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摘 要：隨著(zhù)我國的人口增長(cháng)和社會(huì )發(fā)展，對建設用地的需求不斷增大。我國的可耕地面積越來(lái)越少，因此如何利用潛在的土地成為了當今重要的課題。治理沙漠，先要固化沙土。傳統的化學(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(wèn)題，因此環(huán)保的固化劑的研發(fā)至關(guān)重要。微生物誘導碳酸鈣沉淀（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(lái)巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。本文主要開(kāi)展了巴氏芽孢桿菌催化尿素水解進(jìn)行MICP固化沙土，研究膠結液濃度、溫度、PH值、菌液濃度、灌漿次數、等因素對結果的影響。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。DeJong等通過(guò)試驗研究得出微生物固化能夠顯著(zhù)改善砂土的力學(xué)特性。Rong等、王瑞興等通過(guò)為微生物提供適宜的活化反應條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣晶體短時(shí)間內將散體材料膠結起來(lái)。此外，微生物過(guò)程能夠有效提高砂土抗液化性能，微生物固化沙土過(guò)程是向沙土內注入細菌懸浮液并定期補充細菌所需營(yíng)養液，營(yíng)養液包括尿素溶液和氯化鈣溶液。過(guò)程較為復雜，易受諸多因素影響。其中膠結液現膠結液濃度、處理間隔時(shí)間、溫度、PH值、菌液濃度對碳酸鈣置換率有顯著(zhù)影響。
  正文：
  MICP原理簡(jiǎn)介：微生物誘導碳酸鈣沉淀。常用的是巴氏芽孢桿菌。巴氏芽孢桿菌在其自身的生長(cháng)代謝過(guò)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?chē)h(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，由于這種細菌的表面帶負電，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：
  溫度對生物的生長(cháng)繁殖有重要作用。在適宜的溫度范圍內，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(cháng)繁殖；高溫有可能導致微生物蛋白質(zhì)變性，影響正常的代謝活動(dòng)，甚至導致微生物的死亡；而低溫往往對微生物生長(cháng)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測得的值最大。
  PH值對生物活性有重要影響。 PH過(guò)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(guò)高時(shí)，也會(huì )抑制微生物的生長(cháng)和代謝過(guò)程。適宜的PH值能有效提高化學(xué)反應的速率。實(shí)驗表明當pH值約為8時(shí)，巴氏芽孢細菌數量和脲酶活性?xún)?yōu)于其他酸堿條件。當PH過(guò)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PH過(guò)高時(shí)，酶的活性會(huì )降低，從而減慢反應的速率。
  尿素和膠結液：尿素和膠結液是實(shí)驗中的氮源和鈣源，研究發(fā)現，膠結液濃度對微生物誘導產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸的影響較大。膠結液濃度較低時(shí)（≤0.5mol），細菌誘導產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結液濃度較高時(shí)（1.0mol），誘導產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。根據尿素水解MICP反應機理，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的濃度達到一定量時(shí)，其中的會(huì )抑制脲酶的活性。在不同的膠結液中，醋酸鈣的效果最好，產(chǎn)生碳酸鈣的產(chǎn)量最多。趙茜認為當CaCl2和尿素濃度為0～1.5M時(shí)，隨著(zhù)二者濃度增加，CaCO3生成量也明顯增加，而當CaCl2和尿素濃度超過(guò)1.5M以后，CaCO3生成量迅速下降。
  加液方式和間隔時(shí)間：實(shí)驗過(guò)程中，如果剛開(kāi)始就滴加高濃度溶液，則靠近注漿口區域砂柱硬度大；而遠離注漿口區域砂柱呈松散狀態(tài)，散砂顆粒較多。分析其原因：上部膠結液濃度較高，反應先在上部進(jìn)行且反應速度較快，容易將試樣中的較小的孔隙堵塞，導致漿液擴散通道減少；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)生強度均勻的沙柱。
  滲透率和碳酸鈣含量：隨著(zhù)固結度的提高，沙洋的滲透率隨著(zhù)時(shí)間會(huì )逐漸減小，達到一定值時(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次至不出現小氣泡為止，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(lái)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(guò)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率只有15g/L濃度下在48h達到最高點(diǎn)。
  沙漠中的環(huán)境：沙漠地區以細砂為主，如塔中地區地表沙源的粒度特征，沙樣的平均粒徑集中在63～250μm范圍內，屬細沙、極細沙。由于沙粒細小、量大沙漠邊緣地區的夏季最高氣溫經(jīng)常超過(guò)40℃，地表在強太陽(yáng)輻射下低層空氣增溫加劇。
  沙漠中的細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，因此雜菌相對來(lái)說(shuō)比較少，這就為反應提供了天然的無(wú)菌實(shí)驗室條件。因此利用微生物固化沙土用來(lái)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料和水分，就可以實(shí)現對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：（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。膠結液濃度較低時(shí)（≤0.5mol），細菌誘導產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結液濃度較高時(shí)（1.0mol），誘導產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。濃度過(guò)高時(shí)對實(shí)驗中脲酶的反應有抑制作用。
  （2）微生物固化沙土可以提高沙樣的無(wú)側限抗壓強度并且減小滲透率，反應生成的碳酸鈣分布在沙粒之間和沙粒四周，從而提高沙樣的強度?？梢杂脕?lái)改良地基、沙漠治理、沉積重金屬等方面的作用。
  （3）沙漠中的細沙、高溫、光照充足、雜菌少為實(shí)驗提供了一些物質(zhì)條件，利用MICP技術(shù)可以用來(lái)固化沙漠，并且可以在滲透率低的試樣上面種植植物，用來(lái)改善和治理沙漠。微生物固化沙土未來(lái)在沙漠方面一定會(huì )取得巨大成就。
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