一种固化土壤的芽孢杆菌菌剂及其使用方法与流程

文档序号:15457394发布日期:2018-09-15 01:28

本发明涉及一种固化土壤的芽孢杆菌菌剂及其使用方法,属于土壤加固技术领域。



背景技术:

微生物固土技术是一种通过向特定微生物提供富含钙离子和氮源的营养盐,利用微生物诱导碳酸钙沉积(Microbial Induced Carbonate Precipitation)实现土壤加固的新型原位灌浆技术。自2004年澳大利亚默多克大学的Whiffin博士率先采用微生物固土技术加固松散砂颗粒起,这项技术迅速成为岩土工程界的研究热点。经过十余年的发展,微生物固土技术研究积累了大量的成果。在微观机理分析方面,生物矿化过程中发生的一系列理、化、生反应得到广泛研究;在宏观工程特性方面,微生物对砂土渗透性、强度、刚度等特性的作用逐步被揭示,研究人员通过试验方法探究微生物活动与渗透性、强度的定性关系,运用数值分析方法探究其定量关系,并建立了基于微生物生长的土体本构模型。尽管国外已有成功利用微生物固土技术稳定砂砾土和固化表层砂体的工程应用实例,但现阶段微生物固土技术研究还主要局限于室内试验,大规模的现场应用仍处于探索阶段,施工技术与经济性是目前制约这一技术从实验室走向工程应用的两大重要因素。



技术实现要素:

技术问题:目前主流的微生物固土技术研究与应用均基于一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii),它是一种嗜碱菌,标准菌株分离自土壤(ATCC11859或DSM33),其培养基主要由生产工艺复杂,成本相对较高的葡萄糖、蛋白胨、酵母膏等组分构成。在生物技术产业中,细菌的培养成本最高可占到总成本的60%,而细菌培养是微生物固土技术实施过程中的重要环节。通过优化细菌培养基配方,降低细菌的培养成本,有利于巴氏芽孢杆菌的工业化扩大生产,可有效提高微生物固土技术的经济性,使这一技术相较于传统固土方法更具优越性。另外,现阶段微生物固化土壤时细菌是通过菌液这一载体被添加到待加固土体内的,菌液在大规模工程应用时便携性不足,若在工程项目所在地按需生产菌液,则难以做到产业化、集约化。本发明的目的在于发明一种经济、高效、便携的芽孢杆菌菌剂及其使用方法,实现低成本固化土壤,可大规模应用于微生物固土工程。

技术方案

为了实现本发明的目的,本发明公开了一种固化土壤的芽孢杆菌菌剂,其特征在于该菌剂通过以下步骤制备:

a.将巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)冻干粉放入NH4-YE培养基中,在30℃下活化培养24h后得到菌种1;

b.将菌种1接种至装有液体培养基2的500mL摇瓶中进行适应性培养,装液量为400mL,得到菌种3;

c.将菌种3接入装有液体培养基2的种子罐中进行扩大培养,得到种子液4,种子罐体积100L~1000L,装液量60%~80%;

d.以2%~5%的接种量将种子液4接入装有液体培养基2的发酵罐中进行发酵培养,发酵罐体积10~100m3,装液量60%~80%,得到发酵液5。

e.对发酵液5进行喷雾干燥,进风温度100℃,出风温度80℃,得到菌粉6;

f.将菌粉6与轻质碳酸钙按照质量比5∶1混合均匀,得到固化土壤的芽孢杆菌菌剂。

所述的固化土壤的芽孢杆菌菌剂,其特征在于步骤b中的液体培养基2由10g/L麸皮、15g/L玉米粉、25g/L豆粕、5g/L氯化钠、20g/L尿素构成,pH为7.3,其中麸皮、玉米粉、豆粕均过筛处理,筛孔尺寸200目,液体培养基2使用前在121℃下灭菌20min。

所述的固化土壤的芽孢杆菌菌剂,其特征在于步骤b中菌种1停止适应性培养的条件为摇瓶中的巴氏芽孢杆菌脲酶活性大于10mmol/min。

所述的固化土壤的芽孢杆菌菌剂,其特征在于步骤d中发酵条件为:发酵温度30℃,通气量150~200L/h,搅拌速度为130~180r/min,停止发酵的条件为:发酵罐中巴氏芽孢杆菌的活菌数量≥1×109cfu/mL。

所述的固化土壤的芽孢杆菌菌剂的使用方法,其特征在于使用方法为:通过搅拌方式将固化土壤的芽孢杆菌菌剂与待加固土壤按5~10∶100的体积比混合均匀,静置12h使细菌吸附于土颗粒上,然后往待加固土壤中注入2~8遍由0.50~1.00mol/L尿素和氯化钙等摩尔比混合而成的胶结溶液,静置24h,利用巴氏芽孢杆菌新陈代谢活动诱导出具有胶凝作用的碳酸钙结晶完成土壤加固。

本发明的有益效果:

(1)本发明采用的麸皮、豆粕是农产品加工过程中的下脚料,玉米粉由玉米直接粉碎而来,相比于以往发酵采用的葡萄糖、蛋白胨、牛肉膏等培养基组分,这些组分来源广、廉价易得,有效降低了巴氏芽孢杆菌的培养成本,提高微生物固土技术的经济性;(2)本发明通过将巴氏芽孢杆菌制成固态粉剂,实现巴氏芽孢杆菌培养的产业化、集约化,固态菌剂运输方便,便携性高,在微生物固土施工过程中将其与待加固土壤进行搅拌即可实现细菌在土壤内均匀分布,施工简便,尤其适用于加固孔喉尺寸小,细菌难以通过注浆方式注入其内的粉土与黏性土。

附图说明

图1经过微生物固化的砂柱;图2微生物固化砂柱的无侧限抗压强度;图3经过微生物固化的粉土土柱;图4未经过微生物固化与经过微生物固化粉土的无侧限抗压强度。

具体实施方式

实施例1

在本例中,一种固化土壤的芽孢杆菌菌剂用于固化砂土,砂土为石英砂,含水率10%,二氧化硅含量98%,最大和最小堆积密度分别为1.63g/cm3和1.36g/cm3,平均粒径d50371um,不均匀系数0.960,现结合实例对该菌剂的制备及其使用方法展开说明:

a.将巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)冻干粉放入NH4-YE培养基中,在30℃下活化培养24h后得到菌种1;

b.将菌种1接种至装有液体培养基2的500mL摇瓶中进行适应性培养,装液量为400mL,菌种1每隔72h重新接种一次,液体培养基2由10g/L麸皮、15g/L玉米粉、25g/L豆粕、5g/L氯化钠、20g/L尿素构成,pH为7.3,使用前在121℃下灭菌20min,其中麸皮、玉米粉、豆粕均过筛处理,筛孔尺寸200目,当摇瓶中的菌种1经过三次接种且培养48h后,测得摇瓶中的巴氏芽孢杆菌脲酶活性达10.2mmol/min,停止适应性培养,得到菌种3;

c.将菌种3接入装有液体培养基2的种子罐中进行扩大培养,得到种子液4,种子罐体积100L,装液量75%;

d.以2%的接种量将种子液4接入装有液体培养基2的发酵罐中进行发酵培养,发酵罐体积10m3,装液量75%,发酵温度30℃,通气量160L/h,搅拌速度为150r/min,在发酵48h后,测得发酵罐中巴氏芽孢杆菌的活菌数量为2.08×109cfu/mL,停止发酵培养,得到发酵液5。

e.对发酵液5进行喷雾干燥,进风温度100℃,出风温度80℃,得到菌粉6;

f.将菌粉6与轻质碳酸钙按照质量比5∶1混合均匀,得到固化土壤的芽孢杆菌菌剂;

g.通过搅拌方式将8g固化土壤的芽孢杆菌菌剂与140g砂土混合均匀,装入固化模具中制成砂柱,然后静置12h使细菌吸附于土颗粒上,固化模具内腔直径38mm、高度为80mm。每隔24h通过蠕动泵(BT100-1L保定兰格)往固化模具内注入由1.00mol/L尿素和氯化钙等摩尔比混合而成的胶结溶液,共注浆6遍,利用巴氏芽孢杆菌新陈代谢活动诱导出具有胶凝作用的碳酸钙结晶完成土壤加固。

微生物固化结束后,通过脱模器将砂柱从固化模具中取出。脱模后的砂柱如图1所示,可见松散砂柱已经胶结成型,进一步的无侧限抗压强度试验表明(图2),经过微生物固化的砂柱无侧限抗压强度达1.3MPa。相同条件下,采用交替注入6遍由蛋白胨、氯化钠等组分制备而成的菌液以及胶结溶液方式固化的砂柱,其无侧限抗压强度在1.5~1.8MPa之间,采用菌液固化砂柱与采用菌剂固化砂柱的效果相差并不显著。制各菌液的蛋白胨每升价格0.20元,而菌剂制备采用的麸皮、豆粕、玉米粉等每升价格0.01元,生产成本较低,利用菌剂固化砂土经济效益显著。

实施例2

在本例中,一种固化土壤的芽孢杆菌菌剂用于固化吹填粉土,吹填粉土取自江苏省盐城市东台弶港条子泥填海造陆地区,塑性指数为7.8,含水率15.2%,土颗粒粒径集中分布在0.002mm~0.300mm,其中0.005mm~0.075mm的粉粒占81.05%,不均匀系数Cu=4.00,曲率系数Cc=0.69,级配不良。现结合实例对该菌剂的制备及其使用方法展开说明:

a.将巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)冻干粉放入NH4-YE培养基中,在30℃下活化培养24h后得到菌种1;

b.将菌种1接种至装有液体培养基2的500mL摇瓶中进行适应性培养,装液量为400mL,菌种1每隔72h重新接种一次,液体培养基2由10g/L麸皮、15g/L玉米粉、25g/L豆粕、5g/L氯化钠、20g/L尿素构成,pH为7.3,使用前在121℃下灭菌20min,其中麸皮、玉米粉、豆粕均过筛处理,筛孔尺寸200目,当摇瓶中的菌种1经过三次接种且培养48h后,测得摇瓶中的巴氏芽孢杆菌脲酶活性达10.4mmol/min,停止适应性培养,得到菌种3;

c.将菌种3接入装有液体培养基2的种子罐中进行扩大培养,得到种子液4,种子罐体积300L,装液量65%;

d.以2%的接种量将种子液4接入装有液体培养基2的发酵罐中进行发酵培养,发酵罐体积30m3,装液量65%,发酵温度30℃,通气量180L/h,搅拌速度为165r/min,在发酵48h后,测得发酵罐中巴氏芽孢杆菌的活菌数量为5.32×109cfu/mL,停止发酵培养,得到发酵液5。

e.对发酵液5进行喷雾干燥,进风温度100℃,出风温度80℃,得到菌粉6;

f.将菌粉6与轻质碳酸钙按照质量比5∶1混合均匀,得到固化土壤的芽孢杆菌菌剂;

g.通过搅拌方式将12g固化土壤的芽孢杆菌菌剂与145g粉土混合均匀,然后装入固化模具中制成粉土土柱,静置12h使细菌吸附于土颗粒上,固化模具内腔直径38mm、高度为80mm。每隔24h通过蠕动泵(BT100-1L保定兰格)往固化模具内注入由0.50mol/L尿素和氯化钙等摩尔比混合而成的胶结溶液,共注浆4遍,利用芽孢杆菌新陈代谢活动诱导出具有胶凝作用的碳酸钙结晶完成土壤加固。

微生物固化结束后,通过脱模器将粉土土柱从固化模具中取出。脱模后的粉土土柱如图1所示,可见粉土土柱已经胶结成型,进一步的无侧限抗压强度试验表明(图2),经过菌剂固化的粉土无侧限抗压强度达0.8MPa,而未经菌剂固化的粉土无侧限抗压强度0.06MPa,两者相差一个数量级,说明菌剂固化粉土的效果良好。菌剂制备采用的麸皮、豆粕、玉米粉等每升价格仅0.01元,生产成本较低,可成批量、大规模产生以满足工程需求。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1