一种利用原生微生物固化岛礁钙质砂的方法与流程

本发明涉及钙质砂岩土加固领域，尤其涉及一种利用原生微生物固化岛礁钙质砂的方法。

背景技术：

我国南海天然及人工岛礁地表几乎全部由钙质砂覆盖，钙质砂是由多孔珊瑚礁经物理破碎长期作用下形成的钙质碎屑。与粒径相近的石英砂不同，钙质砂形态上表现为磨圆度差、孔隙多、干密度小。加之钙质砂松散程度高、有效受力面积大等特点，致使其在波浪、水流或风力作用下易于起动搬运。长期的物理搬运将造成钙质砂流失，甚至加剧岛礁海岸侵蚀。研究并解决岛礁地基浅表面钙质砂颗粒固定化问题对完善南海岛礁建设、保护岛礁生态环境具有重要意义。

一般情况下，松散土体颗粒多使用水泥、环氧树脂等化学固化剂固定。此方法虽简易高效，但长期作用下对海洋生态的影响难以忽视。铺设植被亦可达到固定钙质砂的作用，但考虑到钙质砂含盐量高、保水性差，且岛礁淡水资源有限、不良气候频发，进行植被建设难度较大，极易造成资源浪费。

现有技术的缺点：外源微生物制备及保藏费用高，加大了工程实践的成本；人为引入外源微生物将对砂土赋存的生态环境产生潜在影响，引入细菌的环境耐受性同样值得进一步研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种利用原生微生物固化岛礁钙质砂的方法。

本发明提供如下解决方案：

一种利用原生微生物固化岛礁钙质砂的方法，包括以下步骤：

(1)取样：无菌采取钙质砂样品，多次检测得其平均孔隙度；

(2)配置溶液：配制原生微生物促生液和胶结液，其中所述促生液包含尿素、乙酸钠、氯化铵和酵母提取物，所述胶结液包括尿素、乙酸钠、氯化铵、酵母提取物和氯化钙；

(3)装样：将一定质量的钙质砂装入两端敞口的玻璃管，玻璃管两端分别使用带孔橡皮塞封堵，并计算玻璃管内钙质砂的孔隙体积，所述孔隙体积为步骤(1)中测得的平均孔隙度与玻璃管内钙质砂的体积的乘积；

(4)促生：首次向装有钙质砂的玻璃管中注入1.2倍孔隙体积的促生液，然后每隔24小时注入一次1.2倍孔隙体积的促生液，并在首次注入促生液后每隔12小时，测量流出液体碳酸根离子浓度，当碳酸根离子浓度等于或大于促生液中尿素浓度70％时，停止注入促生液；

(5)胶结：向钙质砂中注入1.2倍孔隙体积tris-hcl缓冲液或者促生液，再注入等孔隙体积的胶结液，每隔12小时注入胶结液一次，连续注液7-9天停止注液，或者在每小时流出液体的体积小于10ml时停止注液。

优选的，所述步骤(1)中，使用空心螺旋钻在不同深度条件下取样，取样前钻头末端用锡箔等金属箔或滤膜包裹，防止杂菌污染。

优选的，所述步骤(2)中，所述促生液中所述尿素的浓度为0.3-0.5mol/l，所述乙酸钠的浓度为0.035-0.045mol/l，所述氯化铵的浓度为0.01-0.0125mol/l，所述酵母提取物的浓度为0.1-0.3g/l。

优选的，所述步骤(2)中，所述胶结液中所述尿素的浓度为0.3-0.5mol/l，所述乙酸钠的浓度为0.035-0.045mol/l，所述氯化铵的浓度为0.01-0.0125mol/l，所述酵母提取物的浓度为0.1-0.3g/l，所述氯化钙的浓度为0.25-0.40mol/l。

优选的，所述步骤(4)中，注液速率为3-5ml/min，注液时注液口用0.2μm滤膜过滤。

优选的，所述步骤(5)中，注液速率为3-5ml/min，注液时注液口用0.2μm滤膜过滤。

优选的，所述促生液、所述tris-hcl缓冲液和所述胶结液是通过蠕动泵从玻璃管下端注入，所述流出液体从玻璃管上端流出。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：土体中存在着大量成矿微生物，通过提供相应的成矿条件即可实现微生物矿化。常见微生物矿化大多基于脲解反应，能实现该类反应的微生物众多，如厚壁菌门的梭状芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌和变形菌门的粪产碱杆菌、绿脓假单胞菌等，这些细菌能够通过新陈代谢分泌脲酶诱导尿素分解并产生碳酸根离子及碱性环境。若环境中存在金属阳离子，如钙离子，即可形成碳酸盐矿物结晶。矿物结晶在填充颗粒孔隙的同时，在相邻颗粒间起到桥接作用，宏观上表现为砂土体强度显著提升，渗透性降低，具有明显的固化效果。与现有技术相比，本发明的有益效果是操作简便、成本低廉、适应范围广，能在较短时间内实现土体固化；同时直接通过特定溶液促进砂土中原生脲酶微生物增殖，免去了室内增殖培养特定菌种的繁复工作，降低经济成本，不引入外源微生物进入处理区，避免对生态环境造成不利影响。

附图说明

图1为本发明实施例1中固化的岛礁钙质砂的扫描电镜图；

图2为本发明实施例1中的固化前钙质砂x射线衍射图谱；

图3为本发明实施例1中的固化后钙质砂x射线衍射图谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1

在本例中，一种利用原生微生物固化岛礁钙质砂的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在南海某岛礁无菌采取地下0.5m处钙质砂样品，测算孔隙度为0.45；同时取少量钙质砂样品烘干，对烘干钙质砂进行x射线衍射试验。

(2)配制促生液和胶结液，本实施例中采用的促生液配方为：尿素0.5mol/l，乙酸钠0.035mol/l，氯化铵0.0125mol/l，酵母提取物0.3g/l；本实施例中采用的胶结液配方为：尿素0.5mol/l，乙酸钠0.035mol/l，氯化铵0.0125mol/l，酵母提取物0.3g/l，氯化钙0.40mol/l。

(3)向长为10cm，内径为5cm的有机玻璃管中装填钙质砂，使钙质砂填满有机玻璃管，管口使用带孔橡胶塞封堵。

(4)按照1.2倍孔隙体积向有机玻璃管中自下而上灌注促生液，为避免注液过程中混入杂菌污染，有机玻璃管下端的注液口用0.2μm滤膜过滤，通过蠕动泵控制注液速率保持在5ml/min。每隔24小时灌注相同体积的促生液一次，同时在每次注入促生液隔12小时测量灌注过程中从有机玻璃管上端流出的液体中的碳酸根离子浓度，当碳酸根离子浓度等于或大于促生液中尿素浓度的70％时停止灌注促生液。本实施例中，注液5天后停止注入促生液。

(5)当达到停止注射促生液条件时，先注入1.2倍孔隙体积的tris-hcl缓冲液，再注入等孔隙体积的胶结液，然后每隔12小时注液一次等孔隙体积的胶结液，通过蠕动泵控制注液速率保持在5ml/min，同时测量每小时流出液体积。本实施例中，连续灌入胶结液8天后，每小时流出液体积小于10ml，此时，停止注液。

将试样脱模、冲洗、烘干后得到固化体。对固化体进行无侧限抗压强度试验，本实施例测得固化体无侧限抗压强度值为1.53mpa。

取具有完整平面的固化体碎块进行扫描电镜测试(sem)，其结果如图1所示，微观结构显示，利用本方法固化的钙质砂表面产生大量碳酸钙晶体，同时碳酸钙还以颗粒状及壳状沉积于粒间孔隙中，将相邻的颗粒胶结成整体。

对固化前钙质砂进行x射线衍射试验(xrd)，其结果如图2所示；取具有完整平面的固化体碎块进行x射线衍射试验(xrd)，其结果如图3所示；通过固化前后钙质砂xrd对比，结果显示固化处理并未对矿物类型产生显著影响，钙质砂固化后碳酸钙晶体的含量明显增加，这与sem测试结果相吻合。

在本例中，微生物固化岛礁钙质砂的固化机理为：1、促生液筛选出具有分泌脲酶的微生物，并为此类微生物提供能源，促进微生物的繁殖与新陈代谢。2、微生物通过新陈代谢分泌脲酶诱导尿素分解并产生碳酸根离子及碱性环境。3、微生物诱导碳酸钙沉淀胶结颗粒产生胶结固化作用。4、缓冲液调节环境ph值，能解决注入段产生大量沉淀造成的阻塞的问题，提高了反应的均一性。

实施例2

本实施例与实施例1中步骤基本相同，不同之处在于，步骤(2)中促生液和胶结液配方不同，本实施例中促生液的配方为：尿素0.3mol/l，乙酸钠0.045mol/l，氯化铵0.01mol/l，酵母提取物0.1g/l；本实施例中采用的胶结液配方为：尿素0.3mol/l，乙酸钠0.045mol/l，氯化铵0.01mol/l，酵母提取物0.1g/l，氯化钙0.25mol/l。

本实施例测得固化体无侧限抗压强度值为1.10mpa。

实施例3

本实施例与实施例1中步骤基本相同，不同之处在于，步骤(2)中促生液和胶结液配方不同，本实施例中促生液的配方为：尿素0.4mol/l，乙酸钠0.04mol/l，氯化铵0.011mol/l，酵母提取物0.2g/l；本实施例中采用的胶结液配方为：尿素0.4mol/l，乙酸钠0.04mol/l，氯化铵0.011mol/l，酵母提取物0.2g/l，氯化钙0.35mol/l。

本实施例测得固化体无侧限抗压强度值为1.21mpa。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。