Contenimento del solfato nel percolato come formazione di minerali di gesso (CaSO4·2H2O) in bio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10938 (2023) Citare questo articolo

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La precipitazione del carbonato indotta enzimaticamente (EICP) mediante idrolisi dell'urea è un noto processo di biocementazione che non solo promuove la precipitazione del carbonato di calcio (CaCO3) ma può fornire cationi di calcio in eccesso per ulteriori reazioni a seconda dei costituenti del substrato e dello stadio di reazione. Questo studio presenta la ricetta EICP per contenere in quantità sufficiente gli ioni solfato nel percolato di discarica utilizzando i cationi calcio rimanenti e sono stati condotti una serie di test per convalidare la sua capacità di trattenere i solfati. La velocità di reazione per CaCl2 1 M e urea 1,5 M è stata identificata controllando il contenuto di ureasi purificata e il tempo di indurimento del processo EICP. I risultati hanno mostrato che 0,3 g/L di ureasi purificata producevano il 46% di CaCO3 e riducevano gli ioni solfato del 77% dopo 3 giorni di polimerizzazione. La rigidità al taglio nella sabbia trattata con EICP è stata aumentata di 13 volte dalla precipitazione di CaCO3 seguita da un incremento di 1,12 volte dovuto alla successiva precipitazione di cristalli di gesso (CaSO4·2H2O) che implicano il contenimento del solfato. Un trattamento EICP economicamente vantaggioso utilizzando ureasi grezza di soia invece di ureasi purificata da laboratorio ha mostrato un'efficienza di rimozione dei solfati inferiore (ovvero 18%) con una formazione solo nominale di gesso nella sabbia trattata con EICP. L’aggiunta di polvere di gesso si è rivelata efficace nell’aumentare la rimozione del solfato del 40% quando per l’EICP è stata utilizzata l’ureasi grezza di soia.

La messa in discarica rimane una delle strategie più popolari per lo smaltimento dei Rifiuti Solidi Urbani (RSU), resa attraente dai costi relativamente bassi di costruzione e manutenzione1,2,3. Nonostante questi vantaggi, lo smaltimento in discarica causa intrinsecamente problemi ambientali durante il suo funzionamento; il percolato contenente composti organici disciolti, metalli pesanti, composti organici xenobiotici e macrocomponenti inorganici vengono continuamente generati e le infiltrazioni di questi sottoprodotti contaminano il suolo e le acque sotterranee4. In particolare, il solfato (\({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)), un componente importante del percolato delle discariche di rifiuti solidi urbani, è persistentemente presente in alte concentrazioni (250–1000 mg/L)5 in tutto il mondo (Tabella 1), che possono influenzare negativamente il ciclo naturale dello zolfo e la salute umana6,7.

Per la rimozione di \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) nel percolato della discarica, sono stati descritti diversi metodi. La coagulazione e la precipitazione di \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) fornendo cationi metallici come ioni ferrici, alluminio e calcio o calce (CaO) possono ridurre la concentrazione di \({ \text{SO}}_{4}^{2 - }\) in modo significativo8,9,10,11. Tuttavia, questi possono influenzare l'ambiente aumentando la concentrazione locale di ioni specifici nel liquido e richiedono la regolazione del pH con lo smaltimento dei fanghi ingombranti generati9,12,13. L'elettrocoagulazione con elettrodi di alluminio ha mostrato un'elevata capacità di rimozione \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) fino al 95%14 con inconvenienti come un elevato consumo di energia dovuto alla formazione di film di ossido15.

I tradizionali rivestimenti per discarica includono rivestimenti in argilla compattata, progettati per ridurre al minimo la infiltrazione di percolato nelle acque sotterranee, che tendono ad assorbire ioni \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) mediante scambio e ritenzione di ligandi nel doppio strato diffuso16,17. Tuttavia, studi precedenti hanno dimostrato che una quantità trascurabile di \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) è stata assorbita dai minerali argillosi, il che implica che è necessario sviluppare nuovi rivestimenti per le discariche di rifiuti solidi urbani. che contengono in modo efficiente \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)16,18.

Le tecniche di miglioramento del terreno indotte biologicamente hanno recentemente attirato un crescente interesse per modificare le proprietà idrofisiche dei sistemi del suolo mediante la formazione di biominerali19,20,21,22,23, biogas24,25,26,27, biofilm28,29,30 o biopolimeri31 ,32,33. Questi processi biologici hanno derivato un miglioramento della resistenza al taglio19,20,22, un controllo della permeabilità31,34,35 e una mitigazione del potenziale di liquefazione del suolo25,27,36. Tra questi, la biocementazione che rappresenta le particelle leganti attraverso la precipitazione di carbonato di calcio (CaCO3) può essere applicata per la stabilizzazione dei pendii37, la soppressione delle polveri per il controllo dell'erosione eolica38,39,40, la guarigione delle crepe del calcestruzzo41,42 e l'immobilizzazione dei metalli pesanti43. Inoltre, alcuni studi recenti si concentrano sulla cattura e lo stoccaggio dell'anidride carbonica (CO2) da parte di batteri specifici, con conseguente mineralizzazione di CaCO3 con ioni calcio44,45 e riduzione dei sottoprodotti tossici dell'idrolisi dell'urea attraverso la precipitazione chimica con ioni magnesio e bifosfato46. Per lo più la ricerca sulla biocementazione si è concentrata sulla formazione di CaCO3 come alternativa per affrontare le questioni ambientali, e un altro approccio relativo all’utilizzo degli ioni calcio nella soluzione di cementazione non è stato quasi studiato.