利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法 【技术领域】
本发明涉及到一种胶结松散颗粒的方法，尤其是一种利用微生物技术胶结松散砂粒的方法。
背景技术
随着生态环境的不断破坏，沙漠化程度日益严重；在部分地区，由于当地土质含水量较高而呈松软状态，故在一些重大工程建设中比如修建地铁等则需要对土质进行加固；而许多城市建立在以沙质为基础的海滩附近，整个城市存在下滑、塌陷、沉陷的危险。在沙漠防治中往往采用种植草树的方式，加固措施中往往采用浇灌水泥基等胶凝材料，但这一类材料不透水，严重破坏了土质的生态性能，不利于其可持续发展，所以寻找到一种环境友好型加固方法就显得尤为重要。
生物矿化作用是一种很普遍的自然现象，几乎每一种生物都能合成矿物。生物矿化往往能形成有序排列的、结构非常优异的天然有机-无机复合材料，其中近三分之二是钙矿，并且相当一部分具有胶结功能。它们通过其自身的生命活动，与周围环境介质之间不断循环发生着酶化作用，逐渐矿化形成一种胶结物质——方解石(碳酸钙)，再经过漫长时间的累积，最终将自然界中沉积的疏松碎屑物质胶结形成坚硬的岩石。而利用微生物技术胶砂固土仍然存在着一些问题：如何选择适宜的菌株并对其进行培养及驯化；如何提高微生物的耐候性等等，而采用微生物技术的价格也过于昂贵。
【发明内容】
为了解决现有技术存在的加固措施中采用浇灌水泥基等胶凝材料的方法，严重破坏了土质的生态性能的缺点，本发明提供了一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，具有环境友好性，固结好的砂体具有一定的抗压强度。
本发明采用如下技术方案：
一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，步骤为：
第一步，配制培养基：以蛋白胨、牛肉浸膏和蒸馏水配制培养基，调节pH为7.0，灭菌烘干后，将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24～36h，至菌液完全浑浊，菌液活性k≥0.5mmol·min-1
第二步，将浓度为3mol·L-1的尿素溶液和浓度为3mol·L-1的氯化钙溶液等体积混合后与第一步配制的菌液按体积比2∶1的比例分别注入砂粒中，或者混合后一起注入砂粒中。
第二步中，当尿素溶液和氯化钙溶液的混合溶液与菌液分别注入砂粒中时，是先注入菌液，待菌液由上往下渗出后，再注入尿素氯化钙混合溶液，待溶液渗出后，再注入菌液，交替循环，在砂体上表层没有沉积层阻碍液体渗入时，液体24h无完全渗出则胶结成功。
第二步中，当尿素氯化钙混合溶液与菌液一起注入砂粒中时，是由下往上将混合液压入砂粒中并从上端排出，当压不动时即终止。
本发明将菌株Bacillus pasteurii接种至培养基中，以培养基中的底物尿素为营养源，产生的脲酶具有分解底物的能力，如方程式(1)所示，随着底物的不断分解，NH3不断释放，使得溶液的pH值升高，如方程式(2)所示，同时pH值升高又促使以下可逆反应往正方向进行如方程式(3)所示，使得CO32-的浓度不断提高。此时往溶液中补充适量的Ca2+，菌体细胞膜界面处带负电荷的SM(水可溶有机质)立即不断螯合Ca2+，如方程式(4)所示，诱导出局部的晶体阴离子(CO32-)浓度进一步增大，从而吸引更多的Ca2+，直到晶体前驱物浓度增大到利于核化，从而沉积出起固结作用的矿化物质CaCO3颗粒，如方程式(5)所示。
NH2-CO-NH2+H2O→2NH3+CO2 (1)
NH3+H2O→NH4++OH- (2)
CO2+H2O→H2CO3→HCO3-+H+→CO32-+2H+ (3)
Cell+Ca2+→Cell-Ca2+ (4)
Cell-Ca2++CO32-→Cell-CaCO3 (5)
将松散的砂粒装入试模中并捣实，此时颗粒之间含有大量的空隙。首先往砂粒中引入菌液，待菌液完全渗流之后，大量的菌体便留在砂体内并附着于砂粒表面。紧接着往其中注入尿素与氯化钙的混合液，在微生物的作用下产生胶结物质CaCO3颗粒，胶结物质也附着在砂的表面，并且随着胶结物质的增多而将菌体包裹从而取代菌体原占据的砂表面。随后通过不断循环注入菌液和底物混合液，使得胶结物质一层一层往外生长直到将颗粒间隙填满，从而将相邻颗粒连接起来，并使所有砂粒形成一个具有一定强度的整体。
根据上述微生物胶结松散砂粒的原理，有两种方法来实现。其一是采取了将菌液、尿素溶液、氯化钙溶液等体积混合后同时注入的方式，以缓慢的速度将液体压入砂粒中，随后使其再缓慢渗出；二是首先注入菌液，待充分渗出后，防止菌液与底物在砂体表面开始反应从而堵塞上表面，注入尿素与氯化钙的混合液，交替循环。
有益效果：
1.环境友好，因其不同于水泥基胶凝材料或其他类型胶凝材料，可以保持砂体在固结之后仍然能够保持一定的空隙率，充分保护了土质的生态功能；
2.充分利用自然界微生物资源，不仅资源丰富，而且工艺简单，环境清洁，成本低廉；
3.微生物或者底物溶液均能够非常方便地渗入到沙质土壤或松软土质中，而其他胶凝材料的灌浆处理却非常困难；
4.固结成功的砂体其抗压强度最高可接近2MPa。
【附图说明】
图1是固结砂体的X射线衍射分析图谱，其中A为石英，B为方解石，C为氯化钙。
图2是固结砂体在扫描电子显微镜下观察到的表面形貌，其中(a)为固结紧密度较差的砂体表面放大200倍的表面形貌，(b)为固结紧密度较好的砂体表面放大300倍的表面形貌，(c)为附着于固结砂粒表面的碳酸钙胶结质放大1000倍地表面形貌(呈不规则形状)。
图3是固结砂体经电子万能试验机在1N/s的加荷速度下所测得的应力应变曲线，其中(a)是编号①砂体的应力应变曲线，其破坏形式为底部破坏，如(c)所示；(b)是编号②砂体的应力应变曲线，其破坏形式为完全破坏，如(d)所示。
【具体实施方式】
菌液的培养
配制培养基(培养基成分如表1所示)，调节pH＝7.0，121℃高温灭菌25min，于60℃烘箱中烘干后，将菌株Bacillus pasteurii接种至装有培养基的三角瓶中(无菌操作)，摇床30℃振荡培养(振荡频率170r/min)24～36h。
表1培养基成分
菌液活性的测量
菌液的活性用溶液的电导率来间接表示。
配制3mol/L的尿素溶液，取25ml放于烧杯中，并加入20ml的实验室用自来水，放入水浴锅中恒温在25℃，并调节搅拌器的速度为200r/min。取5ml经摇床培养好的菌液(保证对菌液的操作是在无菌环境中完成，避免污染菌液)，并立即注射到烧杯中。每隔30s记录电导率的数值。在测量菌液活性的操作中，底物的最终浓度为1.5mol/L，菌液被稀释到十分之一，故菌液的活性应为测得的活性值的10倍。当菌液活性k≥0.5mmol·min-1时，可认为该菌液具有较高的活性，具备胶结松散砂粒的能力。
胶砂工艺
菌液、3mol/L的尿素溶液、3mol/L的氯化钙溶液等体积混合同时由下而上压入渗出。以缓慢的速度将混合液压入砂粒中，随后使其再缓慢渗出。采用此方法的前提是菌液培养时不能加入尿素，否则在三者进行混合之后便会产生大量的沉淀，既减少了底物溶液中氯化钙的成分，而且会对砂体造成堵塞作用。此方法的优点是由于将菌液和底物溶液混合后注入，产生胶结质的时间要短得多，有效缩短了胶结时间，提高了胶砂的效率；但由于是人工操作将混合液压入，力度与速度都很难掌控，所以容易在砂体的底部形成一个凹陷。虽然混合后可以很快在砂体中产生沉积，但同时也更加容易在砂体的表面产生沉淀，对后期将混合液压入造成困难，这一点可以通过改“混合同时由下而上压入渗出”为“混合同时由下而上压入并从上端排出”的方法来克服。此外从实际工程应用来看，由下往上的工艺都存在实施困难的缺点，因为无论是沙漠防治或是土质加固，从上往下的渗入工艺都要比从下往上更具有可操作性。但是生产预制品完全可以采用该工艺方法。该工艺属连续式工艺，当压不动时即终止。
尿素、氯化钙的混合液与菌液，先将尿素和氯化钙溶液按体积比为1∶1的比例混合，然后尿素、氯化钙混合溶液和菌液按体积比2∶1的比例，分开交替由上而下渗出。首先注入菌液，待充分渗出后注入尿素与氯化钙的混合液，这样可以防止菌液与底物在砂体表面开始反应从而堵塞上表面，交替循环。该工艺优点是工艺尽可能简化，操作简单，且不易在砂体表面形成沉积阻碍液体的渗流，但缺点是起初流速非常快，需要试验人员不断的重复工作。该工艺属间歇式工艺，在砂体上表层没有沉积层阻碍液体渗入时，液体24h无完全渗出则胶结成功。
对固结砂体进行X射线衍射分析，得到的分析图谱如图1所示，其中A为石英，B为方解石，C为氯化钙，图谱分析可以得到，微生物矿化作用得到的碳酸钙为斜方六面体型的方解石，并非针状的文石或者多晶球形的球霰石；而由图谱中也可以看出来自砂粒的石英及来自辅助原料的CaCl2的相。
对固结砂体进行扫描电子显微镜观察其表面形貌，如图2所示，其中(a)为固结紧密度较差的砂体表面放大200倍的表面形貌，(b)为固结紧密度较好的砂体表面放大300倍的表面形貌，可以观察到(b)的颗粒间隙中填充有大量的胶结质，在将相邻颗粒连接的同时几乎将颗粒包裹，而(a)中仍然存有大量的空隙。(c)为附着于固结砂粒表面的碳酸钙胶结质放大1000倍的表面形貌(呈不规则形状)。
抗压强度值
对固结砂体进行抗压试验。试验之前对砂体进行表面磨平处理，并于60℃烘箱24h烘干。电子万能试验机以1N/s的加荷速度施压于砂体表面，所测得的应力应变曲线如图3所示，其中(a)是编号①砂体的应力应变曲线，其破坏形式为底部破坏，如(c)所示；(b)是编号②砂体的应力应变曲线，其破坏形式为完全破坏，如(d)所示。两编号砂体各指数如表3所示，其中菌液用量为试验之初至试验结束所用菌液总量，直径为试样取出后的直径大小，高度为试样表面磨平之后的上下表面之间的距离，最大压力是试样在受荷过程中所达到的压力最大值，修正抗压强度为抗压强度乘以一系数之后得到的值。系数与试样高径比之间的关系参照混凝土圆柱形试件的修正系数。固结砂体的抗压强度最高可达2MPa左右。
表2修正系数与高径比的关系
表3砂体试样抗压结果