混合型稀土矿在硫酸化焙烧工艺中会产生含重金属和放射性核素的稀土低放废渣。当前,这些废渣主要堆存于废渣库中,堆存时可能受风力或降水的影响使部分重金属和放射性核素迁移扩散,对废渣库周围的土壤及地下水造成污染,进而影响人类健康。目前,对含重金属/放射性核素废渣的无害化处理方法主要是固化/稳定化,但传统的固化/稳定化材料处理后往往是不可逆的,难以进行二次利用。稀土低放废渣虽是固体废物,但仍为国家的战略资源。因此,有必要寻找一种妥善的处理方法,既可实现稀土低放废渣的固化,又不影响后续回收再利用。 近年来,微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术被证明是一种成本低、效果好的废渣固化方法,在稀土低放废渣的无害化处理中具有一定的应用前景。本研究基于稀土低放废渣的矿相组成,采用矿相重构法无害化处理稀土低放废渣。首先添加Ba(CH₃COO)₂,通过化学诱导将稀土低放废渣中的CaSO₄和CaSO₄·2H₂O重构为BaSO₄和Ca(CH₃COO)₂。随后通过碳酸酐酶菌的MICP重构过程,将Ca(CH₃COO)₂重构为生物CaCO₃,在胶结稀土低放废渣的同时,降低辐射剂量和氡析出率,稳定重金属和放射性核素。具体结论如下: (1)为克服传统MICP技术产生高浓度NH₃和NH₄⁺的问题,本研究筛选了一株碳酸酐酶菌Z1用于稀土低放废渣的无害化处理。经16S r RNA鉴定,菌株Z1为赫尔曼亚特兰大杆菌(Atlantibacter hermannii),可以在20~40℃、pH为5~9、0~0.6 mol/L Ca(CH₃COO)₂和0~10 mg/L Ba(CH₃COO)₂条件下增殖并稳定诱导CaCO₃沉淀,诱导产生的CaCO₃主要为球霰石。 (2)为了验证矿相重构法的可行性,选用CaSO₄·2H₂O为研究对象,考察了其在不同条件下的矿相重构过程。结果表明,CaSO₄·2H₂O可以在初始pH为5~9、反应温度为20~40℃、摩尔比为1:1~5:1,以及反应时间为1~20 min的条件下,与Ba(CH₃COO)₂稳定反应形成BaSO₄和Ca(CH₃COO)₂。菌株Z1可以稳定利用CaSO₄·2H₂O解离的Ca²⁺诱导产生球霰石型生物CaCO₃。在初始pH为5~9、反应温度为20~40℃、摩尔比为1:1~5:1,以及矿化时间为7~28天的条件下,菌株Z1均可以与Ba(CH₃COO)₂联合作用,通过化学重构和MICP重构过程,将CaSO₄·2H₂O重构为BaSO₄和生物CaCO₃。 (3)基于前期CaSO₄·2H₂O矿相重构的可行性研究,选用稀土低放废渣为研究对象,进一步考察其在不同条件下的矿相重构过程及产物。结果表明,稀土低放废渣可以在初始pH为5~9、反应温度为20~40℃、质量比为2:1~6:1,以及反应时间为1~20 min的条件下,与Ba(CH₃COO)₂稳定反应形成BaSO₄和Ca(CH₃COO)₂。菌株Z1可以稳定利用稀土低放废渣解离的Ca²⁺诱导形成生物CaCO₃。在初始pH为8~9、质量比为2:1、3:1和4:1,以及矿化时间为14~28天的条件下,菌株Z1均可以与Ba(CH₃COO)₂联合作用,通过化学重构和MICP重构过程,将稀土低放废渣中的CaSO₄和CaSO₄·2H₂O重构为BaSO₄和生物CaCO₃。 (4)在前期批量实验的基础上,考察了矿相重构法处理稀土低放废渣后胶结体的力学性能、辐射剂量以及重金属和放射性核素的稳定性。基于矿相重构法处理稀土低放废渣后,提高了胶结体的无侧限抗压强度和表面强度,降低了崩解率、风蚀损失量、辐射剂量、重金属和放射性核素的浸出浓度,将部分可交换态的重金属和放射性核素转化为低生物毒性的碳酸盐结合态。基于矿相重构法无害化处理稀土低放废渣的机制是通过化学重构原位形成BaSO₄和Ca(CH₃COO)₂,随后通过MICP重构将Ca(CH₃COO)₂转化为生物CaCO₃。BaSO₄可以降低辐射剂量,生物CaCO₃可以胶结稀土低放废渣并进一步降低辐射剂量。此外,菌株Z1可以利用稀土低放废渣中的内源性Ca²⁺形成生物CaCO₃,进一步强化了无害化处理效果。本研究为解决稀土低放废渣长效封存时的环境问题和稀土产业的可持续发展提供了技术支持。