一種基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法及其應用
1.本發明涉及巖土工程領域，具體涉及一種基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法及其應用。
背景技術：
2.珊瑚砂也稱鈣質砂，是一種特殊的巖土介質，主要成分是碳酸鈣，由珊瑚、貝類、海藻等生物的遺骸組成，富存在熱帶海洋環境中，由于在沉積過程中，沒有經過遠距離的流水沖擊、搬運作用，保留了生物遺骸間的孔隙，因此與普通的石英砂相比，鈣質砂具有形狀不規則、多孔隙、強度低、高壓縮、易破碎、顆粒間易膠結等特點。
3.近年來在人工島和天然海礁上建造的項目越來越多，但對于海上島嶼的建設還存在著方方面面的問題。由于鈣質砂具有多棱角、多孔隙、形狀不規則、強度低、易破碎等特點，以鈣質砂為原材料建設的地基基礎、岸堤等容易發生滲透破壞，因此需要進行降滲處理。
4.傳統的機械方法、物理作用、化學膠結珊瑚砂進行防滲加固處理，會出現設備運輸成本高、施工環境差、污染海洋環境等缺點。微生物方法作為傳統防滲技術的替代方法，受到廣泛研究關注，采用的生物灌漿材料相較傳統方法具有低粘度，更易滲透的優點；目前采用的微生物降滲方法主要使用micp技術，但該項技術生成碳酸鈣沉淀的同時，會產生大量無法處理的銨根離子，對環境造成危害。因此一種對環境友好，低成本，防滲效果好的降滲方法，對于巖土工程領域是急需的，且豐富利用微生物對鈣質砂進行防滲處理的方法，使得對鈣質砂進行防滲處理時能夠針對特定的情況做出最合適的選擇，對于巖土工程領域具有重要意義。
技術實現要素：
5.針對現有技術的上述不足，本發明公開了一種基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法及其應用，采用本發明對珊瑚砂進行降滲處理，具有成本低，降滲效果好，環境友好的特點。
6.本發明的技術方案如下：
7.一種基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，包括以下步驟：
8.(1)將海藻酸鈉和碳源有機物加入微生物菌液中，攪拌形成海藻酸鈉-碳源有機物-微生物混合液；
9.(2)將步驟(1)配置好的混合液注入珊瑚砂中。
10.采用上述技術方案的有益效果為：
11.隨著混合液進入珊瑚砂的縫隙中，氧氣逐漸減少，缺氧環境下，利用微生物厭氧發酵的酸化反應，產生可溶解碳酸鈣的弱酸，碳酸鈣溶解后，游離出的鈣離子與海藻酸根離子結合生成海藻酸鈣凝膠，填充、堵塞珊瑚砂孔隙。
12.進一步地，步驟(1)中微生物菌液為厭氧發酵細菌菌液、兼性厭氧發酵細菌菌液和含有厭氧發酵細菌或兼性厭氧發酵細菌的污水中的一種。
13.進一步地，步驟(1)中厭氧發酵細菌為梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬或雙岐桿菌屬，兼性厭氧發酵細菌為芽孢桿菌屬，優選為巴氏芽胞桿菌。
14.采用上述進一步技術方案的有益效果為：
15.采用厭氧發酵細菌或兼性厭氧發酵細菌在缺氧條件下產生弱酸，溶解碳酸鈣，游離的鈣離子與海藻酸鈉反應生成海藻酸鈣凝膠堵塞珊瑚砂孔隙；采用含有厭氧發酵細菌的污水注入珊瑚砂中，處理污水的同時還可以對珊瑚砂進行降滲處理，實現了廢物利用。
16.進一步地，步驟(1)中碳源有機物為葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一種。
17.采用上述進一步技術方案的有益效果為：
18.碳源有機物為微生物進行厭氧發酵提供碳源。
19.進一步地，步驟(1)海藻酸鈉-碳源有機物-微生物混合液中，微生物密度為106～108cfu/l，優選為107cfu/l海藻酸鈉的濃度為1～5g/l，優選為5g/l碳源有機物濃度為8～12g/l，優選為10g/l。
20.采用上述進一步技術方案的有益效果為：
21.采用進一步技術方案有利于微生物厭氧發酵產生弱酸，海藻酸根離子與游離鈣離子生成海藻酸鈣凝膠。
22.進一步地，步驟(2)中混合液注入珊瑚砂方法采用泵送注漿法或表面傾倒法。
23.進一步地，步驟(2)中混合液單次注入體積為1450～1550l/m3。
24.采用上述進一步技術方案的有益效果為：
25.采用泵送注漿法或表面傾倒法將混合液注入珊瑚砂中，以及單次注入體積為1450～1550l/m3，可以使得混合溶液能夠充分進入珊瑚沙的縫隙中。
26.進一步地，步驟(2)重復2～5次，每次間隔22～24h。
27.采用上述進一步技術方案的有益效果為：
28.將步驟(2)重復2～5次，每次等待微生物厭氧發酵22～24h，使得珊瑚砂中的ph降低至3.5左右，會產生足夠的可溶性鈣離子，混合溶液中的海藻酸鈉與游離鈣離子反應充分，降低珊瑚砂的滲透系數。
29.基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法在建造地基基礎或岸堤中的應用。
30.綜上所述，采用上述技術方案，本發明的有益效果為：
31.本發明方法利用微生物厭氧發酵的酸化反應，產生可溶解碳酸鈣的弱酸，弱酸溶解碳酸鈣后，游離出的鈣離子與海藻酸根離子結合生成海藻酸鈣凝膠，填充、堵塞珊瑚砂孔隙；利用海藻酸鈉對珊瑚砂場地進行降滲處理時，珊瑚砂可以為海藻酸鈣的生成提供充足的ca
2+
，不依賴外來鈣源的引入，降低降滲加固成本，并且本發明方法所用的原材料具有黏度低，易滲透的特點，可提高降滲處理方法的有效性和適用性，微生物誘導使得海藻酸鈉與鈣離子生成海藻酸鈣凝膠不會產生多余的污染性副產物，減小環境負擔，生成的海藻酸鈣化學性質穩定，因此處理后的珊瑚砂場地耐久性較好。本發明方法豐富了微生物降滲處理珊瑚砂的方法，為降滲處理提供了一種新思路。
附圖說明
32.圖1為珊瑚砂砂柱實驗圖。
33.圖2為海藻酸鈣堵塞降滲機理圖。
34.圖3為珊瑚砂的滲透性隨處理時間變化曲線圖。
具體實施例
35.實施例針對基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法進行試驗，采用取自南海某珊瑚砂島礁的鈣質砂，去除個別大顆粒等雜質，取0.075-2mm粒徑范圍內的珊瑚砂制成砂柱試樣，珊瑚砂的比重為2.79，孔隙比為1.02，砂柱直徑為50mm，高度為100mm，孔隙體積為99.15cm3，砂柱試驗如圖1所示。
36.實施例1
37.本發明實施例提供的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，具體步驟如下：
38.(1)配置液體培養基：將20g大豆蛋白胨與15g氯化銨顆粒用去離子水溶解混合，并加入0.1mol/l的氯化鎳溶液1ml，將其充分攪拌，并定容至1l得到液體培養基；
39.(2)接種：用1mol/l氫氧化鈉溶液調節步驟(1)所得液體培養基至ph值為9.25，接種巴氏芽孢桿菌后，在恒溫震蕩箱中培養10h，溫度為35℃，轉速為220rpm/min,獲得微生物密度為107cfu/l的微生物菌液；
40.(3)混合：用量筒稱量1l微生物菌液倒入1.5l大號燒杯中，將海藻酸鈉在105℃條件下烘干24h，使其水分完全揮發，給燒杯中加入5g處理過的海藻酸鈉與10g葡萄糖，并在室溫環境下電磁攪拌10min，使海藻酸鈉和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液；
41.(4)注入：將配置好的海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液300ml立即注入砂柱試樣中，關閉出液口與進液口，使微生物在無氧環境中厭氧反應24h后打開出液口排出廢液；
42.(5)將步驟(4)重復操作一次得到降滲處理后的珊瑚砂；
43.(6)將步驟(5)所得到降滲處理后的珊瑚砂放置105℃條件下烘干24h，完全去除水分，然后開展常水頭滲透試驗，1天后所測得滲透系數為6.69
×
10-8
m/s。
44.實施例2
45.本發明實施例提供的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，具體步驟如下：
46.(1)配置液體培養基：將25g大豆蛋白胨與20g氯化銨顆粒用去離子水溶解混合，并加入0.1mol/l的氯化鎳溶液1.5ml，將其充分攪拌，并定容至1l得到液體培養基；
47.(2)接種：用1mol/l氫氧化鈉溶液調節步驟(1)所得液體培養基至ph值為9.30，接種巴氏芽孢桿菌后，在恒溫震蕩箱中培養12h，溫度為33℃，轉速為210rpm/min,獲得微生物密度為108cfu/l的微生物菌液；
48.(3)混合：用量筒稱量1l微生物菌液倒入1.5l大號燒杯中，將海藻酸鈉在105℃條件下烘干24h，使其水分完全揮發，給燒杯中加入4g處理過的海藻酸鈉與12g葡萄糖，并在室溫環境下電磁攪拌10min，使海藻酸鈉和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液；
49.(4)注入：將配置好的海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液300ml立即注入裝有砂柱試樣中，關閉出液口與進液口，使微生物在無氧環境中厭氧反應23h后打開出液口排出廢液；
50.(5)將步驟(4)重復操作2次得到降滲處理后的珊瑚砂；
51.(6)將步驟(5)所得到降滲處理后的珊瑚砂放置105℃條件下烘干24h，完全去除水分，然后開展常水頭滲透試驗，1天后所測得滲透系數約為1.03
×
10-7
m/s。
52.實施例3
53.本發明實施例提供的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，具體步驟如下：
54.(1)配置液體培養基：將15g酵母提取物與10g氯化銨顆粒用去離子水溶解混合，并加入0.1mol/l的氯化鎳溶液0.5ml，將其充分攪拌，并定容至1l得到液體培養基；
55.(2)接種：用1mol/l氫氧化鈉溶液調節步驟(1)所得液體培養基至ph值為9.20，接種巴氏芽孢桿菌后，在恒溫震蕩箱中培養8h，溫度為30℃，轉速為200rpm/min,獲得微生物密度為106cfu/l的微生物菌液；
56.(3)混合：用量筒稱量1l微生物菌液倒入1.5l大號燒杯中，將海藻酸鈉在105℃件下烘干24h，使其水分完全揮發，給燒杯中加入3g處理過的海藻酸鈉與8g葡萄糖，并在室溫環境下電磁攪拌10min，使海藻酸鈉和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液；
57.(4)注入：將配置好的海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液300ml立即注入裝有砂柱試樣中，關閉出液口與進液口，使微生物在無氧環境中厭氧反應22h后打開出液口排出廢液；
58.(5)將步驟(4)重復操作3次得到降滲處理后的珊瑚砂；
59.(6)將步驟(5)所得到降滲處理后的珊瑚砂放置105℃條件下烘干24h，完全去除水分，然后開展常水頭滲透試驗，1天后所測得滲透系數為5.68
×
10-6
m/s。
60.實施例4
61.本發明實施例提供的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，具體步驟如下：
62.(1)配置液體培養基：將20g大豆蛋白胨與15g氯化銨顆粒用去離子水溶解混合，并加入0.1mol/l的氯化鎳溶液1ml，將其充分攪拌，并定容至1l得到液體培養基；
63.(2)接種：用1mol/l氫氧化鈉溶液調節步驟(1)所得液體培養基至ph值為9.25，接種巴氏芽孢桿菌后，在恒溫震蕩箱中培養10h，溫度為35℃，轉速為220rpm/min,獲得微生物密度為107cfu/l的微生物菌液；
64.(3)混合：用量筒稱量1l微生物菌液倒入1.5l大號燒杯中，將海藻酸鈉在105℃條件下烘干24h，使其水分完全揮發，給燒杯中加入2.5g處理過的海藻酸鈉與10g葡萄糖，并在室溫環境下電磁攪拌10min，使海藻酸鈉和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液；
65.(4)注入：將配置好的海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液300ml立即注入砂柱試樣中，關閉出液口與進液口，使微生物在無氧環境中厭氧反應24h后打開出液口排出廢液；
66.(5)將步驟(4)重復操作一次得到降滲處理后的珊瑚砂；
67.(6)將步驟(5)所得到降滲處理后的珊瑚砂放置105℃條件下烘干24h，完全去除水分，然后開展常水頭滲透試驗，1天后所測得滲透系數為7.94
×
10-5
m/s。
68.實施例5
69.本發明實施例提供的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，具體步驟如下：
70.(1)配置液體培養基：將20g大豆蛋白胨與15g氯化銨顆粒用去離子水溶解混合，并加入0.1mol/l的氯化鎳溶液1ml，將其充分攪拌，并定容至1l得到液體培養基；
71.(2)接種：用1mol/l氫氧化鈉溶液調節步驟(1)所得液體培養基至ph值為9.25，接種巴氏芽孢桿菌后，在恒溫震蕩箱中培養10h，溫度為35℃，轉速為220rpm/min,獲得微生物密度為107cfu/l的微生物菌液；
72.(3)混合：用量筒稱量1l微生物菌液倒入1.5l大號燒杯中，將海藻酸鈉在105℃條件下烘干24h，使其水分完全揮發，給燒杯中加入1g處理過的海藻酸鈉與10g葡萄糖，并在室溫環境下電磁攪拌10min，使海藻酸鈉和葡萄糖完全溶解于微生物菌液形成海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液；
73.(4)注入：將配置好的海藻酸鈉-葡萄糖-微生物混合液300ml立即注入砂柱試樣中，關閉出液口與進液口，使微生物在無氧環境中厭氧反應24h后打開出液口排出廢液；
74.(5)將步驟(4)重復操作一次得到降滲處理后的珊瑚砂；
75.(6)將步驟(5)所得到降滲處理后的珊瑚砂放置105℃條件下烘干24h，完全去除水分，然后開展常水頭滲透試驗，1天后所測得滲透系數為1.84
×
10-4
m/s。
76.對比例
77.將未處理過的珊瑚砂在105℃條件下烘干24h后，開展常水頭滲透試驗，1天后所測得滲透系數為2.16
×
10-3
m/s。
78.將實施例1-5處理過的珊瑚砂與對比例未處理過的珊瑚砂的滲透系數進行整理，如表1所示。
79.表1珊瑚砂的滲透系數
[0080][0081]
將實施例1所的珊瑚砂分別在第1、5、10、15、20、25、30天測試其滲透系數，結果如圖3所示。
[0082]
如圖3所示，將珊瑚砂經過處理后，其第一天滲透系數較小，隨著時間的推移，滲透系數逐漸增大，并于第15天后趨于穩定，滲透系數穩定在10-7
m/s，對比例中未處理過的珊瑚砂器滲透系數為2.16
×
10-3
m/s，因此表明經本發明方法處理過的珊瑚砂滲透系數較低并且具有耐久性。
技術特征：
1.一種基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將海藻酸鈉和碳源有機物加入微生物菌液中，攪拌形成海藻酸鈉-碳源有機物-微生物混合液；(2)將步驟(1)配置好的混合液注入珊瑚砂中。2.根據權利要求1所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(1)中微生物菌液為厭氧發酵細菌菌液、兼性厭氧發酵細菌菌液和含有厭氧發酵細菌或兼性厭氧發酵細菌的污水中的一種。3.根據權利要求2所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(1)中厭氧發酵細菌為梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬或雙岐桿菌屬，兼性厭氧發酵細菌為芽孢桿菌屬。4.根據權利要求1所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(1)中碳源有機物為葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一種。5.根據權利要求1所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(1)海藻酸鈉-碳源有機物-微生物混合液中，微生物密度為106～108cfu/l，海藻酸鈉的濃度為1g/l～5g/l，碳源有機物濃度為8～12g/l。6.根據權利要求5所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(1)海藻酸鈉-碳源有機物-微生物混合液中，微生物密度為107cfu/l，海藻酸鈉的濃度為5g/l，碳源有機物濃度為10g/l。7.根據權利要求1所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(2)中混合液注入珊瑚砂的方法采用泵送注漿法或表面傾倒法。8.根據權利要求1所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(2)中混合液單次注入體積為1450～1550l/m3。9.根據權利要求1或8所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法，其特征在于，所述步驟(2)重復2～5次，每次間隔22～24h。10.權利要求1～9任一項所述的基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法在建造地基基礎或岸堤中的應用。
技術總結
本發明公開了一種基于微生物誘導生成海藻酸鈣的珊瑚砂降滲方法及其應用。該方法以珊瑚砂為原料，將海藻酸鈉、碳源有機物和微生物菌液混合加入珊瑚砂中，利用微生物厭氧發酵的酸化反應，產生可溶解碳酸鈣的弱酸，碳酸鈣溶解后游離出的鈣離子與海藻酸根離子結合生成海藻酸鈣凝膠，填充、堵塞珊瑚砂孔隙。采用本發明方法對珊瑚砂進行降滲處理，可以有效降低珊瑚砂的滲透性，降低降滲成本且低碳環保，具有較強的實用性與耐久性。較強的實用性與耐久性。
