一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法 【技术领域】
本发明涉及一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，主要利用微生物的纤维填充作用和生物矿化作用矿化固结土壤。
背景技术
自然界中某些微生物可以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，逐渐矿化形成方解石。再经过漫长时期的累积，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。
目前，该技术已经在水泥基材料的缺陷修复、建筑文物的原貌修复，土壤中重金属离子的固结、以及沙漠固化等方面得到了广泛研究与应用。目前该技术在土壤固化方面仍在实验研究阶段。
【发明内容】
本发明涉及一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，以抗压强度和水稳性能作为主要指标来考察该菌在土壤固化上的应用。
本发明采用如下技术方案：一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，步骤为：
第一步，制备高浓缩菌液：将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种到牛肉膏蛋白胨培养液里，每升培养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g，并控制pH为6～8，于30℃下培养16～24h，取出以5000～8000rpm下离心5～8min得到高浓缩菌液，菌株浓度为2×109～2×1011cell/mL
第二步，土壤混合：按每100g干土加2～3mL高浓缩菌液和0～100mL新制培养液的量将第一步制备的高浓缩菌液和新制培养液，所用干土质量的3％～7％的石灰和2％～6％质量分数的尿素拌入烘干的土样中，搅拌均匀后培养0.5～8天；当新鲜培养液的量为0mL时，土壤的培养时间优选为0.5天。当在烘干的土壤中加入新制培养液的量为20～100mL，培养时间优选为3～8天。
第三步，压模成型：将第二步经过培养的土壤在混合土料最佳含水率下压模成型，脱模并放至恒温室20℃恒温养护。试件为Φ50×50mm的圆柱体。
有益效果：7天后土壤固结，抗压强度达1.0MPa以上，相对素土提高38％。部分组别达到1.2MPa以上，相对素土提高67％。菌在土壤里进行5～8天的培养后，由于其活性和数量的增加，比直接成型的试件强度有明显提高。
【附图说明】
图1为尿素含量与OD值关系线性拟合图。
图2为各组试件7d抗压强度柱形图。
图3(a)和(b)为土壤固结试样SEM图像及能谱分析图。
【具体实施方式】
最佳含水量的确定方法
采用击实试验测定所用土样的最大干密度与最佳含水量，得到本实验中所用素土的密度为1.880g/cm3、最佳含水量为14.9％wt，加入占素土质量3％的石灰后的土样的密度为1.795g/cm3、最佳含水量为15.6％wt，加入占素土质量5％的石灰后的土样的密度为1.788g/cm3、最佳含水量为15.9％wt，按Φ50×50mm大小的成型试件计算，压实度98％，所需物质配比见表1。
表1 素土、加了石灰的石灰土抗压强度试件各成分含量
击实试验中采用轻型击实筒，按照《公路土工试验规程》JTJ051-93进行实验，测定干密度与含水量(水的质量与干土质量的比值)的关系曲线。实验中预估五个含水量12％wt、14％wt、16％wt、18％wt和20％wt，称量各含水量下击实筒中湿土和干土质量，并计算该含水量下的干密度，根据所得结果绘制干密度与含水量的曲线，曲线呈抛物线状，最高点对应最大干密度，其相应的含水量为最佳含水量。石灰土击实试验方法类同，加石灰组按该掺量下混合土样的最佳含水量成型。
根据素土击实试验所得结果，称取所需烘干素土180.9g，量取27mL水喷洒至土壤表面并搅拌均匀，密封闷料一夜。在压力试验机上成型，压至上下压柱与试模持平，维持压力1分钟左右，将其脱模取出，称量试件质量为208.5g，用游标卡尺测量试件高度50.0mm。将试件放于恒温室养护，达到龄期后取出测量强度。将养护后的试件取出，采用规格10KN的拉力试验机测量其强度，测量时，保持其形变速率为5mm/min。记录试件破坏时的最大压力P，抗压强度Rc＝P/A，A为试件的截面积。最后得到素土7天平均抗压强度为0.72MPa。素土试件水稳性很差，遇水即破坏。
本发明中，其后的强度测量方法同此处。
高浓缩菌液的制备：
将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种到牛肉膏蛋白胨培养液里，每升培养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g，并控制pH为6～8，于30℃下培养16～24h，取出以5000～8000rpm下离心5～8min取下层得到高浓缩菌液，菌株浓度为2×109～2×1011cell/mL。
实施例1
将土与占土的质量3％～7％的石灰、菌株浓度为2×1011cell/mL的高浓缩菌液6mL、尿素4.8g、水、上清液分别组合，其中上清液为制备高浓缩菌液时离心得到的上层清液，这里代替水进行试验如表2设计所示，均匀拌合后压实，脱模并于恒温室20℃养护，每组成型3个试件，7天后取出测试抗压强度如表3所示。
表2 微生物技术固化土方案设计
表3 各组土壤试件7天抗压强度
试验测得7天抗压强度最高的是T6(土+菌+尿素溶液)组，强度最低的是T3(土+尿素溶液)组。掺加石灰的组别一般要比未掺的好，但是T12强度则小于T6，这是因为钙离子的存在导致尿素分解缓慢，分解20％后就很难继续分解；将上清液替代水试件抗压强度略有提高，但增幅很小；菌的加入使得土壤试件都有不同程度的提高。其中T4组(土+高浓缩菌液+水)组试件7天的抗压强度达到1.20MPa，相对素土提高超过60％，相比素土试件其抗压强度明显提高，目标菌在土壤里面起到纤维填充的作用。而T3与T6组，菌除了纤维填充作用和催化作用，还能酶解尿素生成脲酶，从而提高土壤强度；按T6配方测得土+高浓缩菌液+尿素+水组试件7天的抗压强度达到1.67MPa，相对素土提高一倍多，T6组因为菌的存在，尿素分解较快，而酶解过程中又产生生物酶等物质促使试件强度得到了提高。而在T3组土+尿素+水配方中，试件7天强度较低，仅有0.32MPa，说明尿素存在很大降低了试件强度，这是由尿素在土壤试件养护时的吸水导致。
实施例2
针对T12组的配方另作一组试件T12＇进行对照：将菌株浓度为2×1011cell/mL的高浓缩菌液6mL加入到干土中，并加入50mL新制培养液，培养液中每升含蛋白胨5g、牛肉膏3g，分别静置4天、8天，然后拌合占干土质量3％的石灰5.2g和尿素4.8g并成型，测试二组试件强度如表4所示。
表4 二组试件7天抗压强度
按T12＇的配方，按同样方法成型，测量4天和8天的抗压强度分别达到1.22、1.16MPa，相比T12组中直接成型的强度提高了27％左右，比原始素土提高约70％。这是因为菌在离心后活性下降，而培养基加入后可以提高菌的活性和数量，从而增强其对土壤的作用，提高试件的抗压强度。
实施例3
考察部分组别试件的水稳性：将养护最后一天的试件取出浸水养护24h，水面高于试件上表面2.5cm，测量浸水与不浸水试件各自强度，两者比值为水稳系数，测试结果如表5所示。
表5 部分组别试件固结后水稳性能
针对T4，T5，T6，T10，T11，T12组进行水稳性测试，我们发现尽管前三者强度较高，但是水稳性很差，这在实际工程中是不适用的，而后三者掺加3％石灰后，浸水1天都能保持试件完好，但其无侧限抗压强度较低，水稳性不佳，可以考虑提高石灰的掺量来提高水稳性能。
实施例4
针对微生物酶解尿素组别，进行尿素分解率的测量。在高浓缩菌液的存在下，尿素会分解，根据显色剂原理，测量不同时间段土样里的尿素含量，计算尿素分解率。利用标准浓度(40g/L)尿素溶液在显色剂作用下在紫外可见分光光度计中的读数即OD值随掺量变化规律来测定尿素分解率的。用移液器分别从中取出0.125mL，0.25mL，0.5mL，1mL，2mL，4mL标准尿素溶液，并滴加至6个50mL容量瓶中，加入25mL的去离子水，稍微振荡一下，然后再在每个容量瓶里滴加2mLH2SO4，振荡，接着再分别滴加2mL对二甲氨基苯甲醛，振荡之后用去离子水定容，并充分摇晃均匀。打开分光光度计，调整波长为430nm，测量各容量瓶中溶液OD值，得到一条基本线性的关系曲线见图1所示。
不考虑土壤对尿素的分解，T6，T12组是可以分解尿素的。测定松散土样和密实土样的尿素分解率数据如表6、7所示。
表6 松散试样中菌株的尿素分解率
表7 密实试样中菌株的尿素分解率
从表6、7中可以看出，T6组尿素在松散土样和密实土样中都分解很快，不到40h就能分解90％以上，而T12组则由于钙离子存在分解缓慢而且分解20％以后就很难继续分解。所以T12强度在加入石灰后反而没有T6不加的高，T6组能较快分解尿素，不但基本抵消了尿素对试件的负面影响，而且其酶解过程以及自身作用反而使强度大大提高。
实施例5
在土样中掺加占素土质量3％的石灰，再加入高浓缩菌液和水(上清液)，也就是T7和T8组的配方，搅拌均匀，闷料一夜，成型脱模，测得其7天抗压强度达到1.26(1.35)MPa，相对素土提高了70％以上，同时由于石灰的加入，试件浸水24h保持完好，但是水稳系数不高，只有0.4左右，而该试件中石灰掺量较少，水稳性取决于石灰的加入，加大石灰掺量可以提高水稳系数。
实施例6
在土样中掺加占素土质量的3％的石灰，再加入高浓缩菌液、尿素和水，也就是T12组的配方，搅拌均匀，闷料一夜，成型脱模，测得其7天抗压强度达到0.96MPa，相对素土提高了1/3，其水稳系数达到0.50，同样需要加大石灰掺量来提高水稳系数。T12组尿素也会被菌分解，经过尿素分解率测量，该组分解较慢，这是由于钙离子的存在抑制了尿素的分解。
在土样中掺加3％的石灰、水和等量的尿素，也就是T9组的配方，按同样方法成型测得其7天抗压强度为0.59MPa，也说明尿素的存在会导致试件强度降低，而两者对比，说明菌的加入对强度还是有不小的提高。
从SEM图像(图3)中可以看到一些斜方颗粒的存在，(a)中黑框部分对应能谱显示其中Ca、O、C元素含量较高，为CaCO3，而(b)中黑框部分对应能谱则显示O、Si、Al等元素含量较高，这也与土壤所含元素相符，即说明该处为土壤颗粒。
实施例7
一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，步骤为：
第一步，制备高浓缩菌液：将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种到牛肉膏蛋白胨培养液里，每升培养液含有蛋白胨4g、牛肉膏2g，并控制pH为6～8，于30℃下培养16h，取出以5000rpm下离心5min得到高浓缩菌液，菌株浓度为2×109cell/mL；
第二步，土壤混合：按每100g干土加2mL高浓缩菌液将第一步制备的高浓缩菌液，所用干土质量的3％的石灰和2％质量分数的尿素拌入烘干的土样中，搅拌均匀后培养0.5天；
第三步，压模成型：将第二步经过培养的土壤在混合土料最佳含水率下压模成型，脱模并放至恒温室20℃恒温养护。试件为Φ50×50mm的圆柱体。
实施例8
一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，步骤为：
第一步，制备高浓缩菌液：将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种到牛肉膏蛋白胨培养液里，每升培养液含有蛋白胨6g、牛肉膏4g，并控制pH为6～8，于30℃下培养24h，取出以8000rpm下离心8min得到高浓缩菌液，菌株浓度为2×1011cell/mL；
第二步，土壤混合：按每100g干土加3mL高浓缩菌液和100mL新制培养液的量将第一步制备的高浓缩菌液和新制培养液，所用干土质量的7％的石灰和6％质量分数的尿素拌入烘干的土样中，搅拌均匀后培养8天；
第三步，压模成型：将第二步经过培养的土壤在混合土料最佳含水率下压模成型，脱模并放至恒温室20℃恒温养护。试件为Φ50×50mm的圆柱体。
实施例9
一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，步骤为：
第一步，制备高浓缩菌液：将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种到牛肉膏蛋白胨培养液里，每升培养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g，并控制pH为6～8，于30℃下培养20h，取出以6500rpm下离心7min得到高浓缩菌液，菌株浓度为2×1010cell/mL；
第二步，土壤混合：按每100g干土加2.5mL高浓缩菌液和20mL新制培养液的量将第一步制备的高浓缩菌液和新制培养液，所用干土质量的5％的石灰和4％质量分数的尿素拌入烘干的土样中，搅拌均匀后培养3天；
第三步，压模成型：将第二步经过培养的土壤在混合土料最佳含水率下压模成型，脱模并放至恒温室20℃恒温养护。试件为Φ50×50mm的圆柱体。
实施例10
一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，步骤为：
第一步，制备高浓缩菌液：将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种到牛肉膏蛋白胨培养液里，每升培养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g，并控制pH为6～8，于30℃下培养20h，取出以6500rpm下离心7min得到高浓缩菌液，菌株浓度为2×1010cell/mL；
第二步，土壤混合：按每100g干土加2.5mL高浓缩菌液和60mL新制培养液的量将第一步制备的高浓缩菌液和新制培养液，所用干土质量的5％的石灰和4％质量分数的尿素拌入烘干的土样中，搅拌均匀后培养5天；
第三步，压模成型：将第二步经过培养的土壤在混合土料最佳含水率下压模成型，脱模并放至恒温室20℃恒温养护。试件为Φ50×50mm的圆柱体。