rounds on unconfined compressive strength and CaCO3content of samples

底渣和飞灰都具有一定的吸湿性，会逐渐从空气中吸收水分。底渣未固化前自身水化反应［7］形成的初始强度为174.46 kPa，而注入2，4，6，8 和10 轮去离子后的水硬固化体无侧限抗压强度较未处理底渣试样则分别提高了4.3%，9.5%，16.9%，20.3% 和24.4%，微生物注浆2，4，6，8 和10 轮后的无侧限抗压强度较相应水硬固化体则分别提高了35.8%，53.9%，83.5%，115.6%和120.0%。飞灰未固化前自身水化反应形成的初始强度为381.73 kPa，而注入2，4，6，8 和10 轮去离子后的水硬固化体无侧限抗压强度较未处理飞灰试样则分别提高了2.3%，4.2%，6.1%，7.1%和7.9%，微生物注浆2，4，6，8 和10 轮后的无侧限抗压强度较相应水硬固化体则分别提高了9.5%，18.7%，27.5%，38.0%和48.8%。底渣和飞灰都具有一定的水硬性［7］，而飞灰的水硬性更强。MICP 形成固化体的强度较水硬固化体有明显的提高。微生物注浆10 轮后固化底渣的强度较水硬固化体强度提高了120.0%，而飞灰则提高了48.8%。这说明微生物诱导碳酸钙沉积对底渣和飞灰的强度提升是有效的。固化后底渣和飞灰的无侧限抗压强度均随着注浆轮数的增加而增加。固化底渣的无侧限抗压强度随注浆轮数增加而增长，但注浆8 轮以上时强度增长变缓；固化飞灰的无侧限抗压强度随注浆轮数增加近似呈线性增长。

随着注浆轮数的增多，试样内整体CaCO3生成量的不断增大（图7）。底渣和飞灰试样中CaCO3生成量空间分布不均匀，大体呈现上部CaCO3生成量少、下部CaCO3生成量多的特点（其中下部为靠近注浆口一侧的位置，上部为靠近出浆口一侧的位置）。这可能与自下而上的注浆方式导致试样下部优先沉积CaCO3堵塞土体孔隙，降低其渗透性。随着注浆轮数的增加，试样下部注浆口附近孔喉进一步缩小，对细菌的反滤作用进一步强化，导致菌体数量沿渗流方向分布越来越不均匀，因而造成微生物固化试样远、近端强度相差较大和CaCO3沉积分布不均匀的现象。微生物注浆固化砂土［9］或粉土［18］时也有类似情况。固化底渣和固化飞灰相比，固化底渣的强度提高幅度更大，固化效果更显著，这可能与底渣中原有Ca2＋溶出量更大有关。

2.4 CaCO3生成量与强度的关系

微生物固化土强度特征的重要指标之一就是无侧限抗压强度，通过微生物固化土体胶结机理可以发现，土体颗粒之间沉积的CaCO3对微生物固化土强度起到主要作用。试样内CaCO3晶体颗粒起到填充孔隙和胶结颗粒的作用，微生物诱导产生的CaCO3越多，固化体的强度就可能越高。Harkes等［19］和Chu 等［20］通过微生物注浆固化砂土试验，发现无侧限抗压强度与CaCO3含量有着极其密切的关系，并分别给出了相应的经验公式。图8 给出了一些学者采用微生物固化砂、粉土等无侧限抗压强度与CaCO3含量的试验结果［10，14，20-22］。为便于比较，图8 中也给出了本研究微生物固化垃圾焚烧底渣和飞灰的试验结果。可以发现，虽然同一固化对象基本都呈现了无侧限抗压强度随CaCO3含量增加而增大的趋势，但是不同的固化对象之间的差距还是比较大的。在等CaCO3含量条件下，固化砂的强度最高，其次是粉土，固化底渣和飞灰最低。CaCO3含量为5%～20%质量分数时，固化底渣和飞灰试样的强度值为200～800 kPa。与微生物固化砂和粉土相比，垃圾焚烧底渣和飞灰试样中微生物诱导产生的CaCO3含量增加对其无侧限抗压强度提高的贡献率偏低。

图8 碳酸钙生成量与无侧限抗压强度的关系Fig.8 Relationship between calcium carbonate content and unconfined compressive strength

3 结论

本研究通过微生物注浆试验分析了菌液浓度、胶结液浓度和处理轮数对垃圾焚烧灰渣（底渣和飞灰）强度的影响，探索了微生物固化垃圾焚烧灰渣的可行性和效果，结论如下：

1）垃圾焚烧底渣和飞灰都具有一定的水硬性，底渣和飞灰的水硬固化体的无侧限抗压强度分别为174.46 和381.73kPa。采用微生物注浆方式固化垃圾焚烧底渣和飞灰能进一步提高其强度。将微生物固化技术应用于垃圾焚烧灰渣的固化处理具有良好的发展前景。

2）采用未稀释菌液注浆底渣和飞灰试样时，易出现试样断层和注浆堵塞的问题，固化效果较差，而稀释比1∶50 的菌液则比1∶100 的菌液更利于底渣和飞灰胶结强度的提高；固化底渣和飞灰的强度随胶结液浓度和注浆轮数增加而提高，底渣经微生物注浆处理2～10 轮后的无侧限抗压强度较其水硬固化体提高了35.8%～120.0%；飞灰经微生物注浆处理2～10 轮后的无侧限抗压强度较其水硬固化体提高了9.5%～48.8%。微生物固化在改善垃圾焚烧灰渣强度特性上是有效的。

3）固化底渣和飞灰的无侧限抗压强度与其内部微生物诱导产生的CaCO3含量之间正相关。与微生物固化砂和粉土相比，微生物固化底渣和飞灰中CaCO3含量的增加对其无侧限抗压强度提高的贡献偏弱。