基于微生物成因的加固砂粒技术研究

李 凯，王丽娟，李 娜，符 平

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

基于微生物成因的加固砂粒技术研究

李 凯，王丽娟，李 娜，符 平

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

微生物灌浆加固技术是新的地基加固方法，“巴氏芽孢杆菌”(编号ATCC 11859)作为研究菌种，通过生物生化过程可实现砂粒加固及防渗功能。首先以微生物活性及OD600值作为参考值，通过室内实验得出“巴氏芽孢杆菌”的最佳培养条件为：10%的接种比例、30℃培养温度及pH=6.24的营养液环境；其次研究了微生物浆液的物理性质及加固粉细砂技术，得出微生物浆液可灌性好、砂粒加固强度可达15 MPa～22 MPa、砂粒渗透率可由加固前的1.1×10-2cm/s降低到加固后的2.19×10-5cm/s。

巴氏芽孢杆菌；最佳培养条件；微生物浆液；加固强度

基于生物成因加固砂砾技术指在工程中培养特定微生物，配置微生物浆液，通过微生物代谢中间产物碳酸钙来实现基础防渗加固功能。其机理是通过尿素水解、硫酸盐还原、脂肪酸发酵、反硝化作用等微生物生化过程产生碳酸根离子，同时微生物细菌细胞膜界面处带负电荷的有机质不断吸附带正电荷的钙离子，碳酸根离子同钙离子沉积出碳酸钙，最终通过碳酸钙达到加固防渗目的[1-7]。

巴氏芽孢杆菌(编号ATCC 11859)在新陈代谢过程中会产生一种酶[8]，可以将尿素分解，形成铵根离子和碳酸根离子，该细菌表面带负电荷，当溶液中含有一定浓度钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核，在细菌周围就会形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶[9-12]，该晶体可加固砂砾。本文选择巴氏芽孢杆菌作为研究菌种，选择ATCC推荐的1376培养液，培养液成分为：每L培养液含有酵母提取物20 g、(NH4)2SO410 g、0.13 mol的Tris缓冲液，配置好的培养液分装三角瓶中进行121℃/20 min高温蒸汽灭菌。

1 微生物最佳培养条件研究

微生物诱导碳酸钙，活性越高的微生物菌液，其诱导碳酸钙能力越强，进而加固砂砾效果也越理想。合适的培养环境是保证微生物活性的必要条件，因此研究微生物的最佳培养条件尤其重要。根据前人经验[13-15]，选择营养液pH值、培养温度、接种比例作为影响生物活性的主要研究因素；选择菌液浓度、菌液活性、菌液单体活性作为评价指标，进行单一变量对比试验。

1.1 培养温度影响

不同生物均有最适生长温度，温度过高或者过低均会影响其生长，探究巴氏芽孢杆菌的最适生长温度非常重要。实验过程中营养液pH值选择为初始pH值8.8(即根据ATCC推荐的1376培养液成分进行配置后的营养液pH值，未经过调整)，接种比例为10%(即每100 ml营养液接种10 ml菌液)；改变菌液培养温度，对比不同温度环境下，菌液浓度及活性变化趋势。见图1～图3。

图1 不同温度下菌液浓度变化图

图2 不同温度下菌液活性变化图

图3不同温度下菌液单体活性变化图

由图1可知：培养温度为T=5℃、T=10℃、T=35℃时，微生物浓度在0～24 h阶段逐渐增大，并在24 h时达到最大，之后逐渐减小；培养温度为T=20℃、T=30℃时，微生物在0～48 h阶段浓度逐渐增大，并在48 h时达到最大且接近T=35℃培养温度下的最大浓度。

由图2可知：T=30℃、T=35℃时微生物活性明显大于T=5℃、T=10℃、T=20℃时的活性；T=30℃、T=35℃在0～24 h培养阶段，活性逐渐增大且在24 h时达到最大值，24 h后T=35℃温度下微生物活性快速下降，T=30℃温度下微生物活性基本保持不变。

由图3可知：T=30℃、T=35℃时微生物单体活性明显大于T=5℃、T=10℃、T=20℃时的活性；T=35℃时在0～48 h培养阶段，单体活性逐渐增大且在48 h时达到最大值；T=30℃时在0～24 h培养阶段，单体活性逐渐增大且在24 h时达到最大值，其后单体活性缓慢减小。

综合考虑浓度、活性及单体活性，选择30℃为巴氏芽孢杆菌最佳培养温度。

1.2 pH值影响

营养液pH值对微生物生长影响显著，合适的营养液pH值对巴氏芽孢杆菌的浓度及活性极其重要，实验对比了不同pH值营养液环境中，菌液的浓度、活性及单体活性变化趋势，见图4～图6。

图4 不同pH值下菌种浓度变化图

图5 不同pH值下菌液活性变化图

图6不同pH值下菌液单体活性变化图

由图4可知：营养液pH值对微生物的浓度变化影响很小，不同pH值下，微生物生长曲线大致相同，变化范围控制在10%内。

由图5、图6可知，营养液pH值对微生物的活性及单体活性影响显著，且不同培养阶段，活性变化趋势不同：

(1) 培养前10 h，pH=7.62和pH=8.80的营养液环境中，微生物活性及单体活性增长较快，其中pH=7.62微生物的活性及单体活性较pH=6.24微生物活性增大1倍；培养10～24 h阶段，pH=5.14和pH=6.24的营养液环境中，微生物活性及单体活性增长较快，其中pH=6.24微生物的活性及单体活性较pH=8.8微生物增大2倍。

(2) pH=7.62、pH=8.8营养液中微生物在培养0～24 h阶段活性及单体活性持续增大，并在24 h后快速下降；pH=5.14、pH=6.24营养液中微生物在培养0～10 h阶段活性快速增大，并在10～48 h阶段缓慢增大，48 h后快速减小；不同pH值条件下，微生物活性及单体活性在48 h时基本相同，差别不超过10%。

对比菌液活性及单体活性，选择pH=6.24为巴氏芽孢杆菌最优pH值。

1.3 生物接种比例影响

在营养液中加入一定量菌液，并在特定温度下培养是常用微生物扩大培养方法之一，其中菌液和营养液体积比为接种比例。实验过程中，对比接种比例分别为5%、10%、15%三种情况下，菌液浓度及活性的变化趋势见图7～图9。

由图7可知，在0～24 h培养阶段，接种比例为5%、15%的微生物浓度增大，且在24 h时达到最大，之后缓慢减小；10%接种比例微生物浓度在0～24 h快速增大，24 h后继续增大但增长速率减缓；三种接种比例微生物浓度在72 h时基本达到一致，相差不超过5%。

图7 不同接种比例菌液浓度变化图

图8 不同接种比例菌液活性变化图

图9不同接种比例菌液单体活性变化图

由图8、图9可知，在0～24 h培养阶段，接种比例为5%、15%的微生物活性及单体活性增大，且在24 h时达到最大，之后迅速减小；10%接种比例微生物活性及单体活性在0～24 h快速增大，且在24 h时达到最大，之后基本保持不变。

10%的接种比例培养，菌液活性较大且较稳定，因此选择10%为最优接种比例。

2 基于生化作用加固粉细砂技术研究

粉细砂由于其粒径极小，孔隙率极低，采用水泥灌浆加固，灌入性不佳，加固效果不好。本文选择巴氏芽孢杆菌，探究基于生化作用加固粉细砂技术。

2.1 微生物浆液特性

微生物浆液由菌液(巴氏芽孢杆菌菌液)和钙液(尿素、硝酸钙及氯化钙的混合钙液)混合形成。

微生物浆液具有以下特点：

(1) 流变性。微生物混合浆液呈乳白色，为悬胶体浆液，是典型的牛顿流体，其流变特性可用以下公式表示：

(1)

式中：μ为牛顿流体的动力黏度。

该浆液的剪应力与剪应变率成线性关系，流变曲线是通过坐标原点的直线，斜率为牛顿流体的黏度。经实验室测试，在注浆过程中微生物浆液的黏度基本保持不变，属于“流型不变”浆液。

(2) 浆液可灌性。由于钙液、菌液、混合浆液三者黏度相差不大，且小于1∶1水灰比浆液黏度(见表1)，因此微生物浆液在室温条件下具有极强的可灌性。

表1 钙液、菌液、混合浆液三者的黏度及密度

(3) 浆液可注性。微生物浆液在地基加固时需要进行多次灌注，因此其“可注性”对该技术的推广应用极为重要。实验探究了微生物浆液可注性，方案为：在直径为3 cm、长度为7 cm的有机玻璃管(装满砂砾、砾径小于0.15 mm)内进行灌注，菌液和钙液分次灌注，水头压力为0.1 m，灌注体积为30 ml，每隔1 h灌注一次，记录灌注时间变化，具体见表2。

表2 分次灌注时间变化表

通过试验测试，相同灌浆条件下间隔灌浆，每次灌浆所需要的时间基本相同，因此判断微生物浆液具有较好的可注性。

2.2 灌注工艺及结果

2.2.1 实验设计

在最佳培养条件下培养巴氏芽孢杆菌，培养至24 h时，进行微生物浆液灌注；为准确灌浆，实验室采用蠕动泵、圆柱形装置(内径30 mm)、烧杯、橡胶塞组装成一套小型灌注装置，具体见图10。

图10灌注装置

灌注前先将筛好后的粉细砂(100目)装入圆柱形装置内形成砂柱(砂柱直径30 mm、高度70 mm)，并加20 ml(砂柱体积的1/3)蒸馏水饱和，饱和后先灌注20 ml(砂柱体积的1/3)微生物菌液(培养24 h的菌液)，然后灌注30 ml(菌液体积的1.5倍)尿素、硝酸钙及氯化钙的混合钙液，灌注速率均为0.5 ml/min；每隔24 h灌注一次，菌液和钙液依次灌注，平行灌注五次，具体灌注记录见表3。

2.2.2 实验结果

按照以上实验设计，进行微生物灌注实验，第五次灌注结束24 h后，进行拆模，并将拆除得到的微生物加固砂柱在电热鼓风干燥箱内烘干24 h(设定温度为30℃)，烘干后得到具有一定强度模块，见图11。

表3 灌注记录表

图11模块图

烘干模块后对模块进行抗压强度、模块渗透率检测，模块实验结果见表4。

表4 模块实验数据

通过实验可知，加固砂块抗压强度最大可达到21.56 MPa，渗透率可由加固前的1.1×10-2cm/s降低到加固后的2.19×10-5cm/s。

3 结 论

本文探究了巴氏芽孢杆菌的最佳培养环境，并通过生化作用成功加固粉细砂，得出如下结论：

(1) 选择巴氏芽孢杆菌作为诱导碳酸钙沉淀的菌种，最佳培养环境为：10%的接种比例、30℃培养温度及pH=6.24的营养液环境。

(2) 微生物浆液属于牛顿流体，具有较好的流变性、可灌性、可注性，这些有助于基于生物成因加固砂粒技术的推广应用。

(3) 基于生物成因加固砂粒，加固砂粒抗压强度可达到21.56 MPa，渗透率可由加固前的1.1×10-2cm/s降低到加固后的2.19×10-5cm/s。

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ReinforcingsandTechnologyBasedonMicrobialMechanism

LI Kai, WANG Lijuan, LI Na, FU Ping

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China)

Microbial grouting reinforcement technology is a new method of foundation reinforcement, the Bacillus pasteurii was chosen to realize the consolidation and seepage prevention of the sand through biological and biochemical processes. At first, microbial activity and OD600 value were used as reference values, the best culture condition was got through laboratory experiments and it includes that 10% inoculation ratio, culture temperature value equaling 30℃ and the pH value is 6.24. Secondly, based on the physical properties of microbial slurry and reinforcement of sand, the microbial slurry can be well grouted, sand consolidation strength can reach 15 MPa～22 MPa, and the sand permeability can be reduced to 2.19×10-5cm/s from 1.1×10-2cm/s.

theBacilluspasteurii;thebestculturecondition;microbialslurry;strengthofreinforcement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.029

2017-07-19

2017-08-17

中国水科院科研专项监实验科研EM0112B09201600000

李 凯(1991—)，男，山西晋城人，助理工程师，主要从事地基基础处理的研究及应用。 E-mail：aklikai2009@sina.com

TU472.5

A

1672—1144(2017)06—0148—05