植物源脲酶诱导碳酸钙固化砂土试验研究

植物源脲酶诱导碳酸钙沉积胶结砂土是岩土工程领域的一种新型技术,相比目前广泛应用的微生物固化砂土技术具有很多优点。直接从大豆中提取脲酶,首先研究了温度及p H值对大豆脲酶活性的影响,然后控制胶凝液浓度、pH值、温度和反应时间进行了脲酶诱导碳酸钙沉积试验,在此基础上,采用循环灌注脲酶液和胶凝液的方法固化3种不同颗粒粒径范围的砂土,通过超声波测试、无侧限抗压强度测试及碳酸钙含量测试检测固化效果。结果表明:大豆脲酶最适pH值为8,15℃～75℃范围内脲酶活性随温度升高而增大。大豆脲酶诱导的沉淀产物为方解石型碳酸钙,随胶凝液浓度增大,碳酸钙产率先增大后减小,胶凝液浓度为0.75mol/L时,碳酸钙产率最大。胶凝液浓度一定时,pH值为8情况下碳酸钙产率最大,且产率随反应时间增加而增大。10℃～40℃范围内温度对碳酸钙产率影响较小。固化试样的抗压强度与碳酸钙含量呈正相关,随砂土颗粒粒径增大,试样的抗压强度先增大后减小,0.25～0.5mm砂土固化效果最好。     

环境变化对微生物活性及矿化的影响

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术因具有低能耗、低污染等环境友好性优势成为文物保护、水处理、混凝土修补加固等领域的研究热点。MICP的矿化效果受多因素的制约与影响。本文开展了环境温度、pH值等因素对细菌生长和微生物矿化的影响研究。结果表明,环境温度不超过40℃时对菌液脲酶活性影响不大,42.5~45℃时6h后脲酶活性急剧降低,超过45℃时30min后菌液浓度及脲酶活性均大幅下降,直至失活;pH值越大,脲酶活性衰减越明显,pH≥11时脲酶活性急剧下降,大量的细菌不能承受高碱性环境进一步分解死亡。MICP技术在30℃时碳酸钙产量最高,在pH值为11~13的环境中细菌很难生长繁殖,碳酸钙生成量较低。     

微生物诱导碳酸镁沉淀试验研究

碳酸镁和碳酸钙一样也具有胶结作用,且镁矿强度远大于钙矿,因此研究碳酸镁固化技术具有重要意义。本文测量了巴氏芽孢杆菌在培养过程中的吸光度和脲酶活性,并计算得到单位脲酶活性;研究了尿素、氯化钠、醋酸根、Ca2+和Mg2+浓度对脲酶活性的影响;控制温度、pH值和离子浓度对比了钙和镁沉淀效率和不同温度不同尿素浓度下碳酸镁沉淀产率;对比研究了碳酸钙和碳酸镁沉淀下砂土固化效果。结果表明,48 h培养过程中,吸光度和脲酶活性的增长都先缓慢后迅速增长再减小最后停止,单位脲酶活性则是先增加后减小。适当增加尿素或Mg2+浓度可增强细菌脲酶活性,氯化钠和醋酸根浓度对酶活性无明显影响,Ca2+浓度对脲酶活性有明显抑制作用。同一温度、pH值和离子浓度条件下,碳酸镁产率明显小于碳酸钙。而在菌液中添加尿素可促进碳酸镁沉淀生成,且温度相同,尿素浓度越高,碳酸镁产率越大。菌液中添加尿素可使得碳酸镁固化砂土成型并具有一定强度,因此,该方法可解决砂土固化碳酸镁沉淀不足的问题,为后续碳酸镁固化试验奠定基础。     

生物炭对玉米秸秆堆肥酶活性的影响

为研究生物炭对玉米秸秆堆肥中酶活性的影响,试验选用3%蔗渣生物质炭(B)、3%小麦秸秆炭(W)、10%滤泥(L)、10%牛粪(N)及它们的不同组合为调理剂进行玉米秸秆堆肥处理。分别在堆后20 d、60 d和110 d测定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和转化酶活性。在堆肥前期,BLN处理中性磷酸酶活性较B处理提高了40.72%~44.29%,WLN处理较W处理提高了7.76%~17.15%;堆肥结束时,BL、BN和BLN脲酶活性较B处理分别降低67.23%、51.81%和47.94%,WL、WN和WLN较W处理降低7.14%~48.21%。与B相比,BL、BN和BLN转化酶活性提高34.18%、100.38%和47.43%;与W相比,WL、WN和WLN转化酶活性提高了8.89%~22.35%。因此,添加B和W可使堆肥脲酶活性增加,添加BLN和WLN使得堆肥中性磷酸酶和转化酶活性均升高,表明生物炭是提高堆肥酶活性的适宜调理剂。     

MICP固化淤泥土的强度试验研究

为探究胶结液浓度对MICP固化淤泥土效果的影响,利用巴氏芽孢八叠球菌,开展不同胶结液浓度下的土体固化试验。通过试样的应力-应变关系、无侧限抗压强度、含水率变化情况和微观结构探讨了MICP技术加固淤泥土的固化效果和加固机理。结果表明采用上述方法加固淤泥土是有效的。通过微生物脲酶反应,试样内生成了碳酸钙晶体团聚体,无侧限抗压强度最高可提高24%,含水率降低范围在5.2%～10.9%。适当地提高胶结液中的尿素浓度,可在一定程度上提高脲酶活性,改善固化效果,而氯化钙浓度较高时,对微生物反应有一定的抑制作用,固化效果提升有限。     

碳酸钙阻垢效果影响因素实验研究

为了研究多因素共同作用对碳酸钙阻垢效果的影响,采用静态阻垢法对筛选出的浓度为100mg/L的PESA阻垢剂开展了碳酸钙阻垢效果影响因素研究。首先,采用单因素分析法开展了阻垢剂类型、浓度、碳酸钙过饱和度、含盐量以及pH值对碳酸钙阻垢效果的影响实验,然后,根据单因素实验结果设计正交实验,通过正交实验研究了含盐量、温度、CO_2分压和pH值共同作用时对碳酸钙阻垢效果的影响。单因素实验结果表明,随着碳酸钙过饱和度的增大阻垢剂PESA的阻垢率减小,随着含盐量的增大阻垢剂PESA的阻垢率先增大后相对减小,随着pH值的增大阻垢剂PESA的阻垢率先增大后减小;临界含盐量为50 g/L时,阻垢率可达95.85%;pH值为6.5~8.0时阻垢效果最佳,阻垢率为90%。由正交实验结果可知,温度对PESA阻垢剂的阻垢率影响最为显著,对应的极差为8.2,P值为0.002,其次为pH值和CO_2分压,而含盐量的影响作用微乎其微。最优因素水平组合为温度60℃、pH值7.5、CO_2分压1.5MPa、含盐量5.5 g/L,此时阻垢剂PESA对碳酸钙的阻垢效果最好。     

电渗生物法灌浆改善粉土中碳酸盐沉积分布的试验研究

为改善生物灌浆诱导碳酸盐在粉土中沉积扩散范围不足和沉积的不均匀性,采用电渗生物灌浆方法(EBM)在粉土中进行灌浆试验。首先研究了不同电压梯度下,脲酶活性的变化规律,在此基础上研究电场下微生物诱导碳酸钙在土中的沉积规律,并与重力灌浆和0.3 MPa低压灌浆方式的沉积效果进行比较。试验结果表明:脲酶活性随电压梯度的增大而降低;电压梯度影响碳酸盐的沉积和分布,当电压梯度在1.0 V/cm附近时,测得的碳酸钙含量沿场强方向变化范围为5.8%~9.6%,碳酸钙的沉积量较多,分布较均匀,而电压梯度为0.5,1.5 V/cm时碳酸钙沉积相对减少,故EBM灌浆的电压梯度宜取1.0 V/cm左右,过低,电渗驱动作用不明显,超过1.5 V/cm,生物活性受到抑制,碳酸钙沉积量反而降低;同土质条件下,重力灌浆的碳酸钙分布范围为0.8%~10.6%,0.3 MPa低压注浆为3.9%~10.2%,故电渗条件有利于生物质在土体孔隙中扩散,使碳酸钙分布更均匀,是一种值得关注的生物灌浆方法。     

紫外诱变产脲酶菌株加固粉土的试验研究

为提高微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术的固化效果,采用紫外诱变技术对产脲酶菌株进行改良,筛选出优良菌株。随后结合先拌和菌液后滴注胶结液(尿素和氯化钙)的方式,运用改良后菌株来固化粉土。通过无侧限抗压强度试验、碳酸钙含量测定和微观试验分析,来对比诱变前后菌株固化粉土的效果。结果表明:紫外诱变技术可以有效改良产脲酶菌株的性能,使菌株的脲酶活性、矿化生成的碳酸钙含量得到提高;使用紫外诱变后菌株来固化粉土,可显著提高土体的无侧限抗压强度。该研究从源头来选育优良菌株,有效提高了MICP技术的固化效果。     

玻化微珠保温砂浆的碳化试验研究

通过加速碳化试验,分析掺入18%~20%的石灰对玻化微珠保温砂浆的特殊影响与作用。要利用氢氧化钙的碳化生成碳酸钙晶体来提高玻化微珠保温砂浆的致密度和强度,必须控制二氧化碳的浓度,低二氧化碳浓度有利于生长的碳酸钙晶体被水泥水化产物包裹从而促使玻化微珠保温砂浆结构致密化,最终确定有利的二氧化碳浓度为2%。     

水泥基材料中微生物矿化机理及理论模型研究

采用菌液浸泡法,研究了微生物矿化对水泥基材料的防护增强作用,分析了营养成分对微生物生长及矿化行为的影响,并结合微观测试结果,探讨了水泥基材料中微生物的矿化机理。结果表明,菌液浸泡后水泥试件强度显著提高,其中硫铝酸盐水泥基体与微生物矿化的适应性更好。水泥基材料中微生物的矿化遵循矿物成核作用的物理化学规律,硫铝酸盐水泥基体中,大量白色棱形颗粒状和花瓣状方解石型碳酸钙依附于水泥石基面定向排列生长;硅酸盐水泥基体中的方解石型碳酸钙呈团簇状覆盖于水泥石基面。菌液营养成分会影响微生物的矿化效率,当菌液中尿素浓度≤10 g/L时,随浓度的增大,微生物矿化强度提高;当钙离子浓度为2 mmol/L时,微生物的矿化强度最大。