Сдерживание сульфатов в фильтрате в виде минерального образования гипса (CaSO4·2H2O) в биотехнологиях.

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 10938 (2023) Цитировать эту статью

422 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Ферментативно-индуцированное осаждение карбоната (EICP) с использованием гидролиза мочевины представляет собой хорошо известный процесс биоцементации, который не только способствует осаждению карбоната кальция (CaCO3), но и может обеспечить избыток катионов кальция для дальнейшей реакции в зависимости от компонентов субстрата и стадии реакции. В этом исследовании представлен рецепт EICP, обеспечивающий достаточное содержание сульфат-ионов в фильтрате свалок с использованием оставшихся катионов кальция, и была проведена серия испытаний для подтверждения его способности удерживать сульфаты. Скорость реакции для 1 М CaCl2 и 1,5 М мочевины определяли путем контроля содержания очищенной уреазы и времени отверждения процесса ЭИКП. Результаты показали, что 0,3 г/л очищенной уреазы дает 46% CaCO3 и снижает количество сульфат-ионов на 77% после 3 дней отверждения. Жесткость на сдвиг песка, обработанного ЭИКП, повышалась в 13 раз за счет осаждения CaCO3 с последующим увеличением в 1,12 раза за счет последующего осаждения кристаллов гипса (CaSO4·2H2O), что подразумевает удерживание сульфатов. Экономически эффективная обработка EICP с использованием сырой уреазы сои вместо очищенной уреазы лабораторного качества показала более низкую эффективность удаления сульфатов (т.е. 18%) при лишь номинальном образовании гипса в песке, обработанном EICP. Добавление гипсового порошка было эффективным для увеличения удаления сульфатов на 40% при использовании сырой уреазы сои для ЭИКП.

Захоронение остается одной из самых популярных стратегий утилизации твердых бытовых отходов (ТБО), привлекательной благодаря относительно низким затратам на строительство и техническое обслуживание1,2,3. Несмотря на эти преимущества, захоронение мусора по своей сути вызывает экологические проблемы во время его эксплуатации; Постоянно образуются фильтраты, содержащие растворенные органические соединения, тяжелые металлы, ксенобиотические органические соединения и неорганические макрокомпоненты, а просачивание этих побочных продуктов загрязняет почву и грунтовые воды4. В частности, сульфат (\({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)), основной компонент фильтрата свалки ТБО, постоянно присутствует в высоких концентрациях (250–1000 мг/л)5 во всем мире (Таблица 1), что может отрицательно повлиять на природный цикл серы и здоровье человека6,7.

Сообщалось о нескольких методах удаления \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) из фильтрата свалки. Коагуляция и осаждение \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) с помощью катионов металлов, таких как ионы железа, алюминия и кальция, или извести (CaO), может снизить концентрацию \({ \text{SO}}_{4}^{2 - }\) значительно8,9,10,11. Однако они могут повлиять на окружающую среду за счет увеличения локальной концентрации определенных ионов в жидкости и потребовать корректировки pH с утилизацией образующихся объемных осадков9,12,13. Электрокоагуляция с использованием алюминиевых электродов показала высокую способность удаления \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) до 95%14 с такими недостатками, как высокие энергозатраты на образование оксидной пленки15.

Традиционные покрытия для свалок включают в себя уплотненные глиняные покрытия, которые предназначены для минимизации просачивания фильтрата в грунтовые воды и имеют тенденцию адсорбировать ионы \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) за счет лигандного обмена и удержания. в диффузном двойном слое16,17. Однако предыдущие исследования показали, что незначительное количество \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) было адсорбировано глинистыми минералами, что означает необходимость разработки новых покрытий для свалок ТБО. которые эффективно содержат \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)16,18.

Биологически индуцированные методы улучшения почвы в последнее время вызывают повышенный интерес к изменению гидрофизических свойств почвенных систем путем образования биоминералов19,20,21,22,23, биогаза24,25,26,27, биопленки28,29,30 или биополимера31. ,32,33. Эти биологические процессы привели к повышению прочности на сдвиг19,20,22, контролю проницаемости31,34,35 и снижению потенциала разжижения почвы25,27,36. Среди них биоцементация, представляющая собой связывание частиц посредством осаждения карбоната кальция (CaCO3), может применяться для стабилизации склонов37, пылеподавления для борьбы с ветровой эрозией38,39,40, заживления трещин в бетоне41,42 и иммобилизации тяжелых металлов43. Кроме того, некоторые недавние исследования сосредоточены на улавливании и хранении углекислого газа (CO2) конкретными бактериями, что приводит к минерализации CaCO3 ионами кальция44,45 и уменьшению токсичных побочных продуктов гидролиза мочевины посредством химического осаждения ионами магния и бифосфата46. В основном исследования по биоцементации были сосредоточены на образовании CaCO3 в качестве альтернативы решению экологических проблем, а другой подход, связанный с использованием ионов кальция в цементирующем растворе, почти не изучался.