化學(xué)處理方式對(duì)微生物固沙效果的影響

邱明喜 劉漢銀 明道貴 張家銘 朱紀(jì)康 周楊

摘 要：微生物誘導(dǎo)成礦是一種新型風(fēng)積沙固結(jié)技術(shù)，相較于傳統(tǒng)固沙技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)。為探究其化學(xué)處理液濃度對(duì)微生物誘導(dǎo)成礦固結(jié)風(fēng)積沙效果的影響，首先開展微生物礦化沉積試驗(yàn)與微生物誘導(dǎo)成礦固結(jié)風(fēng)積沙試驗(yàn)并分析不同處理液濃度對(duì)碳酸鈣產(chǎn)率的影響，其次通過力學(xué)性能測(cè)試對(duì)比風(fēng)積沙力學(xué)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化情況，最后結(jié)合顆粒粒徑測(cè)試及微觀形貌觀測(cè)對(duì)不同化學(xué)處理方式的風(fēng)積沙固結(jié)效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：微生物誘導(dǎo)成礦處理能有效提升風(fēng)積沙力學(xué)性能，處理液濃度為0.9 mol/L時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度改善最為顯著，相對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)提升也最為明顯;濃度為0.6 mol/L的處理液對(duì)應(yīng)的微生物誘導(dǎo)成礦率（碳酸鈣產(chǎn)率）最高，繼續(xù)提高鈣離子濃度不利于提升礦化沉積效率;微生物誘導(dǎo)成礦處理后的風(fēng)積沙表面附著碳酸鈣礦物，可把風(fēng)積沙粒徑變化作為一項(xiàng)反映礦化效果的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)積沙;固沙效果;微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積;處理液濃度;力學(xué)性質(zhì);顆粒粒徑

中圖分類號(hào)：S157.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.021

引用格式：邱明喜，劉漢銀，明道貴，等.化學(xué)處理方式對(duì)微生物固沙效果的影響[J].人民黃河，2021，43（8）：117-121.

Abstract： Microbial induced calcite precipitation is a new aeolian sand fixation technology， which has more significant advantages over traditional technology. To investigate the effect of chemical treatment on bio-cementation of aeolian sand， the experiment of calcium carbonate deposit generated by microbial induced calcite precipitation and the experiment of sand fixation by microbial induced calcite precipitation were firstly carried out to study the effects of different treatment methods on calcium carbonate yield. Then， the changes of mechanical strength and shear strength indexes of aeolian sand were compared through direct shear test. Finally， the sand fixation effects under different chemical treatment methods were analyzed by means of particle size analysis and microscopic morphology observation. The results show that microbial induced calcite precipitation can effectively improve the mechanical properties of aeolian sand. When the concentration of treatment solution is 0.9 mol/L， the improvement of mechanical strength is the most significant， and the corresponding shear strength index changes are also the most obvious. The microorganism corresponding to 0.6 mol/L treatment solution has the highest rate of mineral production， and the continuous increase of calcium ion concentration will not be conducive to the improvement of mineral deposition efficiency. Calcium carbonate minerals will adhere to the surface of aeolian sand treated by microorganism-induced mineralization， so the particle size change of aeolian sand can be taken as an index reflecting mineralization.

Key words： aeolian sand; sand-fixing effect; microbially induced calcite precipitation; treatment concentration; mechanical index; particle size

天然風(fēng)積沙顆粒細(xì)小、粒間無(wú)黏聚力，易在風(fēng)力吹蝕條件下快速移動(dòng)[1]。傳統(tǒng)風(fēng)積沙固化材料包括機(jī)械固沙材料、化學(xué)固沙材料和生物固沙材料[2-3]：常用的機(jī)械固沙材料包括柴草、黏土、礫石、塑料網(wǎng)格等，該類材料防護(hù)高度有限，在風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)會(huì)被風(fēng)沙流掩埋;化學(xué)固沙材料包括水泥漿類、石油產(chǎn)品類、水玻璃類、合成高分子類、生物質(zhì)資源類等，從材料安全性、耐候性及使用成本角度考慮，目前尚無(wú)可用于大面積推廣的化學(xué)固沙材料;植物是最為常用的生物固沙材料，但植物生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，且沙漠地區(qū)難以為植物成活提供必要條件，使得固沙植物成活率較低。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，簡(jiǎn)稱MICP）是一種新型土體固化改良技術(shù)，主要通過向土體引入脲酶微生物或利用土體中的自源微生物代謝形成脲酶，將反應(yīng)環(huán)境中的尿素分解成碳酸根離子，再人為向反應(yīng)體系中提供鈣離子及金屬陽(yáng)離子，最終在土體中形成碳酸鹽礦物，大量碳酸鹽礦物附著、堆積于土體顆粒之間起到膠結(jié)作用，實(shí)現(xiàn)土體固化[4-5]。該技術(shù)不需要投入大量人力物力，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[6-8]，國(guó)內(nèi)外已將其用于土質(zhì)改良、地基處理、沙土液化防治、固沙抑塵、石油開采、污染物處置、混凝土裂縫修補(bǔ)等領(lǐng)域[9-16]。既有研究表明，MICP技術(shù)處理效果受到多種因素影響[17-22]：一方面，MICP技術(shù)所采用的微生物易受環(huán)境因素影響;另一方面，對(duì)于不同種類土體，MICP處理效果會(huì)存在差異。目前有關(guān)MICP改良土體技術(shù)的試驗(yàn)研究仍主要在室內(nèi)進(jìn)行，采用的土體基質(zhì)主要為硅沙，而對(duì)于廣泛分布于我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)積沙的研究較少，國(guó)內(nèi)僅內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)MICP固結(jié)風(fēng)積沙的可行性等開展過較為系統(tǒng)的研究。筆者采用MICP技術(shù)處理風(fēng)積沙，通過直剪試驗(yàn)研究了處理液濃度對(duì)微生物礦化沉積及固化風(fēng)積沙碳酸鈣產(chǎn)率的影響，以期為MICP技術(shù)用于固結(jié)風(fēng)積沙提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）風(fēng)積沙。試驗(yàn)用風(fēng)積沙取自新疆古爾班通古特沙漠，其微觀形貌見圖1、顆粒級(jí)配曲線見圖2。由圖2可知，D60=0.160 mm、D30=0.108 mm、D10=0.066 mm（D60、D30、D10分別為顆粒級(jí)配曲線上小于某粒徑累計(jì)含量為60%、30%、10%所對(duì)應(yīng)的粒徑，其中D10稱為有效粒徑、D60稱為控制粒徑），據(jù)此計(jì)算的風(fēng)積沙級(jí)配系數(shù)Cc=1.10、不均勻系數(shù)Cu=2.42。 XRD測(cè)試表明風(fēng)積沙主要化學(xué)成分有SiO2（66.79%）、Al2O3（8.09%）、Fe2O3（8.87%）、MgO（6.71%）等。

（2）微生物及培養(yǎng)液。微生物礦化沉積試驗(yàn)和風(fēng)積沙固結(jié)試驗(yàn)使用的菌種均為巴氏芽孢八疊球菌，屬高脲酶活性微生物，購(gòu)自美國(guó)菌種保藏中心（菌種編號(hào)ATCC11859）。擴(kuò)大培養(yǎng)基成分包括酪蛋白胨、大豆蛋白胨、氯化鈉、尿素，配制培養(yǎng)基時(shí)，尿素使用過濾法滅菌（0.22 μm微孔濾膜），其他成分均使用濕熱滅菌法滅菌（高壓蒸汽滅菌器121 ℃條件下滅菌20 min）。試驗(yàn)過程中采用分光光度計(jì)在600 nm波長(zhǎng)條件下的菌液吸光度反映微生物濃度，采用電導(dǎo)率儀測(cè)得的電導(dǎo)率變化速率間接表示脲酶活性[23-24]。研究表明，細(xì)菌懸浮液的濃度在一定范圍內(nèi)與透光度成反比、與吸光度成正比，所以可用吸光度表征樣品菌液細(xì)菌生長(zhǎng)狀況。巴氏芽孢八疊球菌生長(zhǎng)及脲酶活性變化情況見圖3（圖中OD600為溶液在波長(zhǎng)600 nm處的吸光度），本研究選用微生物培養(yǎng)時(shí)間為36 h。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）化學(xué)處理方案設(shè)置。有關(guān)研究表明[25]，化學(xué)處理液濃度、注液速率及其在土體中的留存時(shí)間均對(duì)微生物誘導(dǎo)成礦效果產(chǎn)生影響，且以化學(xué)處理液濃度影響最為顯著?；谶@一認(rèn)識(shí)，本研究使用不同濃度化學(xué)處理液開展風(fēng)積沙固結(jié)試驗(yàn)，研究化學(xué)處理方式對(duì)微生物誘導(dǎo)成礦效果及對(duì)風(fēng)積沙固結(jié)效果的影響。配置濃度分別為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 mol/L的尿素-氯化鈣混合溶液作為處理液，開展微生物礦化沉積試驗(yàn)、固結(jié)風(fēng)積沙力學(xué)試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)以碳酸鈣產(chǎn)率和力學(xué)強(qiáng)度為對(duì)比指標(biāo)。

（2）試樣制備。菌液制備：按照1%接種比例將菌液自母液瓶接種至新鮮培養(yǎng)基，將接種后的培養(yǎng)基置于恒溫振蕩條件下（35 ℃、150 r/min）培養(yǎng)36 h，獲得試驗(yàn)用菌液。預(yù)混：將150 g風(fēng)積沙與6 mL菌液混合均勻，靜置2 min后向風(fēng)積沙中加入0.5 mol/L處理液6 mL并混合均勻，將混勻的風(fēng)積沙裝入內(nèi)壁涂有凡士林的環(huán)刀。灌漿：每隔12 h向試樣表面噴灑3 mL處理液，連續(xù)噴灑4次。養(yǎng)護(hù)：從環(huán)刀中取出試樣，置于30 ℃條件下養(yǎng)護(hù)60 h。

（3）礦化沉積試驗(yàn)。將不同濃度處理液與試驗(yàn)用菌液等體積混合，靜置72 h后收集容器底部沉積物，烘干稱量。同一濃度重復(fù)試驗(yàn)2次，取平均值。

1.3 測(cè)試方法

（1）力學(xué)強(qiáng)度。采用LT1008型電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行直接剪切測(cè)試，垂直荷載分別為50、100、150、200 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，每隔20 s記錄一次應(yīng)力應(yīng)變。

（2）碳酸鈣產(chǎn)率。本研究中，礦化沉積試驗(yàn)把測(cè)定的礦化沉積物質(zhì)量與氯化鈣完全反應(yīng)時(shí)碳酸鈣理論質(zhì)量的比值作為碳酸鈣產(chǎn)率，而力學(xué)試驗(yàn)則采用溶酸法計(jì)算碳酸鈣產(chǎn)率，即把固結(jié)風(fēng)積沙溶酸（稀鹽酸）前后的質(zhì)量差與固化試樣質(zhì)量的比值作為碳酸鈣產(chǎn)率，同時(shí)預(yù)先測(cè)試風(fēng)積沙中碳酸鈣含量，以修正其影響。

（3）微觀形貌。選擇表面平整的固化風(fēng)積沙樣品，使用電子顯微鏡（FEI Quanta 200）觀測(cè)成礦產(chǎn)物在風(fēng)積沙中的分布情況。

（4）顆粒粒徑。采用BT-2002型激光粒度分析儀對(duì)風(fēng)積沙與力學(xué)試驗(yàn)后固化試樣的粒徑分布進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理液濃度對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的影響

如圖4所示，不同處理液濃度對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度差異明顯，其中0.9 mol/L對(duì)應(yīng)試樣抗剪強(qiáng)度最高，抗剪強(qiáng)度從高到低對(duì)應(yīng)的處理液濃度依次為0.9、1.2、0.6、1.5、0.3 mol/L。對(duì)此現(xiàn)象的解釋：化學(xué)處理液濃度過高或過低均不利于風(fēng)積沙固結(jié)，濃度過高時(shí)MICP反應(yīng)過于迅速、不利于液體下滲，濃度過低時(shí)雖有利于液體下滲，但礦物生成量較少，固結(jié)效果同樣不佳。據(jù)觀察，試驗(yàn)過程中處理液的下滲難度不斷增大，試樣表面隨著處理液噴灑逐漸出現(xiàn)礦化產(chǎn)物聚集以及多余鹽分的凝結(jié)，試樣抗剪強(qiáng)度變化或與該現(xiàn)象具有一定關(guān)系。

如圖5所示，強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力與內(nèi)摩擦角隨處理液濃度的變化較大，二者變化趨勢(shì)一致，均隨處理液濃度增大至0.9 mol/L時(shí)取得較大值，而后隨濃度繼續(xù)增大呈下降又回升的趨勢(shì)，高濃度處理液對(duì)應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角整體上大于低濃度的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。由此可知，處理液濃度較低時(shí)礦物生成量較少、不利于強(qiáng)度指標(biāo)的提升，高濃度處理液生成了較多礦物晶體并充填于風(fēng)積沙顆粒間，因此黏聚力與內(nèi)摩擦角增幅較大。微生物誘導(dǎo)生成的礦物堆積于風(fēng)積沙顆?？紫吨?，使風(fēng)積沙顆粒連接更為緊密、黏聚力增大。同時(shí)，礦物堆積于風(fēng)積沙顆粒表面將影響顆粒自身圓度，增大顆粒粗糙度，對(duì)內(nèi)摩擦角增大具有重要影響?；谠囼?yàn)結(jié)果，可得出微生物處理能有效提升風(fēng)積沙力學(xué)性能的結(jié)論，這與Canakci等[26]所得結(jié)論一致。

2.2 處理液濃度對(duì)碳酸鈣產(chǎn)率的影響

處理液濃度對(duì)礦化反應(yīng)和固結(jié)風(fēng)積沙力學(xué)性能均具有重要影響。如圖6所示，碳酸鈣產(chǎn)率隨處理液濃度提高呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在處理液濃度為0.6 mol/L時(shí)碳酸鈣產(chǎn)率取得最大值89.11%（微生物礦化沉積試驗(yàn)結(jié)果），可見高濃度處理液并不能提高微生物誘導(dǎo)成礦率。趙茜[27]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脲酶細(xì)菌活性隨著尿素濃度提高而逐漸增強(qiáng)，隨鈣離子濃度提高而減弱。因此，鈣離子是影響碳酸鈣產(chǎn)率的關(guān)鍵因素，處理液濃度為0.6 mol/L時(shí)較適宜碳酸鈣礦物沉積。固結(jié)風(fēng)積沙中的碳酸鈣產(chǎn)率變化趨勢(shì)同微生物礦化沉積試驗(yàn)結(jié)果相似，處理液濃度為0.6 mol/L時(shí)對(duì)應(yīng)最大碳酸鈣產(chǎn)率63%，不同之處在于風(fēng)積沙固結(jié)試驗(yàn)中碳酸鈣產(chǎn)率低于礦化沉積試驗(yàn)結(jié)果，究其原因，主要是隨著礦物不斷形成，風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙度降低，新噴灑的處理液難以滲入試樣內(nèi)部以發(fā)生有效礦化反應(yīng)。值得注意的是，前述固結(jié)風(fēng)積沙力學(xué)強(qiáng)度隨處理液濃度的變化趨勢(shì)并未與碳酸鈣產(chǎn)率保持一致。

2.3 處理液濃度對(duì)顆粒粒徑的影響

以處理液濃度為0.9 mol/L的風(fēng)積沙試樣為例，與未處理的風(fēng)積沙相比，固化風(fēng)積沙粒徑在0.1～0.5 mm范圍內(nèi)所占比例增大，原因是大粒徑風(fēng)積沙顆粒更有利于脲酶微生物附著，表面礦物生成率高，粒徑變化更為明顯。

電子顯微鏡掃描得到的固化風(fēng)積沙微觀形貌見圖7，可以看出風(fēng)積沙顆粒表面附著有大量起膠結(jié)作用的成礦產(chǎn)物，這在一定程度上提高了風(fēng)積沙整體性，使顆粒表面更為粗糙，改善了顆粒間的膠結(jié)效果，同時(shí)礦物沉積也使顆粒直徑發(fā)生變化。此外，圖中部分區(qū)域顯示為“凹坑”，這是沙粒脫落造成的，從側(cè)面反映出沙粒之間膠結(jié)效果較好[28]。

3 結(jié) 論

（1）微生物誘導(dǎo)成礦能有效提升風(fēng)積沙力學(xué)性能，處理液濃度為0.9 mol/L時(shí)試樣力學(xué)強(qiáng)度改善最為顯著，其對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)提高最為明顯。

（2）MICP處理液中鈣離子濃度對(duì)微生物誘導(dǎo)成礦具有重要影響，高濃度鈣離子溶液不利于礦化沉積效率提升，處理液濃度為0.6 mol/L的微生物誘導(dǎo)成礦率最高。

（3）微生物固結(jié)風(fēng)積沙時(shí)的碳酸鈣產(chǎn)率變化趨勢(shì)與無(wú)附著介質(zhì)時(shí)基本一致，但整體產(chǎn)率低于無(wú)附著介質(zhì)條件對(duì)應(yīng)的碳酸鈣產(chǎn)率。

（4）風(fēng)積沙粒徑變化可作為反映礦化效果的一項(xiàng)指標(biāo)。微生物誘導(dǎo)成礦處理后的風(fēng)積沙表面附著有不同數(shù)量的礦物，粒徑為0.1～0.5 mm的風(fēng)積沙礦化效果最為顯著。

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【責(zé)任編輯 張智民】