微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀固結(jié)黃河泥沙試驗研究

景天宇，姜晗琳，李振山，

（1.北京大學(xué) 深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳518055；2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點實驗室，北京100871）

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是一種自然界普遍存在的微生物礦化作用機制，在漫長的地質(zhì)成巖過程中發(fā)揮了巨大作用［1］。MICP技術(shù)通過微生物人為控制相關(guān)反應(yīng)條件，使漫長的地質(zhì)成巖過程在短期內(nèi)重現(xiàn)，從而達到固結(jié)材料的目的。自然界有多種微生物礦化機制，其中尿素水解礦化機制在工程上應(yīng)用最為廣泛，其原理是利用微生物分泌脲酶水解尿素營造堿性環(huán)境。在額外添加鈣鹽的情況下，微生物以自身為中心誘導(dǎo)碳酸鈣晶體產(chǎn)生，隨著碳酸鈣晶體的聚結(jié)和黏附，松散顆粒被逐漸黏結(jié)成具有一定強度的整體［2］。國內(nèi)外學(xué)者對MICP技術(shù)從不同角度進行了大量探索［3］。MICP技術(shù)應(yīng)用大致可分為兩類：一是在原有建筑材料的基礎(chǔ)上對材料的完善和強化，如建筑物裂縫修補［4］、水泥材料強化［5］等；二是在不同尺度下對顆粒的整體固結(jié)，如生物磚［6］、路基加固［7］、邊坡穩(wěn)定［8］、抑制揚塵［9］等。 MICP 技術(shù)的主要優(yōu)勢是反應(yīng)過程簡單、能耗底、環(huán)境干預(yù)小，在固結(jié)松散顆粒方面具有較好應(yīng)用前景［10-11］。

黃河泥沙問題十分突出，開發(fā)新型泥沙固結(jié)、資源化利用技術(shù)具有重要意義。MICP技術(shù)為黃河泥沙資源化利用提供了技術(shù)背景，近年來與黃河泥沙粒徑相近的細顆粒是MICP技術(shù)應(yīng)用的熱點［12-13］。顆粒特性是影響MICP固結(jié)效果的重要因素，Rebatalanda［14］認(rèn)為顆粒粒徑為50～400μm最有利于碳酸鈣在顆粒內(nèi)部沉積。筆者采用MICP技術(shù)對黃河泥沙進行固結(jié)試驗，并與混凝土中常用的沙石骨料——中沙進行固結(jié)效果對比分析，探究MICP技術(shù)的適用性、影響因素以及水穩(wěn)定度（抗水蝕能力）等問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黃河泥沙取自河南省鄭州市南裹頭灘地，取樣深度10～30 cm，pH值為6.5。樣品取回實驗室后，在75℃烘箱內(nèi)烘干，振搗均勻并對其物理參數(shù)和礦物組成進行測試。采用激光粒度分析儀確定泥沙的粒徑分布，采用X射線衍射儀對泥沙進行XRD多晶材料物相組成分析。泥沙顆粒級配曲線見圖1。由圖1可知，泥沙顆粒粒徑分布集中在100～200μm，中值粒徑為134.91μm。泥沙的不均勻系數(shù)Cu為5.70，曲率系數(shù) Cc為 1.66，表觀密度為 1.57 g／mL，堆積密度為 1.39 g／mL。根據(jù)XRD測試結(jié)果，泥沙的礦物組成以石英和長石為主，并有少量方解石晶體。中沙采用普通混凝土最常用的沙石骨料，細度模數(shù)為2.3～3.0，粒徑為350～500μm。

圖1 泥沙顆粒級配曲線

1.2 微生物材料

礦化微生物采用脲酶菌，菌種名為巴氏芽孢桿菌（ATCC 11859），化能異養(yǎng)型，好氧，格蘭氏陽性菌，細菌呈桿狀，芽孢呈圓形，直徑0.5～1.5μm。 微生物凍干粉購于廣東省微生物菌種保藏中心，編號GIM 1.803。巴氏芽孢桿菌在自然界中廣泛分布，具有較高的脲酶活性，在MICP技術(shù)中最為常見［3］。

（1）微生物培育與生長。對購買來的菌種凍干粉用固體培養(yǎng)基進行活化，并用液體培養(yǎng)基進行單菌株培養(yǎng)，固、液培養(yǎng)基配方見表1。將培養(yǎng)時間為24 h的微生物菌液以1︰100的接種量接種到液體培養(yǎng)基中，在30℃、130轉(zhuǎn)／min條件下恒溫振蕩培養(yǎng)，每隔2 h用紫外分光光度計測其OD600（溶液在600 nm波長紫外光照射下的吸光值，用來間接表示微生物濃度）值，并繪制微生物生長曲線。

（2）脲酶活性檢測。將1.5 mL微生物菌液加入到13.5 mL 的 1.1 mol／L 尿素溶液中，在室溫條件下，使用電導(dǎo)率儀檢測5 min內(nèi)電導(dǎo)率變化情況，求出平均每分鐘電導(dǎo)率的變化值。1 S／m／min電導(dǎo)率變化量對應(yīng) 11 mmol／min 尿素水解量［15］，再乘以 10 倍稀釋量，即可算出每分鐘尿素水解量。每分鐘尿素水解量除以對應(yīng)的OD600值，即可得到單位脲酶活性。

表1 巴氏芽孢桿菌培養(yǎng)基配方 g／L

在1∶100接種量、30℃、130轉(zhuǎn)／min條件下恒溫振蕩培養(yǎng)，微生物生長曲線與脲酶活性變化曲線見圖2。由圖2可知，在上述條件下微生物生長迅速，2 h后微生物進入對數(shù)生長期，9 h后生長速度趨于平緩，隨著微生物的生長，脲酶活性隨之提升?？紤]到微生物培養(yǎng)的能耗成本和單位微生物的脲酶活性，后續(xù)試驗將培養(yǎng)時間為9 h的微生物菌液作為灌漿菌液。

圖2 巴氏芽孢桿菌生長曲線與脲酶活性變化曲線

1.3 固結(jié)成型方法

在固結(jié)成型工藝上選擇泵送灌漿固結(jié)成型法，裝置如圖3所示。把未經(jīng)分選的顆粒樣品放入容器內(nèi)，采用蠕動泵泵送漿液，向顆粒樣品內(nèi)以固定時間間隔從下往上依次灌入一定體積的微生物菌液、固定液以及膠結(jié)液，使微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣在顆粒樣品內(nèi)均勻分布。微生物菌液為1︰100接種量、震蕩培養(yǎng)時間為9 h的巴氏芽孢桿菌菌液，OD600為1.3左右，脲酶活性為 4～6 mmol／min；固定液為 0.05 mol／L 的 CaCl2溶液，作用是通過靜電吸附微生物，提高微生物在顆粒間的固定率［16］；膠結(jié)液為CaCl2與尿素的等濃度混合液，前人試驗的膠結(jié)液灌漿濃度為 0.1～1.0 mol／L［3］，本研究采用 0.25 mol／L 和 0.50 mol／L 兩個濃度值。

固結(jié)成型試驗分尺寸大小不同兩組：第一組用于不同灌漿重復(fù)量、不同膠結(jié)液濃度的抗壓強度對比測試，第二組用于抗剪強度、軟化特性測試。為排除微生物菌液、膠結(jié)液自身的黏性等無關(guān)因素，以及進一步論證微生物在固結(jié)過程中所起的作用，在第一組試驗基礎(chǔ)上增設(shè)對照組。

圖3 灌漿成型工藝裝置

第一組：顆粒堆積成直徑4.0 cm、高度7.0 cm的圓柱體，將40 mL微生物菌液和10 mL固定液以5 mL／min的速率灌入，靜置 2 h 后將 40 mL、0.5 mol／L（或 80 mL、0.25 mol／L）的膠結(jié)液以 10 mL／min 的速率灌入，靜置 8 h 后 再 將 40 mL、0.5 mol／L （ 或 80 mL、0.25 mol／L）的膠結(jié)液以 10 mL／min 的速率灌入，靜置12 h。以上操作為一次灌漿，平行重復(fù)若干次，具體見表2。 第二組：顆粒堆積成直徑 4.3 cm、高度 11.0 cm的圓柱體，將50 mL微生物菌液和10 mL固定液以5 mL／min 的速率灌入，靜置 2 h 后將 50 mL、0.5 mol／L的膠結(jié)液以10 mL／min的速率灌入，靜置8 h后再將50 mL、0.5 mol／L 的膠結(jié)液以 10 mL／min 的速率灌入，靜置12 h。以上操作為一次灌漿，平行重復(fù)10次。泥沙和中沙分別設(shè)置3組平行樣。

表2 灌漿試驗設(shè)計

1.4 固結(jié)效果評價方法

灌漿操作完成后，對固結(jié)后樣品在室溫條件下養(yǎng)護，待樣品完全干化后進行脫模操作。采用掃描電鏡（SEM）和X射線能譜分析（EDS）對其微觀結(jié)構(gòu)組成進行觀察與分析，測試其無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度、水穩(wěn)定度和碳酸鈣含量，以考察樣品的固結(jié)效果。

（1）無側(cè)限抗壓強度。對固結(jié)成型后的第一組樣品進行干燥，上下表面打磨均勻，采用電子萬能試驗機對固結(jié)后樣品進行壓縮破壞試驗，樣品發(fā)生破壞時的負(fù)載為樣品的無側(cè)限抗壓強度。

（2）抗剪強度。對固結(jié)成型后的第二組樣品進行干燥，采用電子萬能試驗機對固結(jié)后的樣品進行剪切破壞試驗。剪切試驗采用矩形剪切頭，雙面剪切方式，受力部位為抗剪強度最薄弱的正中部，樣品發(fā)生破壞時的負(fù)載為樣品的抗剪強度。

（3）水穩(wěn)定度。把表2第二組平行A、B樣品分為兩組，一組在室溫下浸入去離子水中吸水飽和，另一組干燥。測量飽和樣品和烘干樣品的質(zhì)量、無側(cè)限抗壓強度。根據(jù)吸水飽和后表觀變化特征、吸水率和軟化系數(shù)對固結(jié)后樣品的水穩(wěn)定特性進行評價。吸水率＝（飽和樣品質(zhì)量-干燥樣品質(zhì)量）／干燥樣品質(zhì)量，軟化系數(shù)＝飽和樣品抗壓強度／干燥樣品抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 固結(jié)成型

養(yǎng)護脫模后的固結(jié)樣品見圖4，可以看出，MICP處理后，松散的顆粒已黏結(jié)成型，固結(jié)后樣品的表面均勻、細膩、平整，除堆積不均勻造成的坑洼外，泥沙樣品和中沙樣品表面均不存在傳統(tǒng)混凝土因顆粒粒徑過細而產(chǎn)生的蜂窩、麻面等現(xiàn)象。這說明與傳統(tǒng)混凝土相比，MICP反應(yīng)溫和，對黃河下游泥沙這類細顆粒有固結(jié)效果。

圖4 固結(jié)成型后樣品

在尿素水解MICP反應(yīng)過程中，受細胞膜的雙電層結(jié)構(gòu)以及微生物分泌物的作用，微生物主要附著在顆粒表面。微生物細胞壁表面帶有大量負(fù)電官能團，進而吸附環(huán)境中的Ca2+作為電子結(jié)合點。在微生物分泌脲酶水解尿素持續(xù)營造堿性環(huán)境的同時，微生物以自身為中心誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀［2］。在固結(jié)松散顆粒過程中，微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體極其細小，晶體結(jié)構(gòu)有方解石、球霰石和文石等［17］，隨著碳酸鈣晶體的不斷生長，微生物逐漸被碳酸鈣晶體包裹，營養(yǎng)傳輸?shù)南拗谱罱K導(dǎo)致微生物死亡［18］，在顆粒接觸點產(chǎn)生的碳酸鈣把相鄰顆粒黏結(jié)在一起［2］。MICP固結(jié)泥沙的SEM見圖5，圖5（b）中位置1、位置2的 EDS能譜見圖6，隨著黏結(jié)作用的不斷增強，最終松散顆粒形成具有一定力學(xué)性能的整體。

圖5 泥沙SEM

圖6 EDS能譜

對照組的情況：清水替代菌液的A樣品與膠結(jié)液不含CaCl2的B樣品不成型，呈松散顆粒狀，灌入滅活菌液的C樣品在灌漿口處有一定程度的硬化，但整體不成型。對照組表明：CaCl2溶液、有脲酶活性的微生物菌液為MICP固結(jié)實現(xiàn)的必要條件。Muynck等［19］認(rèn)為微生物在固結(jié)過程中主要起的作用：一是分解尿素為碳酸鈣沉淀營造堿性環(huán)境，二是微生物對碳酸鈣晶體的形成和聚結(jié)有一定調(diào)控作用。微生物菌液培養(yǎng)基中含有尿素成分，NH-4的存在會使菌液呈弱堿性，pH值約為9.5，在該環(huán)境下會有少量碳酸鈣沉淀生成，這是灌入滅活菌液的對照組C在灌漿口處出現(xiàn)一定程度硬化的原因。但是由于缺乏活性微生物分泌脲酶持續(xù)營造的堿性環(huán)境以及微生物對晶體的調(diào)節(jié)作用，碳酸鈣不能在顆粒樣品內(nèi)不間斷產(chǎn)生，因此整體不成型。同時，由于尿素水解MICP反應(yīng)過程會有一定量的氨氣溢出以及含氨廢水產(chǎn)生，對生態(tài)環(huán)境有一定負(fù)面影響，因此在原位應(yīng)用前必須考慮當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境承載力。

2.2 固結(jié)效果評價

2.2.1 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)萬能試驗機的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線與游標(biāo)卡尺的測量數(shù)據(jù)，用壓應(yīng)力和受壓面積計算壓強、用應(yīng)變與試塊垂直受力長度計算應(yīng)變量。第一組樣品的壓強—應(yīng)變曲線見圖7，隨著灌漿周期的增加，泥沙、中沙的無側(cè)限抗壓強度呈增大趨勢；在相同固結(jié)條件下，經(jīng)計算，泥沙無側(cè)限抗壓強度為中沙強度的68%、78%和76%。在同等鈣鹽總量灌入條件下，0.50 mol／L膠結(jié)液固結(jié)泥沙樣品的強度要高于0.25 mol／L膠結(jié)液的固結(jié)強度，這表明0.50 mol／L膠結(jié)液灌入濃度相較于0.25 mol／L的更有利于碳酸鈣晶體的產(chǎn)生或者說更有利于碳酸鈣在沙粒間的均勻分布。

圖7 第一組樣品壓強—應(yīng)變曲線

2.2.2 抗剪強度

抗剪強度是顆粒之間黏結(jié)強度的重要體現(xiàn)。根據(jù)萬能試驗機的剪切應(yīng)力—位移曲線與游標(biāo)卡尺的測量數(shù)據(jù)，用剪切應(yīng)力與剪切截面面積計算抗剪強度。抗剪強度—位移曲線見圖8。泥沙的抗剪強度為0.29 MPa，中沙的抗剪強度為0.61 MPa，泥沙抗剪強度僅為中沙的48%，兩者差距明顯，這表明微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體對不同特性顆粒的黏結(jié)強度有較大差異。MICP對泥沙顆粒的黏結(jié)強度比對中沙顆粒的黏結(jié)強度低，這是固結(jié)后泥沙在脫模過程中容易出現(xiàn)中部斷裂的原因。

圖8 樣品抗剪強度—位移曲線

2.2.3 水穩(wěn)定度

經(jīng)過24 h的吸水飽和后，泥沙樣品的吸水率為12.1%，中沙樣品的吸水率為12.8%，樣品均未坍塌，在該吸水狀態(tài)下，壓強—應(yīng)變曲線見圖9。由圖9可以看出，飽和后泥沙的無側(cè)限抗壓強度從2.17 MPa下降到0.76 MPa，軟化系數(shù)為35%；飽和后中沙無側(cè)限抗壓強度從 2.69 MPa下降到 0.86 MPa，軟化系數(shù)為32%，干燥狀態(tài)下泥沙的無側(cè)限抗壓強度是中沙強度的81%，MICP固結(jié)后樣品的軟化系數(shù)遠低于耐水材料85%的建材標(biāo)準(zhǔn)。MICP固結(jié)后樣品存在水穩(wěn)定度不足的問題，前人的研究較少提及，軟化原因值得進一步探究。

圖9 干燥、吸水飽和泥沙、中沙的壓強—應(yīng)變曲線

2.2.4 碳酸鈣含量

碳酸鈣是固結(jié)過程中的主要膠凝物質(zhì)，圖10為其SEM圖像。用1︰9的鹽酸溶液浸泡并多次淋洗固結(jié)樣品殘塊，過濾后烘干，根據(jù)酸溶前后的質(zhì)量差計算膠結(jié)體內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣含量（考慮到樣品自身帶有的方解石含量，對原始樣品進行酸溶修正），重復(fù)測量3次并取平均值。第一組8個樣品的碳酸鈣含量分別為 5.28%、6.80%、5.38%、7.64%、7.69%、13.66%、13.71%、16.53%，第二組 A、B 烘干樣品的碳酸鈣含量為12.46%、15.90%。為了考察泥沙中碳酸鈣含量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，將中沙作為對照對其進行分析，結(jié)果見圖11。隨著灌漿周期的增加，碳酸鈣含量增加，無側(cè)限抗壓強度增強。但樣品中碳酸鈣含量不足18%，膠凝物質(zhì)成分占比低于傳統(tǒng)水泥砂漿的配比，泥沙和中沙顆粒依然為主要成分。在此基礎(chǔ)上如繼續(xù)灌漿，碳酸鈣含量將繼續(xù)增加，強度存在一定的提升空間，但是并不是所有的碳酸鈣都對顆粒膠結(jié)有貢獻，只有在顆粒黏結(jié)點處的有效碳酸鈣才起固結(jié)作用［2］。有效碳酸鈣占比、有效碳酸鈣含量與強度的對應(yīng)機制仍需進一步研究。

3 結(jié) 論

圖10 碳酸鈣的SEM圖像

圖11 碳酸鈣含量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系及其線性擬合

通過室內(nèi)試驗，采用MICP技術(shù)對黃河下游泥沙進行固結(jié)，并對固結(jié)后樣品的無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度、水穩(wěn)定度和碳酸鈣含量進行了測量，得出了以下結(jié)論：MICP技術(shù)可以對黃河泥沙實現(xiàn)固結(jié)，隨著灌漿重復(fù)量的增加和碳酸鈣含量的提高，無側(cè)限抗壓強度增強，泥沙的無側(cè)限抗壓強度為 0.23～2.30 MPa；相同固結(jié)條件下，泥沙平均無側(cè)限抗壓強度為中沙強度的76%，泥沙抗剪強度為中沙強度的48%，兩者抗壓強度相差不大，但是MICP對中沙顆粒的黏結(jié)強度優(yōu)于泥沙顆粒的；有脲酶活性的微生物菌液、鈣鹽溶液是MICP固結(jié)實現(xiàn)的必要條件，MICP固結(jié)后樣品強度分布不均勻，水穩(wěn)定度不足。