バイオにおける石膏（CaSO4・2H2O）鉱物形成としての浸出水中の硫酸塩の含有

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10938 (2023) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

尿素加水分解を使用した酵素誘発炭酸塩沈殿 (EICP) はよく知られたバイオセメンテーションプロセスであり、炭酸カルシウム (CaCO3) の沈殿を促進するだけでなく、基質成分と反応段階に応じてさらなる反応のための過剰なカルシウムカチオンを提供することができます。 この研究では、残りのカルシウムカチオンを使用して埋め立て浸出水に硫酸イオンを十分に含有させるEICPレシピを提示し、硫酸塩を保持する能力を検証するために一連のテストが実施されました。 1 M CaCl2 と 1.5 M 尿素の反応速度は、精製ウレアーゼ含有量と EICP プロセスの硬化時間を制御することによって確認されました。 結果は、0.3 g/L の精製ウレアーゼが 3 日間の硬化後に 46% の CaCO3 を生成し、硫酸イオンを 77% 減少させたことを示しました。 EICP 処理砂のせん断剛性は、CaCO3 の沈殿によって 13 倍に向上し、その後硫酸塩の封じ込めを示唆する石膏 (CaSO4・2H2O) 結晶の沈殿により 1.12 倍増加しました。 ラボグレードの精製ウレアーゼの代わりに大豆粗ウレアーゼを使用したコスト効率の高いEICP処理では、硫酸塩除去効率が低く(つまり18%)、EICP処理砂中にわずかに石膏が生成するだけでした。 大豆粗ウレアーゼを EICP に使用した場合、石膏粉末の添加は硫酸塩除去を 40% 増加させるのに効果的でした。

埋め立ては、依然として都市固形廃棄物 (MSW) の処理方法として最も人気のある方法の 1 つであり、建設とメンテナンスのコストが比較的低いことが魅力となっています 1,2,3。 これらの利点にもかかわらず、埋め立てはその運営中に本質的に環境問題を引き起こします。 溶解した有機化合物、重金属、生体異物有機化合物、無機マクロ成分を含む浸出水が継続的に生成され、これらの副産物の浸透により土壌や地下水が汚染されます4。 特に、MSW 埋め立て浸出水の主成分である硫酸塩 (\({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)) は、高濃度 (250 ～ 1000 mg/L) で持続的に存在します5。これは自然の硫黄サイクルと人間の健康に悪影響を与える可能性があります6,7。

埋め立て浸出水中の \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) を除去するために、いくつかの方法が報告されています。 第二鉄、アルミニウム、カルシウムイオンや石灰 (CaO) などの金属陽イオンを提供して \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) を凝固、沈殿させると、\({ \text{SO}}_{4}^{2 - }\) 大幅に 8、9、10、11。 しかし、これらは液体中の特定のイオンの局所濃度を増加させることで周囲環境に影響を与える可能性があり、生成されたかさばるスラッジを処分して pH を調整する必要があります 9,12,13。 アルミニウム電極を使用した電気凝固は、最大 95% という高い \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) 除去能力を示しました 14 が、酸化膜の形成によるエネルギー消費が大きいなどの欠点がありました 15。

従来の埋立地ライナーには圧縮粘土ライナーが含まれており、これは地下水への浸出水の浸透を最小限に抑えるように設計されており、配位子交換と保持によって \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) イオンを吸着する傾向があります。拡散二重層内16,17。 しかし、これまでの研究では、無視できる量の \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) が粘土鉱物によって吸着されたことが示されており、これは新しい MSW 埋め立てライナーを開発する必要があることを示唆しています。これには \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)16,18 が効率的に含まれます。

生物学的に誘起された地盤改良技術は、バイオミネラル 19,20,21,22,23、バイオガス 24,25,26,27、バイオフィルム 28,29,30、またはバイオポリマー 31 の形成によって土壌システムの水力物理特性を変更するため、最近関心が高まっています。 、32、33。 これらの生物学的プロセスは、せん断強度の強化 19,20,22、浸透性の制御 31,34,35、土壌液状化の可能性の軽減 25,27,36 をもたらしました。 その中でも、炭酸カルシウム（CaCO3）の沈殿による結合粒子を表すバイオセメンテーションは、斜面の安定化37、風食制御のための粉塵の抑制38、39、40、コンクリートの亀裂の修復41、42、および重金属の固定化43に適用できます。 また、いくつかの最近の研究は、特定の細菌による二酸化炭素（CO2）の捕捉と貯蔵に焦点を当てており、その結果、カルシウムイオンによるCaCO3の無機化が起こり44,45、マグネシウムと重リン酸イオンによる化学沈殿を通じて尿素加水分解からの有毒な副産物が削減されます46。 バイオセメンテーションに関する研究のほとんどは、環境問題に対処するための代替手段として CaCO3 の生成に集中しており、セメンテーション溶液中のカルシウムイオンの利用に関する別のアプローチはほとんど研究されていません。