微生物固化沙土及其在沙漠固化方面的應(yīng)用前景

摘 要：隨著我國的人口增長和社會發(fā)展，對建設(shè)用地的需求不斷增大。我國的可耕地面積越來越少，因此如何利用潛在的土地成為了當(dāng)今重要的課題。治理沙漠，先要固化沙土。傳統(tǒng)的化學(xué)固化劑，大多含有有毒化學(xué)物質(zhì)，會造成為環(huán)境被污染的問題，因此環(huán)保的固化劑的研發(fā)至關(guān)重要。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是一種環(huán)保綠色的加固方式。將這一技術(shù)用于沙土加固，將會帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。本文主要開展了巴氏芽孢桿菌催化尿素水解進行MICP固化沙土，研究膠結(jié)液濃度、溫度、PH值、菌液濃度、灌漿次數(shù)、等因素對結(jié)果的影響。以及固化后的沙土的滲透率、CaCO3含量的分析。

關(guān)鍵詞：微生物固化沙漠影響因素滲透率CaCO3含量

引言：國內(nèi)外的科學(xué)家進行了一系列的微生物固化沙土的實驗。DeJong等通過試驗研究得出微生物固化能夠顯著改善砂土的力學(xué)特性。Rong等、王瑞興等通過為微生物提供適宜的活化反應(yīng)條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣晶體短時間內(nèi)將散體材料膠結(jié)起來。此外，微生物過程能夠有效提高砂土抗液化性能，微生物固化沙土過程是向沙土內(nèi)注入細菌懸浮液并定期補充細菌所需營養(yǎng)液，營養(yǎng)液包括尿素溶液和氯化鈣溶液。過程較為復(fù)雜，易受諸多因素影響。其中膠結(jié)液現(xiàn)膠結(jié)液濃度、處理間隔時間、溫度、PH值、菌液濃度對碳酸鈣置換率有顯著影響。

正文：

MICP原理簡介：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。常用的是巴氏芽孢桿菌。巴氏芽孢桿菌在其自身的生長代謝過程中可以產(chǎn)生一種高活性的脲酶，脲酶可以催化尿素的水解，生成氨和二氧化碳，氨氣極易溶于水，此時溶液呈堿性，吸收周圍環(huán)境中的CO2然后生成銨離子和碳酸根離子。如果此時溶液中存在鈣離子，由于這種細菌的表面帶負電，能吸收溶液中的，這時，尿素水解后生成的碳酸根將與這些鈣離子在細菌表面生成碳酸鈣沉淀。

CO（NH2）2+H2O→CO2+2NH3

2NH3+2H2O 2NH4++2O

2O +CO2 C+H2O

Cell-+C→Cell-CaCO3↓

影響因素：

溫度對生物的生長繁殖有重要作用。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度升高有利于微生物的新陳代謝作用，進而促進其生長繁殖；高溫有可能導(dǎo)致微生物蛋白質(zhì)變性，影響正常的代謝活動，甚至導(dǎo)致微生物的死亡；而低溫往往對微生物生長繁殖有明顯的抑制作用。巴氏芽孢桿菌的最適溫度是300，在300 時OD600測得的值最大。

PH值對生物活性有重要影響。 PH過低時，會造成微生物的蛋白質(zhì)水解，影響生物的活性。PH過高時，也會抑制微生物的生長和代謝過程。適宜的PH值能有效提高化學(xué)反應(yīng)的速率。實驗表明當(dāng)pH值約為8時，巴氏芽孢細菌數(shù)量和脲酶活性優(yōu)于其他酸堿條件。當(dāng)PH過低時，溶液呈酸性環(huán)境，而碳酸鈣的沉積不能是酸性環(huán)境。當(dāng)PH過高時，酶的活性會降低，從而減慢反應(yīng)的速率。

尿素和膠結(jié)液：尿素和膠結(jié)液是實驗中的氮源和鈣源，研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸的影響較大。膠結(jié)液濃度較低時（≤0.5mol），細菌誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結(jié)液濃度較高時（1.0mol），誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。根據(jù)尿素水解MICP反應(yīng)機理，理論上講，增加尿素和用量可以增加CaCO3生成量。但是有研究表明CaCl2的濃度達到一定量時，其中的會抑制脲酶的活性。在不同的膠結(jié)液中，醋酸鈣的效果最好，產(chǎn)生碳酸鈣的產(chǎn)量最多。趙茜認為當(dāng)CaCl2和尿素濃度為0～1.5M時，隨著二者濃度增加，CaCO3生成量也明顯增加，而當(dāng)CaCl2和尿素濃度超過1.5M以后，CaCO3生成量迅速下降。

加液方式和間隔時間：實驗過程中，如果剛開始就滴加高濃度溶液，則靠近注漿口區(qū)域砂柱硬度大；而遠離注漿口區(qū)域砂柱呈松散狀態(tài)，散砂顆粒較多。分析其原因：上部膠結(jié)液濃度較高，反應(yīng)先在上部進行且反應(yīng)速度較快，容易將試樣中的較小的孔隙堵塞，導(dǎo)致漿液擴散通道減少；隨時間推移，被堵塞的通道逐漸增多。因此先滴加低濃度溶液，而后滴加高濃度溶液，會產(chǎn)生強度均勻的沙柱。

滲透率和碳酸鈣含量：隨著固結(jié)度的提高，沙洋的滲透率隨著時間會逐漸減小，達到一定值時，將幾乎不再變化。本文中采用酸洗法。首先，用研缽將反應(yīng)后的沙樣研磨成粉粒狀，然后放入烘干箱烘干，此時干砂和CaCO3的重量記為Ws+p。然后將其放入0.1M的鹽酸溶液中浸泡洗滌數(shù)次至不出現(xiàn)小氣泡為止，再重新放入烘箱干燥，記錄此時重量為WS。這兩個重量值之差就是MICP生成的CaCO3晶體重量，再除以原來砂土的重量，就是生成CaCO3的百分比。這個值可以作為衡量MICP過程的一個參考值。碳酸鈣含量越高，則固化效果越好。查資料脲酶和尿素混合液的電導(dǎo)率只有15g/L濃度下在48h達到最高點。

沙漠中的環(huán)境：沙漠地區(qū)以細砂為主，如塔中地區(qū)地表沙源的粒度特征，沙樣的平均粒徑集中在63～250μm范圍內(nèi)，屬細沙、極細沙。由于沙粒細小、量大沙漠邊緣地區(qū)的夏季最高氣溫經(jīng)常超過40℃，地表在強太陽輻射下低層空氣增溫加劇。

沙漠中的細沙為微生物固化沙土提供了基本材料，沙漠中由于溫度較高，光照充足，因此雜菌相對來說比較少，這就為反應(yīng)提供了天然的無菌實驗室條件。因此利用微生物固化沙土用來治理沙漠在理論上是可行的。利用MICP技術(shù)可以降低沙土的孔隙比和滲透率。沙的滲透率減少后，在上面覆蓋一層土并加入植物所必備的養(yǎng)料和水分，就可以實現(xiàn)對沙漠的綠化以及改良沙漠公路的地基。這是沙漠治理的一種新型的方式。

總結(jié)：（1）MICP用于固化沙土是一種環(huán)保的方式，巴氏芽孢桿菌在30 C、PH值為8時固化效果最好。膠結(jié)液濃度較低時（≤0.5mol），細菌誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結(jié)液濃度較高時（1.0mol），誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。濃度過高時對實驗中脲酶的反應(yīng)有抑制作用。

（2）微生物固化沙土可以提高沙樣的無側(cè)限抗壓強度并且減小滲透率，反應(yīng)生成的碳酸鈣分布在沙粒之間和沙粒四周，從而提高沙樣的強度?？梢杂脕砀牧嫉鼗?、沙漠治理、沉積重金屬等方面的作用。

（3）沙漠中的細沙、高溫、光照充足、雜菌少為實驗提供了一些物質(zhì)條件，利用MICP技術(shù)可以用來固化沙漠，并且可以在滲透率低的試樣上面種植植物，用來改善和治理沙漠。微生物固化沙土未來在沙漠方面一定會取得巨大成就。

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作者簡介：

白振超（1996.01.30-）男，漢族，河南省鄭州市，身份證號：410122199601309814，本科生，研究方向：城市地下空間工程。