微生物礦化對黏土滲透性影響的試驗研究

王修銘,陳 群,陳秀吉,張利民,周 成,萬 里

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川 成都 610065; 2.四川大學水利水電學院,四川 成都 610065; 3.中國移動通信集團福建有限公司,福建 福州 350001; 4.香港科技大學土木工程學院,香港 999077)

工程經驗表明,土木工程的大量安全隱患與滲流問題密不可分,當土作為工程主體時尤為突出。以土質邊坡為例,降雨入滲到坡體內部,產生的滲透力使下滑力增大,同時,孔隙水壓力升高導致土體抗剪強度降低,最終引發邊坡失穩破壞。由此可見,土體滲流問題對工程耐久性的影響不可忽視,研究滲流問題必須掌握土體的滲透性[1]。傳統的化學改性方法能固化土體,但在處理過程中需要添加水泥、石灰或環氧樹脂等化學建材[2-3]。該類材料環保性較差,水泥的生產是引起溫室效應的重要因素之一,石灰可造成土地鹽堿化,樹脂材料具有一定毒性,可能帶來水質污染問題[4]。為此,尋找一種環境友好型替代技術具有重要的現實意義。

微生物礦化技術已廣泛用于土體的加固處理,以保證工程的安全穩定。土壤中原有的微生物可通過礦化反應誘導碳酸鹽沉淀[5],進而改變土體的力學性質,同時可抑制部分有害離子隨水體的運移,這是一種綠色高效的土體加固技術,具有良好的生態和經濟效益。Van Paassen[6]利用微生物礦化作用加固砂柱,發現其滲透性降低了22%～75%;馬瑞男等[7]也發現微生物拌和固化方法可使砂土的滲透系數降低1～2個數量級。微生物礦化反應的過程受到多種因素的影響。例如：Soon等[8]發現提高巨大芽孢八疊球菌的濃度能夠顯著降低土體的滲透性;余清鵬等[9]的研究結果表明菌液濃度過高會弱化防滲效果;王緒民等[10]發現隨著膠結液濃度增大,砂樣的固化效率先升高后降低;Wang等[11]研究表明污染土中的重金屬會嚴重抑制脲酶活性和微生物生長。

目前微生物礦化處理的對象主要是砂土,對黏土礦化的研究主要圍繞土體強度提升等方面展開,對礦化后土體的滲透性研究較少。本文利用球形賴氨酸芽孢桿菌屬kp-22菌對黏土進行礦化處理,測定了各礦化土樣的碳酸鹽生成率,通過變水頭滲透試驗研究了菌液OD600值、膠結液濃度、土體重金屬含量對礦化后土體滲透性的影響。

1 試驗原理與方法

1.1 試驗原理

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1.2 試驗方法

陳筠等[13]采用直接拌和法,將菌液和濃度均為1mol/L的CaCl2和CO(NH2)2組成的膠結液按1︰1的體積比摻入紅黏土,獲得了較好的礦化效果。本文參考該方法,處理時將菌液、膠結液與黏土迅速攪拌均勻。采用現場測得的黏土干密度的平均值1.508g/cm3作為試樣控制干密度,在模具中制成直徑為61.8mm、高為40mm的圓柱形土樣。預實驗結果表明,將土樣在溫度為22～23℃、濕度為65%～70%的環境中養護2d后,微生物礦化反應已充分進行,可對礦化效果進行檢測。

基于鹽酸浸泡法[14]測定碳酸鹽質量分數。將土樣烘干、碾碎,取約4g土樣,質量記為mi,加入2mol/L的鹽酸充分反應12h。用微孔濾膜進行真空抽濾后烘干土樣,質量記為mf。則土樣中碳酸鹽質量分數為

(4)

處理前后黏土中的碳酸鹽質量分數分別記為wb和wa,則礦化后土樣的碳酸鹽生成率Gca為

Gca=wa-wb

(5)

開展變水頭滲透試驗以研究礦化后土樣的滲透性。由于礦化反應需在恒溫恒濕條件下進行,水分蒸發后土樣的體積略有縮小,若直接在試驗用的環刀中制備礦化后土樣,其與環刀邊壁會脫離,產生滲透通道,如圖1(a)所示。為準確測得土樣的滲透系數,先利用自制的內徑為101mm的制樣筒制成高40mm的圓柱形土樣,然后參照原狀土取樣的方式取得滲透土樣,見圖1(b),土樣與環刀邊壁不再出現脫離的現象。

圖1 不同方法制成的土樣

取樣場地選在某工業園區,試驗測得土樣的比重為2.69,干密度為1.50g/cm3,液限為37.6%,塑限為19.0%,塑性指數為18.6。采用篩析法和密度計法測得土樣的級配曲線見圖2。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中的土體分類方法,可將其定名為低液限黏土。

圖2 試驗黏土的顆粒級配曲線

影響微生物礦化效果的因素較多,本文主要考慮菌液OD600值、膠結液濃度和重金屬含量3個因素對微生物礦化后黏土滲透性的影響。菌液OD600值為菌液在600nm波長處的吸光度,該值與菌液濃度呈正相關,可反映菌液濃度的高低。結合kp-22菌的實驗室培養情況,將其OD600值設置為0.3、0.6、0.9、1.2共4種。Nekolny等[15]認為膠結液濃度超過1mol/L時,細菌新陳代謝會受到抑制;Soon等[8]也發現膠結液濃度超過1mol/L后,礦化效率會降低。因此,本文僅研究1mol/L內膠結液濃度對礦化效果的影響,保持膠結液中尿素和氯化鈣的物質的量比為1∶1,將兩種成分的濃度均設置為0.4、0.6、0.8、1.0mol/L共4種?，F場取樣土體中重金屬鎘含量超過了土壤污染風險篩選值,不少研究表明,重金屬的存在會降低細菌活性[16-17],影響微生物誘導礦化的效果,故有必要探究鎘含量對礦化效果的影響。前期調研結果表明,四川省內不同地區土體重金屬鎘含量(質量比)在2.20～15.80mg/kg之間,試驗中鎘含量設置為2、4、8、12、16mg/kg共5種。進行3個因素不同水平的全組合共計80組試驗,并對未礦化的5組不同鎘含量的黏土進行滲透試驗,探究黏土礦化后碳酸鹽生成率的變化規律及不同因素對礦化后土樣滲透性的影響。

2 結果與分析

2.1 黏土礦化后碳酸鹽生成率

礦化后不同鎘含量黏土試樣中碳酸鹽生成率隨菌液OD600值變化的曲線見圖3,圖中c為膠結液濃度。不同鎘含量黏土礦化后的碳酸鹽生成率隨菌液OD600值的變化規律大體一致。隨著菌液OD600值增大,碳酸鹽生成率先升高而后變化很小。菌液OD600值從0.3增大至0.9,碳酸鹽生成率的提高幅度較大,兩種濃度菌液處理后,不同膠結液濃度及不同鎘含量下共20組土樣的碳酸鹽平均生成率分別為0.63%和1.08%。菌液OD600值為1.2時,碳酸鹽平均生成率仍維持在1.08%。

圖3 不同鎘含量黏土碳酸鹽生成率隨菌液OD600值的變化

由圖3可知,不同鎘含量黏土的碳酸鹽生成率隨膠結液濃度變化的規律基本一致,隨著膠結液濃度增大,碳酸鹽生成率先上升后下降。膠結液濃度為0.8mol/L時,碳酸鹽生成率最高,不同菌液濃度及不同鎘含量下共20組土樣的碳酸鹽平均生成率為1.21%。

當膠結液濃度為0.4mol/L時,尿素和氯化鈣不足導致礦化反應停滯,碳酸鹽生成率較低。隨著膠結液濃度增大,溶液中Ca2+含量增大,產生更多的碳酸鹽固體。膠結液濃度大于0.8mol/L后,Ca2+對細菌的新陳代謝產生抑制作用,導致碳酸鹽生成率下降。因此,適當增大膠結液的濃度有利于提高黏土中碳酸鹽生成率,但濃度過高會抑制礦化。

由圖3可知,同一菌液OD600值和膠結液濃度下,隨著土體鎘含量增大,礦化后土樣中的碳酸鹽生成率逐漸降低。鎘含量從2mg/kg增大到8mg/kg,碳酸鹽生成率的降幅較小;但鎘含量大于8mg/kg后,鎘離子對細菌的毒害作用大幅增大,致使碳酸鹽生成率顯著降低。

2.2 菌液OD600值對礦化后黏土滲透性的影響

在未礦化土樣中添加與試驗組中菌液、膠結液等體積的純水后亦采用直接拌和法處理,并在恒溫恒濕條件下養護2d后測定其滲透系數。5組不同鎘含量黏土礦化前的滲透系數范圍為5.51×10-6～6.33×10-6cm/s,各土樣的滲透系數差距很小,故取其平均值5.88×10-6cm/s作為未礦化黏土的滲透系數。

礦化后不同鎘含量黏土的滲透系數隨菌液OD600值變化的曲線見圖4。隨著菌液OD600值增大,礦化后黏土的滲透系數先降低后趨于平穩。這與土體碳酸鹽生成率隨菌液OD600值的變化規律相反。菌液OD600值從0.3增大至0.9,滲透系數降低較明顯,與未礦化土樣相比,兩種濃度菌液處理下,不同膠結液濃度及不同鎘含量下共20組土樣的滲透系數平均降幅分別為50.6%和72.4%。菌液OD600值高于0.9后,增大菌液濃度,滲透系數變化不明顯,菌液OD600值為1.2時,滲透系數平均降幅為72.6%。個別曲線的規律與其他曲線的規律不一致,這是由于變水頭滲透試驗的影響因素較多,試驗結果容易出現離散性,但對總體規律影響不大。

礦化反應產生了碳酸鹽固體,不僅填充了土樣的孔隙,還膠結了土顆粒,使得土體的滲透系數降低。菌液OD600值為0.3時,土樣孔隙中碳酸鹽生成率低(圖3),滲透系數降低不明顯。隨著菌液OD600值增大,碳酸鹽生成率提高,滲透系數顯著降低。當菌液OD600值過高時,細菌相互聚集形成絮凝結構[14],由于礦化反應空間的限制,碳酸鹽生成率變化不明顯,滲透系數也無顯著變化。以0.8mol/L膠結液處理鎘含量為4mg/kg的黏土為例,菌液OD600值從0.9增大至1.2,土樣的碳酸鹽生成率由1.52%變為1.53%,僅增大了0.01%(圖3)。

2.3 膠結液濃度對礦化后黏土滲透性的影響

礦化后不同鎘含量黏土的滲透系數隨膠結液濃度變化的曲線見圖5。隨著膠結液濃度增大,滲透系數先降低后升高。膠結液濃度為0.8mol/L時,土樣滲透系數最小,與未礦化土樣相比,不同菌液OD600值及不同鎘含量下共20組土樣滲透系數的平均降幅為79.0%。

圖5 不同鎘含量黏土滲透系數隨膠結液濃度的變化

2.4 鎘含量對礦化后黏土滲透性的影響

不同濃度菌液處理的黏土的滲透系數隨土體鎘含量變化的曲線見圖6。鎘含量為2mg/kg時,黏土的滲透系數最小,隨著鎘含量的增大,滲透系數逐漸增大,且其增速也變大。與未礦化土樣相比,不同濃度菌液及不同濃度膠結液處理后共16組土樣滲透系數的平均降幅為74.5%,隨著鎘含量增大,黏土滲透系數的降幅逐漸減小。

圖6 不同濃度菌液處理的黏土滲透系數隨鎘含量的變化

脲酶對重金屬的敏感性較高,隨著溶液中鎘含量增大,脲酶活性顯著降低。Qiao等[20]研究表明,溶液中2mg/L的鎘就會對kp-22菌的生長起到抑制作用。在溶液和土體環境中,鎘對礦化效果的影響機制應是一致的。劉睿[21]測定了被鉛污染的黏性土中細菌的數量和脲酶的活性,結果表明,隨著土體中重金屬含量增大,活菌的數量和脲酶的活性都降低,與在溶液中試驗得到的結果類似。以OD600值為0.3的菌液和0.8mol/L的膠結液處理黏土為例,當鎘含量從2mg/kg增大至16mg/kg時,碳酸鹽生成率從1.00%降低至0.55%(圖3),相應地,滲透系數由1.46×10-6cm/s增大為2.85×10-6cm/s。土體鎘含量小于8mg/kg時,重金屬鎘對微生物和脲酶的活性抑制作用弱,對土體滲透系數影響較小;鎘含量大于8mg/kg后,重金屬鎘對微生物和脲酶的活性抑制作用逐漸加強,導致滲透系數增幅明顯。

2.5 礦化后黏土滲透性

彭劼等[22]對礦化前后的有機質黏土進行了滲透試驗,結果顯示礦化后黏土的滲透系數可降低一個數量級。劉建興[23]的試驗結果也表明直接拌和法礦化處理的黏土滲透系數從10-7cm/s降低到10-8cm/s。由本文試驗結果可知,礦化后土樣的滲透系數大幅降低,滲透系數在5.3×10-7～5.01×10-6cm/s之間,與未礦化土樣相比,部分土樣的滲透系數降低了一個數量級,滲透系數降幅在14.8%～91.0%之間,可見,微生物礦化能明顯降低黏土的滲透性。

由前面的分析可知,碳酸鹽生成率與滲透系數隨各因素的變化規律相反。圖7為各礦化土樣的碳酸鹽生成率與滲透系數的相關關系散點圖。由圖7可知,碳酸鹽生成率Gca與滲透系數k呈負相關關系,用線性函數擬合二者的關系式(決定系數R2=0.852)為

k=k0(1-0.615Gca)

(6)

式中k0為擬合直線的截距(4.608×10-6cm/s),其物理意義為碳酸鹽生成率為0時的滲透系數,即未礦化土樣的滲透系數,比試驗值(5.88×10-6cm/s)略低。Soon等[24]整理了14個土樣礦化后的滲透系數與碳酸鹽生成率的關系,結果表明滲透系數與碳酸鹽生成率之間線性關系的擬合效果一般(R2=0.65)。本文的擬合效果更好,這可能是由于數據總量更多,個別數據點的離散對整體規律的影響較小。

由圖3可知,礦化后各試樣的碳酸鹽生成率隨菌液OD600值和膠結液濃度變化的規律性較強,試驗結果離散性較小,故本文利用MATLAB建立不同鎘含量下碳酸鹽生成率與菌液OD600值和膠結液濃度的經驗關系。隨著菌液OD600值增大,脲酶濃度隨之增大,脲酶可催化生物化學反應,提高碳酸鹽生成率,但受到反應底物含量的限制,菌液OD600值大于0.9后,其催化作用不再明顯,故碳酸鹽生成率變化較小。二者的關系曲線形狀與冪函數相似,故用冪函數擬合滲透系數與菌液OD600值的關系為

Gca=mAn

(7)

式中：A為菌液OD600值;m、n為擬合參數,m為菌液OD600值為1.0時的碳酸鹽生成率,n為雙對數坐標下碳酸鹽生成率與菌液OD600值的關系曲線的斜率。以鎘含量為2mg/kg的情況為例,不同濃度膠結液處理土樣的滲透系數隨菌液OD600值變化曲線的擬合參數及決定系數R2見表1。

表1 不同膠結液濃度下的擬合參數和決定系數

由表1可知,各擬合曲線的決定系數均大于0.85,說明式(7)的擬合效果良好。隨著膠結液濃度增大,參數m先增大后減小,取值范圍為0.788～1.488,變化范圍較大;而參數n隨膠結液濃度變化離散程度較小,膠結液濃度變化對n值的影響程度較低,故直接取n的平均值0.326。在擬合參數m中考慮膠結液濃度的影響,建立碳酸鹽生成率與菌液OD600值與膠結液濃度的關系式。擬合參數m與膠結液濃度的關系曲線見圖8,m隨膠結液濃度變化的曲線與一元二次函數的拋物線相似,故可用一元二次函數擬合它們的關系：

圖8 擬合參數m與膠結液濃度的關系

m=m1c2+m2c+m3

(8)

式中m1、m2、m3為擬合參數,分別為-4.25、6.71和-1.25。該擬合曲線的決定系數為0.938,說明此式能較好地表達參數m和膠結液濃度的關系。

由圖7可知,黏土礦化后的滲透系數與碳酸鹽生成率滿足較好的線性關系,將式(7)和式(8)代入式(6),化簡后即得到滲透系數與菌液濃度和膠結液濃度的關系式：

k=k0[1-0.615(m1c2+m2c+m3)An]

(9)

按照上述方法對不同鎘含量黏土礦化后滲透系數的試驗結果進行擬合,求取式(9)的參數,列于表2中。

表2 不同鎘含量下黏土礦化后滲透系數的擬合參數

利用表中參數和式(9)計算礦化后黏土的滲透系數,試驗與計算結果的對比見圖9。由圖9可知,試驗點和計算曲線的變化規律基本一致,僅當鎘含量為16mg/kg時,部分計算值與試驗值的相對誤差較大?？傮w而言,大部分試驗數據與計算結果偏差較小,說明式(9)中各參數求取方法合理,可考慮將其用于計算較低鎘含量下黏土礦化后的滲透系數。

3 結 論

a.采用直接拌和法處理黏土后,礦化土樣中生成了碳酸鹽顆粒。隨著菌液OD600值增大,碳酸鹽生成率先升高后逐漸穩定。菌液OD600值從0.3增大至0.9,碳酸鹽生成率逐漸增大,繼續增大菌液OD600值對碳酸鹽生成率影響不大。隨著膠結液濃度增大,碳酸鹽生成率先上升后下降,膠結液濃度為0.8mol/L時達到峰值。

b.隨著菌液OD600值增大,黏土的滲透系數先減小后趨于平穩。與未礦化土樣相比,菌液OD600值從0.3增大至0.9,黏土的滲透系數逐漸減小,此后滲透系數變化不明顯。隨著膠結液濃度增大,滲透系數先減小后增大。膠結液濃度為0.8mol/L時,黏土的滲透系數最小。隨著鎘含量增大,土體滲透系數逐漸增大,且增速也變大。

c.礦化后黏土的滲透系數最多可降低約一個數量級。利用冪函數擬合碳酸鹽生成率隨菌液OD600值變化的曲線,其中包含冪函數的指數和系數兩個擬合參數。膠結液濃度對冪函數的指數影響很小,故直接取其平均值;冪函數的系數與膠結液的濃度符合一元二次函數關系。滲透系數與碳酸鹽生成率呈負相關關系,依據二者較好的線性關系,建立了關于菌液OD600值和膠結液濃度的礦化后黏土滲透系數的經驗公式。