CN115595934A - 一种基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法及其应用。该方法以珊瑚砂为原料，将海藻酸钠、碳源有机物和微生物菌液混合加入珊瑚砂中，利用微生物厌氧发酵的酸化反应，产生可溶解碳酸钙的弱酸，碳酸钙溶解后游离出的钙离子与海藻酸根离子结合生成海藻酸钙凝胶，填充、堵塞珊瑚砂孔隙。采用本发明方法对珊瑚砂进行降渗处理，可以有效降低珊瑚砂的渗透性，降低降渗成本且低碳环保，具有较强的实用性与耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法及其应用。
背景技术
珊瑚砂也称钙质砂，是一种特殊的岩土介质，主要成分是碳酸钙，由珊瑚、贝类、海藻等生物的遗骸组成，富存在热带海洋环境中，由于在沉积过程中，没有经过远距离的流水冲击、搬运作用，保留了生物遗骸间的孔隙，因此与普通的石英砂相比，钙质砂具有形状不规则、多孔隙、强度低、高压缩、易破碎、颗粒间易胶结等特点。
近年来在人工岛和天然海礁上建造的项目越来越多，但对于海上岛屿的建设还存在着方方面面的问题。由于钙质砂具有多棱角、多孔隙、形状不规则、强度低、易破碎等特点，以钙质砂为原材料建设的地基基础、岸堤等容易发生渗透破坏，因此需要进行降渗处理。
传统的机械方法、物理作用、化学胶结珊瑚砂进行防渗加固处理，会出现设备运输成本高、施工环境差、污染海洋环境等缺点。微生物方法作为传统防渗技术的替代方法，受到广泛研究关注，采用的生物灌浆材料相较传统方法具有低粘度，更易渗透的优点；目前采用的微生物降渗方法主要使用MICP技术，但该项技术生成碳酸钙沉淀的同时，会产生大量无法处理的铵根离子，对环境造成危害。因此一种对环境友好，低成本，防渗效果好的降渗方法，对于岩土工程领域是急需的，且丰富利用微生物对钙质砂进行防渗处理的方法，使得对钙质砂进行防渗处理时能够针对特定的情况做出最合适的选择，对于岩土工程领域具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明公开了一种基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法及其应用，采用本发明对珊瑚砂进行降渗处理，具有成本低，降渗效果好，环境友好的特点。
本发明的技术方案如下：
一种基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，包括以下步骤：
(1)将海藻酸钠和碳源有机物加入微生物菌液中，搅拌形成海藻酸钠-碳源有机物-微生物混合液；
(2)将步骤(1)配置好的混合液注入珊瑚砂中。
采用上述技术方案的有益效果为：
随着混合液进入珊瑚砂的缝隙中，氧气逐渐减少，缺氧环境下，利用微生物厌氧发酵的酸化反应，产生可溶解碳酸钙的弱酸，碳酸钙溶解后，游离出的钙离子与海藻酸根离子结合生成海藻酸钙凝胶，填充、堵塞珊瑚砂孔隙。
进一步地，步骤(1)中微生物菌液为厌氧发酵细菌菌液、兼性厌氧发酵细菌菌液和含有厌氧发酵细菌或兼性厌氧发酵细菌的污水中的一种。
进一步地，步骤(1)中厌氧发酵细菌为梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属或双岐杆菌属，兼性厌氧发酵细菌为芽孢杆菌属，优选为巴氏芽胞杆菌。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：
采用厌氧发酵细菌或兼性厌氧发酵细菌在缺氧条件下产生弱酸，溶解碳酸钙，游离的钙离子与海藻酸钠反应生成海藻酸钙凝胶堵塞珊瑚砂孔隙；采用含有厌氧发酵细菌的污水注入珊瑚砂中，处理污水的同时还可以对珊瑚砂进行降渗处理，实现了废物利用。
进一步地，步骤(1)中碳源有机物为葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一种。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：
碳源有机物为微生物进行厌氧发酵提供碳源。
进一步地，步骤(1)海藻酸钠-碳源有机物-微生物混合液中，微生物密度为106～108cfu/L，优选为107cfu/L海藻酸钠的浓度为1～5g/L，优选为5g/L碳源有机物浓度为8～12g/L，优选为10g/L。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：
采用进一步技术方案有利于微生物厌氧发酵产生弱酸，海藻酸根离子与游离钙离子生成海藻酸钙凝胶。
进一步地，步骤(2)中混合液注入珊瑚砂方法采用泵送注浆法或表面倾倒法。
进一步地，步骤(2)中混合液单次注入体积为1450～1550L/m3。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：
采用泵送注浆法或表面倾倒法将混合液注入珊瑚砂中，以及单次注入体积为1450～1550L/m3，可以使得混合溶液能够充分进入珊瑚沙的缝隙中。
进一步地，步骤(2)重复2～5次，每次间隔22～24h。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：
将步骤(2)重复2～5次，每次等待微生物厌氧发酵22～24h，使得珊瑚砂中的pH降低至3.5左右，会产生足够的可溶性钙离子，混合溶液中的海藻酸钠与游离钙离子反应充分，降低珊瑚砂的渗透系数。
基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法在建造地基基础或岸堤中的应用。
综上所述，采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明方法利用微生物厌氧发酵的酸化反应，产生可溶解碳酸钙的弱酸，弱酸溶解碳酸钙后，游离出的钙离子与海藻酸根离子结合生成海藻酸钙凝胶，填充、堵塞珊瑚砂孔隙；利用海藻酸钠对珊瑚砂场地进行降渗处理时，珊瑚砂可以为海藻酸钙的生成提供充足的Ca2+，不依赖外来钙源的引入，降低降渗加固成本，并且本发明方法所用的原材料具有黏度低，易渗透的特点，可提高降渗处理方法的有效性和适用性，微生物诱导使得海藻酸钠与钙离子生成海藻酸钙凝胶不会产生多余的污染性副产物，减小环境负担，生成的海藻酸钙化学性质稳定，因此处理后的珊瑚砂场地耐久性较好。本发明方法丰富了微生物降渗处理珊瑚砂的方法，为降渗处理提供了一种新思路。
附图说明
图1为珊瑚砂砂柱实验图。
图2为海藻酸钙堵塞降渗机理图。
图3为珊瑚砂的渗透性随处理时间变化曲线图。
具体实施例
实施例针对基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法进行试验，采用取自南海某珊瑚砂岛礁的钙质砂，去除个别大颗粒等杂质，取0.075-2mm粒径范围内的珊瑚砂制成砂柱试样，珊瑚砂的比重为2.79，孔隙比为1.02，砂柱直径为50mm，高度为100mm，孔隙体积为99.15cm3，砂柱试验如图1所示。
实施例1
本发明实施例提供的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，具体步骤如下：
(1)配置液体培养基：将20g大豆蛋白胨与15g氯化铵颗粒用去离子水溶解混合，并加入0.1mol/L的氯化镍溶液1mL，将其充分搅拌，并定容至1L得到液体培养基；
(2)接种：用1mol/L氢氧化钠溶液调节步骤(1)所得液体培养基至pH值为9.25，接种巴氏芽孢杆菌后，在恒温震荡箱中培养10h，温度为35℃，转速为220rpm/min,获得微生物密度为107cfu/L的微生物菌液；
(3)混合：用量筒称量1L微生物菌液倒入1.5L大号烧杯中，将海藻酸钠在105℃条件下烘干24h，使其水分完全挥发，给烧杯中加入5g处理过的海藻酸钠与10g葡萄糖，并在室温环境下电磁搅拌10min，使海藻酸钠和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液；
(4)注入：将配置好的海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液300mL立即注入砂柱试样中，关闭出液口与进液口，使微生物在无氧环境中厌氧反应24h后打开出液口排出废液；
(5)将步骤(4)重复操作一次得到降渗处理后的珊瑚砂；
(6)将步骤(5)所得到降渗处理后的珊瑚砂放置105℃条件下烘干24h，完全去除水分，然后开展常水头渗透试验，1天后所测得渗透系数为6.69×10-8m/s。
实施例2
本发明实施例提供的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，具体步骤如下：
(1)配置液体培养基：将25g大豆蛋白胨与20g氯化铵颗粒用去离子水溶解混合，并加入0.1mol/L的氯化镍溶液1.5mL，将其充分搅拌，并定容至1L得到液体培养基；
(2)接种：用1mol/L氢氧化钠溶液调节步骤(1)所得液体培养基至pH值为9.30，接种巴氏芽孢杆菌后，在恒温震荡箱中培养12h，温度为33℃，转速为210rpm/min,获得微生物密度为108cfu/L的微生物菌液；
(3)混合：用量筒称量1L微生物菌液倒入1.5L大号烧杯中，将海藻酸钠在105℃条件下烘干24h，使其水分完全挥发，给烧杯中加入4g处理过的海藻酸钠与12g葡萄糖，并在室温环境下电磁搅拌10min，使海藻酸钠和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液；
(4)注入：将配置好的海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液300mL立即注入装有砂柱试样中，关闭出液口与进液口，使微生物在无氧环境中厌氧反应23h后打开出液口排出废液；
(5)将步骤(4)重复操作2次得到降渗处理后的珊瑚砂；
(6)将步骤(5)所得到降渗处理后的珊瑚砂放置105℃条件下烘干24h，完全去除水分，然后开展常水头渗透试验，1天后所测得渗透系数约为1.03×10-7m/s。
实施例3
本发明实施例提供的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，具体步骤如下：
(1)配置液体培养基：将15g酵母提取物与10g氯化铵颗粒用去离子水溶解混合，并加入0.1mol/L的氯化镍溶液0.5mL，将其充分搅拌，并定容至1L得到液体培养基；
(2)接种：用1mol/L氢氧化钠溶液调节步骤(1)所得液体培养基至pH值为9.20，接种巴氏芽孢杆菌后，在恒温震荡箱中培养8h，温度为30℃，转速为200rpm/min,获得微生物密度为106cfu/L的微生物菌液；
(3)混合：用量筒称量1L微生物菌液倒入1.5L大号烧杯中，将海藻酸钠在105℃件下烘干24h，使其水分完全挥发，给烧杯中加入3g处理过的海藻酸钠与8g葡萄糖，并在室温环境下电磁搅拌10min，使海藻酸钠和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液；
(4)注入：将配置好的海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液300mL立即注入装有砂柱试样中，关闭出液口与进液口，使微生物在无氧环境中厌氧反应22h后打开出液口排出废液；
(5)将步骤(4)重复操作3次得到降渗处理后的珊瑚砂；
(6)将步骤(5)所得到降渗处理后的珊瑚砂放置105℃条件下烘干24h，完全去除水分，然后开展常水头渗透试验，1天后所测得渗透系数为5.68×10-6m/s。
实施例4
本发明实施例提供的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，具体步骤如下：
(1)配置液体培养基：将20g大豆蛋白胨与15g氯化铵颗粒用去离子水溶解混合，并加入0.1mol/L的氯化镍溶液1mL，将其充分搅拌，并定容至1L得到液体培养基；
(2)接种：用1mol/L氢氧化钠溶液调节步骤(1)所得液体培养基至pH值为9.25，接种巴氏芽孢杆菌后，在恒温震荡箱中培养10h，温度为35℃，转速为220rpm/min,获得微生物密度为107cfu/L的微生物菌液；
(3)混合：用量筒称量1L微生物菌液倒入1.5L大号烧杯中，将海藻酸钠在105℃条件下烘干24h，使其水分完全挥发，给烧杯中加入2.5g处理过的海藻酸钠与10g葡萄糖，并在室温环境下电磁搅拌10min，使海藻酸钠和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液；
(4)注入：将配置好的海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液300mL立即注入砂柱试样中，关闭出液口与进液口，使微生物在无氧环境中厌氧反应24h后打开出液口排出废液；
(5)将步骤(4)重复操作一次得到降渗处理后的珊瑚砂；
(6)将步骤(5)所得到降渗处理后的珊瑚砂放置105℃条件下烘干24h，完全去除水分，然后开展常水头渗透试验，1天后所测得渗透系数为7.94×10-5m/s。
实施例5
本发明实施例提供的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，具体步骤如下：
(1)配置液体培养基：将20g大豆蛋白胨与15g氯化铵颗粒用去离子水溶解混合，并加入0.1mol/L的氯化镍溶液1mL，将其充分搅拌，并定容至1L得到液体培养基；
(2)接种：用1mol/L氢氧化钠溶液调节步骤(1)所得液体培养基至pH值为9.25，接种巴氏芽孢杆菌后，在恒温震荡箱中培养10h，温度为35℃，转速为220rpm/min,获得微生物密度为107cfu/L的微生物菌液；
(3)混合：用量筒称量1L微生物菌液倒入1.5L大号烧杯中，将海藻酸钠在105℃条件下烘干24h，使其水分完全挥发，给烧杯中加入1g处理过的海藻酸钠与10g葡萄糖，并在室温环境下电磁搅拌10min，使海藻酸钠和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液；
(4)注入：将配置好的海藻酸钠-葡萄糖-微生物混合液300mL立即注入砂柱试样中，关闭出液口与进液口，使微生物在无氧环境中厌氧反应24h后打开出液口排出废液；
(5)将步骤(4)重复操作一次得到降渗处理后的珊瑚砂；
(6)将步骤(5)所得到降渗处理后的珊瑚砂放置105℃条件下烘干24h，完全去除水分，然后开展常水头渗透试验，1天后所测得渗透系数为1.84×10-4m/s。
对比例
将未处理过的珊瑚砂在105℃条件下烘干24h后，开展常水头渗透试验，1天后所测得渗透系数为2.16×10-3m/s。
将实施例1-5处理过的珊瑚砂与对比例未处理过的珊瑚砂的渗透系数进行整理，如表1所示。
表1珊瑚砂的渗透系数
将实施例1所的珊瑚砂分别在第1、5、10、15、20、25、30天测试其渗透系数，结果如图3所示。
如图3所示，将珊瑚砂经过处理后，其第一天渗透系数较小，随着时间的推移，渗透系数逐渐增大，并于第15天后趋于稳定，渗透系数稳定在10-7m/s，对比例中未处理过的珊瑚砂器渗透系数为2.16×10-3m/s，因此表明经本发明方法处理过的珊瑚砂渗透系数较低并且具有耐久性。
Claims (10)
1.一种基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将海藻酸钠和碳源有机物加入微生物菌液中，搅拌形成海藻酸钠-碳源有机物-微生物混合液；
(2)将步骤(1)配置好的混合液注入珊瑚砂中。
2.根据权利要求1所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(1)中微生物菌液为厌氧发酵细菌菌液、兼性厌氧发酵细菌菌液和含有厌氧发酵细菌或兼性厌氧发酵细菌的污水中的一种。
3.根据权利要求2所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(1)中厌氧发酵细菌为梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属或双岐杆菌属，兼性厌氧发酵细菌为芽孢杆菌属。
4.根据权利要求1所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳源有机物为葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(1)海藻酸钠-碳源有机物-微生物混合液中，微生物密度为106～108cfu/L，海藻酸钠的浓度为1g/L～5g/L，碳源有机物浓度为8～12g/L。
6.根据权利要求5所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(1)海藻酸钠-碳源有机物-微生物混合液中，微生物密度为107cfu/L，海藻酸钠的浓度为5g/L，碳源有机物浓度为10g/L。
7.根据权利要求1所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(2)中混合液注入珊瑚砂的方法采用泵送注浆法或表面倾倒法。
8.根据权利要求1所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(2)中混合液单次注入体积为1450～1550L/m3。
9.根据权利要求1或8所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法，其特征在于，所述步骤(2)重复2～5次，每次间隔22～24h。
10.权利要求1～9任一项所述的基于微生物诱导生成海藻酸钙的珊瑚砂降渗方法在建造地基基础或岸堤中的应用。
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| WO2022255951A2 (en) * | 2021-06-03 | 2022-12-08 | Nanyang Technological University | Microbially induced gelation for reduction of permeability of granular materials |
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| 李见波: "陷落柱突水与浆液封堵机理研究", vol. 1, 31 December 2021, 应急管理出版社, pages: 9 - 10 * |
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