CN111851464A - 一种链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，包括以下步骤：1)将链霉菌粉和吹填土进行搅拌混合；2)在吹填区域埋设真空预压系统，真空预压系统包括与抽真空装置和输送装置可切换连接的真空管道以及排水板，排水板与真空管道连接；3)采用真空预压系统将吹填土中的水分向外抽排；4)利用真空预压系统向吹填土输送CO₂。该方法能够提高土体强度，降低了渗透性。

Description

一种链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法

技术领域

本发明涉及生物固化土体方法，尤其是一种链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法。

背景技术

目前我国最常见的海涂围垦模式是吹填法，即将海底或港口附近的淤泥和海沙吹填到围垦区域。近些年随着海沙资源的逐渐枯竭，我国浙江、福建等大部分地区的吹填土以淤泥质软土为主，往往一次加固无法满足工程建设要求，且容易引发道路过大沉降和建筑物失稳等工程问题，造成巨大经济损失，甚至威胁生命安全。

大量工程经验表明，海涂围垦区地基往往都需要进行二次加固，才能满足路基及建筑物地基的要求。目前针对吹填土的二次加固有多种方法，常用的有真空预压法、电渗法、强夯法、化学法等。这些方法可以使吹填土得到进一步加固，满足工程要求，但同时存在一些问题。

大多数传统的地基改良方法都是使用机械振动和合成灌浆来加固土壤，尽管是传统的化学灌浆加固，但大多数化学加固材料还是有毒的，并且危害人们的健康。波特兰水泥是一种常用的地基加固材料，但是它消耗大量能量并且花费很多。而且化学灌浆和水泥灌浆中使用的材料在制造和实施过程中会产生大量的二氧化碳以及其他空气和水污染。为了顺应全球低碳和绿色增长政策的趋势，应减少温室气体的排放。应该进行广泛的研究以找到适合的环保基础加固材料的替代品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，该方法能够更加环保且持续固化土体，提升土体强度，并降低渗透性。

为此，本发明提供的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：包括以下步骤：

1)将链霉菌粉和吹填土进行搅拌混合；

2)在吹填区域埋设真空预压系统，真空预压系统包括与抽真空装置和输送装置可切换连接的真空管道以及排水板，排水板与真空管道连接；

3)采用真空预压系统将吹填土中的水分向外抽排；

4)利用真空预压系统向吹填土输送CO₂。

进一步的，所述链霉菌的质量在吹填土中的占比为10％-50％。

进一步的，所述链霉菌的质量在吹填土中的占比为30％。

进一步的，所述吹填土的酸碱度控制在pH＝7-9。

进一步的，所述吹填土的酸碱度控制在pH＝9。

进一步的，增加步骤5)拆除真空预压系统中的密封布后向土体表面泼洒链霉菌溶液。

本发明提供的技术效果：

微生物矿化在新型建材微生物水泥制备中的应用需要解决耗时的问题。在不存在碳酸酐酶的情况下，直接CO₂水合反应过程包括通过CO₂水合生成H₂CO₃以及将H₂CO₃电离为CO₃ ^2-。

CO₂+H₂O→H₂CO₃(1)

H₂CO₃→HCO₃ ^-+H⁺(2)

HCO₃ ^-→CO₃ ^2-+H⁺(3)

在上述反应过程中，等式(1)的反应速率缓慢并且需要很长时间才能完成，这是整个反应的限速步骤。但是，在微生物分泌的碳酸酐酶的催化下，CO₂的水合反应机理发生了变化，水合反应速率提高了107倍以上，从而有效地催化了 CO₂的水合反应，以下是酶离子的形成过程

在外部钙源的情况下，带正电的钙离子吸附在带负电的微生物细菌的表面上，为成矿产物的沉积提供了成核位置，并最终形成了低结晶度的球状方解石。在微生物矿化的整个过程中，以下是酶离子形成和矿化产物沉积的形成过程：

(1)碳酸酐酶的活性中心含有催化所需的Zn²⁺，与Zn²⁺连接的H₂O被去质子化而形成E·ZnOH^-：

(2)由于存在氢键和其他结构，E·ZnOH^-中的羟基具有很强的亲核性，可以与疏水袋中的底物CO₂结合形成E·Zn HCO₃ ^-，进而得到HCO₃ ^-在E·ZnHCO₃ ^-中被溶剂水分子取代，形成E·ZnH₂O和HCO₃ ^-：

(3)HCO₃ ^-在E·ZnOH^-的作用下形成CO₃ ^2-和H₂O：

(4)Ca²⁺吸附带负电荷的微生物：

(5)微生物细菌促进矿化产物的沉积，作为形成部位：

碳酸盐沉淀物在成核位点(链霉菌细胞表面)上形成，CO₃ ^2-与Ca²⁺反应。在生化反应过程中，微生物会分泌碳酸酐酶来催化CO₂的水合，从而通过各种生理活动为碳酸钙沉淀创造合适的碱性环境。微生物引起的方解石沉淀也用于混凝土的表面处理，修复混凝土裂缝和结构加固。土壤的微生物胶结作用促使碳酸钙沉积在土壤颗粒之间的空隙中。碳酸钙紧密地填充在空隙之间，并充当颗粒之间的胶黏剂。因此，增加了土壤的强度，降低了渗透性。

附图说明

图1为采用可变水头系统测定土柱的渗透性的设备图。

图2为硝酸钙(a)和氧化钙(b)的生物矿化/碳化的XRD图谱。

图3为土柱的XRD图谱。

图4为土柱中链霉菌的含量对平均抗压强度的影响示意图表。

图5为土柱的SEM图像：无链霉菌(a，b)时，链霉菌的重量占土柱 (c，d)的30％。

图6为含有链霉菌和不含链霉菌的土柱渗透系数示意图表。

图7为温度对土柱强度的影响示意图表。

图8为土柱的SEM图像：在130℃处理的细菌粉末(a)和在室温下的细菌粉末(b)。

图9为最佳菌粉含量为30％时，pH对土壤柱强度的影响示意图表。

图10为土柱中的CaCO₃含量的示意图表。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

1.技术方案：

本发明提供的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，包括以下步骤：

1)将链霉菌粉和吹填土进行搅拌混合；

2)在吹填区域埋设真空预压系统，真空预压系统包括与抽真空装置和输送装置可切换连接的真空管道以及排水板，排水板与真空管道连接；

3)采用真空预压系统将吹填土中的水分向外抽排；

4)利用真空预压系统向吹填土输送CO₂；

5)拆除真空预压系统中的密封布后向土体表面泼洒链霉菌溶液。

上述实施例中，所述链霉菌的质量在吹填土中的占比为10％-50％，最佳方案为：所述链霉菌的质量在吹填土中的占比为30％。

上述实施例中，所述吹填土的酸碱度控制在pH＝7-9。最佳方案为：所述吹填土的酸碱度控制在pH＝9。

下方通过结合试验验证本发明的技术效果和技术参数：

链霉菌是一种分泌碳酸酐酶的碳酸盐细菌。它通常用于在MICP期间诱导碳酸钙。微生物矿化在新型建材微生物水泥制备中的应用需要解决耗时的问题。在不存在碳酸酐酶的情况下，直接CO₂水合反应过程包括通过CO₂水合生成 H₂CO₃以及将H₂CO₃电离为CO₃ ^2-。

CO₂+H₂O→H₂CO₃(1)

H₂CO₃→HCO₃ ^-+H⁺(2)

HCO₃ ^-→CO₃ ^2-+H⁺(3)

在上述反应过程中，等式(1)的反应速率缓慢并且需要很长时间才能完成，这是整个反应的限速步骤。但是，在微生物分泌的碳酸酐酶的催化下，CO₂的水合反应机理发生了变化，水合反应速率提高了107倍以上，从而有效地催化了 CO₂的水合反应。在外部钙源的情况下，带正电的钙离子吸附在带负电的微生物细菌的表面上，为成矿产物的沉积提供了成核位置，并最终形成了低结晶度的球状方解石。在微生物矿化的全过程中，以下是酶离子的形成过程

在外部钙源的情况下，带正电的钙离子吸附在带负电的微生物细菌的表面上，为成矿产物的沉积提供了成核位置，并最终形成了低结晶度的球状方解石。在微生物矿化的整个过程中，以下是酶离子形成和矿化产物沉积的形成过程：

(1)碳酸酐酶的活性中心含有催化所需的Zn²⁺，与Zn²⁺连接的H₂O被去质子化而形成E·ZnOH^-：

(2)由于存在氢键和其他结构，E·ZnOH^-中的羟基具有很强的亲核性，可以与疏水袋中的底物CO₂结合形成E·Zn HCO₃ ^-，进而得到HCO₃ ^-在E·ZnHCO₃ ^-中被溶剂水分子取代，形成E·ZnH₂O和HCO₃ ^-：

(3)HCO₃ ^-在E·ZnOH^-的作用下形成CO₃ ^2-和H₂O：

(4)Ca²⁺吸附带负电荷的微生物：

(5)微生物细菌促进矿化产物的沉积，作为形成部位：

碳酸盐沉淀物在成核位点(链霉菌细胞表面)上形成，CO₃ ^2-与Ca²⁺反应。在生化反应过程中，微生物会分泌碳酸酐酶来催化CO₂的水合，从而通过各种生理活动为碳酸钙沉淀创造合适的碱性环境。微生物引起的方解石沉淀也用于混凝土的表面处理，修复混凝土裂缝和结构加固。土壤的微生物胶结作用促使碳酸钙沉积在土壤颗粒之间的空隙中。碳酸钙紧密地填充在空隙之间，并充当颗粒之间的胶黏剂。因此，增加了土壤的强度。

2.实验与方法

2.1材料

根据ELISA试剂盒的计算结果，选择链霉菌捕获二氧化碳，链霉菌中碳酸酐酶的平均浓度为7.779ng/mL。在包含300g/L酵母提取物和500g/L蛋白的培养基中进行生物体的培养。用氢氧化钠将培养基的pH调节至7。本研究中使用的土壤样品取自温州的一个矿坑(北纬27°51′E和东经121°08′E)。沿海地区的海洋黏土污泥也被称为温州黏土，典型特征是含水量高，强度低，可压缩性高。样品是从土壤剖面的侧壁上约20米处采集的。链霉菌与氧化钙的质量比为2：1。根据用于土壤测试的GB/T 50123-1999标准，通过干燥方法测量天然土壤的水分含量。基本的物理和化学性质分别示于表1和2。

·表1粘土的基本物理性质

表2粘土的粒度组成

2.2微生物碳化固化

将土壤样品在105℃下烘干24小时，然后将土壤颗粒压碎并通过100μm 的筛子。将一定量的链霉菌粉末与土壤样品和氧化钙混合，占土壤的10- 60wt％。将混合物倒入圆形模具(直径5cm，高度10cm)中。然后，用千斤顶挤压模具，并在10分钟后脱模。脱模后，用培养液喷涂土壤样品表面(3次) 并在混凝土碳化箱中固化7天(CO₂浓度：20±2％，湿度：70±5％，温度：25 ±2℃))。

2.3样品表征

通过Bruker D8-发现X射线衍射检查样品的化学组成。通过扫描电子显微镜(SEM)测量样品的形貌和元素。用电子万能试验机测试土柱的抗压强度。

2.4渗滤试验

土柱渗透率的测定采用变压头系统，如图1所示。自制的渗透率仪包括水力测量系统，排气系统和压力室供压系统。落水管使用精度为1mm的酸滴定管，以提高读取精度。在该试验中，采用15kpa，并且顶部的水位高度距样品中心1.5m。为了制作样品，将带有和不带有链霉菌的粒状土壤样品分别包装在直径为70mm和高度为10mm的模具中。

3结果与讨论

3.1生物矿化/碳化的钙离子及其产物通过生物矿化/碳化法将钙离子浓度 (Ca 2+，mg/L)的变化示于表3和4中。表S1显示最佳矿化时间和硝酸钙含量分别为9d和0.5g。如表4所示，与硝酸钙相比，氧化钙的最佳矿化时间和最佳剂量分别为21d和1g。此时，链霉菌粉末与氧化钙的质量比为2∶1。因此，该比例适用于粘结疏松的钙质砂粒。由于空气中的二氧化碳浓度低(占空气体积分数的0.03％)，因此在较高的二氧化碳浓度下可以缩短碳化时间。因此，通过生物矿化/碳化方法对砂柱进行7d的碳化和固结处理是可行的。粉末XRD结果表明，产物主要为方解石(CaCO3，PDF卡号72-1652)，如图4所示。

表3在生物矿化/碳化的不同时间下的钙离子(Ca²⁺，mg/L，Ca(NO₃)₂)浓度。

表4在生物矿化/碳化的不同时间下的钙离子(Ca²⁺，mg/L，CaO)浓度

3.2土柱的化学成分

X射线衍射分析表明，含有链霉菌的土柱的主要成分为CaCO₃和SiO₂，如图3所示。含有链霉菌的土柱中方解石和SiO₂的PDF标准卡片分别为01-0837 和03-0419。在没有链霉菌的土柱中，方解石、文石和SiO₂的PDF标准卡片分别为72-1214、75-2230和89-1961。因此，疏松的吹填土颗粒可以很好地被CaCO₃胶结。

3.3链霉菌含量对土柱抗压强度的影响

平均强度与链霉菌含量之间的关系如图3所示。将土柱(φ5cm×10cm) 放在SANSCMT 8502电子万能试验机中，并以1mm/min的速度加载，直到完全破坏了样品。对于每组3样品相同的含量，将3个抗压强度作为平均值。随着链霉菌浓度的增加，当链霉菌含量为30％时，土柱的强度可达2.29Mpa。当链霉菌为10％时，平均抗压强度最低，为1.37Mpa。有链霉菌的土壤柱的平均抗压强度始终高于无链霉菌的土壤柱的平均抗压强度。当链霉菌素的含量为30％时，含有链霉菌素的土壤柱的平均抗压强度为0.78Mpa，高于无链霉菌的土壤。当链霉菌含量为40％时，不含链霉菌的土柱的平均抗压强度可达到 1.56Mpa。当链霉菌的含量分别占挖泥船填充量的40％，50％和60％时，链霉菌的土柱的平均强度分别为1.98、1.78和1.63MPa(见图4)。通过比较平均抗压强度，当链霉菌含量占土壤柱的30％时，土柱的强度最大。

3.4土柱的微观结构

图5a和b显示了无链霉菌的土柱的SEM图像。图5c和d显示了SEM图像，链霉菌的重量占土壤柱的30％。没有链霉菌的土柱的SEM图像显示颗粒是不规则片状结构。从图5c和d可见，含有链霉菌的土壤是片絮状结构。土柱的SEM图像可以清楚地表明，含有链霉菌的土柱被许多大小不同的方解石颗粒覆盖。通过比较，发现大量方解石颗粒吸附，聚集和包装在链霉菌土壤颗粒的表面上，并与周围的其他土壤颗粒结合以提高土壤强度。

3.5土柱的渗透性

图6显示了含有链霉菌(占土柱的30％)而没有链霉菌的土柱的水力传导率。有链霉菌的沙柱(占土柱的30％)的水力传导率为1.2×10^-4m/s。然而，没有链霉菌的土壤柱的水力传导率为1.6×10^-4m/s，与含有链霉菌的土柱的水力传导率相似。因此，添加细菌粉末不会影响土柱的渗透性。

3.5温度的影响

将碳化菌粉在130℃高温下失活，制成土柱。在对细菌粉末进行高温处理之后，使用去离子水代替培养基，以使其完全失活。对照组不进行高温处理。如图7所示，高温处理细菌粉后的土柱强度比未处理的低得多。50％和60％的细菌粉末含量不能与土柱结合，其机械性能非常低，接近0。在130℃处理后，细菌难以生存，不能诱导更多的矿化产物固结土柱。高温处理后的细菌粉末样品的扫描电子显微镜(SEM)如图8(a)所示，说明微生物在高温作用下已经失活，其胶凝作用非常差。如图8(b)所示，室温下含有细菌粉的土柱的强度可以显着提高强度。

3.6pH的影响

通过用稀盐酸和氢氧化钠溶液调节微生物培养液的pH值，研究了pH值对微生物胶结剂胶结作用的影响。喷雾后将土柱制备24小时，并将其置于碳化罐中进行碳化培养7天。pH对胶合样品强度的影响如图9所示。从图中可以清楚地看到，在酸性条件下，样品基本上不能成型并胶合到具有强度的柱中。在中性条件下，即pH值为7时，微生物碳化细菌可以以强度为0.96MPa的强度固结到样品中；在弱碱性条件下(pH＝9)，碳化细菌仍可以固结到样品中。强度达到1.36MPa，具有一定强度，强度显着提高，表明碳化细菌适合在弱碱性环境中生长。然而，在强碱的条件下，即，当pH为11时，碳化细菌的强度显着降低，此时强度为0.62MPa。在酸性环境中，微生物的生长和繁殖受到极大的限制，微生物酶的活性也处于较低水平，严重影响了微生物诱导的方解石的产生和疏松的沙土的胶结作用。在强碱性环境中，微生物酶的活性也受到限制，这会影响微生物诱导的方解石矿化和沉积过程。在中性和弱碱性环境中，微生物可以正常生长和繁殖，具有很高的酶活性，有利于微生物诱导的方解石的产生，疏松的吹填土被胶结并具有良好的机械性能。因此，该微生物适合在弱碱性和碱性条件下生长。

3.7碳酸钙含量

在测量碳酸钙之前，将土壤样品浸入蒸馏水中。然后使用酚酞作为指示剂通过滴定法确定土壤柱中的CaCO₃含量。从图10可以清楚地看到，随着细菌粉末含量的增加，碳酸钙的含量也增加。当细菌粉末的含量从10％，20％， 30％，40％，50％和60％增加时，CaCO₃的平均含量分别为8.26％，9.78％， 12.73％，13.63％，15.32％和15.12％。当细菌粉末的含量为50％时，CaCO₃的最高含量为15.32％。最佳菌粉含量为30％时，土壤柱中CaCO3的平均含量为12.73％。

4.结论

本文可以通过微生物矿化/碳化碳酸钙沉淀胶结土柱。通过这项研究可以得出以下结论。SEM图像表明，生物碳酸盐胶结剂胶结后的土柱表面形态不规则且粗糙。XRD分析表明样品的主要成分是碳酸钙和二氧化硅。链霉菌粉的最佳含量为30％，占吹填土的质量比。当链霉菌的含量为30％时，土柱的强度最大为2.29Mpa。最佳的碳化细菌数量为30％，最佳PH为9。当细菌粉末的含量为50％时，CaCO₃的最高含量为15.32％。

Claims (8)

1.一种链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：包括以下步骤：

1)将链霉菌粉和吹填土进行搅拌混合；

2)在吹填区域埋设真空预压系统，真空预压系统包括与抽真空装置和输送装置可切换连接的真空管道以及排水板，排水板与真空管道连接；

3)采用真空预压系统将吹填土中的水分向外抽排；

4)利用真空预压系统向吹填土输送CO₂。

2.根据权利要求1所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：所述链霉菌的质量在吹填土中的占比为10％-50％。

3.根据权利要求2所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：所述链霉菌的质量在吹填土中的占比为30％。

4.根据权利要求1或2所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：所述吹填土的酸碱度控制在pH＝7-9。

5.根据权利要求4所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：所述吹填土的酸碱度控制在pH＝9。

6.根据权利要求1或2或3所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：增加步骤5)拆除真空预压系统中的密封布后向土体表面泼洒链霉菌溶液。

7.根据权利要求4所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：增加步骤5)拆除真空预压系统中的密封布后向土体表面泼洒链霉菌溶液。

8.根据权利要求5所述的链霉菌矿化/碳化二次固结吹填土的方法，其特征是：增加步骤5)拆除真空预压系统中的密封布后向土体表面泼洒链霉菌溶液。

Images