一种基于微生物的锰矿尾矿废渣制砖方法及产品与流程

本发明属于人造石
技术领域：
，具体涉及一种基于微生物的锰矿尾矿废渣制砖方法及产品。
背景技术：
：矿山资源是人类社会赖以生存发展的重要资源，随着工业社会的发展，其开发与利用量日趋增大，产生了大量的尾矿废渣(废弃物)，而尾矿废渣造成的危害是多方面的，不仅占用大量耕地、破坏生态环境，还含有重金属物质，进入自然环境后难以消除，是长期影响人民健康的隐患。尾矿废渣经过重金属等修复后可进行复垦造田、作为建筑材料、制作玻璃与陶瓷等。许多发达国家对尾矿废渣利用率在60％以上，主要再利用方式为从尾矿废渣中提取有价金属与非金属元素、使用尾矿废渣作为采空区的填充基材、磁化尾矿作为土壤改良剂、复垦植被和混凝土等建筑材料的制作，取得了许多实用性成果。我国的尾矿矿渣产量巨大，但其利用率极低，且存在处理效率低、工艺落后、成本高昂、缺乏系统监管与行业效应低等缺点。考虑我国锰矿资源丰富，锰矿尾矿废渣存量大、危害多且利用率低的问题，将其进行重金属处理至满足环保要求后制成强度满足建筑规范要求的标准砖是一个可行的思路。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于微生物的锰矿尾矿废渣制砖方法；目的之二在于提供一种基于微生物的以锰矿尾矿废渣为原料制备的锰矿尾矿废渣砖。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：1、一种基于微生物的锰矿尾矿废渣制砖方法，所述方法包括如下步骤：(1)将锰矿尾矿废渣烘干后，掺入中砂拌和均匀，得到渗透系数>10-5m/s的混合物ⅰ，向所述混合物ⅰ中加入相当于所述混合物ⅰ体积0.5倍量的活性为3-4mm·min-1，ph＝8-9的巴氏芽孢八叠球菌菌液和相当于所述混合物ⅰ体积0.1倍量的浓度为0.1mol·l-1的氯化钙溶液，拌和均匀，获得混合物ⅱ；(2)将浓度为2-3mol·l-1的氯化钙溶液、浓度为2-3mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为2-3mol·l-1的尿素溶液按体积比1:1:3-1:1:4混匀后，制得固化液；(3)将步骤(1)中获得的混合物ⅱ分若干层压实到制砖模具中，然后用土工布包裹所述制砖模具，静置2-4h后浸泡在相当于所述制砖模具体积5-8倍量的步骤(2)中制得的固化液中，至所述固化液中钙、镁离子浓度不再降低后从所述土工布中取出所述制砖模具，再将所述制砖模具浸泡在相当于所述制砖模具体积2.5-4倍量的活性为1-2mm·min-1，ph＝8-9的巴氏芽孢八叠球菌菌液中，6-8h后取出，再用土工布将所述制砖模具包裹，再次浸泡在相当于所述制砖模具体积5-8倍量的步骤(2)中制得的固化液中至所述固化液中钙、镁离子浓度不再降低，如此重复巴氏芽孢八叠球菌菌液浸泡和固化液浸泡两个工序，至最终所述制砖模具中的成型砖块达到规定的重金属含量要求和强度要求后，取出所述成型砖块，烘干即可。优选的，步骤(1)中，所述中砂的掺入量为所述锰矿尾矿废渣的10-25wt％，所述中砂的粒径为0.25-0.5mm。优选的，步骤(1)中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液由如下方法制得：将巴氏芽孢八叠球菌菌种活化接种后获得菌落，将所述菌落扩大培养后获得菌液，将所述菌液离心后收集菌体，将所述菌体冷冻干燥制得巴氏芽孢八叠球菌冻干粉，将所述巴氏芽孢八叠球菌冻干粉加入生理盐水中配制成巴氏芽孢八叠球菌菌液。优选的，所述活化接种和扩大培养过程中所使用的培养基包括如下组分：酵母提取物5-10g/l、蛋白胨5-10g/l、氯化铵10-15g/l、六水氯化镍24mg/l、四水硫酸锰10mg/l，水。优选的，所述活化接种和扩大培养过程中所使用的培养基包括如下组分：酵母提取物10g/l、蛋白胨10g/l、氯化铵10g/l、六水氯化镍24mg/l、四水硫酸锰10mg/l，水。优选的，步骤(3)中，所述将步骤(1)中获得的混合物ⅱ分若干层压实到制砖模具中时每层的厚度为15-20mm。优选的，步骤(3)中，所述制砖模具是由顶板、底板和4块侧板可拆卸组合而成的方体，所述顶板、底板和4块侧板上均阵列分布有孔洞。优选的，所述孔洞的孔径为0.5cm。优选的，所述制砖模具内部尺寸为240×115×53mm，长×宽×高，所述顶板、底板和4块侧板的厚度均为1cm。优选的，步骤(3)中，当包裹了土工布的制砖模具浸泡于固化液中时，打开空气泵，对所述制砖模具进行充气浸泡。2、由所述的方法制备的锰矿尾矿废渣砖。本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于微生物的锰矿尾矿废渣制砖方法及产品，该方法中通过巴氏芽孢八叠球菌产生尿酶将尿素分解产生铵根和碳酸根铵根则释放出氨气(nh3)并使ph值升高，在碱性环境下，与金属离子(包括锰矿尾矿废渣中的金属离子和外加的氯化钙和氯化镁中的金属离子)生成碳酸盐沉淀，将锰矿尾矿废渣胶结为整体，同时，在生成沉淀的过程中与锰矿尾矿废渣中的重金属元素共沉淀，以此固化重金属；最终制得满足环保和强度要求的建筑用砖。在实施该方法的过程，限定在烘干的锰矿尾矿废渣中掺入中砂，从而获得渗透系数>10-5m/s的混合物ⅰ，具有该渗透系数的混合物ⅰ能够有利于菌液和固化液的渗入；另外，在将锰矿尾矿废渣与中砂的混合物放入制砖模具前加入一定量的活性为3-4mm·min-1的巴氏芽孢八叠球菌菌液及浓度为0.1mol·l-1的氯化钙溶液进行混合，浓度为0.1mol·l-1的氯化钙溶液能够更好地将巴氏芽孢八叠球菌固定于尾矿废渣中，防止其从尾矿废渣中游走；限定固定液中氯化钙溶液、氯化镁溶液和尿素溶液三种溶液的浓度和体积比，是为了提供过量的尿素，使细菌水解尿素后ph升高，有利于尾矿废渣中的重金属的共沉淀，同时，提供更多的co32-，可与尾矿废渣中的金属离子反应，而之所有加入氯化钙溶液和氯化镁溶液，是为了通过ca2+、mg2+两种离子，一方面生成更多的胶结物质，另一方面，提高尾矿废渣中重金属的共沉淀，降低重金属含量。最后采用各面设置有孔洞的制砖模具，并用土工布包裹模具后浸泡于固化液中，由于土工布能够阻止细菌的通过，而对溶液中的金属离子进入锰矿尾矿废渣中无任何影响，这样既能使模具中的砖体与固化液充分接触，保证固化液中的金属离子与生成碳酸盐沉淀，将锰矿尾矿废渣胶结为整体，又能防止巴氏芽孢八叠球菌从砖体中流失，提高制砖效率，并且当包裹了土工布的制砖模具浸泡于固化液中时，打开空气泵，对制砖模具进行充气浸泡，可以加速菌液和固化液从高浓度向低浓度的流动，提高反应速度，缩短制砖时间。该方法简单易操作，且成本低，适合扩大化生产。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：图1为实施例1中制备的锰矿尾矿废渣砖表面磨平后的形貌图；图2为实施例2中制备的锰矿尾矿废渣砖表面磨平后的形貌图；图3为实施例3中制备的锰矿尾矿废渣砖表面磨平后的形貌图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。本发明中使用的巴氏芽孢八叠球菌(bacilluspasteurii，cgmccno：1.3687)，购于中国普通微生物菌种保藏管理中心。实施例1制备锰矿尾矿废渣砖(1)将巴氏芽孢八叠球菌菌种活化接种于培养基上，另加琼脂15g/l，用连续划线法接种，于30℃的生化培养箱中以180r/min速度振荡培养48h后获得菌落，挑取菌落后在相同培养基上，于30℃的生化培养箱中以180r/min速度振荡培养48h后获得菌液，将菌液离心后收集菌体，将菌体冷冻干燥后制得巴氏芽孢八叠球菌冻干粉，取巴氏芽孢八叠球菌冻干粉加入生理盐水中分别配制活性为2mm·min-1，ph＝8的巴氏芽孢八叠球菌菌液和活性为4mm·min-1，ph＝8的巴氏芽孢八叠球菌菌液，其中活性是指该菌每分钟水解尿素的量，活化接种和扩大培养过程中所使用的培养基包括如下组分：酵母提取物10g/l、蛋白胨10g/l、氯化铵10g/l、六水氯化镍24mg/l、四水硫酸锰10mg/l，余量为水。(2)将锰矿尾矿废渣烘干后，掺入相当于锰矿尾矿废渣重量20％的粒径为0.25-0.5mm的中砂拌和均匀，得到渗透系数>10-5m/s的混合物ⅰ，向混合物ⅰ中加入相当于该混合物ⅰ体积0.5倍量的步骤(1)中制得的活性为4mm·min-1，ph＝8的巴氏芽孢八叠球菌菌液和相当于该混合物ⅰ体积0.1倍量的浓度为0.1mol·l-1的氯化钙溶液，拌和均匀，获得混合物ⅱ；(3)将浓度为2mol·l-1的氯化钙溶液、浓度为2mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为3mol·l-1的尿素溶液按体积比1:1:3混匀后，制得固化液；(4)将步骤(2)中获得的混合物ⅱ分3层(每层厚度为15-20cm)压实到制砖模具中，然后用土工布包裹该制砖模具，静置2h后浸泡在相当于该制砖模具体积8倍量的步骤(3)中制得的固化液中，并同时打开空气泵，对该制砖模具进行充气浸泡，至该固化液中钙、镁离子浓度不再降低后从土工布中取出制砖模具，再将制砖模具浸泡在相当于制砖模具体积2.5倍量的步骤(1)中制得的活性为2mm·min-1，ph＝8的巴氏芽孢八叠球菌菌液中，6h后取出，再用土工布将制砖模具包裹，再次浸泡在相当于制砖模具体积8倍量的步骤(2)中制得的固化液中，并同时打开空气泵，对该制砖模具进行充气浸泡，至固化液中钙、镁离子浓度不再降低，从制砖模具中取出成型砖块，烘干即可，该砖表面磨平后的形貌如图1所示，其中，制砖模具是由顶板、底板和4块侧板通过螺纹连接组合而成的长方体，该模具内部尺寸为240×115×53mm(长×宽×高)，各板的材质为透明有机玻璃，各板的厚度均为1cm，各板上均阵列分布有孔径为0.5cm的孔洞。实施例2制备锰矿尾矿废渣砖(1)将巴氏芽孢八叠球菌菌种活化接种于培养基上，另加琼脂15g/l，用连续划线法接种，于30℃的生化培养箱中以180r/min速度振荡培养48h后获得菌落，挑取菌落后在相同培养基上，于30℃的生化培养箱中以180r/min速度振荡培养48h后获得菌液，将菌液离心后收集菌体，将菌体冷冻干燥后制得巴氏芽孢八叠球菌冻干粉，取巴氏芽孢八叠球菌冻干粉加入生理盐水中分别配制活性为1mm·min-1，ph＝9的巴氏芽孢八叠球菌菌液和活性为3mm·min-1，ph＝9的巴氏芽孢八叠球菌菌液，其中活性是指该菌每分钟水解尿素的量，活化接种和扩大培养过程中所使用的培养基包括如下组分：酵母提取物5g/l、蛋白胨10g/l、氯化铵12g/l、六水氯化镍24mg/l、四水硫酸锰10mg/l，余量为水。(2)将锰矿尾矿废渣烘干后，掺入相当于锰矿尾矿废渣重量25％的粒径为0.25-0.5mm的中砂拌和均匀，得到渗透系数>10-5m/s的混合物ⅰ，向混合物ⅰ中加入相当于该混合物ⅰ体积0.5倍量的步骤(1)中制得的活性为3mm·min-1，ph＝9的巴氏芽孢八叠球菌菌液和相当于该混合物ⅰ体积0.1倍量的浓度为0.1mol·l-1的氯化钙溶液，拌和均匀，获得混合物ⅱ；(3)将浓度为3mol·l-1的氯化钙溶液、浓度为3mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为3mol·l-1的尿素溶液按体积比1:1:4混匀后，制得固化液；(4)将步骤(2)中获得的混合物ⅱ分3层(每层厚度为15-20cm)压实到制砖模具中，然后用土工布包裹该制砖模具，静置4h后浸泡在相当于该制砖模具体积5倍量的步骤(3)中制得的固化液中，并同时打开空气泵，对该制砖模具进行充气浸泡，至该固化液中钙、镁离子浓度不再降低后从土工布中取出制砖模具，再将制砖模具浸泡在相当于制砖模具体积4倍量的步骤(1)中制得的活性为1mm·min-1，ph＝9的巴氏芽孢八叠球菌菌液中，8h后取出，再用土工布将制砖模具包裹，再次浸泡在相当于制砖模具体积5倍量的步骤(2)中制得的固化液中，并同时打开空气泵，对该制砖模具进行充气浸泡，至固化液中钙、镁离子浓度不再降低，从制砖模具中取出成型砖块，烘干即可，该砖表面磨平后的形貌如图2所示，其中，制砖模具是由顶板、底板和4块侧板通过螺纹连接组合而成的长方体，该模具内部尺寸为240×115×53mm(长×宽×高)，各板的材质为透明有机玻璃，各板的厚度均为1cm，各板上均阵列分布有孔径为0.5cm的孔洞。实施例3制备锰矿尾矿废渣砖(1)将巴氏芽孢八叠球菌菌种活化接种于培养基上，另加琼脂15g/l，用连续划线法接种，于30℃的生化培养箱中以180r/min速度振荡培养48h后获得菌落，挑取菌落后在相同培养基上，于30℃的生化培养箱中以180r/min速度振荡培养48h后获得菌液，将菌液离心后收集菌体，将菌体冷冻干燥后制得巴氏芽孢八叠球菌冻干粉，取巴氏芽孢八叠球菌冻干粉加入生理盐水中分别配制活性为1.5mm·min-1，ph＝8.5的巴氏芽孢八叠球菌菌液和活性为3.5mm·min-1，ph＝8.5的巴氏芽孢八叠球菌菌液，其中活性是指该菌每分钟水解尿素的量，活化接种和扩大培养过程中所使用的培养基包括如下组分：酵母提取物10g/l、蛋白胨5g/l、氯化铵15g/l、六水氯化镍24mg/l、四水硫酸锰10mg/l，余量为水。(2)将锰矿尾矿废渣烘干后，掺入相当于锰矿尾矿废渣重量10％的粒径为0.25-0.5mm的中砂拌和均匀，得到渗透系数>10-5m/s的混合物ⅰ，向混合物ⅰ中加入相当于该混合物ⅰ体积0.5倍量的步骤(1)中制得的活性为3.5mm·min-1，ph＝8.5的巴氏芽孢八叠球菌菌液和相当于该混合物ⅰ体积0.1倍量的浓度为0.1mol·l-1的氯化钙溶液，拌和均匀，获得混合物ⅱ；(3)将浓度为2mol·l-1的氯化钙溶液、浓度为2mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为2.5mol·l-1的尿素溶液按体积比1:1:3混匀后，制得固化液；(4)将步骤(2)中获得的混合物ⅱ分3层(每层厚度为15-20cm)压实到制砖模具中，然后用土工布包裹该制砖模具，静置3h后浸泡在相当于该制砖模具体积6倍量的步骤(3)中制得的固化液中，并同时打开空气泵，对该制砖模具进行充气浸泡，至该固化液中钙、镁离子浓度不再降低后从土工布中取出制砖模具，再将制砖模具浸泡在相当于制砖模具体积3倍量的步骤(1)中制得的活性为1.5mm·min-1，ph＝8.5的巴氏芽孢八叠球菌菌液中，7h后取出，再用土工布将制砖模具包裹，再次浸泡在相当于制砖模具体积6倍量的步骤(2)中制得的固化液中，并同时打开空气泵，对该制砖模具进行充气浸泡，至固化液中钙、镁离子浓度不再降低，从制砖模具中取出成型砖块，烘干即可，该砖表面磨平后的形貌如图3所示，其中，制砖模具是由顶板、底板和4块侧板通过螺纹连接组合而成的长方体，该模具内部尺寸为240×115×53mm(长×宽×高)，各板的材质为透明有机玻璃，各板的厚度均为1cm，各板上均阵列分布有孔径为0.5cm的孔洞。对实施例1至实施例3中制备的锰矿尾矿废渣砖进行抗压强度测试，测试结果见表1。表1由表1可知，由本发明中方法制得的锰矿尾矿废渣砖具有较高的抗压强度，强度等级均达到mu10。对实施例1至实施例3中制备的锰矿尾矿废渣砖及锰矿尾矿废渣(对比例)中的重金属浓度进行分析，具体操作如下：分别将锰矿尾矿废渣和上述制备的锰矿尾矿废渣砖碾碎过筛，各取5g于试管中，加入25ml的去离子水，充分震荡5min，静置4天后取上层清液。用耦合等离子体发射光谱(icp-oes，测量下限：0.001mg/l)对上层清液中重金属(锰、铜)含量进行测试，测试结果见表2。表2锰离子溶度(mg/l)铜离子溶度(mg/l)实施例10.450.19实施例20.480.15实施例30.680.25对比例1.861.03由表2可知，实施例1中制备的锰矿尾矿废渣砖中锰离子的溶度相较于锰矿尾矿废渣降低了约75.8％，铜离子的溶度相较于锰矿尾矿废渣降低了81.6％；实施例2中制备的锰矿尾矿废渣砖中锰离子的溶度相较于锰矿尾矿废渣降低了约74.2％，铜离子的溶度相较于锰矿尾矿废渣降低了85.4％；实施例3中制备的锰矿尾矿废渣砖中锰离子的溶度相较于锰矿尾矿废渣降低了约63.4％，铜离子的溶度相较于锰矿尾矿废渣降低了75.7％；可见通过本发明中的方法可以有效降低锰矿尾矿废渣中的重金属含量。本发明中在制备锰矿尾矿废渣制砖时，步骤(3)中巴氏芽孢八叠球菌菌液浸泡和固化液浸泡两个工序循环次数可由菌液活性、固化液浓度及最终制备的锰矿尾矿废渣制砖的重金属含量要求和强度要求而定。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页12