海水環(huán)境下微生物誘導(dǎo)磷酸鹽沉淀加固鈣質(zhì)砂效果評(píng)價(jià)

董博文 劉士雨 高歆雨 王閏鎧

微生物巖土技術(shù)被廣泛應(yīng)用于巖土材料的改良和加固[1-2]，其中，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）加固鈣質(zhì)砂已經(jīng)取得良好的效果[3]。但傳統(tǒng)MICP過(guò)程中，副產(chǎn)物NH+4難以回收，大面積應(yīng)用時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。為了消除NH+4的不利影響，可對(duì)MICP技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使NH+4反應(yīng)生成鳥(niǎo)糞石（MAP），以此作為礦化產(chǎn)物進(jìn)行鈣質(zhì)砂的礦化處理，達(dá)到加固鈣質(zhì)砂的目的。鑒于此，筆者研究了模擬海水環(huán)境下微生物誘導(dǎo)MAP沉淀（MISP）加固鈣質(zhì)砂的效果及其影響因素。

為最大限度消除NH+4的不利影響，必須提高M(jìn)AP的產(chǎn)率，回收多余的NH+4。MAP沉淀的產(chǎn)率主要受pH值和N、P、Mg比例的調(diào)控。為保證MAP的產(chǎn)率，將反應(yīng)體系的pH值控制在8.5～9.0。在既有研究基礎(chǔ)上[4-5]，設(shè)置9個(gè)N∶P∶Mg物質(zhì)的量比例不同的試驗(yàn)組，控制N的物質(zhì)的量比值為1，P的比值分別為1、1.5、2，Mg的比值為2、2.5、3。每個(gè)試驗(yàn)組按比例配置50 mL溶液，包括48 mL尿素（2 mmol）、K2HPO4、MgCl2的混合溶液和2.0 mL OD600值為1.7的巴氏芽孢桿菌菌液，培養(yǎng)礦化7 d后收集全部沉淀物，沖洗、烘干。沉淀物的質(zhì)量如圖1所示。2-C組（N∶P∶Mg=1∶2∶2.5）的沉淀質(zhì)量最高且沉淀物為純凈的MAP，沒(méi)有出現(xiàn)其他副產(chǎn)物（圖2），而其他試驗(yàn)組中檢測(cè)到磷酸鎂和

碳酸鎂的吸收峰，還有一些非晶體物質(zhì)，這不利于NH+4的最大化去除。因此，將N、P、Mg的比例設(shè)置為1∶2∶2.5，并以此作為后續(xù)鈣質(zhì)砂加固試驗(yàn)N、P、Mg的最佳比例。

在N、P、Mg的最佳比例下，進(jìn)行模擬海水環(huán)境下鈣質(zhì)砂加固試驗(yàn)。南海海水的平均鹽度為3.5%，因此，在處理溶液中添加0.6 mol/L的NaCl模擬海水鹽度，并與不添加NaCl的試驗(yàn)組對(duì)比分析。采用蠕動(dòng)泵在鈣質(zhì)砂砂柱中先注入55 mL（1.5 PV）的A液（巴氏芽孢桿菌菌液和NaCl、K2HPO4溶液），再注入55 mL B液（MgCl2和NaCl、尿素溶液），注漿速率為1 mL/min，靜置24 h，為一個(gè)輪次。每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)平行試樣，分別進(jìn)行3、4、5、6輪次的礦化處理。礦化完成后，經(jīng)過(guò)沖洗、烘干、拆模，得到膠結(jié)完好的砂柱（圖3（a））。砂柱表面幾乎全部覆蓋白色的MAP，顆粒之間的孔隙也都被MAP填補(bǔ);對(duì)砂柱進(jìn)行UCS測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中砂柱內(nèi)出現(xiàn)上下貫通的裂縫，最終發(fā)生整體剪切破壞（圖3（b））。

使用去離子水和模擬海水不同礦化輪次鈣質(zhì)砂柱的UCS試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖4）表明，隨著注漿輪次的增加，砂柱的平均UCS值不斷提高;但模擬海水試驗(yàn)組的UCS值均低于對(duì)應(yīng)輪次的去離子水試驗(yàn)組，說(shuō)明模擬海水中的鹽度對(duì)MAP生成具有一定抑制作用，鹽度可能會(huì)抑制微生物在礦化過(guò)程中的生長(zhǎng)活性，同時(shí)不利于Mg2+、HPO2-4與NH+4在帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面生成MAP，限制MAP晶體生長(zhǎng)，最終表現(xiàn)為鈣質(zhì)砂砂柱UCS值的下降。即便如此，經(jīng)過(guò)6輪MAP礦化處理后，模擬海水環(huán)境下鈣質(zhì)砂的UCS值也能達(dá)到1.2 MPa，相比原狀鈣質(zhì)砂有顯著提高，可以滿足一般工程需要。

模擬海水環(huán)境下MAP加固鈣質(zhì)砂效果良好，加固后鈣質(zhì)砂平均UCS值可達(dá)1.2 MPa，證明可以用微生物誘導(dǎo)鳥(niǎo)糞石礦化對(duì)南海鈣質(zhì)砂進(jìn)行加固處理。事實(shí)上，南海鳥(niǎo)糞石資源非常豐富，用鳥(niǎo)糞石加固鈣質(zhì)砂具有良好的環(huán)境相容性，未來(lái)在南海島礁建設(shè)中可以使用環(huán)保型鳥(niǎo)糞石作為生物礦化產(chǎn)物進(jìn)行鈣質(zhì)砂地基的加固處理。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 胡英奎）