CN102677683A - 一种环境友好型微生物-植物联合护坡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种环境友好型微生物-植物联合护坡方法，首先在需要加固的边坡土壤内通过注入或喷淋方式加入微生物加固液，同时在该边坡区域内种植易活植物；其中所述微生物加固液包括细菌浓缩液和营养液，所述细菌采用芽孢杆菌，所述营养液包括尿素、钙离子溶液、养料和溶解氧气，其中所述养料为淀粉或葡萄糖。本发明适用范围广，施工简单便捷能节约大量工程投资；且消除对环境土壤和水资源的负面影响；另外通过对土壤预处理可以缩短固化时间。

Description

一种环境友好型微生物-植物联合护坡方法

  

技术领域

本发明属于道路、水利施工技术，尤其涉及边坡加固技术。 

背景技术

边坡加固是在道路、河流渠道、堤防及水库大坝等工程中都会遇到的需着重处理的环节，对保障工程安全具有举足轻重的作用。目前工程中护坡的方式有多种，例如，抛石护岸、砌块石护坡、石笼护坡、块体铺面护坡、种植草皮植物等。这些措施虽然有着各自的优点，但也存在许多诸如施工成本高昂、维修维护困难等缺点。近来出现了利用生物固结现象，也就是利用微生物繁殖及其新陈代谢过程中使土壤结块，从而加固边坡的技术。该技术中，利用微生物例如芽孢杆菌微生物对氨剂（主要是尿素等）的水解进而引发碳酸钙沉积，从而达到加固的作用。其主要机理是微生物在对营养液中的尿素进行水解时会产生副产物NH₄ ⁺，而铵离子对环境有一定负面影响。 

生物固结现象是微生物繁殖及新陈代谢过程中的一种自然现象，通常伴随着复杂的生物、化学过程。利用生物固结作用来进行边坡加固是近来刚出现的一种加固技术，其主要原理是利用芽孢杆菌类微生物对氨剂（主要是尿素等）的水解引发碳酸钙沉积，从而达到加固目的。所用营养液为尿素、钙剂（包括氯化钙CaCl₂或其它可溶性含钙离子溶液）、淀粉或葡萄糖（5－200mg/L）等，并不断鼓入氧气或空气。营养液中尿素与氯化钙的质量浓度比约为3：5，其中尿素的作用是为水解产生碳酸根离子，以便与钙剂中的钙离子结合生成固态碳酸钙；淀粉或葡萄糖以及溶解氧为促进细菌繁殖提供养分，并促使细菌产生细胞聚合物EPS，增加固化效果。该技术中，芽孢杆菌类微生物的来源有两个，首先是通过注入实验室培养的芽孢杆菌浓缩液，使得土体中该类微生物数量在短时间内急剧增加，另外营养液中的淀粉、葡萄糖和氧气也激发了土壤中原生的芽孢杆菌的增长，使得土壤中芽孢杆菌类微生物的数量能维持在较高水平，因此固化效率更高。营养液中各成分的浓度配比可根据现场对微生物活动情况进行检测后进行适当调整。其主要作用机理如下式所示： 

CO(NH₂)₂ + 2H₂O    à       CO₃ ^2- + 2NH₄ ⁺

Ca²⁺ + 2 Cl^- + CO₃ ^2-     à      CaCO₃ ↓+ 2 NH₄ ⁺ 2Cl^-

在该技术中副产物之一NH₄ ⁺对环境有一定的负面影响。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种环境友好型微生物-植物联合护坡方法，从而可以减小铵离子对环境的污染。 

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种环境友好型微生物-植物联合护坡方法，首先在需要加固的边坡土壤内通过注入或喷淋方式加入微生物加固液，同时在该边坡区域内种植易活植物；其中所述微生物加固液包括细菌浓缩液和营养液，所述细菌采用芽孢杆菌，所述营养液包括尿素、钙离子溶液、养料和溶解氧气，其中所述养料为淀粉或葡萄糖。 

本发明开发的微生物加固液采用芽孢杆菌水解营养液中尿素，从而产生碳酸钙离子，并与钙离子形成碳酸钙沉淀从而对边坡加固，该过程中会产生铵离子等副产物会对生态环境产生一定负面影响，我们又在加入了该微生物加固液的土壤区域内种植树苗或植草等易活植物，利用植物吸收氨离子，从而在降低铵离子的环境污染的同时，进一步提高边坡加固效果。 

作为优选，所述钙离子溶液为氯化钙水溶液，以及其他可溶性的钙盐。 

作为优选，所述营养液中淀粉或葡萄糖的含量为5～200mg/L，尿素与钙离子的质量浓度比为1：1～2。 

进一步改进，在加入微生物加固液之前，先对需要加固的边坡土壤进行弱碱化预处理：在该土壤内注入碱性溶液，例如碳酸氢钠或碳酸氢钾溶液，并调节土壤pH值在8～9。在该pH环境下微生物对尿素的水解能力能提高5～10%，从而可以加快钙质沉积速度，缩短固化时间。 

 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：适用范围广，施工简单便捷能节约大量工程投资；且消除对环境土壤和水资源的负面影响；另外通过对土壤预处理可以缩短固化时间。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

生物固结现象是微生物繁殖及新陈代谢过程中的一种自然现象，通常伴随着复杂的生物、化学过程。该技术的主要原理是，通过向地下土体中注入适量的营养物质及矿物质，激发地下土体或裂隙中的细菌活性，使其大量繁殖。一些种类的细菌在繁殖过程中会产生大量粘稠状液体并吸附于土体颗粒之上，形成多细胞聚合物EPS（Extra-cellular polymeric substances），同时加速水中矿物质沉积，经过一段时间会逐渐固化并堵塞土体颗粒间的孔隙，从而达到增加土体强度的目的。由于营养物质和地下水混合后灌入地下，在进入含水层后，营养物质会自动跟随地下水的流动而迁移，适用范围广，施工简单便捷。对地下含水层不产生破坏，也不会产生有毒有害物质，十分环保，且能节约大量的工程投资。该技术中，所选用的细菌为巴氏芽孢杆菌(Sporocarcina pasteurii)，之所以选择该菌，是因为和其它类似细菌相比，其对尿素的水解能力更高，加固需时更短。所用营养液为尿素、钙剂（包括氯化钙CaCl₂，硫酸钙CaSO₄等可溶性含钙离子溶液）、淀粉或葡萄糖以及溶解氧气等。其中尿素的作用是为水解产生碳酸根离子，以便与钙剂中的钙离子结合生成固态碳酸钙；淀粉或葡萄糖以及溶解氧为促进细菌繁殖提供养分，并促使细菌产生细胞聚合物EPS，增加固化效果。主要作用机理如下所示：CO(NH₂)₂ + 2H₂O→CO₃ ^2- + 2NH₄ ⁺，然后Ca²⁺ + 2 Cl^- + CO₃ ^2- →CaCO₃↓+ 2 NH₄ ⁺ 2Cl^-。 

首先选用培养的巴氏芽孢杆菌作为细菌浓缩液，并将尿素、氯化钙和葡萄糖混合形成水溶液后不断鼓入氧气或空气得到营养液，其中尿素与氯化钙的质量浓度比约为3:5，葡萄糖的浓度为100mg/L。加固方式分注入式加固和喷淋式加固两种，注入式加固适用于边坡整体加固，加固深度深；而喷淋式加固属于表层土加固。该技术中，芽孢杆菌类微生物的来源有两个，首先是通过注入实验室培养的芽孢杆菌浓缩液，使得土体中该类微生物数量在短时间内急剧增加，另外营养液中的淀粉、葡萄糖和氧气也激发了土壤中原生的芽孢杆菌的增长，使得土壤中芽孢杆菌类微生物的数量能维持在较高水平，因此固化效率更高。 

实际操作时，先往边坡土体中注入适量的碳酸氢钠溶液（浓度为10～500mg/L），使得土体pH值控制在8-9之间，由于在该pH环境下微生物对尿素的水解能力能提高5～10%；然后缓慢注入芽孢杆菌浓缩液，再慢慢注入营养液，注入速度不能过快，以免破坏土壤原有结构，同时在注入微生物加固液的土壤区域种植易活植物，例如树苗和草皮等。试验结果表明，该技术适用范围广，对各种级配的砂土、壤土边坡均能将其强度提高10%－50%左右，且成本十分低廉，同时还减少铵离子副产物对环境的负面影响。 

Claims (5)

1.一种环境友好型微生物-植物联合护坡方法，其特征在于：首先在需要加固的边坡土壤内通过注入或喷淋方式加入微生物加固液，同时在该边坡区域内种植易活植物；其中所述微生物加固液包括细菌浓缩液和营养液，所述细菌采用芽孢杆菌，所述营养液包括尿素、钙离子溶液、养料和溶解氧气，其中所述养料为淀粉或葡萄糖。

2.根据权利要求1所述环境友好型微生物-植物联合护坡方法，其特征在于：所述钙离子溶液为氯化钙水溶液。

3.根据权利要求2所述环境友好型微生物-植物联合护坡方法，其特征在于：所述营养液中淀粉或葡萄糖的含量为5～200mg/L，尿素与钙离子的质量浓度比为1：1～2。

4.根据权利要求1所述环境友好型微生物-植物联合护坡方法，其特征在于：在加入微生物加固液之前，先对需要加固的边坡土壤进行弱碱化预处理：在该土壤内注入碱性溶液，并调节土壤pH值在8～9。

5.根据权利要求4所述环境友好型微生物-植物联合护坡方法，其特征在于：所述碱性溶液为碳酸氢钠或碳酸氢钾溶液。