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摘 要：隨著我國的人口增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展，對(duì)建設(shè)用地的需求不斷增大。我國的可耕地面積越來越少，因此如何利用潛在的土地成為了當(dāng)今重要的課題。治理沙漠，先要固化沙土。傳統(tǒng)的化學(xué)固化劑，大多含有有毒化學(xué)物質(zhì)，會(huì)造成為環(huán)境被污染的問題，因此環(huán)保的固化劑的研發(fā)至關(guān)重要。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是一種環(huán)保綠色的加固方式。將這一技術(shù)用于沙土加固，將會(huì)帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文主要開展了巴氏芽孢桿菌催化尿素水解進(jìn)行MICP固化沙土，研究膠結(jié)液濃度、溫度、PH值、菌液濃度、灌漿次數(shù)、等因素對(duì)結(jié)果的影響。以及固化后的沙土的滲透率、CaCO3含量的分析。
  關(guān)鍵詞：微生物固化沙漠影響因素滲透率CaCO3含量
  引言：國內(nèi)外的科學(xué)家進(jìn)行了一系列的微生物固化沙土的實(shí)驗(yàn)。DeJong等通過試驗(yàn)研究得出微生物固化能夠顯著改善砂土的力學(xué)特性。Rong等、王瑞興等通過為微生物提供適宜的活化反應(yīng)條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣晶體短時(shí)間內(nèi)將散體材料膠結(jié)起來。此外，微生物過程能夠有效提高砂土抗液化性能，微生物固化沙土過程是向沙土內(nèi)注入細(xì)菌懸浮液并定期補(bǔ)充細(xì)菌所需營養(yǎng)液，營養(yǎng)液包括尿素溶液和氯化鈣溶液。過程較為復(fù)雜，易受諸多因素影響。其中膠結(jié)液現(xiàn)膠結(jié)液濃度、處理間隔時(shí)間、溫度、PH值、菌液濃度對(duì)碳酸鈣置換率有顯著影響。
  正文：
  MICP原理簡(jiǎn)介：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。常用的是巴氏芽孢桿菌。巴氏芽孢桿菌在其自身的生長(zhǎng)代謝過程中可以產(chǎn)生一種高活性的脲酶，脲酶可以催化尿素的水解，生成氨和二氧化碳，氨氣極易溶于水，此時(shí)溶液呈堿性，吸收周圍環(huán)境中的CO2然后生成銨離子和碳酸根離子。如果此時(shí)溶液中存在鈣離子，由于這種細(xì)菌的表面帶負(fù)電，能吸收溶液中的，這時(shí)，尿素水解后生成的碳酸根將與這些鈣離子在細(xì)菌表面生成碳酸鈣沉淀。
  CO（NH2）2+H2O→CO2+2NH3
  2NH3+2H2O 2NH4++2O
  2O +CO2 C+H2O
  Cell-+C→Cell-CaCO3↓
  影響因素：
  溫度對(duì)生物的生長(zhǎng)繁殖有重要作用。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度升高有利于微生物的新陳代謝作用，進(jìn)而促進(jìn)其生長(zhǎng)繁殖；高溫有可能導(dǎo)致微生物蛋白質(zhì)變性，影響正常的代謝活動(dòng)，甚至導(dǎo)致微生物的死亡；而低溫往往對(duì)微生物生長(zhǎng)繁殖有明顯的抑制作用。巴氏芽孢桿菌的最適溫度是300，在300 時(shí)OD600測(cè)得的值最大。
  PH值對(duì)生物活性有重要影響。 PH過低時(shí)，會(huì)造成微生物的蛋白質(zhì)水解，影響生物的活性。PH過高時(shí)，也會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)和代謝過程。適宜的PH值能有效提高化學(xué)反應(yīng)的速率。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)pH值約為8時(shí)，巴氏芽孢細(xì)菌數(shù)量和脲酶活性優(yōu)于其他酸堿條件。當(dāng)PH過低時(shí)，溶液呈酸性環(huán)境，而碳酸鈣的沉積不能是酸性環(huán)境。當(dāng)PH過高時(shí)，酶的活性會(huì)降低，從而減慢反應(yīng)的速率。
  尿素和膠結(jié)液：尿素和膠結(jié)液是實(shí)驗(yàn)中的氮源和鈣源，研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對(duì)微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸的影響較大。膠結(jié)液濃度較低時(shí)（≤0.5mol），細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結(jié)液濃度較高時(shí)（1.0mol），誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。根據(jù)尿素水解MICP反應(yīng)機(jī)理，理論上講，增加尿素和用量可以增加CaCO3生成量。但是有研究表明CaCl2的濃度達(dá)到一定量時(shí)，其中的會(huì)抑制脲酶的活性。在不同的膠結(jié)液中，醋酸鈣的效果最好，產(chǎn)生碳酸鈣的產(chǎn)量最多。趙茜認(rèn)為當(dāng)CaCl2和尿素濃度為0～1.5M時(shí)，隨著二者濃度增加，CaCO3生成量也明顯增加，而當(dāng)CaCl2和尿素濃度超過1.5M以后，CaCO3生成量迅速下降。
  加液方式和間隔時(shí)間：實(shí)驗(yàn)過程中，如果剛開始就滴加高濃度溶液，則靠近注漿口區(qū)域砂柱硬度大；而遠(yuǎn)離注漿口區(qū)域砂柱呈松散狀態(tài)，散砂顆粒較多。分析其原因：上部膠結(jié)液濃度較高，反應(yīng)先在上部進(jìn)行且反應(yīng)速度較快，容易將試樣中的較小的孔隙堵塞，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散通道減少；隨時(shí)間推移，被堵塞的通道逐漸增多。因此先滴加低濃度溶液，而后滴加高濃度溶液，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度均勻的沙柱。
  滲透率和碳酸鈣含量：隨著固結(jié)度的提高，沙洋的滲透率隨著時(shí)間會(huì)逐漸減小，達(dá)到一定值時(shí)，將幾乎不再變化。本文中采用酸洗法。首先，用研缽將反應(yīng)后的沙樣研磨成粉粒狀，然后放入烘干箱烘干，此時(shí)干砂和CaCO3的重量記為Ws+p。然后將其放入0.1M的鹽酸溶液中浸泡洗滌數(shù)次至不出現(xiàn)小氣泡為止，再重新放入烘箱干燥，記錄此時(shí)重量為WS。這兩個(gè)重量值之差就是MICP生成的CaCO3晶?w重量，再除以原來砂土的重量，就是生成CaCO3的百分比。這個(gè)值可以作為衡量MICP過程的一個(gè)參考值。碳酸鈣含量越高，則固化效果越好。查資料脲酶和尿素混合液的電導(dǎo)率只有15g/L濃度下在48h達(dá)到最高點(diǎn)。
  沙漠中的環(huán)境：沙漠地區(qū)以細(xì)砂為主，如塔中地區(qū)地表沙源的粒度特征，沙樣的平均粒徑集中在63～250μm范圍內(nèi)，屬細(xì)沙、極細(xì)沙。由于沙粒細(xì)小、量大沙漠邊緣地區(qū)的夏季最高氣溫經(jīng)常超過40℃，地表在強(qiáng)太陽輻射下低層空氣增溫加劇。
  沙漠中的細(xì)沙為微生物固化沙土提供了基本材料，沙漠中由于溫度較高，光照充足，因此雜菌相對(duì)來說比較少，這就為反應(yīng)提供了天然的無菌實(shí)驗(yàn)室條件。因此利用微生物固化沙土用來治理沙漠在理論上是可行的。利用MICP技術(shù)可以降低沙土的孔隙比和滲透率。沙的滲透率減少后，在上面覆蓋一層土并加入植物所必備的養(yǎng)料和水分，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沙漠的綠化以及改良沙漠公路的地基。這是沙漠治理的一種新型的方式。
  總結(jié)：（1）MICP用于固化沙土是一種環(huán)保的方式，巴氏芽孢桿菌在30 C、PH值為8時(shí)固化效果最好。膠結(jié)液濃度較低時(shí)（≤0.5mol），細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結(jié)液濃度較高時(shí)（1.0mol），誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。濃度過高時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)中脲酶的反應(yīng)有抑制作用。
  （2）微生物固化沙土可以提高沙樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并且減小滲透率，反應(yīng)生成的碳酸鈣分布在沙粒之間和沙粒四周，從而提高沙樣的強(qiáng)度。可以用來改良地基、沙漠治理、沉積重金屬等方面的作用。
  （3）沙漠中的細(xì)沙、高溫、光照充足、雜菌少為實(shí)驗(yàn)提供了一些物質(zhì)條件，利用MICP技術(shù)可以用來固化沙漠，并且可以在滲透率低的試樣上面種植植物，用來改善和治理沙漠。微生物固化沙土未來在沙漠方面一定會(huì)取得巨大成就。
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